淺談天然氣的供暖方式

摘要：隨著人民生活水平的提高，人們對能源的需求量越來越大。由于煤炭的污染非常嚴重，給城市環境帶來不利影響，燃煤正在被燃氣所取代。因此，燃氣的用量和用氣范圍正在逐步的擴大。本文就天然氣在供暖領域的應用做了一些分析。

關鍵詞：天然氣 供暖 應用

0 引言

目前人們廣泛使用的燃氣主要分為三種，即天然氣、煤氣和液化石油氣。天然氣是一種無色、無味、無毒且無腐蝕性的可燃氣體。主要成分為甲烷，也包括一定量的乙烷、丙烷和重質碳氫化合物。還有少量的氦氣、氧氣、二氧化碳和硫化物。另外，在天然氣管線中還發現有水分。甲烷的分子結構是由一個碳原子和四個氫原子組成，燃燒產物主要是二氧化碳和水。與其它化石燃料相比，天然氣燃燒時僅排放少量的二氧化碳粉塵和極微量的一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化物，因此，天然氣是一種清潔的能源。我國天然氣開發的快速進展，使得天然氣在供暖領域得到廣泛利用。

1 燃氣鍋爐

對于燃氣鍋爐，天然氣燃燒產生的熱量直接用于供暖，是最簡單的一種供熱方式。從規模一來看，這種供暖方式包括用于一家一戶的家用燃氣爐，一幢樓或一個小區的小型燃氣鍋爐以及用于大片面積供熱的區域性燃氣鍋爐。

1.1家用燃氣爐，這是目前應用較為廣泛的一種天然氣供暖方式，通常設置于廚房或陽臺，配有先進的電子點火控制、安全保護和溫度調節等系統，操作簡單，調節靈活，還能同時滿足生活熱水需求。但是，由于是分散燃燒，會影響社區的空氣品質，同時也存在燃氣泄漏、燃燒故障甚至發生爆炸等安全性問題。

1.2小型燃氣鍋爐實際上是一種規模較小的燃氣集中供熱系統，在用戶附近設置統一的燃氣鍋爐，向各用戶房間提供供暖熱水。這種供暖系統一般用于一幢商業建筑或辦公樓。由于將用戶熱源集中為一個，便于管理，提高了安全性，對用戶空氣的污染問題也相應減輕。但需要增設鍋爐房和管網。

1.3區域燃氣鍋爐的規模更大，它需要通過熱網向大面積的用戶供熱。由于熱源更為集中，供熱系統運行工況更加穩定，鍋爐運行效率更高，同時大型鍋爐更有條件采用先進的低氮燃燒技術，環境污染更小，在一些已有的“煤改氣”區域供熱系統中可根據具體情況慎重應用。但是，由于熱網投資大，熱水管網輸送能耗和熱損失高，這種燃氣供暖方式不宣于在新建區域供熱系統中推廣。

2 燃氣熱電聯產

對于純熱力發電系統，燃料一般只有少部分的能源轉化為電能，發電效率只有30％左右，而大部分燃料的能量形成余熱排到大氣。熱電聯產系統則在發電的同時，利用了這部分余熱用以供熱，從而使得熱電聯產的能源利用效率可以達到80％以上。由于實現了能量的梯級利用，因而是比燃氣鍋爐先進的供暖形式。評價熱電聯產系統能源利用效率的指標主要有熱電比和發電效率等。熱電比是指熱電聯產系統或裝置的供熱量和發電量之比。

2.1鍋爐加供熱汽輪機是我國最常見的熱電聯產形式。燃料在鍋爐中燃燒后將熱量傳給蒸汽，由高溫高壓蒸汽帶動汽輪發電機組發電，做功后的低品位的汽輪機抽汽A或背壓排汽用于供熱。這種系統適用于以煤為燃料，技術已非常成熟，主要設備也早已國產化。但由于占地大，負荷調節能力差，發電效率低，燃氣熱電聯產系統一般只在煤改氣的熱電聯產中得以應用，而在新建熱電聯產系統中很少采用。

2.2燃氣輪機熱電聯產系統，分為單循環和聯合循環兩種形式。單循環的工作原理是：空氣經壓氣機與燃氣在燃燒室燃燒后溫度達1000℃以上、壓力在1.0～1.6MPa的范圍內進入燃氣輪機推動葉輪，將燃料的熱能轉變為機械能，并拖動發電機發電。從燃氣輪機排出的煙氣溫度一般為450～600℃，通過余熱鍋爐將熱量回收用于供熱。大型的燃氣輪機效率可達30％以上，熱和電輸出的總效率一般能夠保持在80％以上。當機組負荷低于50％時，熱效率下降顯著。燃氣輪機組啟停調節靈活(平時啟動時間約為10～15min，快速啟動為6min左右)，因而對于變動幅度較大的負荷較適應。目前工業燃氣輪機的生產基本上來自西方國家。上述單循環中余熱鍋爐可以產生參數很高的蒸汽，如果增設供熱汽輪機，使余熱鍋爐產生的高參數蒸汽在供熱汽輪機中繼續做功發電，其抽汽或背壓排汽用于供熱，可以形成燃氣—蒸汽聯合循環系統。這種系統工程的發電效率進一步得到提高，甚至可達到50％以上。

2.3另一種燃氣熱電聯產形式以往復式內燃機為動力裝置。當規模較小時，它的發電效率明顯比燃氣輪機高，一般在30％以上，因而在一些小型的燃氣熱電聯產系統中往往采用這種內燃機形式。但是，由于內燃機的潤滑油和氣缸冷卻放同的熱量品位較低(溫度不超過90℃)，而且該熱量份額很大，幾乎與煙氣回收的熱量相當，因而這種供暖形式在供熱溫度要求高的情況下受到了限制。樓宇式熱電(冷)聯產是特別適用于商業建筑的小型高效天然氣供熱系統。所采用的動力裝置均小型化，如小型燃氣輪機、微燃機及小型內燃機等。與大型集中供熱(冷)方式的熱電(冷)聯產相比，樓宇式熱電(冷)聯產系統省去了外網的投資和相應的熱損失。但小型動力裝置單位發電容量投資偏高。

2.4燃料電池是把氫和氧反應生成水放出的化學能直接轉換為電能的裝置。它有3個基本構件，即燃料(由CH₄生成H₂)處理裝置，燃料電池基本構件和換流裝置(直流轉換成交流)。其基本原理相當于電解反應的逆向反應。燃料(H₂或CO等)及氧化劑(O₂)在電池的陰極和陽極上借助氧化劑作用，電離成離子；因離子能通過在二極中間的電介質在電極間遷移，在陰電極、陽電極間形成電壓，當電極同外部負載構成回路時就可向外供電。給出質子交換膜燃料電池的工作原理：天然氣中的氫被分離成質子和電子，質子穿過膜，而電子繞過膜而形成電流；在膜的另一側，質子和電子與氧結合，生成水，并產生另一副產品—熱量，用于供熱。燃料電池的種類不少，根據使用的電解質不同，有磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)和質子交換膜燃料電池(PEMFC)等。燃料電池具有無污染、高效率、適用廣、無噪聲和能連續運轉等優點。它的發電效率可達40％以上，熱電聯產的效率也達到80％以上。目前，多數燃料電池正處于開發研制中，已經推向市場的產品仍較昂貴(1500美元/kW以上)。但隨著該項技術商業化進程的推進，必將在未來燃氣供暖行業起到越來越重要的作用。目前從事燃料電池研究和開發的主要有美國、加拿大、日本、德國等國的公司。我國也有大連化物所等多家單位從事燃料電池的研究。

3 燃氣熱泵

燃氣熱泵是由燃氣驅動，利用環境熱量供熱的裝置，如圖5所示。燃氣熱泵供熱量是燃氣熱量與環境熱量之和，因此它的效率高于燃氣鍋爐。攜帶熱量的環境介質可以是周圍空氣、江河湖海的水，地熱以及其他余熱介質等。根據工作原理的不同，可以分為燃氣壓縮式熱泵和燃氣吸收式熱泵兩種。吸收式熱泵是通過工質(如水)的蒸發和冷凝，以及溶液吸收和再生等傳熱傳質過程來工作的。常見的工質主要有溴化鋰溶液和氨一水等。對于溴化鋰燃氣熱泵，單效型熱泵供熱效率可達150％～170％，雙效型則可超過200％。由于技術條件的局限，在我國北方地區的嚴寒期因除霜困難和效率低等問題，燃氣熱泵與電動熱泵一樣，直接從環境空氣吸熱的空氣源熱泵受到限制。但是，利用地熱、江河湖海水和其他余熱的燃氣熱泵則在北方地區更有推廣價值。

參考文獻：

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