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1、余热发电工艺及设备综述,定义利用生产过程中多余的热能转换为电能的技术。,多余的热能主要包含有：高温烟气余热化学反应余热废气、废液余热低温余热（低于200）等 。,那么在硫铁矿制酸工艺中包含了那些余热呢？,1、硫铁矿沸腾焙烧（燃烧过程） 4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2+ 790.52千卡 3FeS2 + 8O2 = Fe3O4 + 6SO2 +566千卡 硫铁矿焙烧是放热反应 1kg硫铁矿焙烧放出热量为5718.96kj-7987.55kj，折标煤0.2-0.273kg。 （注：1千卡=4.185KJ，标煤低位发热量29270kj）,可以看出，硫铁矿的焙烧过程的余热是巨
2、大的，按每年10万吨的硫铁矿处理量来计算，每年可发电4755万度。但由于实际过程中存在的能量损失，而且有一部分热量是不能利用的，受这些条件限制，10万吨硫铁矿制酸系统的发电量大概在2000万度/年。,2、SO2转化反应放热 SO2 + O2 SO3 + Q 这是一个放热的可逆反应，其热量除了满足转化系统的热平衡外，仍然剩余部分热量（烟气温度从250-180度），这部分热量也是可以利用的。,这两个过程就是化工公司余热的来源。,余热利用的基本过程： 1、烟气热量转换成工质（水）的热力学能 这个过程依靠锅炉来完成（换热）使饱和状态的水变成过热状态的水蒸汽。 （定压吸热过程） 2、水蒸汽的热力学能转变
3、为汽轮机转子的机械能。 水蒸汽绝热膨胀，将其热力学能转变为蒸汽动能（宏观），推动汽轮机转子转动。（定熵膨胀） 3、机械能转变为电能 根据电磁感应定律，依靠发电机，转变为电能（电动机的反过程）,以上这几个过程就是余热发电的基本过程，涉及到热力学的基本知识。,热力学中的几个基本概念：,1、状态、状态参数 状态是热力系在指定瞬间所呈现的全部宏观性质的总称。 状态参数是从各个不同方面描写这种宏观状态的物理量。 2、常用的六个状态参数压力、比体积、温度、热力学能、焓、熵压力、比体积和温度称为基本状态参数,1、压力1）压力定义 压力是单位面积上承受的垂直作用力 P=F/A（1Pa=1N/m2)2）压力的微
4、观解释气体的大量分子在紊乱的热运动对中 容器壁频繁碰撞的结果。,3）压力的种类及相互关系绝对压力 P 大气压力 Pb 表 压 力 Pg 真 空 度 Pv Pg = P - Pb Pv = Pb - P P = Pb + Pg P = Pb Pv,4） 压力单位及换算国际单位制（SI）：Pa(帕) 1Pa = 1N/m2,换算关系,2、体积、比体积、密度体积：物质所占空间的大小，单位m3比体积：单位质量的物质所占有的体积比体积的倒数称为密度（ ）。密度是单位体积的物质所具有的质量比体积的单位 m3/kg 密度的单位 kg/m3,3、温度 温度表示物体的冷热程度。气体温度表示分子平均移动能。 温标
5、：国际温标（ SI） 用 T 表示， 单位为 K（开）。摄氏温标，用 t 表示，单位为。C（摄氏度）。 换算关系 : t = T T0（T0 = 273.15K ）,4、热力学能热力学能是指组成热力系的大量微观粒子本身具有的能量（不包括热力系宏观运动的能量和外场作用的能）。热力学能包括： 分子动能、分子位能、 分子化学能、原子能等对于气体，分子动能包括分子的移动能、转动能和分子内部的振动能。,4、热力学能对于理想气体：热力学能仅仅与温度有关系，因为理想气体的前提是分子间距无限大，不存在内力（分子间作用力），因此其内能仅仅包含分子动能。而对于实际气体，热力学能受温度、压力、体积等状态参数的影响。
6、,比热力学能：单位质量物质的热力学能国际单位制： J 或 J / kg工程单位制： kcal 或 cal / kg 1 kcal = 4.1868 kJ,5、焓焓是一个组合的状态参数 单位质量物质的焓称为比焓国际单位制：J 或 J / kg工程单位制：kcal，比焓的单位是 kcal/kg。,6、熵熵是一个导出的状态参数。对简单可压缩均匀系，它可以由其它状参数按下列关系式导出：,单位质量的物质的熵称为比熵（简称为熵）：国际单位制： J / K 或 J / (k g.k) 工程单位制： kcal 或 kcal / (k g.k),热力学第一定律，又称能量守恒定律。 1、功、热定义 热力系通过界面
7、和外界进行的机械能的交换量称为作功量，简称功。 热力系通过界面和外界进行的热能的交换量称为传热量，简称热量。2、功、热符号总 质 量：功 - W 热量 - Q,3、功和热量正负的热力学规定：热力系对外界作功为负（W 0）热力系从外界吸热为正（Q 0）热力系对外界放热为负（Q 0）,初中我们学过，改变物体内能的方式有两个：做功和热传递。 1、一个物体，如果它跟外界不发生热交换，也就是它既没有吸收热量也没有放出热量，则外界对其做功等于其热力学能的增量： U1=W 如果物体对外界做功，则W为负值，热力学能增加量U1也为负值，表示热力学能减少。 2、如果外界既没有对物体做功，物体也没有对外界做功，那么
8、物体吸收的热量等于其热力学能的增量： U2=Q 如果物体放热，则Q为负值，热力学能增加量U2也为负值，表示热力学能减少。,一般情况下，如果物体跟外界同时发生做功和热传递的过程，那么物体热力学能的增量等于外界对物体做功加上物体从外界吸收的热量，即： U=U1+U2=Q+W 因为热力学能U是状态量，所以： U=U末态-U初态=Q+W 上式即热力学第一定律的表达式。,对于定容过程，由于不存在体积变化，即不做体积功，则系统与外界的热量交换等于系统的内能变化量（取决于系统的始末状态）。对于定压过程，由于系统只做体积功， 即W=W体积 则Q=U-W体积=U-(-PV)=U+PV=H 表明恒压过程中的热等于
9、系统焓的变化 （ 取决于系统的始末状态）。,由此可以看出，热力系的状态参数变化，决定了热力系与外界的能量交换情况，因此在实际的工艺工程中，要严格监控工质的状态参数，以了解和判断工艺过程的变化。余热发电的整个过程就是基于工质状态参数的变化来实现能量的转换与传递的。 对于理想气体，其状态参数符合理想气体状态方程（PV=nRT），对于实际气体，PV/T=C(C渐变）。,几种常见的热力过程1、定容过程2、定压过程3、定温过程4、定熵过程（绝热过程）,一、定容过程1.定义定容过程是热力系在保持比体积不变的情况下进行的吸热或放热过程。2.过程方程和状态参数变化规律V = 常数 V2 = V1 d V =
10、0,对于理想气体,根据其状态方程,在定容过程中其压力与温度成正比,即：3.过程图示在p - v图中,定容过程为一条垂直线,如图3-1a所示; 在T - s图中,定比热容理想气体进行的定容过程是一条指数曲线,如图3-1b所示。,定容过程,(a) (b) 图 3-11 2 为定容吸热过程 1 2 为定容放热过程,二、定压过程1.定义定压过程是指热力系在保持压力不变的情况下进行的吸热或放热过程。例如在锅炉进行的过程就是常见的近似于定压过程。2.过程方程和状态参数变化规律P=常数 p2 = p1 d p = 0,对于理想气体,根据其状态方程,在定压过程中其比体积和温度成正比,即3.过程图示在 p v
11、图中,定压过程是一条水平线(图3-2a)；在 T s 图中,定比热容理想气体定压过程是一条指数曲线(3-2b)。,定压过程,(a) (b)图 3-2,三、定温过程1.定义定温过程是热力系在温度保持不变的情况下,热力系进行的膨胀(吸热)或压缩(放热)过程。例如在冷凝器和蒸发器中进行的过程就是定温过程。2.过程方程和状态参数变化规律T = 常数 T2 = T1 d T = 0 理想气体在定温过程中,压力和比体积保持反比关系: p v = R g T = 常数,3.过程图示在压容图中,理想气体的定温过程是一条等边双曲线(3-3a);在温熵图中,定温过程是一条水平线(图3-3b)。,定温过程,(a)
12、(b)图 3-31 2 为定温膨胀（吸热）过程 1 2 为定温压缩（放热）过程,四、定熵过程 定熵过程的一般条件,1.定义 定熵过程是热力系在保持比熵不变的条件下进行的膨胀或压缩的过程。例如在蒸汽轮机和压气机进行的过程就近似于定熵过程。 2.过程方程和状态参数变化规律 S =常数 S2 = S1 d s = 0,3.过程图示在压容图中,定比热容理想气体的定熵过程是一条高次双曲线(图3-4a)。在温熵图中, 定熵过程是一条垂直线(图3-4b)。,(a) (b)图 3-41 2 为定熵膨胀过程 1 2为定熵膨胀过程,定熵过程,水蒸气的热力性质和蒸汽动力循环问题：为什么选用水作为传热工质？它在整个由
13、热转化为电的过程中到底起到什么作用？,水蒸气的饱和状态,汽化 液体转变为汽体的过程液化 蒸汽或气体转变为液体的过程蒸发 液体表面在任何温度进行的缓慢汽过程 饱和状态是汽化和液化达到动态平衡共存的状态,沸腾-液体表面和液体内部在温度达到和超过饱和温度时通过产生汽泡所进行的激烈的汽化过程。 沸腾和蒸发的区别：蒸发是在任何温度下液体表面通过分子飞升的方式进行的缓慢的汽化过程。沸腾是在温度达到和超过饱和温度时通过产生汽泡和分子飞升的方式所进行的激烈的汽化过程。,图 1 图 2,饱和的含义、饱和水、饱和水蒸气湿饱和蒸汽（湿蒸汽）干饱和蒸汽过热水蒸汽过冷水或未饱和水饱和压力ps、饱和温度ts,饱和温度与饱和压力的对应关系一定的饱和温度总是对应着一定的饱和压力一定的饱和压力总是对应着一定的饱和温度饱和温度愈高，饱和压力也愈高实验测出饱和温度与饱和压力的关系如图2中曲线AC所示,
