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煙氣余熱回收利用的熱力學分析

       煙氣余熱回收在工業余熱中占有很大的比重,且節能潛力巨大,如不加利用,將造成浪費,因此有效利用煙氣余熱,也是節能工作的一項重要課題。根據“按質用能”的原則,余熱回收利用方案需要根據不同余熱資源的品質而確定。
       1. 煙氣熱能的量與質
       熱力學第一定律告訴我們:能量在不同形式之間可以相互轉換,且總能是守恒的。但是同時有序能可以無條件地、完全地轉換為無序能,無序能則不能自動地、完全地轉換為有序能[16]。這表現出能量在“質量”上又存在差別的,能量的“質量”(或稱能量的品質或級位)用火用來衡量?;鹩檬窃诃h境條件下能量中轉變為有用功的那部分能量。
       從火用的定義可以看出,能量的品位表征了能量轉變為功的能力和技術上的可用程度,當一種能量無法轉化成其他形式的能量時,它也就失去了利用的價值。根據能量可轉換性的不同,可以將能量分為三類:
       第一類是可以不受限制地、完全轉換的能量。例如電能、機械能、位能(水力能)、動能(風力等),稱為“高級能”。從本質上來說,高級能是完全有序運動的能量,它們在數量上與質量上是統一的。
       第二類是具有部分轉換能力的能量。例如熱能、物質的熱力學能、焓等,它們僅可以部分轉變為第一類有序運動的能量。根據熱力學第二定律,熱能不可能連續地、全部轉變為功,它的熱效率總是小于 1。這類能屬于“中級能”,它們在數量上和質量是不統一的。
       第三類是受自然界環境或現有技術手段所限,完全沒有轉換能力的能量。例如:處于環境狀態下的大氣、海洋、巖石等所具有的熱力學能和焓,雖然它們具有相當數量的能量,但是在技術上無法使它們轉變為功。所以,它們是只有數量而無質量的能量,稱為“低級能”。熱能屬于不可完全轉換的中級能,因此當涉及熱能的轉換過程時,如果僅僅從能量在數量上的守恒關系分析,往往會掩蓋熱能在質量上的差異。對于煙氣熱能而言,溫度越高其做功能力越強,故而溫度高的煙氣熱能比溫度低的煙氣熱能具有較高的品質或較高級位。
       節約能源,實質上就是提高能量轉換的效率,因此,為了有效地利用煙氣余熱,正確合理地開發節能新技術,需要結合熱力學第一定律和第二定律,從量和質兩個方面全面、綜合地進行分析。
       2. 煙氣余熱回收利用的原則
       根據熱力學第一定律和第二定律,能量合理利用的原則,就是要求能量系統中能量在數量上保持平衡,在質量上合理匹配。
       能量在數量上保持平衡在實踐中很容易做到,根據熱力學第一定律,沒有足夠的能量輸入,就達不到人們所需要的生產和生活所需。但同時還要認識到,輸入的能量并不一定能夠完全被生產和生活所利用,工業生產過程中工質跑、冒、滴、漏帶走的能量、管道運輸中能量的沿程損失、廢熱廢物的遺棄等外部損失都是不可避免的。關鍵的問題在于減少這種非需求的能量損失。余熱回收利用就是減少能量外部損失,實現節能的重要措施。
       能量在質量上合理匹配,在很長一段歷史時期內被人們所忽視,即使現在也沒有得到足夠的重視。高質能低質用的現象比比皆是,如工業生產中使用高壓蒸汽通過減壓閥提供低壓動力,生活中電熱供暖等。把高壓蒸汽和電能這種高“質量”的能量直接轉換成低壓蒸汽和熱能這種低“質量”的能量,使能量中大量的有用能變成了不可轉換低質能,這也是能量損失的一種形式,通常我們稱之為為內部損失。能量發生內部損失,貶值到一定程度,往往難以利用而只好廢棄,從而又引發了能量的外部損失。所以,能量在質量上的合理匹配是不容忽視的。
       對于煙氣余熱的利用,具體可以歸納為如下幾個方面:
       1) 燃料的燃燒盡可能在高溫下進行。溫度越高,得到的煙氣所具有的火用值越大。
       燃料種類很多,不但它們的發熱量有很大差別,而且絕熱燃燒溫度也不同,而燃燒產物的(火用)值與絕熱燃燒溫度有關。高熱值燃料由于理論燃燒溫度高,燃燒產物的火用值與低熱值燃料燃燒產物的火用值相比,高出的倍數將大于熱值相差的倍數。因此,在評價燃料時,僅從熱值考慮是不夠全面的,應考慮燃料在質量的差異,并應根據不同設備對燃料能質要求的不同,合理地加以使用。
       2) 盡量減小火用損失。由于火用損失是由各種不可逆過程中造成的,因此在利用煙氣熱能的場合,應設法減小各類不可逆損失,包括減小傳熱溫差,盡量減少節流和摩擦等。要使熱能得到合理利用,就必須根據用戶需要,按質提供熱能,不僅在數量上要滿足,而且在質量上要相匹配,從而達到熱盡其用。如果把高質量熱能用于只需低質量熱能的場合,必然是大材小用,造成不必要的火用值的浪費。
       例如,利用燃料燃燒產生的熱能直接對室內供暖時,實際上是一種很不合理的用能方式。因為燃料的燃燒過程中,由于燃燒的不可逆,已損失掉 30%左右的燃料火用,就供熱來說,也沒有將 1000℃以上的高溫煙氣的火用值充分加以利用,又造成了很大傳熱不可逆火用損失。只是因為這種供熱方式簡單,目前利用廣泛而已。實際上,在低質熱能完全可以滿足要求的情況下,選用優良熱能勢必造成可用能的浪費。反之,如果先將燃料火用先通過熱機系統轉變為機械能,再利用機械能由“熱泵”系統來提供采暖所需的低質熱能,則可大幅度地節約能源。
       3) 盡可能采用總能系統的概念??偰芟到y的主要含義為:按照能量品位的高低進行梯級利用,安排好功、熱(冷)與工質內能等多種能量之間的配合關系與轉換利用,不僅要著眼于提高單一的設備或工藝的能源利用率,而且要考慮熱力、動態、控制、經濟、環保等多因素、多目標,以取得較好的總效果。真正做到“熱盡其用”。
       常用的總能系統已得到廣泛的應用,且形式多種多樣,如聯合循環,電熱并供,先熱利用,余熱利用,多聯產,多重聯合循環以及總能工廠等。
       另外,需要特別指出的是,回收余熱可以節約能源消耗,但是,不能為了回收而回收。因此,在考慮余熱回收方案前首先應該調查裝置本身的熱效率是否還有提高的潛力。提高裝置熱效率會減少余熱量,但是它可以直接節約能源消耗,比通過余熱裝置回收更為經濟有效。同時,如果不考慮裝置本身的潛力而設置了余熱回收裝置,當設備本身提高效率后,余熱量減少,就造成了余熱回收設備的閑置與浪費。其次,應考慮與熱能是否能返回到裝置本身,例如用于預熱助燃空氣或燃料。它可以起到直接減少裝置的能源消耗,節約高質能源——燃料的效果,之后才是對具體余熱回收方案的研究。余熱回收方案的考慮順序如圖 2-1 所示。 
 
 
圖 2-1 余熱回收方案考慮順序

       3. 煙氣余熱回收利用方式
       工藝生產過程中產生的大量煙氣溫度范圍很廣,不同溫度的煙氣利用方式也各不相同,表 3-1 給出了工業部門常見的工藝煙氣溫度。
設備名稱 排煙溫度/℃ 設備名稱 排煙溫度/℃
高溫煙氣 中低溫煙氣
氧氣頂吹轉爐 1650~1900 鍋爐 100~300
煉銅反射爐 1100~1300 燃氣輪機 400~500
鎳精煉爐 1400~1600 內燃機 300~600
煉鋅爐 1000~1100 增壓內燃機 250~400
常規軋鋼加熱爐 900~1200 熱處理爐 400~600
干法水泥爐 600~800 干燥爐和拱爐 250~600
玻璃熔窯 650~900 換熱器 300~450
表3-1 工業部門常見的工藝煙氣溫度
 
       表中將大于 600~650℃的排氣均歸為高溫煙氣之列,其實對于“高溫”的定義是具有一定主觀性的,實際中并不存在嚴格的溫度界限,這里只是便于分析給出的一個溫度范圍而已。 
2020/08/17 08:32:23 309 次

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