节能原理与技术—3

3.2.4 热平衡时各种热量的计算
外界供给系统的电量P和功W 外界向系统的传热量
Q KFT
载热体带入系统的传热量 ①如果为蒸汽 Qgr Dr (hq h0 ) ②如果为空气、煤气、烟气高温气体
Qgr m(hr h0 )
3.2.4 热平衡时各种热量的计算
2.有效能概念及计算
概念：达到工艺要求时，理论上必须消耗的最小能量
3.4 火用平衡
3.4.1 火用的分类
对应于系统与环境的关系可分为:物理火用和化 学火用
根据能量性质分类:热量火用、冷量火用、机械 能火用
按工艺过程分：输入火用、输出火用、燃料火用 、排烟火用
3.4.2 火用损及火用损率
1.燃烧过程的火用损:等于燃料火用与燃料产物火用之差
ers er ecw kJ/kg
12640CO
10800H2
35800CH 4
案例3
某燃油锅炉干烟气容积为11.5标准立方米，测得烟气 中碳黑浓度为1477毫克/标准立方米，燃油的热值为 41474千焦/千克，排烟中CO=0.28%，H2=0.002%， 排烟处空气过量系数为1.05，干烟气容积11.5标准立 方米/千克，求化学不完全燃烧损失。
案例2
某燃油锅炉干烟气容积为11.5标准立方米，测得烟 气中碳黑浓度为1477毫克/标准立方米，燃油的热 值为41474千焦/千克，求其机械不完全燃烧损失。
q4
32866 41474
11.51477 106
0.013
1.3%
2.化学不完全燃烧热损失
燃料燃烧时，CO，H2，CH4未来得及燃烧随烟气 排出所造成的热损失。
ln
T Tpy
kJ/kg
4.排烟火用损:
e T
T T0
C
p
1
T0 T
dT
5.换热过程火用损:
ehs T0S
kJ/kg
3.2 热平衡
3.2.1 基本概念
1. 热平衡的分类:设备热平衡+企业热平衡;燃料发 热量及热值:高位发热量和低位发热量,1KG标准 煤的发热量为29270kJ/kg;
2. 等价热量和当量热量: ①一次能源直接用热值带入, ②二次能源包括:电力\蒸汽\石油制品\焦碳\煤气;
③耗能工质:压缩空气、氧气、水
q2
V pyC py
T py T0 Qr
1 q4
100%
12.11.4 180 201 1.3%
41474
0.0645 6.45%
②散热损失：经选取，一般在2%-3% 当锅炉在满负荷工作时：按下表查出
蒸发量/t.h-1
4
6
10
15
20
35
60
无尾部受热面 2.1 1.5
有尾部受热面 2.9 2.4 1.7 1.5 1.3 1.0 0.8
hps
hs
100%
2. 反平衡热效率
q1
Q1 Qr
100%
1 (q2
q3
q4
q5
q6 )
100%
3. 燃烧效率
r
Qdyw Q3 Q4 ) Qdyw
100%
4. 毛效率与净效率
j
Dz hbs hgs rw 29270b N BQdyw w :出口处蒸汽湿度，b 0.360kg/(kW.h) r : 汽化潜热；N：自用电量
2.传热过程的火用损:在完全燃烧的情况下
ecs ecw epy - eyx kJ/kg
对于热水锅炉及原油加热炉,因无尾部受热面
ecs
Qyx
T0
T2
T1
ln T2 T1
T
T0 Tpy
T ln
Tpy
kJ/kg
有尾部受热面的设备,分别计算,然后相加
3.散热的火用损:
esr
Q5
1
T
T0 Tpy
Q jr Qdc Qdr
3.2.4热平衡时各种热量的计算
1.供入热计算
燃料燃烧时供给的热量 Qr Qr1 Qkq Qzq
燃料带入热 空气带入热 雾化用蒸汽带入热
Qr1 Qdyw Qxr 低位发热量 显热（由基准温度加热到入口温度时所需的热量）
Qxr BC tr t0 ;Qkq Hr H0 ;Qzq Dr (hq h0 )
q3
Vgy Qr
12640CO
10800H2 1
q4
11.5 12640 0.28% 10800 0.002%1 1.3%
41.474
0.0098 0.98%
另一种方法：
q3 3.2 pyCO 3.2 1.05 0.0028 0.0094 0.94%
3.排烟与散热损失（20%以上）
净入热平衡
以实际加给体系 的热量为基础
化工系统 换热器
计算公式
供入热平衡 根据热力学第一定律有Boiler :
（外界供入热的情况） Qgg Qc Qp Qr
BQdyw D(hq hs ) Qp
全入热平衡
（余热利用情况）
根据热力学第一定律有 Qqr Qc Qp Qhs
净入热平衡
（加给体系的热量利用程度）
后两者需折合为一次能源计算，折算系数称为等价热量
二次能源等价热量
二次能源热值 转换效率
• 当量热量是指用能过程中所使用的二次能源在工 艺过程中实际完全转换的能量，热、功、能的当 量热量值都等于1；
• 对二次能源，在计算系统输入热量时，应使用等 价热量，在计算实际放出的热量时，应使用当量 热量；
• 耗能工质不是热源，在生产过程中，作为原料或 消耗工质使用，只有等价热量而无当量热量。
q2
VpyC py Tpy Qr
T0
100%
分析： 排烟热损失取决于排烟温度和过量空气系数； 排烟温度每升高12-15℃，排烟热损失增加1%； 空气过剩系数每增加0.1，排烟热损失增加0.7%； 10吨以上锅炉排烟温度应低于160℃
案例4
设燃烧1千克油的排烟量为12.1标准立方米：空气 入炉温度20℃，排烟温度180℃，烟气比热1.4，机 械不完全燃烧损失1.3%，求排烟热损失。
则有效热
Qyx H q H 0 37901kJ/kg 锅炉的正平衡热效率
Qyx 100% 37901 91.4%
Qr
41474
3.3.3 锅炉各项热损失的确定
锅炉的反平衡热效率
1 q2 q3 q4 q5
1 (0.013 0.0094 0.0645 0.013) 0.90 90%
①排烟热损失
燃煤和燃油锅炉：
q2
VpyC py
T py T0 Qr
1 q4
100%
经验公式：
q2
m n py
T py T0 100
1
q4 %
煤种 重油 无烟煤 烟煤 褐煤 泥煤 木材
m
0.5
0.2
0.4
0.7 1.7 1.4
n
3.45
3.65
3.55 3.9 3.9 3.8
燃气锅炉：
q4
32866 Qr
V
gy
M
th
10 6
100%
Vgy : 每千克燃油产生的干烟气体积
M th
: 为碳黑浓度M th
Gm
Vbz
mg/Nm 3
Gm：取样里碳黑量，Vbz为标准状态下干烟气量，为取样时间
Gm
Gyc
Gh ,Vbz
273 V 273 t
p 760 133.3
Gyc : 测得的油尘量，Gh为Gyc中灰量，p为压力，V为每小时烟气量m3/h
单位燃料过热蒸汽产量
D1
D B
15000 1110
13.51kJ/kg油
给水带入锅炉的焓
H gs D1 hgs h0 13.51 441.7 85.7 4809.6kJ/kg油
过热蒸汽在锅炉出口的焓
H q D1 hq h0 13.51 3248.1 85.7 42710.5kJ/kg油
32866 0.216 29270
0.46 0.1 1 0.1
0.4963 0.08 1 0.08
0.0437 0.91 1 0.91
100%
0.24 0.05 0.043 0.441
0.128100% 12.8%
⑵燃油锅炉： q4 1%
碳黑粒子会污染受热面，引起尾部再燃烧
有效能种类：
①一般加热工艺，从入口到出口载热体吸收的热量
Qyx m C pcTc C prTr
②有化学反应的工艺，有效能为化学反应热
Qyx mQxr
③蒸发干燥工艺，有效能等于蒸发物质所吸收的热量
Qyx m Cp Tc Tr r
④产品中包含部分燃料时，有效能是这部分燃料的发热量
Qyx BQdyw
3.2.2 热平衡技术指标
1能耗
①单耗：单位产量或单位产值所消耗的某种能量 折算为标准煤的数量；
②综合能耗：消耗的总能耗/产品总产量或总产值
2 能量利用效率 ①设备热效率
Qyx
100%
1
Qss
100%
Qgg
Qgg
锅炉：
D(H q H s ) 100%
BQdyw
制冷机
L
Q11 Wxh
3.3.3 锅炉各项热损失的确定
1.机械不完全燃烧热损失 ⑴燃煤锅炉
q4
32866 GhzChz
Qr
GlmClm B
G fhC fh
100%
hz fh lm 1
q4
32866A y Qr
hz
Chz
1 Chz
fh C fh
1 C fh
lm
Clm
100%
1 Clm
案例1
某锅炉所用燃料应用基飞灰含量为21.3%，其中灰
渣灰量份额46%，飞灰灰量含量49.63%，漏煤灰
量份额4.37%。灰渣、漏煤、飞灰中碳的含量分别
为10%，91%，8%，求q4
q4
32866 A y Qr
hz
Chz
1 Chz
fh C fh
1 C fh
lm
Clm
100%
1 Clm
2.有效能概念及计算
⑤系统向外输出电、功时 Qyx W P ⑥未包括在以上各项中的其他有效能 采暖、照明、运输
3.损失能量：系统供给热量中未被利用的部分， 主要为散失于环境中的热量如不完全燃烧、排烟 损失、排水排气等损失热，散热、蓄热、泄漏损 失热等
3.3 设备热平衡
3.3.1 锅炉热平衡方程
燃煤、燃油锅炉
q3
Vgy Qr
12640CO
10800H2
35800CH 4
1
q4
Vgy : 每千克燃料产生的干烟气体积
1
q4
是因为由于q
的存在，一部分燃料没有参加燃烧生成烟气而进行的修正
4
CO、H
2、CH
为体积百分比
4
q3
12640CO Vgy Qr
1
q4
3.2
pyCO
燃气锅炉：
q3
Vgy Qr
解:
1、计算1kg燃料的显热，而燃油的比热
cr 1.74 0.0025tr 1.74 0.0025 100 1.99kJ/kg 显热
ixr cr tr t0 1.99 100 20 159kJ/kg
输入热
Qr Qdw ixr 41315 159 41474kJ/kg
节能原理与技术 （三）
能量平衡
1. 概述 2. 热平衡 3. 设备热平衡 4. 企业热平衡 5. 火用平衡
3.1 概述
能量平衡分两大类: 国家和地区的能量平衡; 企业和设备的能量平衡:目的从收支平衡出发 得出两个指标: 企业能量利用率和 设备热效率 最终降低产品的两大指标之一:成本 输入能量=有效利用能量+损失能量
Qr Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 qr q1 q2 q3 q4 q5 q6 有效 排烟 化学 机械 散热 灰渣 液体燃料：Q6 0 气体燃料：Q4 Q6 0
3.3.2 锅炉热效率
1. 正平衡热效率
q1
Q1 Qr
100%
D
hq
hs Dhs BQdyw
当锅炉在非额定负荷工作时：按下式计算
q5D
q5
D Dp
D
为非额定负荷
p
4.燃煤炉灰渣物理热损失（渣温600-800℃带走部 分热量）
q6
hz Ahhz
Qr
KGhz BQdyw
100% 1%
K 134
案例5
设某燃油锅炉蒸发量为15t/h。过热蒸汽压力为 2MPa,温度为400℃。给水温度105℃，压力为2.2 MPa。燃料为重油，消耗量为1110kg/h，入炉温度 100 ℃，环境温度20℃。根据案例2、3、4的结果 ，求正平衡效率及反平衡效率。
热泵
r
Qgc Wxh
2 热平衡技术指标
②装置能量利用率（包含有热量回收，全入热）
Qsc Qhs 100%
Qgr
③企业能源利用率（整个企业的用能指标）
Qyx 100% Qgr
3 回收率（反映企业由于余热回收和利用所带来的
节能效益指标
Qhs 100%
Qgr Qhs
3.2.3 热平衡模型及类型
1 热平衡模型
QP
根据热力学第一定律有 Qr
Qc
Qr Qgg Qc Qp
Qhs
Qgg
Qhs
2 热平衡类型（观察目的不同）
类型
含义
供入热
设备
供入热平衡
以供给体系的热 为基础
一次能源+二次能 锅炉、加热炉、
源
干燥设备
全入热平衡
以进入系统的全 部热量为基础
燃料燃烧热+工质 带入的显热、化 学反应热、回收 热