节能原理与方法-节能技术讲座课件.ppt

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1、3.节能原理与方法3.1 热力学第一定律分析法3.2 热力学第二定律分析法3.3 热经济学3.4 用能的本质认识3.5 节能方法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不掌握节能原理掌握节能原理b b提出不恰当的节能提出不恰当的节能指标指标b b制定出不合理的节制定出不合理的节能决策能决策b b批准不合理的节能批准不合理的节能方案方案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 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

2、 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，数量不变。一种形式的能量时，数量不变。v v 该分析法得到了广泛应用，它主要是用热效率的高低 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。来估计节能潜力，热效率越高说明节能潜力越大。v v 能量平衡工作正是基于这一定律，把能量的来龙去脉 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。搞清楚，确定多少能量被利用，多少能量损失掉。v v 优点：简单直观，容易理解和掌握，运用得当对节能 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

3、作用。工作能起到重要作用。v v 缺点：由于它所依据的仅是能量数量上的守恒性，在 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 挖掘节能潜力时有较大的局限性和不合理性。3.2 第二定律分析法20 20世纪 世纪50 50年代以后，热力学第二定律的理论开始在节能实践 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 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转移或转化为另一种形式的能量时，其品位只可能降低 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，绝不可能提高。

4、这样能量在数量的守恒性和质量上的贬 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，就构成了能量的全面本性。值性，就构成了能量的全面本性。现代节能原理是同时依据热力学第一、第二定律，并通过直 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 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，称为第二定律分析法。这种方法有两大类，熵分析法和火用 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。由于熵分析法比较抽象，不能评价能量的使用价值，且 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

5、本身也不是一种能量，现在已被火用分析法取代。本身也不是一种能量，现在已被火用分析法取代。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 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 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。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。3.3 热经济学20

6、20世纪世纪6060年代以来，在节能领域产生了将年代以来，在节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火用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热经济学，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相互作用外，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。量与环境经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，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。而热经济学分析法可以直接给得出具体结论。而热经济学分析

7、法可以直接给出结果，这种方法特别适用于解决大型、复杂出结果，这种方法特别适用于解决大型、复杂的能量系统分析、设计和优化。的能量系统分析、设计和优化。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

8、 可逆过程是热力学中的一种理想过程，在这个过程中，如为机械运动则没有摩擦阻力，如为传热过程则没有温差，如对常减压 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，如达到可逆过程，其能耗就可能仅为 蒸馏装置，如达到可逆过程，其能耗就可能仅为23 23的程度。因 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 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济合理条件 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。下，接近可逆过程。用能的本质 用能的本质：q q 大部分能量是过客

9、；大部分能量是过客；q q 能量是完成过程中不发生化学变化的 能量是完成过程中不发生化学变化的“催化剂 催化剂”；q q 能量是完成过程的推动力。能量是完成过程的推动力。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 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 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，抓住优化匹配的机会，减少不可逆性。度使用能量，抓住优化匹配的机会，减少不可逆性

10、。（3 3）多次使用能量。如对传热过程，就是要减少传热温差，目前的）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 经济传热平均温差（不包括加热炉）已经达到达20 20 30 30，随着 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 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，最常见最典型的过程为传热过程，各个装 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。凡是传热温差很大或较大的地方，也即是 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。

11、用不合理的地方。（4 4）高级高用，低能低用。）高级高用，低能低用。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。（11）用电加热）用电加热：2.5kg2.5kg标油标油；（22）LPGLPG加热：加热：1kg1kg标油标油；（33）用燃料发生中压蒸汽，通过凝汽机的排汽）用燃料发生中压蒸汽，通过凝汽机的排汽加热：加热：0.7kg0.7kg标油标油。此时，所需的一次能源已小。此时，所需的一次能源已小于水本身升温所需的热量于水本身升温所需的热量0.85kg0.85kg标油。标油。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为

12、：来自自来水管网的水进入缓冲罐后由泵：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 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升温后加热新鲜水降温后返回。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。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(125(125m),m),需要开 需要开二台 二台75 75kW kW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

13、，大部分时间 流量较小，大部分时间)或经 或经1 1台 台15 15kW kW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75 75kW kW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15 15kW kW的管道泵升 的管道泵升压送至工艺装置。压送至工艺装置。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30 30多万元。多万元。能量多次使用的例子 如有八 如有八个 个物理过程，分别从起始温度加热至终止温度后，即 物理过程，分别从起始温度加热至终止温度后，即需将热

14、量排掉，每个过程的需热量为 需将热量排掉，每个过程的需热量为10kg 10kg标油。标油。（1 1）12001400 12001400（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 kg 8*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 如果将前一个过程完成后的热量回收用于下一个过程

15、，则总需能量仅为 需能量仅为10 kg 10 kg标油，是单独过程用能的八分之一。由此可以看 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。出能量多次使用的本质和系统优化的极大优越性。如果真有上述好的条件，一定要抓住机会，充分 如果真有上述好的条件，一定要抓住机会，充分利用；利用；可能有类似上述的良好条件，但是隐蔽的，应 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 让其显露出来，并充分利用。（系统越大越复杂，则越接近优化匹配的条件）越接近优化匹配的条件）如果没有这么多的温度与负荷匹配良好的过程，如果没有这么多的

16、温度与负荷匹配良好的过程，要创造条件，创造过程（尤其是公用工程），使工艺 要创造条件，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。过程之间及与公用工程之间实现良好的匹配。4.窄点技术4.1 4.1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4.2 4.2窄点技术的概念及术语 窄点技术的概念及术语4.3 4.3窄点技术超目标方法 窄点技术超目标方法4.4 4.4窄点设计法 窄点设计法4.5 4.5公用工程能级优选法 公用工程能级优选法4.6 4.6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4.7 4.7易污垢换热的网络设计法 易污垢

17、换热的网络设计法4.8 4.8用于装置改造 用于装置改造4.9 4.9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4.1 4.1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1978 1978年由英国曼彻斯特大学的 年由英国曼彻斯特大学的B.Linnhoff B.Linnhoff教 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 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术，广泛应用于炼油、石油化工、造纸、制药等 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

18、业部门。据一项 几乎所有过程工业部门。据一项1994 1994年的统计资料，窄点技术在 年的统计资料，窄点技术在全世界的工业应用项目在 全世界的工业应用项目在2500 2500个以上。曾有人对此项技术的评价 个以上。曾有人对此项技术的评价是可以代替 是可以代替20 20年的的工程经验，在最流行此技术的时候，世界上 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专门 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 请B.Linnhoff B.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

19、统方法及数学法的缺点：（1 1）第一定律：不能真正说明能量损失的原因；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）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 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，而且合成的网络很复杂，难于实际应用。案，而且合成的网络很复杂，难于实际应用。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使用简单的图表加上一定的经

20、验即可对复杂的装置和系统，同时优化权衡能量与投资；装置和系统，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所有事情。终了解发生的所有事情。能在具体设计之前，就可提出很好的实用解决能在具体设计之前，就可提出很好的实用解决方案方案 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、装即是以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，当然置间及

21、装置与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的一个工业。化工业是窄点技术大有作为的一个工业。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，年代，不仅可用于换热网络，也可用于水处理即水处不仅可用于换热网络，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理窄点方法，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，还仅限了一些应用，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于窄点计算。应该说明，国内窄点技术的应用还大有潜力

22、可挖。还大有潜力可挖。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 公用工程目标解题表（或叫问题表格）解题表（或叫问题表格）B.Linnhoff B.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20 20，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40 40,窄点温 窄点温度为对应 度为对应SN3 SN3子网络，即热物流温度为 子网络，即热物流温度为90 90，冷

23、物流温度为 冷物流温度为70 70。SN1 SN1子网络对 子网络对应的温度为：热物流 应的温度为：热物流150145 150145，冷物流仅，冷物流仅125 125；SN2 SN2子网络对应的温度为：子网络对应的温度为：热物流 热物流145120 145120，冷物流，冷物流125120 125120；SN5 SN5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60 60，冷物流为 冷物流为4025 4025；SN6 SN6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60 60，冷物流为 冷物流为2520 2520。总 总综合曲线 综合曲线 总综合曲线的两个示例第一

24、个图形，窄点温度 第一个图形，窄点温度180 180，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260 260，第二个窄点温度 第二个窄点温度120 120，中 中间可发生中压蒸汽，背压发电后，再供出 间可发生中压蒸汽，背压发电后，再供出0.5Mpa 0.5Mpa蒸汽，利用中间 蒸汽，利用中间富裕的温差作功。富裕的温差作功。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）窄点以下放热部分不使用热公用工程）窄点以下

25、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 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 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 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 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 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。解题表易于寻找能量目标和热级流动情况，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

26、合曲线更便于对窄点技术的基本概念进行理解，而总综合 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。曲线特别适用于选择公用工程的适当配置方案。43 窄点技术超目标方法 确定了窄点温差，就确定了冷、热公用确定了窄点温差，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工程目标，但窄点温差如何在具体设计之前选取？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

27、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。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 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 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面积、最小壳程数，从而预测出投资，当然选取一 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，就可确定了冷热工程目标，也就可以确定能耗费用。个窄点温差，就可确定了

28、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。综合选取年操作费用最低的窄点温差即为优化值。44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 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。热量传递通过窄点，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；）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）这两个分离网络的设计由窄点

29、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 展，主要的窄点匹配方案以及是否或如何进行物流分流，应用可行性准则来确定（物流数包括分流准则、热容流率不等式约束准 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、热容流率差准则）；则、热容流率差准则）；（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）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；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）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 增加公用工程用

30、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；处选用其它方案或降低热负荷；（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）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。验确定所希望的匹配。新式设计法 实际上，这种老式的窄点设计法比较机械，设计 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 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，即确定冷热公用工程目标时，用一个窄点温 设计法，即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 差，也称为热回收窄点PTD PTD（如 如

31、20 20）。）。而在实际设 而在实际设计换热器时，选取较小的一个传热温差别值（如 计换热器时，选取较小的一个传热温差别值（如10 10），这样设计出的换热网络比较简单实用。而且一般 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，而是在确定冷热公用 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。工程目标后，直接从吸热部的最高温度开始匹配。45 公用工程能级优选法 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，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

32、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，要尽量将其有效热量作热源用来产生低压蒸汽、预热空气和 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，最后再将剩余热量排放到冷却水 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。或空气中。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。46 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 传统的过程设计中，加热炉的设计仅仅是为

33、了满足工艺负荷 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 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。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 辐射段温度驱动力不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 力不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 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。加热炉的温焓曲线可简化为一条直线，烟气可以恒定热容流 定。加热炉的温焓曲

34、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 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 至大气温度T0 T0。虽然实际上达不到理论火焰温度且烟气热容是温 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，仍可以此温度作为烟气温度温 度的函数，但为了说明问题方便，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，因为在对流段 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。的较低温度区间内，烟气的热容随温度的变化很小。将烟气温

35、焓线和过程总综合曲线画在一起，就可 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 以确定最小燃料耗量。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 设计之前就可以获得目标燃料耗量的方法，即不需知道炉管根数、管径及其出入炉温度和其它参数。道炉管根数、管径及其出入炉温度和其它参数。（22）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 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。以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 如下图所示可以看出其影响。图中不带烟气预热的烟

36、气温焓线以虚线表示，带烟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 而空气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 预热的烟气线以实线表示，显然空气预热后理论火焰温度上升，其结果是 预热后理论火焰温度上升，其结果是烟气线的斜率变陡了，导致烟气从烟 烟气线的斜率变陡了，导致烟气从烟囱排弃的热损失降低，降低的燃料耗 囱排弃的热损失降低，降低的燃料耗量热值相当于助燃空气所获得的热量。量热值相当于助燃空气所获得的热量。如右图所示：工艺过程所需的最 如右图所示：工艺过程所需的最低供热量为 低供热量为Qhmin Qhmin，当窄点温差为 当窄点温差为50 50 时是

37、时是1300kW 1300kW，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 工艺冷流窄点温度为 流窄点温度为375 375）。）。如不用空 如不用空气预热则理论火焰温度为 气预热则理论火焰温度为1500 1500。如尾端烟气在热流窄点温度下离开加热炉时，所 如尾端烟气在热流窄点温度下离开加热炉时，所需燃料为：需燃料为：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 1790kW 1790kW 然而，然而，425 425 的烟气是足以用来预热空气的，设 的烟气是足以用来预热空气的，设最

38、小允许离开烟囱的烟气温度为 最小允许离开烟囱的烟气温度为200 200，则最高空气预，则最高空气预热温度是 热温度是270 270。这时新的理论火焰温度为 这时新的理论火焰温度为1725 1725，并可计算出新的燃料耗量：并可计算出新的燃料耗量：燃料 燃料hmin+(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 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。烟囱排弃温度已经是最低了，似乎

39、没有改进的余地了。（33）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 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 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时才是有效的，因为它增加了低于窄点部分的冷物流 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工程（如冷却水）。同时窄点金法则也告诉 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

40、等于冷流的窄点温度。如果空气和燃料 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 的预热需要QR QR的热量，则工艺过程所消耗的冷公用工程量也下降 的热量，则工艺过程所消耗的冷公用工程量也下降QR QR，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 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）。空气和燃料的预热量）。燃料 燃料=Qhmin Qhmin+(T+(TPH PH-T0)*C-T0)*Cp p烟气 烟气-（T TPC PC-T0-T0）*（C Cp p空气 空气+C+Cp p燃料 燃料）由于 由于 C

41、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 TPH PH-T-TPC PC）*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*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 TPC PCT T燃料 燃料）(1a)(1a)T TPH-PH-热物流窄点温度 热物流窄点温度 T TPC-PC

42、-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 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且燃料又完全预热的话，可以得到燃料量等于最小热公用工 且燃料又完全预热的话，可以得到燃料量等于最小热公用工程 程Qhmin Qhmin，即可以得到 即可以得到100%100%的加热炉效率。即使窄点温差在 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 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。炉效率。用公式（用公式（1a 1a）可以计算得出这时的燃料是 可以计算得出这时

43、的燃料是1379kW 1379kW，而用 而用传统优化方法所得到的燃料是 传统优化方法所得到的燃料是1480kW 1480kW，其差别主要在于加热 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 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 度只能加热到270 270，而冷流窄点温度却是 而冷流窄点温度却是375 375。通过上 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 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 工艺过程热量可利用，就可把空气预热到375 375，燃料耗量 燃料耗量降到

44、 降到1379kW,1379kW,进一步降低了 进一步降低了6%6%的燃料消耗。这时燃料耗量才 的燃料消耗。这时燃料耗量才真正降到最低值了。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 的，之所以出现前面的结果是因为：空气预热的一部分热量是由工艺过 出现前面的结果是因为：空气预热的一部分热量是由工艺过程物流提供的。程物流提供的。447 7 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 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

45、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 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。下游的不易结垢的传热面积。某换热网络见下图：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 以后就易结垢，结垢趋势是典型的渐近线型，即在 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12 12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 总传热系数是 热系数是120W/m2.K 120W/m2.K，操作 操作6 6个

46、月后降至 个月后降至81W/m2.K 81W/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 的终温并不严格，而物流 不严格，而物流3 3、4 4的终温则必须满足要求。所以不管有无结垢，物流 的终温则必须满足要求。所以不管有无结垢，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148M2 148M2的传热面积，且为确保装置正常运转，的传热面积，且为确保装置正常运转，在换 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

47、 6个月后把旁路关 个月后把旁路关死。装置能耗在运转期间维持在 死。装置能耗在运转期间维持在1850kW 1850kW。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）增加面积的利用率低，投资没有充分利用。另一个可能方案是在换 一个可能方案是在换1 1后增设一台加热器，但这样不仅 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。设备利用率低，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）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 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布局中

48、将有利于投资的回收。加的面积放在较好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。）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 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，污垢加快，膜传热系数降低以致 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，而壁温度又对结垢有较大影响。影响管壁温度，而壁温度又对结垢有较大影响。（4 4）结垢后往往在装置继续操作的同时，必须把）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。换热器切除负荷进行清洗，这时设备没有被利用。新

49、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 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 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，可在网络中不产生污垢或污垢较少的地方增加额外面 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的换 积以解决结垢问题。因此推荐的方案是加大不结垢的换3 3面积。计 面积。计算结果表明：换 算结果表明：换3 3增加不大于 增加不大于103M2 103M2的面积完全可以补偿换 的面积完全可以补偿换1

50、 1结垢 结垢的影响。换 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 负荷增大而使物流4 4的加热 的加热器负荷下降，从而减少热公用工程量 器负荷下降，从而减少热公用工程量15%15%。新方案优点如下 新方案优点如下：（1 1）额外增加面积的利用率高；）额外增加面积的利用率高；（2 2）额外增加面积不仅得到了充分利用，而且还降低了能耗；）额外增加面积不仅得到了充分利用，而且还降低了能耗；（3 3）不会加速结垢；）不会加速结垢