天然氣的高效利用研究論文
一、前言
人們常稱21世紀(jì)是天然氣世紀(jì)，中國天然氣黃金時(shí)代就要到來。“天然氣經(jīng)濟(jì)效應(yīng)”將推動我國的能源革命、環(huán)保革命、產(chǎn)業(yè)革命向著一個(gè)嶄新的發(fā)展。
我國政府推出一系列支持和鼓勵(lì)發(fā)展國內(nèi)天然氣、引進(jìn)天然氣和引進(jìn)液化天然氣的政策，為加促我國能源革命向天然氣轉(zhuǎn)換，提供了有力的保證。
最近中國政府出臺了天然氣產(chǎn)業(yè)上中下游全環(huán)節(jié)對外開放的政策，鼓勵(lì)外商參與從天然氣的勘探開發(fā)、基礎(chǔ)設(shè)施、天然氣發(fā)電、大中城市燃?xì)獾慕ㄔO(shè)與經(jīng)營的整個(gè)天然氣產(chǎn)業(yè)鏈。
天然氣的廣泛應(yīng)用、合理利用和天然氣的長期、穩(wěn)定供應(yīng)，為大力發(fā)展我國燃?xì)饪照{(diào)，開展區(qū)域制冷和化工精煉過程提供了可靠的基礎(chǔ)條件。
二、大力發(fā)展天然氣產(chǎn)業(yè)是調(diào)整我國能源結(jié)構(gòu)的需要
1、落后的一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)
（1）中國一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)：煤炭62.1%、石油27.7%、水電7%、天然氣2.7%、核能0.5%。
（2）世界一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)：石油40.03%、煤炭24.98%、天然氣24.72%、核能7.64%、水電2.63%。
2、我國能源資源短缺的壓力
從1993年起，中國已成為石油凈進(jìn)口國，2002年進(jìn)口石油7000萬噸以上。2003年進(jìn)口石油9000萬噸以上，2004年超過1億噸，2005年中國石油消費(fèi)量達(dá)到2.6億噸/年左右。到2015年中國將成為世界上最大的石油消費(fèi)國。
2 001年中國天燃?xì)庀M(fèi)量250億立方米，2005年消費(fèi)量300億立方米，在一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中還不到3%。
到2020年，中國天然氣產(chǎn)量將由目前的340億立方米增加到本1200億立方米，而需求量要增加到2000億立方米，缺口800億立方米需由進(jìn)口來彌補(bǔ)。據(jù)有關(guān)資料分析，2006年將進(jìn)口LNG320萬噸，2010年達(dá)1900萬噸，2015年達(dá)3300萬噸。
目前，我國人均占有能源儲量還不到世界人均占有量的一半。在能源資源中，煤炭占60%以上，人均煤炭資源占有量大約是世界人均的一半，而石油天然氣的人均占有量不到世界平均水平的十分之一。
第二次世界大戰(zhàn)之后，一切國際重大戰(zhàn)爭或沖突的根源就是為了搶奪有“黑金”之稱的石油。2003年伊拉克戰(zhàn)爭，不僅是對國際能源地緣政治格局的一次重新洗牌，也使得世界石油市場格局產(chǎn)生了巨大的影響。
能源資源短缺，對我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來了巨大的壓力。
3、我國環(huán)境嚴(yán)重污染的壓力
長期以來，我國能源資源以煤為主，城市煤氣、工業(yè)窯爐、發(fā)電都以燃煤為主。燃燒產(chǎn)物中的硫化物、二氧化碳、氮氧化物，以及大量煙塵污染，使城市空氣質(zhì)量嚴(yán)重惡化。
1998年聯(lián)合國公布了世界空氣污染最嚴(yán)重的十大城市,排名為：太原、米蘭、北京、烏魯木齊、墨西哥、蘭州、重慶、濟(jì)南、石家莊、德黑蘭。只有中國、南非、波蘭、和北朝鮮，煤炭使用率超過60%。
據(jù)權(quán)威部門檢測顯示：煙塵排放量的70%，二氣化硫的90%來自燒煤的結(jié)果。按我國目前燒煤炭比重高達(dá)70%的能源結(jié)構(gòu)測算，每年排放二氧化硫2000多萬噸，工業(yè)煙塵1000多萬噸，酸雨控制面積達(dá)40%，環(huán)境污染非常嚴(yán)重。
面對環(huán)境嚴(yán)重污染的現(xiàn)象，擴(kuò)大國內(nèi)天然氣生產(chǎn)、加促引進(jìn)國外天然氣和液化天然氣改變我國能源結(jié)構(gòu)已成為迫不可待和需要認(rèn)真研究的重要課題。
4、建設(shè)環(huán)保城市和生態(tài)城市的迫切要求
第二次世界大戰(zhàn)之后，科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)、經(jīng)濟(jì)高速增長、城市規(guī)模迅速膨脹、農(nóng)村城市化進(jìn)程不斷加快，以大氣污染和水資源環(huán)境惡化為特征的“城市病”不斷在漫延，不斷在報(bào)復(fù)人類，引起了各國政府的高度重視，大力支持環(huán)保城市的建設(shè)和生態(tài)城市的建設(shè)，用最清潔的能源不斷取代污染性的能源是當(dāng)代城市建設(shè)者們的一項(xiàng)重要任務(wù)。
5、天然氣是當(dāng)今世界的理想能源
天然氣是當(dāng)今世界的理想能源，天然氣的合理利用和優(yōu)化利用，特別是廣泛應(yīng)用在燃?xì)饪照{(diào)、燃?xì)饴?lián)合循環(huán)發(fā)電和區(qū)域制冷對優(yōu)化我國能源結(jié)構(gòu)、優(yōu)化生態(tài)城市建設(shè)、優(yōu)化理想人居空間，創(chuàng)造人和自然的和諧環(huán)境都具有非常重要的意義。
第一、高效。絕大部分燃煤機(jī)組發(fā)電效率為30%左右，最高的亞臨界點(diǎn)發(fā)電效率也不超過38%；天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率高達(dá)60%；如果采用功熱聯(lián)產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用天然氣，能源利用效率可達(dá)80%以上。
第二、潔凈。天然氣的主要成份為甲烷，1分子CH4燃燒產(chǎn)物為2分子H2O和1分子CO2，每立方米天然氣燃燒產(chǎn)物含2公斤水。CO2的總排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于燃煤，也小于燃燒液化石油氣。
液化天然氣（LNG），是天然氣從氣井開采出來之后，經(jīng)凈化，除去雜質(zhì)在低溫下液化的產(chǎn)物，其燃燒產(chǎn)物非常干凈，基本不含硫化物和氮氧化物。
第三、方便。液化天然氣（LNG）在接收基地氣化以后，通過高壓管線輸送到門站，降低壓力后送至城市居民用戶和工商用戶，與管道天然氣一樣再不要后處理，既方便又省事。總的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于用煤和其他燃料。這是天然氣在全球能耗比例中增長最快的主要原因。
三、我國天然氣的'發(fā)展策略
國家發(fā)改委最近提出我國天然氣發(fā)展策略是：立足國內(nèi)、利用海外、西氣東輸、北氣南下、海氣登陸、就近供應(yīng)，走國內(nèi)生產(chǎn)與國外進(jìn)口相結(jié)合的LNG發(fā)展道路。預(yù)計(jì)至2020年投資2200億人民幣用于天然氣基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。就是建設(shè)5萬公里天然氣管線，引進(jìn)千萬噸級液化天然氣接收站，形成百萬噸級的液化天然氣運(yùn)輸能力。將在長三角、環(huán)渤海地區(qū)、泛珠三角地區(qū)建設(shè)10個(gè)左右的LNG接收站，到2020年形成進(jìn)口5000萬噸規(guī)模LNG接收設(shè)施。使天然氣在一次能源消費(fèi)中達(dá)到12%。
針對資源短缺將成為中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要瓶頸的問題，國家能源局將采取五大措施加以解決：
一是組織探明我國資源儲量，增加石油產(chǎn)量；
二是通過替代燃料和提高燃油經(jīng)濟(jì)型標(biāo)準(zhǔn)來減少工業(yè)和民用機(jī)動車的耗油量；
三是大力開發(fā)天然氣資源，力爭在5年內(nèi)產(chǎn)量翻兩翻；
四是鼓勵(lì)企業(yè)走出去，利用境外資源；
五是規(guī)范市場建設(shè)，面對電力短缺，采取錯(cuò)峰用電，跨區(qū)域用電，用價(jià)格杠桿調(diào)節(jié)市場。實(shí)行多元化、多國化資源開發(fā)戰(zhàn)略，增強(qiáng)中國有效使用世界資源和保護(hù)國內(nèi)資源的能力。
四、引進(jìn)國外天然氣的經(jīng)濟(jì)意義和社會意義：
第一、今后幾年我國電力將嚴(yán)重短缺
隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的持續(xù)快速發(fā)展以及人民生活生平的不斷提高，對電力用量急劇增長的需求，就是采取西電東送和加速建設(shè)火力發(fā)電廠，也很難使缺電的局面得到緩解。
據(jù)國家電網(wǎng)公司透露，今冬公司經(jīng)營區(qū)域內(nèi)電力缺口為2983萬KW，其中華北缺747萬KW，華東缺2078萬KW，華中缺158萬KW，浙江省就缺880萬KW。
因此，引進(jìn)天然氣，對增加電網(wǎng)調(diào)峰手段，改善環(huán)境污染都具有非常重要的意義。
第二、引進(jìn)天然氣為開發(fā)功熱聯(lián)產(chǎn)技術(shù)提供保證
引進(jìn)天然氣為我國熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，廣泛建立區(qū)域能源站，充分提高能量利用效率提供了非常有利的條件。對我國的供電安全也有重大作用。9.11事件和非典事件以后，發(fā)達(dá)國家都在加速建立區(qū)域制冷系統(tǒng)的步伐，避免由于意外事故造成大面積中斷供電事故，保障供電安全。
第三、大量引進(jìn)天然氣有利于石化原料的結(jié)構(gòu)調(diào)整
大量引進(jìn)天然氣占領(lǐng)民用燃?xì)馐袌鲆院螅梢园涯壳懊磕晗牡?500萬噸的民用液化石油氣頂替出來，回到石油化工原料市場上去，進(jìn)一步優(yōu)化我國石油產(chǎn)品的分布結(jié)構(gòu)、優(yōu)化乙烯和各種石化產(chǎn)品的原料結(jié)構(gòu)，降低能耗，提高總體經(jīng)濟(jì)效益。
第四、參與迅速發(fā)展的世界LNG貿(mào)易
美國聯(lián)邦儲備局局長阿蘭.格林斯潘在參加今年四月戰(zhàn)略和國際研究中心舉行的能源會議時(shí)表示：
1、為防止未來急劇上升的燃?xì)鈨r(jià)格給美國經(jīng)濟(jì)造成損失，美國需要擴(kuò)展天然氣領(lǐng)域在全球范圍內(nèi)的貿(mào)易；
2、近年來，石油和燃?xì)饬杲回泝r(jià)格的急劇上漲必然會對美國經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生影響；
3、去年進(jìn)口的液化天然氣只占美國市場總量的2%，部分原因是環(huán)境和安全隱憂限制了美國具備處理液化天然氣能力的港口數(shù)量或LNG運(yùn)輸；
4、未來天然氣的高價(jià)格已經(jīng)讓我們將天然氣進(jìn)口當(dāng)作更有吸引力的選擇；
5、目前世界能源進(jìn)口中，石油比例為57%，天然氣僅為23%，這顯示了天然氣貿(mào)易的巨大潛力；
6、為了緩解目前的價(jià)格壓力，格林斯潘呼吁通過液化天然氣終端設(shè)施的擴(kuò)展和海岸LNG接收和重氣化新技術(shù)的發(fā)展努力擴(kuò)大全球供應(yīng)；
7、隨著LNG液化和運(yùn)輸技術(shù)的發(fā)展和安全隱憂的減少，美國進(jìn)口能力正在逐漸加強(qiáng)。
五、天然氣高效利用的途經(jīng)分析
1、用作民用燃料和鍋爐燃料
天然氣用來燒水做飯，雖說是一種非常理想的清潔燃料，但就其熱量利用效率來說是極其不合算的。利用天然氣產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈦砑訜釤崴_(dá)到80至100℃，從熱力學(xué)第二定律計(jì)算可知其利用效率極低。作為民用燃料又不得不使用。隨著電磁灶的出現(xiàn)和普及，天然氣爐灶會被遂步頂替。作為工業(yè)燃料直接燒鍋爐，將大量熱能浪費(fèi)在煙氣中，更是極不經(jīng)濟(jì)的做法。
2、用作直燃空調(diào)燃料
利用天然氣燃燒的高溫?zé)煔庾鳛殇寤囍评錂C(jī)組的熱源，使制冷機(jī)產(chǎn)生冷量，隨著國防環(huán)境意識的增強(qiáng)和溴化鋰制冷技術(shù)的不斷成熟，燃?xì)庵醒肟照{(diào)在世界各地得到了越來越廣泛的應(yīng)用。在日本，燃?xì)饪照{(diào)每年增長60多萬冷噸，并以13.6%的速度增長，比電空調(diào)以8.7%的速度增長快得多。目前在日本，5000平方米以上的現(xiàn)代建筑，有70%以上使用吸收式制冷機(jī)。科學(xué)工作者正在研究5KW、2.7KW甚至更小的別墅和家庭用的小型吸收式燃?xì)饪照{(diào)。但就天然氣在直燃式燃?xì)饪照{(diào)的利用來論，其熱力學(xué)效率還是比較低的。
3、用作聯(lián)合循環(huán)發(fā)電燃料
燃?xì)廨啓C(jī)是一種布來頓循環(huán)的新型發(fā)動機(jī)，目前噴氣式飛機(jī)的發(fā)動機(jī)都是燃?xì)廨啓C(jī),屬輕型燃?xì)廨啓C(jī)。而發(fā)電廠用的是重型燃?xì)廨啓C(jī)，規(guī)模可達(dá)幾十萬KW。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)發(fā)展非常快，20年前的發(fā)電效率只有20%左右，現(xiàn)在的大型燃?xì)廨啓C(jī)一次發(fā)電效率已經(jīng)超過40%。
聯(lián)合循環(huán)發(fā)電就是燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)聯(lián)合發(fā)電，天然氣先在燃?xì)廨啓C(jī)里發(fā)電，排出的400至600℃的高溫?zé)煔馔ㄈ胗酂徨仩t，產(chǎn)生400℃的高溫和4MPa的高壓蒸汽，進(jìn)入蒸汽輪機(jī)發(fā)電，兩者發(fā)電效率總和可達(dá)60%以上。
4、用作區(qū)域能源站燃料
天然氣通過燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電以后，高溫?zé)煔饣蛴米髦评洌蜻M(jìn)入熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，這些蒸汽或用來發(fā)電，或用作其他工藝熱源利用，比單用來燒鍋爐的效率要高得多。因?yàn)樘烊粴庠谌細(xì)廨啓C(jī)發(fā)電利用了30~40%的效率之后，余熱產(chǎn)生的蒸汽再發(fā)電或供熱或制冷，這就是所謂的電熱冷聯(lián)產(chǎn)效應(yīng)，熱效率可達(dá)到80%以上。
因?yàn)槿紵臒煔獠缓趸颍a(chǎn)生的水蒸汽冷凝潛熱，還可以得到利用，使燃?xì)廨啓C(jī)的最終排氣溫度可低至38℃，幾乎90%的熱量都被利用了。這是一種最高效的熱量利用途徑，國外用得很多，發(fā)展也很迅速。
采用熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)，一次能源利用率可高達(dá)1.49的比值，比熱電冷分供要高一倍，標(biāo)準(zhǔn)氣耗則降低一半。預(yù)計(jì)到2020年，樓宇能源的最主要的形式將會有一半被熱電冷三聯(lián)供的形式代替，這是21世紀(jì)能源的發(fā)展方向。
六、天然氣在區(qū)域能源站的高效利用
1、電熱冷三聯(lián)產(chǎn)節(jié)能原理
天然氣作為能源利用的最高效率是電熱冷三聯(lián)產(chǎn)。從熱力學(xué)第一定律來說，它的節(jié)能原理就是能把能量吃光榨盡。
天然氣在燃?xì)廨啓C(jī)里就有30-40%的能量轉(zhuǎn)化為電能，一次轉(zhuǎn)化的效率就高于一般火電廠的鍋爐蒸汽輪機(jī)機(jī)組的效率。再加上排出高溫?zé)煔猱a(chǎn)生的高溫高壓蒸汽進(jìn)入蒸汽輪機(jī)發(fā)電，使能量利用率達(dá)到60%以上。剩余的能量還可以用來制冷，產(chǎn)生熱水，用于各種不同能級的用戶，系統(tǒng)能量梯級充分利用，使能量利用率達(dá)到80%以上的最高境界。這便是天然氣電熱冷三聯(lián)產(chǎn)的供能價(jià)格比燒煤還有競爭力的根本原因。
能源產(chǎn)業(yè)的一場革命，大電網(wǎng)與微小型發(fā)電機(jī)并存，被全球?qū)＜艺J(rèn)為投資省、能耗低、可靠性高的能源系統(tǒng)，是21世紀(jì)的發(fā)展方向。
2、國外區(qū)域能源站的迅速發(fā)展
區(qū)域能源站，在國外有稱區(qū)域冷暖中心，區(qū)域燃?xì)庵评湎到y(tǒng)，區(qū)域制冷系統(tǒng)、分布式能源站。
區(qū)域能源站技術(shù)從七十年代末期以后開始發(fā)展起來，目前美國已有6000多座區(qū)域能源站，僅大學(xué)校園就有200多座。據(jù)美國有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，商用建筑采用熱電冷三聯(lián)產(chǎn)后節(jié)能效果達(dá)到46%以上。美國政府計(jì)劃在2010年有20%新建商用或辦公用建筑使用熱電冷三聯(lián)產(chǎn)，有5%現(xiàn)有的商用和辦公樓宇改用熱電冷三聯(lián)產(chǎn)，25%美國能源部的項(xiàng)目改用熱電冷三聯(lián)產(chǎn)。至2020年，計(jì)劃有一半以上新建辦公或商用建筑采用熱電冷三聯(lián)產(chǎn)。并有15%的現(xiàn)有建筑改用熱電冷三聯(lián)產(chǎn)。英國只有5000多萬人口的國家，就有1000多座區(qū)域能源站。俄羅斯采用熱電聯(lián)產(chǎn)的比例占總能耗的33%，美國占50%。
區(qū)域制冷系統(tǒng)是大城市的理想制冷系統(tǒng)，世界上先進(jìn)的國家如美國、歐洲和日本，使用得非常普遍和廣泛，技術(shù)十分成熟可靠，發(fā)展也十分迅速。
1991年1月投入運(yùn)行的日本東京都新宿都心區(qū)冷暖中心，制冷規(guī)模達(dá)到了59000RT，供冷面積為2200000m2，為15棟摩天大廈和東京市政廳提供了良好的供電、供冷、供熱水服務(wù)。遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過美國紐約原世界貿(mào)易中心大廈49000RT的冷暖房，成為世界最大規(guī)模的區(qū)域冷暖中心。
冷暖中心系統(tǒng)的功能：
（一） 發(fā)電照明
利用天然氣燃燒的熱量推動燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)發(fā)電輸入電網(wǎng)，或直接供應(yīng)辦公照明。
（二） 提供冷氣
利用天然氣燃燒的熱量使水管式鍋爐產(chǎn)生4Mpa，400℃的高壓蒸汽，通過背壓透機(jī)組，進(jìn)入吸收式冷凍機(jī)，再到輪機(jī)式冷凍機(jī)，制造出4℃的冷凍水，送入制造冷源的空調(diào)機(jī)為辦公室提供冷氣，溫度升高至12℃的冷凍水送入循環(huán)系統(tǒng)循環(huán)使用。
（三） 提供暖氣
將水管鍋爐房的4Mpa，400℃的高壓蒸汽減壓至0.7 Mpa，送進(jìn)暖氣空調(diào)機(jī)產(chǎn)生暖氣送辦公室取暖。
（四） 提供熱水
減壓至0.7 Mpa的蒸汽送入熱交換器，加熱冷水變成熱水送用戶使用。
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