工业炉窑能源的分类及节能的基本原理

工业炉窑是耗能大户，也可以是节能大户。通过改进炉型结构和燃烧方式、加强保温、减少散热、回收余热都有很好的节能效果。

能源的分类和计量

凡是能够提供能量(如热能、机械能、电能、光能等)的资源，都称为能源。大自然赋予人类多种多样的能源，一是来自太阳的能量，除辐射能外，还有经其转换的多种形式的能源;二是来自地球本身的能量，如热能和原子能;三是来自地球与其他天体相互作用所产生的能量，如潮汐能。能源目前没有统一的分类方法，可以从不同角度进行多种分类，一般可分为一次能源和二次能源、常规能源和新能源、再生能源和非再生能源等。能源分类见表1-2。

表1 能源分类

(1)一次能源和二次能源 一次能源是从自然界取得的未经加工的能源，如开采出的原煤、原油、天然铀矿和天然气等。二次能源是由一次能源经过加工、转换得到的能源，如焦炭、煤气、煤油、汽油等燃料。大部分的一次能源都需要经过转换使其变成容易输送、分配和使用的二次能源，以适应消费者的需求。

(2)常规能源和新能源 能源按使用状况可分为常规能源和新能源。常规能源是指当前被广泛使用且量大的能源，如煤炭、石油、天然气、核能等。新能源是指在当前技术和经济条件下，尚未被人类广泛大量利用，但已经或即将被利用的能源，如太阳能、地热能、风能、潮汐能、生物质能与核聚变能等。

(3)再生能源与非再生能源 在一次能源中，不会随人们的使用而减少的能源称为再生能源，如太阳能、水能、生物能、风能、地热能和海洋能等。而化石燃料和核裂变燃料，如煤、原油、天然气、油页岩、核能等都会随着使用而逐渐减少，称为非再生能源。

(4)我国能源结构 我国煤炭资源比较丰富，能源结构以煤为主，以油、气为辅。其中煤炭比重约为70.6%,超出世界平均水平约40%;天然气比重最低，仅3.7%,远低于23.8%的世界平均水平。

从世界主要国家天然气消费比重横向比较来看，我国天然气能源利用严重不足。我国与资源禀赋最为接近的美国及印度两国相比，天然气消费比重分别低23.3%和5.5%。随着世界经济的发展，推进绿色、环保、低碳经济的呼声日渐高涨，促使各国能源结构不断优化，煤炭比重不断下降，天然气等清洁能源比重不断上升。

2011年，我国能源消费总量达34.8亿吨标准煤，成为世界第一大能源消费国。2025年，我国能源消费总量达61.7亿吨标准煤，比上年增长3.5%，煤炭消费量占能源消费总量比重为51.4%。随着工业化、城镇化的深入推进，我国能源消费仍将持续增长。在今后相当长的时间里，我国以煤为主的能源结构难以改变，经济社会发展面临的能源压力将持续增大。因此，促进能源技术进步，加快开发可再生能源，推动能源转型发展，是今后能源建设和改革的重要任务。

(5)能源的计量 能源计量可以以实物单位计量，也可以以能量单位计量。如，1t煤也可以表示为0.7143tce(ce为标准煤，下同)。各种能源均需折算成标准煤量。用能单位实际消耗的燃料能源应以其低(位)发热量为计算基础折算为标准煤量，并规定低(位)发热量等于29307kJ的燃料，称为1kgce。

用能单位外购的能源和耗能工质，其能源折算系数可参照国家统计局公布的数据;用能单位自产的能源和耗能工质所消耗的能源，其能源折算系数可根据实际投入产出自行计算。

耗能工质的标准煤折算系数可按式(1-1)进行计算：

式中bk——某种能源介质k的标准煤折算系数，kgce/t、kgce/m³及kgce/(kW·h)等;

gCk-1——能源转换过程中原料带入的能量，kgce/t、kgce/m³及kgce/(kW·h)等;

gCa-k——能源转换过程中外部供入的各种能量之和，kgce/t、kgce/m³及kgce/(kW·h)等;

gCξ-k——能源转换过程中回收外供的能量，kgce/t、kgce/m³及kgce/(kW·h)等。

当无法获得各种燃料的低(位)发热量实测值和单位耗能工质的耗能量时，可参照表2和表3。

表2 各种能源折标准煤参考系数

表3 耗能式质能源等价值

节能的基本原理

1.节能概念

所谓节能，即节约能源。它是指采取技术上可行、经济上合理、环境和社会可接受的一切措施，来提高能源资源的利用效率(世界能源委员会1979年提出的定义)。节能就是尽可能地减少能源消耗量，生产出与原来数量、质量相同的产品;或者是以相同数量的能源消耗量，生产出比原来数量更多或质量更好的产品。在具体节能工作中，不仅要注意节约能源，而且还要注意节约非能源。

工业节能工作应从直接节能与间接节能两个方面开展。一是应用先进的生产工艺或技术，以提高生产过程中的能源利用效率，从而降低单位产品能耗，称之为直接节能;二是通过技术和管理手段减少原料、辅料消耗，减少废弃物的产生，加强废弃物和余热余能的回收利用，调整产品结构，提高产品质量，延长设备寿命等措施降低能耗，称之为间接节能。

2.能量及其转换基础

能量有机械能、热能、电能、磁能、化学能、核能、光/辐射能等多种形态，这些形态可以相互转换。能量根据可转换性的不同，可以分为三类。

第一类是可以不受限制的、完全转换的能量。例如电能、机械能、位能(水力等)、动能(风力等),称为高级能。从本质上说，高级能是完全有序运动的能量。它们在数量上和质量上是完全统一的。

第二类是具有部分转换能力的能量。例如，热能、物质的热力学能、焓等。它只能一部分转换为第一类有序运动的能量，即根据热力学第二定律，热能不可能连续地、全部地转变为功，它的热效率总是小于1。这类能属于中级能。它的数量与质量是不统一的。

第三类是受自然界环境所限，完全没有转换能力的能量。例如处于环境状态下的大气、海洋、岩石等所具有的热力学能和焓。虽然它具有相当数量的能量，但在技术上无法使它转变为功。所以，它们是只有数量而无质量的能量，称为低级能。

热力学中定义：在环境条件下，能量中可转化为有用功的最高份额称为该能量的烟。或者，热力系只与环境相互作用，从任意状态可逆地变化到与环境相平衡的状态时，做出的最大有用功称为该热力系的烟。在环境条件下，不可能转化为有用功的那部分能量称为㷻。

能量和㶲、㷻的关系如图1所示。

(1)㶲 㶲是为了衡量能量的可用性而提出的指标，也称为“可用能”。它是指物质或物流由于其所处的状态与某一基准状态不平衡而具有的做功能力。烟是系统与环境相互作用的产物，是以给定环境为基准的相对量。烟一般分为物理㶲和化学㶲。

物理㶲是指系统经可逆物理过程达到约束性死态时，能最大限度转化为有用功的那部分能量。换句话说，如果以物理死态为基准，物理㶲就是处于任意状态的系统所具有的㶲。

物理㶲分为机械㶲和热㶲。其中，机械㶲是由力不平衡引起的，又称压㶲;而热㶲则是由热不平衡引起的。

化学㶲是指系统与环境之间由约束性平衡经可逆物理与化学过程达到非约束性平衡时能最大限度地转换为有用功的那部分能量。换句话说，如以非约束性死态为基准，则化学㶲是系统在约束性死态下所具有的㶲。

化学㶲分为扩散㶲和反应㶲。由于某种或某些物质的浓度不平衡，系统通过可逆的扩散过程，变化到非约束性死态的浓度时，系统对外做的最大有用功称为扩散㶲。由于组成物质的不平衡，系统由给定物质通过可逆化学反应，变化为环境的组成物质时，系统对外做的最大有用功称为系统的反应畑。

(2)㷻 㷻是指能量中不能够转变为有用功的那部分能量，即无效能、无用功。自然环境的热能以及从环境输入、输出的热能全为㷻。

(3)能级 如前所述，任何能量E都由㶲(Ex)和㷻(An)两部分组成，即：

E=Ex+An (1-2)

对于可无限转换的能量，An=0,如机械能、电能全部是㶲，Ex=E;对于不可转换的能量，Ex=0,如环境介质中的热能全为㷻。不同形态的能量或物质处于不同状态时，包含的㶲和㷻比例各不相同。

能级[Ω,kJ(㶲)/kJ(能量)]是反映能量品质的一个量，它可以定义为㶲值(Ex)与相应总能量(E)之比，即：

Ω=Ex/E (1-3)

对于热能，其能级可按恒温热源与变温热源计算如下：恒温热源：

Ω=1—T₀/T (1-4)

变温热源：

对于电能，其能级：

Ω=1

对于机械能，其能级：

Ω=1

化学能的能级可近似地处理为：气体燃料Ω=0.95;液体燃料Ω=0.975;固体燃料Ω=1.0。

3.节能原理的数学表达式

工业炉窑的热效率η为有效利用热(Qyx)与供给热量(QGG)之比，即：

在炉膛内停留热为Qt的情况下，上式可继续改写如下：

在考虑余热利用的情况下，炉窑标准单耗可按下式计算

将式1-7代入式1-8中，得：

由式1-9可见，影响炉窑单耗的因互有以下几种。

(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t,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λ越大，则单耗越小。

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)～(4)项属于技术途径。式(1-9)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(1-9)改写如下：

大多电类炉窑无余热回收装置，则b为：

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。

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