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1、节能技术讲座第1页，此课件共79页哦掌握节能原理掌握节能原理掌握节能原理掌握节能原理科学找出节能潜科学找出节能潜力与部位力与部位制定节能措施的制定节能措施的指导原则指导原则规划长短期节能规划长短期节能目标目标不掌握节能原理不掌握节能原理bb提出不恰当的节能提出不恰当的节能指标指标bb制定出不合理的节制定出不合理的节能决策能决策bb批准不合理的节能批准不合理的节能方案方案第2页，此课件共79页哦3.1 第一定律分析法热力学第一定律即能量守恒定律：能量是物质运动的量度，热力学第一定律即能量守恒定律：能量是物质运动的量度，当任何一种形式的能量被转移或转化为另一种形式的能量时，数当任何一种形式的能量被
2、转移或转化为另一种形式的能量时，数量不变。量不变。vv该分析法得到了广泛应用，它主要是用热效率的高低来估计节能该分析法得到了广泛应用，它主要是用热效率的高低来估计节能潜力，热效率越高说明节能潜力越大。潜力，热效率越高说明节能潜力越大。vv能量平衡工作正是基于这一定律，把能量的来龙去脉搞清能量平衡工作正是基于这一定律，把能量的来龙去脉搞清楚，确定多少能量被利用，多少能量损失掉。楚，确定多少能量被利用，多少能量损失掉。vv优点：简单直观，容易理解和掌握，运用得当对节能工作能起优点：简单直观，容易理解和掌握，运用得当对节能工作能起到重要作用。到重要作用。vv缺点：由于它所依据的仅是能量数量上的守恒性
3、，在挖掘节能潜缺点：由于它所依据的仅是能量数量上的守恒性，在挖掘节能潜力时有较大的局限性和不合理性力时有较大的局限性和不合理性。第3页，此课件共79页哦3.2 第二定律分析法2020世纪世纪5050年代以后，热力学第二定律的理论开始在节能实践中广年代以后，热力学第二定律的理论开始在节能实践中广泛应用。它的表述方法很多，其中之一是：当任何一种形式的能量被泛应用。它的表述方法很多，其中之一是：当任何一种形式的能量被转移或转化为另一种形式的能量时，其品位只可能降低或改变，绝不转移或转化为另一种形式的能量时，其品位只可能降低或改变，绝不可能提高。这样能量在数量的守恒性和质量上的贬值性，就构成了能可能提
4、高。这样能量在数量的守恒性和质量上的贬值性，就构成了能量的全面本性。量的全面本性。现代节能原理是同时依据热力学第一、第二定律，并通过直观实用现代节能原理是同时依据热力学第一、第二定律，并通过直观实用的方式，来体现能的全面本性，由此建立的节能理论和方法，称为第二的方式，来体现能的全面本性，由此建立的节能理论和方法，称为第二定律分析法。这种方法有两大类，熵分析法和火用分析法。由于熵分析定律分析法。这种方法有两大类，熵分析法和火用分析法。由于熵分析法比较抽象，不能评价能量的使用价值，且本身也不是一种能量，现在法比较抽象，不能评价能量的使用价值，且本身也不是一种能量，现在已被火用分析法取代。已被火用分
5、析法取代。火用分析法认为：能量火用分析法认为：能量=火用火用+火无火无火用是这样一种能，在给定环境的作用下，可以完全连续地转化火用是这样一种能，在给定环境的作用下，可以完全连续地转化为任何一种其它形式的能量，而火无是一种不可能转化的能量形式。为任何一种其它形式的能量，而火无是一种不可能转化的能量形式。火用主要是针对热提出的，即热量中最大能转化为功的部分。火用主要是针对热提出的，即热量中最大能转化为功的部分。采用火用分析法，能从本质上找出能量损失。采用火用分析法，能从本质上找出能量损失。第4页，此课件共79页哦3.3 热经济学2020世纪世纪6060年代以来，在节能领域产生了将火用年代以来，在节
6、能领域产生了将火用分析法与经济因素及优化理论有机结合的热经济分析法与经济因素及优化理论有机结合的热经济学，即除了研究体系与自然环境之间的相互作用学，即除了研究体系与自然环境之间的相互作用外，还要研究一个体系内部的经济参量与环境经外，还要研究一个体系内部的经济参量与环境经济参量之间的相互作用。济参量之间的相互作用。一般来说，第一定律和第二定律分析法，在方案一般来说，第一定律和第二定律分析法，在方案比较中仅能给出一个参考方向，而不能得出具体结论。比较中仅能给出一个参考方向，而不能得出具体结论。而热经济学分析法可以直接给出结果，这种方法特别而热经济学分析法可以直接给出结果，这种方法特别适用于解决大型
7、、复杂的能量系统分析、设计和优化。适用于解决大型、复杂的能量系统分析、设计和优化。第5页，此课件共79页哦3.4 用能的本质认识 按能量的作功能力，将其分为三大类：按能量的作功能力，将其分为三大类：高级能量高级能量：理论上可以完全转化为功的能量，如机械功、电能、：理论上可以完全转化为功的能量，如机械功、电能、水能等；水能等；低级能量低级能量：理论上不能全部转化为功的能量，主要是热能；：理论上不能全部转化为功的能量，主要是热能；僵态能量僵态能量：完全不能转化为功的能量。：完全不能转化为功的能量。可逆过程是热力学中的一种理想过程，在这个过程中，如为机械运动则没可逆过程是热力学中的一种理想过程，在这
8、个过程中，如为机械运动则没有摩擦阻力，如为传热过程则没有温差，如对常减压蒸馏装置，如达到可逆有摩擦阻力，如为传热过程则没有温差，如对常减压蒸馏装置，如达到可逆过程，其能耗就可能仅为过程，其能耗就可能仅为2323的程度。因此可以看出：真正的可逆过程是不存的程度。因此可以看出：真正的可逆过程是不存在的，事实上，自然界的任何过程都不是可逆过程。节能工作就是要在现有的经在的，事实上，自然界的任何过程都不是可逆过程。节能工作就是要在现有的经济合理条件下，接近可逆过程。济合理条件下，接近可逆过程。用能的本质用能的本质用能的本质用能的本质：qq大部分能量是过客；大部分能量是过客；qq能量是完成过程中不发生化
9、学变化的能量是完成过程中不发生化学变化的“催化剂催化剂”；qq能量是完成过程的推动力。能量是完成过程的推动力。第6页，此课件共79页哦3.5 节能方法（1 1）使用用能量小的先进工艺过程和高效设备；）使用用能量小的先进工艺过程和高效设备；（2 2）减少过程。）减少过程。由于凡有过程，就有不可逆性，因此应尽可能减少过程，由于凡有过程，就有不可逆性，因此应尽可能减少过程，减少不可逆性。如装置之间的热进出料；从整个系统的角度使用能量，减少不可逆性。如装置之间的热进出料；从整个系统的角度使用能量，抓住优化匹配的机会，减少不可逆性。抓住优化匹配的机会，减少不可逆性。（3 3）多次使用能量。如对传热过程，
10、就是要减少传热温差，目前的经）多次使用能量。如对传热过程，就是要减少传热温差，目前的经济传热平均温差（不包括加热炉）已经达到达济传热平均温差（不包括加热炉）已经达到达202030 30，随着强化传热，随着强化传热技术的发展，传热系数提高后，经济传热过程可能进一步减小。炼油过程中，最技术的发展，传热系数提高后，经济传热过程可能进一步减小。炼油过程中，最常见最典型的过程为传热过程，各个装置均有大量的换热器。凡是传热温差很大常见最典型的过程为传热过程，各个装置均有大量的换热器。凡是传热温差很大或较大的地方，也即是用不合理的地方。或较大的地方，也即是用不合理的地方。（4 4）高级高用，低能低用。）高级
11、高用，低能低用。第7页，此课件共79页哦烧开水的例子 将100kg水从15加热到100，需能量8500kcal，按数量折为0.85kg标油。（1 1）用电加热）用电加热 ：2.5kg2.5kg标油标油；（2 2）LPGLPG加热：加热：1kg1kg标油标油；（3 3）用燃料发生中压蒸汽，通过凝汽机的排汽加热：）用燃料发生中压蒸汽，通过凝汽机的排汽加热：0.7kg0.7kg标油标油。此时，所需的一次能源已小于水本身升温。此时，所需的一次能源已小于水本身升温所需的热量所需的热量0.85kg0.85kg标油。标油。第8页，此课件共79页哦减少过程节能的例子 某热水泵房的改前流程为某热水泵房的改前流程
12、为：来自自来水管网的水进入缓冲罐后由泵升压供出至工艺：来自自来水管网的水进入缓冲罐后由泵升压供出至工艺装置换热后至生活区。来自工艺装置的热媒水进入缓冲罐后由泵升压送至工艺装置先换热装置换热后至生活区。来自工艺装置的热媒水进入缓冲罐后由泵升压送至工艺装置先换热升温后加热新鲜水降温后返回。升温后加热新鲜水降温后返回。由于设置了缓冲罐，并且加之原选由于设置了缓冲罐，并且加之原选 用的泵扬程较高用的泵扬程较高(125m),(125m),需要开二台需要开二台75kW75kW的泵。的泵。改造后流程改造后流程：来自自来水管见的新鲜水不进缓冲罐直接来自自来水管见的新鲜水不进缓冲罐直接(流量较小，大部分时间流量
13、较小，大部分时间)或经或经1 1台台15kW15kW的管道泵至工艺装置，基本减少了一台的管道泵至工艺装置，基本减少了一台75kW75kW的泵电耗。的泵电耗。来自工艺装置的热媒水也不进入缓冲罐直接由来自工艺装置的热媒水也不进入缓冲罐直接由1 1台台15kW15kW的管道泵升压送至工的管道泵升压送至工艺装置。艺装置。上述改造，投资仅上述改造，投资仅3 3万元，年节电费用就达万元，年节电费用就达3030多万元。多万元。第9页，此课件共79页哦能量多次使用的例子 如有八个物理过程，分别从起始温度加热至终止温度后，即需将热量排如有八个物理过程，分别从起始温度加热至终止温度后，即需将热量排掉，每个过程的需
14、热量为掉，每个过程的需热量为10kg10kg标油。标油。（1 1）1200140012001400 （2 2）8001000 8001000（3 3）400600 400600（4 4）200300 200300（5 5）150200 150200（6 6）110130 110130（7 7）80100 80100（8 8）5070 5070 如果每一个过程单独进行，至少需要如果每一个过程单独进行，至少需要8*10=80 kg8*10=80 kg标油。标油。如果将前一个过程完成后的热量回收用于下一个过程，则总需能量仅为如果将前一个过程完成后的热量回收用于下一个过程，则总需能量仅为10 kg10
15、 kg标油，是单独过程用能的八分之一。由此可以看出能量多次使用的本质和系标油，是单独过程用能的八分之一。由此可以看出能量多次使用的本质和系统优化的极大优越性。统优化的极大优越性。第10页，此课件共79页哦如果真有上述好的条件，一定要抓住机会，充分利用；如果真有上述好的条件，一定要抓住机会，充分利用；可能有类似上述的良好条件，但是隐蔽的，应让其显可能有类似上述的良好条件，但是隐蔽的，应让其显露出来，并充分利用。（系统越大越复杂，则越接近优化露出来，并充分利用。（系统越大越复杂，则越接近优化匹配的条件）匹配的条件）如果没有这么多的温度与负荷匹配良好的过程，要创造如果没有这么多的温度与负荷匹配良好的
16、过程，要创造条件，创造过程（尤其是公用工程），使工艺过程之间及条件，创造过程（尤其是公用工程），使工艺过程之间及与公用工程之间实现良好的匹配。与公用工程之间实现良好的匹配。第11页，此课件共79页哦4.窄点技术4.14.1窄点技术的起源、特点及应用范围窄点技术的起源、特点及应用范围4.24.2窄点技术的概念及术语窄点技术的概念及术语4.34.3窄点技术超目标方法窄点技术超目标方法4.44.4窄点设计法窄点设计法4.54.5公用工程能级优选法公用工程能级优选法4.64.6加热炉在过程组合中的适宜布局加热炉在过程组合中的适宜布局4.74.7易污垢换热的网络设计法易污垢换热的网络设计法4.84.8用
17、于装置改造用于装置改造4.94.9全厂性能量组合设计全厂性能量组合设计4.10 4.10 例题例题第12页，此课件共79页哦4.14.1窄点技术的起源、特点及应用范围窄点技术的起源、特点及应用范围 窄点技术的原理窄点技术的原理19781978年由英国曼彻斯特大学的年由英国曼彻斯特大学的B.LinnhoffB.Linnhoff教授提出，教授提出，经过多年的应用研究，已成为过程工业节能的一种先进且特别实用的技经过多年的应用研究，已成为过程工业节能的一种先进且特别实用的技术，广泛应用于炼油、石油化工、造纸、制药等几乎所有过程工业部门。术，广泛应用于炼油、石油化工、造纸、制药等几乎所有过程工业部门。据
18、一项据一项19941994年的统计资料，窄点技术在全世界的工业应用项目在年的统计资料，窄点技术在全世界的工业应用项目在25002500个以个以上。曾有人对此项技术的评价是可以代替上。曾有人对此项技术的评价是可以代替2020年的的工程经验，在最流行此技术年的的工程经验，在最流行此技术的时候，世界上的一些大公司专门成立了窄点技术组，日本三菱化学公司曾的时候，世界上的一些大公司专门成立了窄点技术组，日本三菱化学公司曾专门请专门请B.LinnhoffB.Linnhoff的博士进行辅导学习和应用。的博士进行辅导学习和应用。传统方法及数学法的缺点：传统方法及数学法的缺点：（1 1）第一定律：不能真正说明能
19、量损失的原因；）第一定律：不能真正说明能量损失的原因；（2 2）第二定律：很抽象，实际过程中难以应用；）第二定律：很抽象，实际过程中难以应用；（3 3）纯粹数学意义上的优化，到目前还仅限于换热物流数目较少的网络，）纯粹数学意义上的优化，到目前还仅限于换热物流数目较少的网络，对复杂网络，数学方法还很不成熟，不仅经常得不到答案，而且合成的对复杂网络，数学方法还很不成熟，不仅经常得不到答案，而且合成的网络很复杂，难于实际应用。网络很复杂，难于实际应用。第13页，此课件共79页哦窄点技术的显著特点：简单实用使用简单的图表加上一定的经验即可对复杂的装使用简单的图表加上一定的经验即可对复杂的装置和系统，同
20、时优化权衡能量与投资；置和系统，同时优化权衡能量与投资；特别强调技术人员对问题和目标的理解，所有的决定特别强调技术人员对问题和目标的理解，所有的决定由技术人员自己做出，因为技术人员始终了解发生的由技术人员自己做出，因为技术人员始终了解发生的所有事情。所有事情。能在具体设计之前，就可提出很好的实用解决方案能在具体设计之前，就可提出很好的实用解决方案 第14页，此课件共79页哦窄点技术的应用与发展 窄点技术主要是优化广义的换热网络，也即是以窄点技术主要是优化广义的换热网络，也即是以冷热物流相联系的网络，如装置内、装置间及装置与冷热物流相联系的网络，如装置内、装置间及装置与蒸汽动力系统的冷热物流，当
21、然也包括加热炉烟气、蒸汽动力系统的冷热物流，当然也包括加热炉烟气、热机、热泵等。据此，石化工业是窄点技术大有作为热机、热泵等。据此，石化工业是窄点技术大有作为的一个工业。的一个工业。窄点技术的发展主要在窄点技术的发展主要在2020世纪世纪80908090年代，不年代，不仅可用于换热网络，也可用于水处理即水处理窄仅可用于换热网络，也可用于水处理即水处理窄点方法，减少水耗。国内窄点技术也得到了一些点方法，减少水耗。国内窄点技术也得到了一些应用，但还较少，有许多应用，还仅限于窄点计应用，但还较少，有许多应用，还仅限于窄点计算。应该说明，国内窄点技术的应用还大有潜力算。应该说明，国内窄点技术的应用还大
22、有潜力可挖。可挖。第15页，此课件共79页哦4.24.2窄点技术的概念及术语窄点技术的概念及术语冷热综合曲线冷热综合曲线窄点及意义窄点及意义窄点温差窄点温差吸热部分吸热部分放热部分放热部分公用工程目标公用工程目标第16页，此课件共79页哦解题表（或叫问题表格）解题表（或叫问题表格）B.LinnhoffB.Linnhoff的解题表是窄点技术的基石。如下例：的解题表是窄点技术的基石。如下例：窄点温差选窄点温差选2020，热公用工程目标为，热公用工程目标为107.5,107.5,冷公用工程目标为冷公用工程目标为4040,窄点温度为对应窄点温度为对应SN3SN3子网子网络，即热物流温度为络，即热物流温
23、度为9090，冷物流温度为，冷物流温度为7070。SN1SN1子网络对应的温度为：热物流子网络对应的温度为：热物流150145150145，冷，冷物流仅物流仅125125；SN2SN2子网络对应的温度为：热物流子网络对应的温度为：热物流145120145120，冷物流，冷物流125120125120；SN5SN5子网络对子网络对应的温度为：热物流仅应的温度为：热物流仅6060，冷物流为，冷物流为40254025；SN6SN6子网络对应的温度为：热物流仅子网络对应的温度为：热物流仅6060，冷物流为冷物流为25202520。第17页，此课件共79页哦总综合曲线总综合曲线 第18页，此课件共79页
24、哦总综合曲线的两个示例第一个图形，窄点温度第一个图形，窄点温度180180，可发生低压蒸汽及供出低温余热；，可发生低压蒸汽及供出低温余热；第二个图形，第一个窄点温度第二个图形，第一个窄点温度260260，第二个窄点温度，第二个窄点温度120120，中间可发生中，中间可发生中压蒸汽，背压发电后，再供出压蒸汽，背压发电后，再供出0.5Mpa0.5Mpa蒸汽，利用中间富裕的温差作功。蒸汽，利用中间富裕的温差作功。第19页，此课件共79页哦窄点技术中的金法则（1 1）不通过窄点传递热量；）不通过窄点传递热量；（2 2）窄点以上吸热部分不使用冷公用工程；）窄点以上吸热部分不使用冷公用工程；（3 3）窄点
25、以下放热部分不使用热公用工程）窄点以下放热部分不使用热公用工程 。实际意义是：实际意义是：尽量使冷热综合曲线平行，温差均衡分配，使在合理回尽量使冷热综合曲线平行，温差均衡分配，使在合理回收能量的前提下，使投资最小，实际上是节能基本原则的应用收能量的前提下，使投资最小，实际上是节能基本原则的应用 。冷热综合曲线、解题表和总综合曲线是来自于同一热力学分析的三种表冷热综合曲线、解题表和总综合曲线是来自于同一热力学分析的三种表示方式，其中冷热综合曲线和总综合曲线可以从解题表中的数据推出来。解示方式，其中冷热综合曲线和总综合曲线可以从解题表中的数据推出来。解题表易于寻找能量目标和热级流动情况，冷热综合曲
26、线更便于对窄点技术的题表易于寻找能量目标和热级流动情况，冷热综合曲线更便于对窄点技术的基本概念进行理解，而总综合曲线特别适用于选择公用工程的适当配置方案。基本概念进行理解，而总综合曲线特别适用于选择公用工程的适当配置方案。第20页，此课件共79页哦43 窄点技术超目标方法窄点技术超目标方法 确定了窄点温差，就确定了冷、热公用工程确定了窄点温差，就确定了冷、热公用工程目标，但窄点温差如何在具体设计之前选取？目标，但窄点温差如何在具体设计之前选取？因此窄点技术中发展出了一个超目标方因此窄点技术中发展出了一个超目标方法，即在换热网络还没有具体设计的情况下，法，即在换热网络还没有具体设计的情况下，运用
27、一些模型，优化选取窄点温差。假如把运用一些模型，优化选取窄点温差。假如把每一个窄点温差下的换热网络都设计出来，每一个窄点温差下的换热网络都设计出来，而进行选取，其工作量太大，工程上不实用，而进行选取，其工作量太大，工程上不实用，也没有这个必要。也没有这个必要。第21页，此课件共79页哦 超目标方法的实质是利用冷热综合曲线的超目标方法的实质是利用冷热综合曲线的“垂直换热垂直换热”传热面积模传热面积模型、壳程数模型以及泵功模型，预测每一个窄点温差情况下的最小传热型、壳程数模型以及泵功模型，预测每一个窄点温差情况下的最小传热面积、最小壳程数，从而预测出投资，当然选取一个窄点温差，就可确面积、最小壳程
28、数，从而预测出投资，当然选取一个窄点温差，就可确定了冷热工程目标，也就可以确定能耗费用。综合选取年操作费用最低定了冷热工程目标，也就可以确定能耗费用。综合选取年操作费用最低的窄点温差即为优化值。的窄点温差即为优化值。第22页，此课件共79页哦44窄点设计法窄点设计法 老式设计法老式设计法 在窄点设计法中，核心的问题是窄点处的换热匹配，即不使热量在窄点设计法中，核心的问题是窄点处的换热匹配，即不使热量传递通过窄点，以免造成冷热公用工程目标的增大。传递通过窄点，以免造成冷热公用工程目标的增大。窄点设计法主要包括以下五个步骤：窄点设计法主要包括以下五个步骤：（1 1）将换热网络由窄点分成两个分离网络
29、；）将换热网络由窄点分成两个分离网络；（2 2）这两个分离网络的设计由窄点处开始往窄点换热器以远发展，）这两个分离网络的设计由窄点处开始往窄点换热器以远发展，主要的窄点匹配方案以及是否或如何进行物流分流，应用可行性准则主要的窄点匹配方案以及是否或如何进行物流分流，应用可行性准则来确定（物流数包括分流准则、热容流率不等式约束准则、热容流率来确定（物流数包括分流准则、热容流率不等式约束准则、热容流率差准则）；差准则）；（3 3）当窄点处存在可挑选的方案时，设计者根据自己的经验确定；）当窄点处存在可挑选的方案时，设计者根据自己的经验确定；（4 4）窄点换热器的热负荷取决于消去探试法。当有问题时，如增
30、加公用工）窄点换热器的热负荷取决于消去探试法。当有问题时，如增加公用工程用量或导致非窄点换热器的温差不足时，可在窄点处选用其它方案或降低程用量或导致非窄点换热器的温差不足时，可在窄点处选用其它方案或降低热负荷；热负荷；（5 5）非窄点换热器的匹配往往是自由匹配，设计者可以根据经验确定所）非窄点换热器的匹配往往是自由匹配，设计者可以根据经验确定所希望的匹配。希望的匹配。第23页，此课件共79页哦新式设计法 实际上，这种老式的窄点设计法比较机械，设计出的换实际上，这种老式的窄点设计法比较机械，设计出的换热网络也比较复杂。为此后来发展出了双温差设计法，即热网络也比较复杂。为此后来发展出了双温差设计法
31、，即确定冷热公用工程目标时，用一个窄点温差，也称为热回确定冷热公用工程目标时，用一个窄点温差，也称为热回收窄点收窄点PTDPTD（如（如2020）。而在实际设计换热器时，选取较小的）。而在实际设计换热器时，选取较小的一个传热温差别值（如一个传热温差别值（如1010），这样设计出的换热网络比较简，这样设计出的换热网络比较简单实用。而且一般设计时，也不是从窄点处分开，而是在确定冷单实用。而且一般设计时，也不是从窄点处分开，而是在确定冷热公用工程目标后，直接从吸热部的最高温度开始匹配。热公用工程目标后，直接从吸热部的最高温度开始匹配。第24页，此课件共79页哦45 公用工程能级优选法公用工程能级优选
32、法 对大多数工艺过程来说，为了满足它在窄点以上的热量需求，通常要对对大多数工艺过程来说，为了满足它在窄点以上的热量需求，通常要对不同的热公用工程系统进行选择。而对窄点以下的子系统，要尽量将其有效不同的热公用工程系统进行选择。而对窄点以下的子系统，要尽量将其有效热量作热源用来产生低压蒸汽、预热空气和锅炉给水以及产生低温余热等，热量作热源用来产生低压蒸汽、预热空气和锅炉给水以及产生低温余热等，最后再将剩余热量排放到冷却水或空气中。最后再将剩余热量排放到冷却水或空气中。第25页，此课件共79页哦热机、热泵的位置 热机的位置：不能跨越窄点，应放于窄点 之上，或窄点之下；热泵的位置：应跨越窄点 但由于热
33、泵能提高的温度不是很高，只有对前图中的温度提高不大的情况下才能适应。第26页，此课件共79页哦4 46 6 加热炉在过程组合中的适宜布局加热炉在过程组合中的适宜布局 （1 1）加热炉烟气温焓模型）加热炉烟气温焓模型）加热炉烟气温焓模型）加热炉烟气温焓模型 传统的过程设计中，加热炉的设计仅仅是为了满足工艺负荷的传统的过程设计中，加热炉的设计仅仅是为了满足工艺负荷的要求，在有剩余烟气余热的情况下用于空气预热和锅炉给水预热等。要求，在有剩余烟气余热的情况下用于空气预热和锅炉给水预热等。加炉炉的传热一般分为辐射和对流两段。加炉炉的传热一般分为辐射和对流两段。辐射段温度驱动力不辐射段温度驱动力不是设计需
34、考虑的主要因素。而在对流段由于烟气温度要低得多，所以是设计需考虑的主要因素。而在对流段由于烟气温度要低得多，所以炉管传热面积可按烟气和工艺物流间的温差驱动力来确定。加热炉的炉管传热面积可按烟气和工艺物流间的温差驱动力来确定。加热炉的温焓曲线可简化为一条直线，烟气可以恒定热容流率（质量流率与比温焓曲线可简化为一条直线，烟气可以恒定热容流率（质量流率与比热容的乘积）表示，使之从理论火焰温度冷却至大气温度热容的乘积）表示，使之从理论火焰温度冷却至大气温度T0T0。虽然实。虽然实际上达不到理论火焰温度且烟气热容是温度的函数，但为了说明问题方便，仍可际上达不到理论火焰温度且烟气热容是温度的函数，但为了说
35、明问题方便，仍可以此温度作为烟气温度温焓线的参考起始点，并可以得到较为正确的结果，因为以此温度作为烟气温度温焓线的参考起始点，并可以得到较为正确的结果，因为在对流段的较低温度区间内，烟气的热容随温度的变化很小。在对流段的较低温度区间内，烟气的热容随温度的变化很小。第27页，此课件共79页哦 将烟气温焓线和过程总综合曲线画在一起，就可以将烟气温焓线和过程总综合曲线画在一起，就可以确定最小燃料耗量。这是在工艺过程设计和加热炉设计确定最小燃料耗量。这是在工艺过程设计和加热炉设计之前就可以获得目标燃料耗量的方法，即不需知道炉管之前就可以获得目标燃料耗量的方法，即不需知道炉管根数、管径及其出入炉温度和其
36、它参数。根数、管径及其出入炉温度和其它参数。第28页，此课件共79页哦（2 2）传统的空气预热方法）传统的空气预热方法）传统的空气预热方法）传统的空气预热方法 习惯上总是认为增加空气预热可以习惯上总是认为增加空气预热可以提高加热炉效率和降低燃料耗量。如下提高加热炉效率和降低燃料耗量。如下图所示可以看出其影响。图中不带烟气图所示可以看出其影响。图中不带烟气预热的烟气温焓线以虚线表示，而空气预热的烟气温焓线以虚线表示，而空气对燃料比率保持不变的带空气预热的烟对燃料比率保持不变的带空气预热的烟气线以实线表示，显然空气预热后理论气线以实线表示，显然空气预热后理论火焰温度上升，其结果是烟气线的斜率火焰温
37、度上升，其结果是烟气线的斜率变陡了，导致烟气从烟囱排弃的热损失变陡了，导致烟气从烟囱排弃的热损失降低，降低的燃料耗量热值相当于助燃降低，降低的燃料耗量热值相当于助燃空气所获得的热量。空气所获得的热量。如右图所示：工艺过程所需的最低供热量为如右图所示：工艺过程所需的最低供热量为QhminQhmin，当窄点温差为，当窄点温差为50 50 时是时是1300kW1300kW，窄点温度为，窄点温度为400 400 （烟气窄点温度为（烟气窄点温度为425 425 ，工艺冷流窄点温度为，工艺冷流窄点温度为375 375 ）。如不）。如不用空气预热则理论火焰温度为用空气预热则理论火焰温度为1500 1500
38、。第29页，此课件共79页哦 如尾端烟气在热流窄点温度下离开加热炉时，所需燃料如尾端烟气在热流窄点温度下离开加热炉时，所需燃料为：为：燃料燃料=Qhmin+(=Qhmin+(烟气窄点温度烟气窄点温度T0)*T0)*烟气热容流率烟气热容流率 1790kW1790kW 然而，然而，425425 的烟气是足以用来预热空气的，设最小允许的烟气是足以用来预热空气的，设最小允许离开烟囱的烟气温度为离开烟囱的烟气温度为200200，则最高空气预热温度是，则最高空气预热温度是270270。这时新的理论火焰温度为这时新的理论火焰温度为17251725，并可计算出新的燃料，并可计算出新的燃料耗量：耗量：燃料燃料h
39、min+(200-T0)*hmin+(200-T0)*烟气热容流率烟气热容流率=1480kW=1480kW 所以助燃空气预热可节省燃料所以助燃空气预热可节省燃料17%17%。以上是有传统方法设计的优化结果，烟气流率和烟囱排以上是有传统方法设计的优化结果，烟气流率和烟囱排弃温度已经是最低了，似乎没有改进的余地了。弃温度已经是最低了，似乎没有改进的余地了。第30页，此课件共79页哦（3 3）用窄点技术考虑的空气预热）用窄点技术考虑的空气预热）用窄点技术考虑的空气预热）用窄点技术考虑的空气预热如果把工艺过程和加热炉作为一个整体来考虑，预热空气就意味着引入了一如果把工艺过程和加热炉作为一个整体来考虑，
40、预热空气就意味着引入了一股以前没有考虑的冷物流，根据窄点金法则，引入冷物流只有当其温度低于窄点股以前没有考虑的冷物流，根据窄点金法则，引入冷物流只有当其温度低于窄点时才是有效的，因为它增加了低于窄点部分的冷物流热量从而有助于降低冷公用时才是有效的，因为它增加了低于窄点部分的冷物流热量从而有助于降低冷公用工程（如冷却水）。同时窄点金法则也告诉我们：最大的空气预热温度应该等于工程（如冷却水）。同时窄点金法则也告诉我们：最大的空气预热温度应该等于冷流的窄点温度。如果空气和燃料的预热需要冷流的窄点温度。如果空气和燃料的预热需要QRQR的热量，则工艺过程所消耗的冷公的热量，则工艺过程所消耗的冷公用工程量
41、也下降用工程量也下降QRQR，但更重要的是燃料耗量也按下式降低了（即燃料量等于烟气，但更重要的是燃料耗量也按下式降低了（即燃料量等于烟气放热量减去空气和燃料的预热量）。放热量减去空气和燃料的预热量）。燃料燃料=Qhmin+(T=Qhmin+(TPHPH-T0)*C-T0)*Cp p烟气烟气-（T TPCPC-T0-T0）*（C Cp p空气空气+C+Cp p燃料燃料）由于由于 C Cp p烟气烟气=C=Cp p空气空气+C+Cp p燃料燃料 燃料燃料=Qhmin+=Qhmin+（T TPHPH-T-TPCPC）*C Cp p烟气烟气 也即也即燃料燃料=Qhmin+=Qhmin+窄点温差窄点温差
42、*C Cp p烟气烟气(1)(1)如果燃料不预热或没有预热到窄点温度，则上式做如下修改：如果燃料不预热或没有预热到窄点温度，则上式做如下修改：燃料燃料=Qhmin+=Qhmin+窄点温差窄点温差*C Cp p烟气烟气+C+Cp p燃料燃料*（T TPCPC TT燃料燃料）(1a)(1a)TTPH-PH-热物流窄点温度热物流窄点温度T TPC-PC-冷物流窄点温度冷物流窄点温度T T燃料燃料-燃料温度燃料温度第31页，此课件共79页哦 以上述公式为前提的结果令人吃惊，因为当窄点温差为以上述公式为前提的结果令人吃惊，因为当窄点温差为0 0且燃料又完全且燃料又完全预热的话，可以得到燃料量等于最小热公
43、用工程预热的话，可以得到燃料量等于最小热公用工程QhminQhmin，即可以得，即可以得到到100%100%的加热炉效率。即使窄点温差在合理的范围内，且假定燃料不的加热炉效率。即使窄点温差在合理的范围内，且假定燃料不预热，也可以算出很高的加热炉效率。预热，也可以算出很高的加热炉效率。用公式（用公式（1a1a）可以计算得出这时的燃料是）可以计算得出这时的燃料是1379kW1379kW，而用传统，而用传统优化方法所得到的燃料是优化方法所得到的燃料是1480kW1480kW，其差别主要在于加热炉和过程是，其差别主要在于加热炉和过程是否组合在一起考虑。传统的方法中，空气预热温度只能加热到否组合在一起考
44、虑。传统的方法中，空气预热温度只能加热到270270，而冷流窄点温度却是而冷流窄点温度却是375375。通过上图中总综合曲线可以清楚看出：低。通过上图中总综合曲线可以清楚看出：低于窄点温度处尚有多余的工艺过程热量可利用，就可把空气预热到于窄点温度处尚有多余的工艺过程热量可利用，就可把空气预热到375375，燃料耗量降到，燃料耗量降到1379kW,1379kW,进一步降低了进一步降低了6%6%的燃料消耗。这时燃料耗的燃料消耗。这时燃料耗量才真正降到最低值了。量才真正降到最低值了。应注意的是：加热炉效率是不可能等于应注意的是：加热炉效率是不可能等于100%100%的，之所以出现的，之所以出现前面的
45、结果是因为：空气预热的一部分热量是由工艺过程物流提供前面的结果是因为：空气预热的一部分热量是由工艺过程物流提供的。的。第32页，此课件共79页哦4 47 7 易污垢换热的网络设计法易污垢换热的网络设计法易污垢换热的网络设计法易污垢换热的网络设计法 对待污垢的传统设计方法很简单，就是增大易导致结垢换热器的传热面积。而发展的窄点技术中，则推荐相对待污垢的传统设计方法很简单，就是增大易导致结垢换热器的传热面积。而发展的窄点技术中，则推荐相反的方法，减少易导致结垢换热器的传热面积，而增大其下游的不易结垢的传热面积。反的方法，减少易导致结垢换热器的传热面积，而增大其下游的不易结垢的传热面积。某换热网络见
46、下图：某换热网络见下图：物流物流3 3在温度超过在温度超过125 125 以后就易结垢，结垢趋势是典型的渐近线型，即在以后就易结垢，结垢趋势是典型的渐近线型，即在6 6个月后（装置操作周期为个月后（装置操作周期为1212个月）达到最高峰后就平缓了。换个月）达到最高峰后就平缓了。换1 1总传热系数是总传热系数是120W/m2.K120W/m2.K，操作，操作6 6个月后降个月后降至至81W/m2.K81W/m2.K。装置的要求是：物流。装置的要求是：物流1 1和和2 2的终温并不严格，而物流的终温并不严格，而物流3 3、4 4的终温则必须满足要求。所以不管有无的终温则必须满足要求。所以不管有无结
47、垢，物流结垢，物流3 3的终温必须是的终温必须是17 17 。利用传统设计方法，则换。利用传统设计方法，则换1 1需增加需增加148M2148M2的传热面积，且为确保装的传热面积，且为确保装置正常运转，在换置正常运转，在换1 1增设旁路，流经旁路的流量应随换增设旁路，流经旁路的流量应随换1 1结垢的严重逐步减少，直到结垢的严重逐步减少，直到6 6个月后把旁路关死。装个月后把旁路关死。装置能耗在运转期间维持在置能耗在运转期间维持在1850kW1850kW。第33页，此课件共79页哦传统设计法的缺点：（1 1）增加面积的利用率低，投资没有充分利用。另一个可）增加面积的利用率低，投资没有充分利用。另
48、一个可能方案是在换能方案是在换1 1后增设一台加热器，但这样不仅设备利用率低，后增设一台加热器，但这样不仅设备利用率低，而且还增加了能耗。而且还增加了能耗。（2 2）增加面积的换热器的布局不好。在换热网络不同换热）增加面积的换热器的布局不好。在换热网络不同换热器中增加面积的成本效益是不同的。如将增加的面积放在较好器中增加面积的成本效益是不同的。如将增加的面积放在较好布局中将有利于投资的回收。布局中将有利于投资的回收。（3 3）设计安全系数过大往往会进一步导致结垢。因为选用大）设计安全系数过大往往会进一步导致结垢。因为选用大富裕量换热器或使用旁路时，通过换热器的物流流速会降低，污富裕量换热器或使
49、用旁路时，通过换热器的物流流速会降低，污垢加快，膜传热系数降低以致影响管壁温度，而壁温度又对结垢垢加快，膜传热系数降低以致影响管壁温度，而壁温度又对结垢有较大影响。有较大影响。（4 4）结垢后往往在装置继续操作的同时，必须把换热器切除）结垢后往往在装置继续操作的同时，必须把换热器切除负荷进行清洗，这时设备没有被利用。负荷进行清洗，这时设备没有被利用。第34页，此课件共79页哦新方案及优点 新方案：新方案：由于换热网络特有的灵敏性能，即在一个地方增加额外传热面积会促使由于换热网络特有的灵敏性能，即在一个地方增加额外传热面积会促使该换热器物流温度变化而进一步影响到其它物流温度变化，可在网络中不产生
50、污该换热器物流温度变化而进一步影响到其它物流温度变化，可在网络中不产生污垢或污垢较少的地方增加额外面积以解决结垢问题。因此推荐的方案是加大不结垢或污垢较少的地方增加额外面积以解决结垢问题。因此推荐的方案是加大不结垢的换垢的换3 3面积。计算结果表明：换面积。计算结果表明：换3 3增加不大于增加不大于103M2103M2的面积完全可以补的面积完全可以补偿换偿换1 1结垢的影响。换结垢的影响。换3 3增加的面积比原方案少增加的面积比原方案少30%30%，该方案的另一优点是：，该方案的另一优点是：加大换加大换3 3换热量后，换换热量后，换1 1负荷降低，换负荷降低，换2 2负荷增大而使物流负荷增大而