节能原理

节能原理与方法

2 节能分析方法与原理

2.1 节能分析方法

（1）热力学第一定律分析法

热力学第一定律即能量守恒定律：能量是物质运动的量度，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。

热力学第一定律的具体应用方法及优缺点

具体应用方法：

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。

用能量平衡法将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。

优缺点：

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。

缺点：仅反映能量数量上的守恒关系，在挖掘节能潜力时有较大的局限性和不合理性。

（2）热力学第二定律分析法

热力学第二定律的基本内涵

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蜕变，绝不可能提高。

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。

热力学第二定律的应用方法

有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，现在已被火用分析法取代。

火用分析法认为：能量=火用+ 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。

采用火用分析法，能从本质上找出能量损失。

（3）热经济学

20世纪60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热经济学方法，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济参量之间的相互作用。

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。

热经济学分析法可以直接给出能效评价结果，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。

2.2 节能原理与方法

（1）能量的相关概念

按能量的作功能力，将其分为三大类：

高级能量：理论上可完全转化为功的能量，如机械功、电能、水能等。

低级能量：理论上不能全部转化为功的能量，主要是热能；

僵态能量：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，如没有摩擦阻力的机械运动，没有

温差的传热过程。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。

?节能工作就是在现有的条件下使热功过程尽可能接近可逆过程。

用能的本质：

大部分能量是过客；

能量是完成过程中不发生化学变化的“催化剂”；

能量是完成过程的推动力。

（2）节能方法

?使用耗能量小的先进工艺过程和高效设备。

?减少过程。由于任何过程均不可逆，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，抓住优化匹配的机会，减少不可逆性。

?能量多次使用。如对传热过程就要减少传热温差。

?高能高用，低能低用（能量梯级利用！）。

2.3 窄点技术

窄点技术的概念

1、窄点技术(Pinch Technology)是英国Bodolinn hoff 教授等人于70年代末提出的换热网络优化设计方法，并逐步发展成为化工过程综合的方法论。

2、窄点技术是能量回收系统的分析方法的重大突破。

窄点技术原理：工艺过程中存在多股冷、热物流,过程综合就是设计出能使冷、热物流充分换热以尽可能回收热量,并同时满足投资费用、可操作性等方面的约束条件的过程系统。

2.4 能量平衡法

（1）企业开展能量平衡的主要目的

摸清用能现状；

分析企业及产品的用能水平；摸清主要用能设备和工艺的能效指标（能量利用率等）；查清企业余热资源及其回收利用情况；找出能量损失的原因、潜力，明确节能途径，为节能规划和节能改造提供依据。能量平衡最好由企业自身进行，培养出能搞清能量的来龙去脉的队

伍，便于开展经常性的节能工作，容易使节能管理工作落到实处。

（2）企业能量平衡的方法

采用测试计算与统计计算相结合的方法。测试计算反映测试状况下的能耗水平，而统计计算反映实际平均水平。

A. 测算结合，以测为主

B.先易后难，掌握步骤

C.正反结合，抓住重点

D.分批测试，统一计算

（3）能量平衡工作步骤

A. 组织准备工作；

B.制定能量平衡测试方案；

C. 能量平衡测试实施；

D. 能量平衡数据的整理与计算；

E. 能量平衡分析；

F. 提出节能措施。

2.5 过程模拟技术

从流程模拟软件得到的内容：速度场，温度场，浓度场等。

优化选取工艺参数：做好物料平衡、能量平衡，提供大量的物性数据；

2.6 三环节理论

（1）过程用能: 的主要形式是热、流动功和蒸汽，通常由转换设备（如炉、机泵）等转换而来的；

（2）转换设备: 提供的热、功、蒸汽等形式的能量进入工艺核心环节（塔、反应器），连同回收循环能量一起推动工艺过程完成后，除部分能量转入到产品中外，其余均进入能量回收系统；

（3）回收利用：能量在工艺核心环节完成其使命后，质量下降，但仍具有较高的压力和温度，可以通过换热设备、换功设备（液力透平）等回收利用。但受工程和经济条件约束，回收不能到底，最终通过冷却、散热等排弃到环境中。

【首先应选用或改进工艺过程，减少工艺用能；再考虑经济合理地回收；其不足部分再由转换设备提供。】

3 系统优化

系统优化的优点：

（1）节能效果较为显著，是石化工业深入节能的必由之路。

（2）单个装置或局部难于实现的热量匹配优化问题，从系统的角度容易解决。如催化裂化装置有大量的低温余热，仅限于装置本身内几乎是无法解决的。

系统优化的不足：

（1)优化工作量大，所需时间长。不同的石化企业装置配置不同、产品方案不同、平面布置不同等，没有固定的模式。

（2）大范围的系统优化，带来操作和控制的难度增加，生产灵活性降低，如开停工期间及不同步调节时。

(3) 系统优化的节能效果较为隐蔽。

3.1 总工艺流程中的优化

节能原则

(1)生产高附加值产品。(2)全局优化，局部优化服从于全局优化。(3)应有合适的评价体系，真实体现各能源价格。(4)以降低费用、节能为原则(每个企业位置不同、流程不同，采用的优化方案不一致)。(5)提高装置与系统规模(炼化一体化)。(6)打破传统思想。

3.2平面布置的节能

3.3 热集成--------3.3.1 装置换热流程优化

换热流程优化是降低装置能耗的重要内容。

对复杂换热网络，国内外广泛采用的实用优化方法是窄点技术。

存在的主要问题是：窄点技术应用的范围还比较窄，催化裂化、延迟焦化等换热流程不太复杂的装置，均没有使用，潜力较大。

4 节能设备

4.1 热泵

吸收式热泵有二种形式。第一种吸收式热泵需要较高温位的低温热，温度约为（120～130℃），使更低温位（20～50℃）的低温热温度升高30℃，提温到50～80℃（最高不超过90℃）。

第二种吸收式热泵不需较高温位的低温热，仅耗少量的泵功，就可使70～90 ℃的低温热升高至150～200 ℃。

4.2 燃气轮机

工作原理：压气机（压缩机，在燃机的前部）连续地从大气中吸入空气并将其压缩，压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气进入透平中膨胀作功，推动透平叶轮带着压气机叶轮一起旋转，加热后的高温燃气作功能力显著提高，因而透平在带动压气机的同时，尚有余功作为燃气轮机的输出机械功。

4.3 IGCC

主要工艺过程是：原料（煤、焦或重油）经气化转化成合成气，经洗涤、冷却及净化，一部分合成气生产氢气；另一部分合成气送入燃气轮机－蒸汽联合循环单元，生产蒸汽和电力。

IGCC主要优点：

(1) 发电效率高达50%，比常规发电效率（35%）高得多，而用水量少40%；

(2) 原料转化为合成气及净化后才燃烧，因此避免了直接燃烧造成的污染，脱硫率达到98%，脱氮率达到90%,且可回收一部分CO2。

（3）原料广泛。可以煤、劣质渣油、沥青、石油焦、污油和罐底污泥、FCC废催化剂等。（4）氢气生成成本低。

IGCC主要缺点：

投资高、集成度高，工艺复杂，主要工艺设备均需进口。

工业锅（窑）炉的节能理论与技术

一、工业锅（窑）炉的概念与特点

1 工业锅炉

锅炉：是将燃料的化学热转变成热能，又将热能传递给水，生产一定温度和压力的蒸汽或热水的设备。

工业锅炉：为工矿企业提供蒸汽或热水以满足生产工艺、动力以及采暖等需要的锅炉。

工业锅炉的种类

按燃烧设备：手烧炉、链条炉排、振动炉排、往复式推动炉排、配有抛煤机的燃烧方式、沸腾炉和煤粉炉。

按本体结构：火管锅炉（包括烟管锅炉）、水管锅炉、快装锅炉、热水锅炉废热锅炉等。

2 工业炉窑

工业炉窑：将燃料燃烧产生的热量或将电能转化为热能，对工件或物料进行熔炼、加热、烘干、烧结、裂解和蒸馏等的热工设备。

【通常将熔炼和加热金属的装置常常称为炉，而熔化和加热非金属的装置往往称为窑或窑炉。】

3 锅炉与窑炉的主要差别

二、工业锅（窑）炉能耗现状

1 能源消耗量大；

2 炉窑本体平均热利用效率较低；

3 配套设施及辅助设备能效水平低；

三、工业锅（窑）炉的能效与节能原理

(1)锅炉及炉窑本体节能原理

对于工业锅炉的热平衡方程式为：

把握工业锅炉及炉窑本体节能的三个环节

燃料燃烧环节：降低Q3 、Q4 -----燃烧优化技术、燃烧器改造

炉内传热环节：提高传热效率，降低Q5 -----------降低传热阻力、增大传热面积、加强炉墙保温。

余热利用环节：降低烟温，回收余热，降低Q2 ------减少炉膛漏风优化燃烧配风烟气余热回收

四、锅（窑）炉节能措施及技术

1 工业锅炉

（1）燃烧设备及系统改造；（2）仪表及控制系统改造；（3）炉膛结构改造与受热面调整；（4）受热面洁净化处理；（5）烟气余热回收利用；（6）运行优化与管理；

（7）辅机系统与设备节能；

2 工业炉窑

（１）工业炉窑与工业锅炉的主要差别

窑炉出口的产品是温度较高的金属或非金属制品；窑炉出口的烟气通常具有较高的温度；窑炉炉膛内壁无水冷管壁，因而散热损失通常较大。

（２）工业炉窑节能的思路与技术措施

工业锅炉中燃烧环节及辅助设备的节能措施与技术通常适用于工业炉窑。

五、锅（窑）炉节能技术发展趋势

1 调整燃料结构;

2 完善燃烧技术;

3 充分利用低热值燃料;

4 选择合理炉型结

构;5 兼顾节能与环保;

一、概述

2 中国的能源资源

能源资源总量-----约4万亿吨校准煤，居中世界第3位。

3 能源消耗利用现状与面临的主要问题

3.1 能源利用基本现状

一次能源以常规化燃料（煤炭、石油、天然气）为主。

二次能源以电力为主。其中煤电将长期稳定在65% 左右。

我国一次能源的效率较低，仅为发达国家的1/3～1/2。

国家将积极发展水电，大力发展新能源发电，稳步发展核电，适度发展煤电。

城市一次能源消耗主要以油与天燃气为主，煤炭的直接利用将逐渐禁止。

4 主要耗能行业及其特点

按能源属性分-------一次能源与二次能源；热能与电能。

（1）火力发电行业：以化石燃料为一次能源，经过燃料的化学能→热能→机械能→电能转换过程，产生电能。该行业的最大能源消耗为化石燃料，同时伴随有大量的气、固体污染产生。

（2）钢铁冶金行业：通常以焦炭或电力为能源开展炼铁、炼钢与有色金属冶炼，冶炼过程通常伴有大量的余热、余气、余压等能量产生。

（3）建筑材料行业：通常以消耗燃料的热能或电能加热炉窑中的物料以使达到材料加工的工艺要求，如玻璃窑炉、水泥窑、陶瓷窑、热处理炉等。该行业生产过程中伴随有巨量的余热及烟气污染。

4）石油化工行业：该行业的生产工艺过程主要以热能或电能对石油化工生产过程中的原材料进行加热处理，因而通常伴随有较大的余热能产生。

（5）医药、造纸、食品及纺织等行业：该行业的生产工艺过程主要以热能或电能对石油化工生产过程中的原材料进行加热处理，因而通常伴随有较大的余热能产生。

（6）交通运输行业：该行业的生产工艺过程主要以油、气及电力为能源驱动动力装置，通常伴随有较大的余热能及烟气污染我物产生。

（7）材料加工与机械制造：该行业的生产工艺过程主要电力驱动机械加与制造设备，主要以电能消耗为主，同时伴有热能消耗。

（8）楼宇建筑行业：该行业主要能源消耗在于室内空调、采暖、通风与制冷等方面，能源消耗量巨大，且季节性强，具有显著的区域性特点。

（9）工业炉窑及其辅助设备：该行业主要能源消耗在于室内空调、采暖、通风与制冷等方面，能源消耗量巨大，且季节性强，具有显著的区域性特点。

（10）城市道路及工业厂房照明设备：该行业主要能源消耗在于室内空调、采暖、通风与制冷等方面，能源消耗量巨大，且季节性强，具有显著的区域性特点。

5 节能的概念及意义

5.1 节能的概念

利用能源转换、生产与利用的基本原理，通过技术创新、工艺优化、节能改造及管理制度激励等手段降低设备与工业产品单位能耗的过程。

5.2 节能的重要意义

是我国社会经济可持续发展的需要。是国家能源战略安全的需要。是“两型社会”建设的需要。是提升国家与企业市场竞争力的需要。

6 节能工作中存在的问题

五重五轻：重技术，轻管理；重装置，轻系统；重局部，轻全局；重当前，轻长远；重

表面，轻本质。

7 节能的主流发展方向

节能管理：构建全社会节约能源的政策激励与约束机制。

节能改造：应用节能新技术对现有设备与工艺进行节能改造。

技术研发：构建节能技术创新的核心竞争力与长效机制，大力研发节能新技术。

推广应用：构建激励机制，大力推广应用节能新技术与产品。

二、能耗评价指标

2 标准煤及能量折标

通常将低位发热量为7000kcal/kg的煤称为标准煤。

能量折标：单位质量的各种能量形式及载体，所蕴含的能量是不同的，为了评价比较方便，需要将其换算到同一参考标准——这一过种便是能量的折标。

等价标准煤，等价值相当于火力发电厂每发1度电所消耗的标准煤，因此，该值是动态变化的，是随着火力发电技术的进步而逐渐下降的。

4 工业生产能耗评价指标

生产总能耗：一个企业在考察时间期限内消耗的总能量。

单位能耗：单位产量或单位产值所消耗的某种能源量。

单位产品能耗：企业生产某一件产品或设备所消耗的能量。

工业增加值能耗：是指一定时期内,一个国家或地区每生产一个单位的工业增加值所消耗的能源。

单位ＧＤＰ能耗：单位GDP能耗又叫万元GDP能耗,是每产生万元GDP所消耗掉的能源。

工艺能耗：企业的某一生产环节（生产工序）在统计期内的综合能耗。

产品设备能效指标：分别指产品生产和设备运行的能效指标。

三、节能的思路、方法与技术原理

2 节能的思路、方法与技术原理

●管理节能

●工艺过程优化节能

●产品节能

●余能利用节能

●设备与工艺节能

●节能技术研究开发与应用节能

2.1 节能的内涵及方法

产品节能------产品生产过程节能；产品使用过程节能

工艺过程优化节能------通过优化工业生产工艺过程，使生产过程中能源消耗降至最小程度的节能技术。

运行优化节能------对于复杂的工业工艺过程，通过优化各种运行技术参数，使工业生产过程能源消耗降至最低的过程。

余能利用节能------通过回收利用工业生产过程产生的余热、余压、余气等降低能耗的过程。

设备与工艺改造节能------利用节能新技术对老旧设备与工艺进行改造以降低能源消耗的过程。

新技术研发与应用节能--------利用新原理、新发现研究开发出的节能新技术，并将其应用工程实践以降低能源消耗的过程。

管理节能-------通过管理与政策激励等手段，调动企业、用能单位、社会及个人自觉参

与能源管理以降低能源消耗的过程。

2.2 工艺过程优化节能

通过优化工业生产工艺过程，使生产过程中能源消耗降至最小程度的节能技术。

工艺过程优化节能：采用系统工程的观点与方法、利用相关新原理与技术。

四、能源审计及案例

1 能源审计的概念

能源审计是指用能单位自己或委托从事能源审计的机构,根据国家有关节能法规和标准,对能源使用的物理过程和财务过程进行检测、核查、分析和评价的活动与过程。

2 能源审计的作用与意义

能源审计是改进企业能源管理的有效措施,是企业建立能源管理制度的基本框架;是提

高企业节能融资信誉,查找能源使用与管理缺陷，提高用能效率和效益的有效办法。

五、节能评估及案例

1 节能评估的概念

节能评估：是指根据节能法规、标准及相关技术规范，对投资项目的能源利用是否科学合理进行分析评估。

2 节能评估的作用与意义

节能评估：从源头引导、审查、规划与控制项目能源消耗，对深入贯彻落实节约资源基本国策，严把能耗增长源头关，全面推进资源节约型、环境友好型社会建设具有重要现实意义。

二、工业锅（窑）炉定义及分类

锅炉：是将燃料的化学热转变成热能，又将热能传递给水，生产一定温度和压力的蒸汽或热水的设备。

工业锅炉：在工业生产中，利用燃料燃烧产生的热量，或将电能转化为热能，从而实现对工件或物料进行熔炼、加热、烘干、烧结、裂解和蒸馏等各种加工工艺所用的热工设备。工业锅炉的种类。

按燃烧设备：手烧炉、链条炉排、振动炉排、往复式推动炉排、配有抛煤机的燃烧方式、沸腾炉和煤粉炉。

按本体结构：火管锅炉（包括烟管锅炉）、水管锅炉、快装锅炉、热水锅炉废热锅炉等。

2 工业炉窑

工业炉窑：将燃料燃烧产生的热量或将电能转化为热能，对工件或物料进行熔炼、加热、烘干、烧结、裂解和蒸馏等的热工设备。

【通常将熔炼和加热金属的装置常常称为炉，而熔化和加热非金属的装置往往称为窑或窑炉。】

3 锅炉与窑炉的主要差别

五、锅（窑）炉节能措施及技术

1 工业锅炉

（1）提高燃烧效率；（2）增强传热效率；（3）合理分配锅炉负荷；（4）回收利用余热；

（5）优化车辅助设备配套与运行；

2 工业炉窑

（1）提高燃烧效率；（2）增强传热效率；（3）减少散热、泄漏等损失；（4）回收利用余热；（5）采用新工艺、新技术；（6）合理配置工业炉；

六、锅（窑）炉节能技术发展趋势

1 调整燃料结构；

2 完善燃烧技术；

3 充分利用低热值燃料；

4 选择合理炉型结构；

5 兼顾节能与环保；

七、总结

节能是当前国家能源战略和政策的核心，解决能源和资源问题最根本的还是靠科技进步。工业炉窑的节能，应重点抓技术创新，寻找、探索新的节能机理与途径，走出传统节能方法的老路，走科技含量经济效益好、资源消耗低、环境污染少、能源利用具有高附加值等特点的可持续发展道路。