工业炉窑节能原理的数学表达及节能分析.pdf

收稿日期:2004-07-25作者简介:王忠金(1962),男,教授,主要从事工业炉窑及热能工程的节能与新材料的研究工作.文章编号:1001-6988(2004)0520001203工业炉窑节能原理的数学表达及节能分析王忠金1,周德成1,戴万福2(1.哈尔滨工业大学 材料科学与工程学院,黑龙江 哈尔滨150001;2.哈尔滨焊接技术培训中心,黑龙江 哈尔滨150046)摘 要:给出了工业炉窑节能原理的数学表达式,把影响单耗的各个因素反映在公式之中,更方便和容易掌握节能要领。同时给出了各能耗指标间的数学关系及节能难度指数。根据炉窑初始效率的不同值,可明确预测炉窑节能难度及潜力,为各种炉窑改造实践指明了方向。关键词:工业炉窑;节能分析;能耗中图分类号:TG316 文献标识码:AMathematic Formulation of the Theory of Saving Energy andAnalysis of Saving Energy on Industry FurnacesWANG Zhong-jin1,ZHOU De-cheng1,DAI Wan-fu2(1.School of Material Science and Engineering,Harbin Inst of Technology,Harbin150001,China;2.Welding Training Inst Harbin,Harbin150046,China)Abstract:The mathematic formulation of the theory of saving energy was presented,which contains all the fac2tors that affect the unit consumption and is very clear.It is easy to grasp the key point of saving energy.The mathe2matic relation of indexes of energy consumption and the difficult index of saving energy were presented simultaneity.According to initial efficiency of furnaces,the difficulty and potential of saving energy on furnaces can be predicteddefinitely.Which pointed out the ways for the practice of reconstructing all kinds of industry furnaces.Key words:industry furnaces;analysis of saving energy;energy consumption1 引言工业炉窑是指加热或熔化金属或非金属的装置而言。加热或熔化金属的装置称为工业炉;加热或熔化非金属的装置称为窑炉1。从理论上讲,锅炉是加热水或蒸汽的,扩大一点概念,也可属于工业炉窑范畴之内。因此,工业炉窑可谓五花八门。本文从理论上把影响炉窑节能的各个因素统一反映在一个表达式中,论证了各个能耗指标间的关系,给出了节能难度系数,给各种工业炉窑节能改造指明了方向。2工业炉窑节能原理的数学表达式211 工业炉窑节能原理数学表达式的推导工业炉窑的热效率为有效热(Qyx)与供给热(QGG)之比,即:=QyxQGG(1)在炉膛内停留热为Qt的情况下,上式可继续改写如下:1Industrial FurnaceVol.26No.5Sept.2004=QyxQGG=QtQGGQyxQt=BVnCcht0ei-kwBVnCwtwBVnCcht0eiGhGh+Qts=Ccht0ei-kwCwtwCcht0ei11+=1-kwkctwt0ei1+(2)式中:Qyx有效热,kJ/hQyx=GC(t2-t1)=GhG炉窑生产能力,kg/hC物料的比热容,kJ/(kg)t1、t2物料加热前后的温度,h物料的热焓增量,kJ/kgQGG炉窑的供给热,kg/h,QGG=BVnCcht0eiB每小时燃料的消耗量,kg(m3)/hVn燃烧产物量,m3/kg(m3/m3)Cch燃烧产物的比热容,kJ/(m3)t0ei在不预热的情况下,燃烧产物温度,kw尾气系数,kw=1-km+kx,最佳值kw=1,冒气系数km=VmBVn,吸气系数kx=VxBVn,Vm、Vx为每h由炉内冒出或吸入的气体量,m3/htw尾气温度,即燃烧产物离炉窑时的温度,系数,=QtsGhQts炉膛热损失,kJ/hkc=CwCch尾气及产物的热容之比在考虑余热利用的情况下,炉窑标准单耗可按下式计算1:b=kh(1+)kg(标煤)/kg(3)式中:k燃料换成标准煤系数,k=3.14210-5余热回收率,=Qk+QrQyDWQyDW燃料低位发热量,kJ/kg(kJ/m3)Qk、Qr空气和燃料预热带进炉内的热量,kJ/m3将式(2)代入(3)式中,得:b=kh+QtsG(1+)1-kwkctwt0eikg(标煤)/kg(4)由式(4)可见,影响炉窑单耗的因素有:1)生产管理与生产工艺 如果生产负荷饱满,即G较高,炉窑在经济点工作;再采用热料装炉,尽量保存物料的原热,则h可下降,于是可大幅度降低单耗,节约能源。2)炉体结构 如果炉体采用轻质材料砌筑,选用经济壁厚,炉子结构严密,既不外冒热气,又不吸入冷气,适当加长炉膛长度,带预热段,蓄热损失及散热损失很小,从而使单耗降低。3)燃烧装置及燃料种类 采用先进的燃烧装置,减少化学及机械不完全燃烧;采用优质燃料,提高燃烧温度t0ei,可使单耗明显降低,煤气炉和油炉的热效率一般均高于煤炉。4)余热回收 对燃料类炉窑而言,余热回收是节能的重点。该类炉窑排烟温度较高,热损失大,要想节能必须采用余热回收装置。余热回收率愈大,则单耗愈小。可将炉窑4个节能因素分为两大节能途径,1)属于管理途径,2)、3)、4)项属于技术途径。公式(4)称为炉窑节能原理数学表达式。它包含了炉窑节能的方方面面。即涵盖了生产工艺与生产管理、炉体结构、燃烧装置、余热回收各个方面。对于电类炉窑而言,tw=0,式(4)改写如下:b=kh+QtsG1+大多电类炉窑无余热回收装置,则b为:b=k(h+QtsG)(5)因此,对电类炉窑而言,要节能主要在炉体结构上采取措施,使Qts最小,提高炉窑装载率(G),采用余热热处理,减小热焓增量h。212工业炉窑节能原理的文字表述加强生产科学管理,尽量保存物料的原热,降低热焓增量,减损增效,回收余热。3能耗指标间的数学关系及节能预测众所周知,热设备能量间关系,即供给热QGG、2实验研究:工业炉窑节能原理的数学表达及节能分析有效热Qyx和损失热Gss间的关系,可按下式计算:QGG=Qyx+Qss(6)用QGG除式(6)两边,得:+q=1(7)式中,q=QssQGG,为设备热损失率。热效率与损失率之和为1,通过减损达到增效。节能的潜力存在于损失之中。如果炉窑改造前后的单耗及热效率分别为b0、0及b、,则炉窑节能率为:b=b0-bb0=-0=1-0(8)如果炉窑改造前后的热能损失率分别为q0,q(q0 q),则定义减损率为:q=q0-qq0=-01-0(9)将式(9)代入式(8),得b与q间关系为:b=q1-0(10)视初始效率0不同,b随q变化曲线如图1所示。由图可见,OD1直线将图分成两个部分,左上角为00.5的区域,较大的减损率q得到较小的节能率b,此区为较难节能区。通常的工业炉窑均处于较高节能区(A)而某些工业炉窑及锅炉,则处于较难节能区(B)。图1 b、q与0关系曲线图将式(9)改写如下:=0=q(1-0)代入式(7)中,得:b=qq+n=11+n/q(11)定义节能难度指数为:n=01-0(12)当0=0.5,n=1时,OD1直线为QD2曲线的切线,在一定难度指数的条件下,b随的变化曲线如图2所示。在AB线左下角一侧,随着的增加节能幅度较大,而AB线右上侧,节能幅度较小。图2 b随的变化曲线通过分析可以预测,当000.5时,n(0,1),即n 1节能较易;当0.501节能较难。0=0.5,n=1为节能难易分界线。4结论1)炉窑单耗公式涵盖了影响其能耗大小的诸因素,该公式一目了然,指出了炉窑节能管理途径及技术途径,对炉窑节能有重要的指导作用。(2)工业炉窑初始效率0均较低,一般均在0.5以下,其节能难度系数n 1,节能潜力很大。参考文献:1 周德成.工业炉窑 基本原理、构造与节能M.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1991.2 周德成.工业炉窑节能潜力及预测J.应用能源技术,1996,(6).3工 业 炉 第26卷 第5期 2004年9月