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1 德化縣捷能窯爐有限公司 能源結構與窯爐節(jié)能 主講人:陳昆明 2010年 1月 2 1 目 錄 一、能量與能源 3 2 二、陶瓷窯爐與節(jié)能 2 3 一、能量與能源 4 1.物質與能量是客觀存在的,能量與物質運動緊密相連。 5 1.物質與能量是客觀存在的,能量與物質運動緊密相連。 能量與物質可以相互轉化,科學家愛恩斯坦發(fā)現了質能公式 E=mc2,式中: E能量, m物體的質量, c光速;把運動與能量拴在一起了。 能量有許多用途,如使物體發(fā)光、運動、發(fā)熱等都需要能量。如果窯爐建成,要燒成也需要能量。能量主要形式有,機械能、熱能、電能、輻射能、化學能(煤、石油、天然氣、薪柴等)、核能。 能量廣義地講,就是“產生某種效果(變化)的能力”。所有動物生存、活動都需要能量。 人類支配使用的能量最多。 6 2.能量的性質: 1)狀態(tài)性,能量取決于物質所處的狀態(tài),物質的狀態(tài)不同,所具有的能量也不同(包括數量和質量)。 7 2)可加性,物質的量不同,所具有的能量也不同,即可相加;不同物質所具有的能量也可以相加,即一個體系所獲得的總能量為輸入該體系的多種能量之和。 8 3)傳遞性,能量可以從一個地方傳遞到另一個地方,也可以從一種物質傳遞到另一種物質。 9 4)轉換性,各種形式的能量可以互相轉換,其轉換方式、轉換數量、轉換難易程度不盡相同,即轉換效率不一樣;熱力學就是研究能量轉換規(guī)律、方式的學科。 10 5)做功性,利用能量來做功是利用能量的基本手段和目的。這里的功指廣義的功,但主要指機械功。各種能量轉換為機械功的方法、程度不一樣,轉換效率也不一樣,所以能量又分別稱為高質能、低質能和廢能。 11 6)貶值性,根據熱力學第二定律,能量不僅有“量的多少”,還有“質的高低”。就是能量在傳遞過程中,由于有多種不可逆因素存在,總伴隨能量的損失,表現為能量的質量和品位的降低,及做功的能力降低。 12 3.能源的類型 13 3.能源的類型 能源可以簡單理解為含有能量的資源,從廣義上講,在自然界里有一些自然資源本身就擁有某種形式的能量,它們在一定條件下能夠轉換成人們所需的能量形式。 能源有許多分類法,通常分一次能源和二次能源。如煤、石油、天然氣、風、水等自然界已經存在的叫一次能源,由一次能源直接和間接加工、轉換而來的,如電、蒸汽、焦炭、煤氣、氫氣等叫做二次能源。二次能源通常是品質較高的能源,如煤氣就比煤的品質更高。 14 能源給人類帶來文明、帶來進步、帶來像“上帝”一樣主宰世界創(chuàng)造一切的可能。但是,人類使用能源的過程也帶來了一些副作用, CO2過度排放導致全球天氣變暖,極端天氣增多,自然災害頻發(fā), NOx過多地產生,使癌腫等疾病增加,這些都惡化了我們的生存環(huán)境。以前“杞人憂天”是笑話,現在正確使用能源、減少碳排放真真實實地擺在我們面前,是世界各國領導關注的話題。 15 4.能源的評價: 16 4.能源的評價: 1)儲量,中國的煤儲量與天然氣和石油儲量的比, 40/1,國外是 1/40, 17 4.能源的評價: 2)能量密度,就是一定的空間、質量或面積內某種能源中所能提供的能量,如汽油 4.4*104KJ/kg,甲烷5*104KJ/kg,氫 1.2*105KJ/kg,天然氣 2*104KJ/nm3,水煤氣0.45*104KJ/nm3, 18 4.能源的評價: 3)儲存的可能性, 19 4.能源的評價: 4)供應的連續(xù)性, 20 4.能源的評價: 5)能源的地理分布,北方煙煤多,南方無煙煤多 , 21 4.能源的評價: 6)開發(fā)費用和能源的設備費用, 22 4.能源的評價: 7)運輸費用與損耗, 23 4.能源的評價: 8)能源的可再生性,太陽能、風能、水能等都可再生,煤、石油、天然氣則不能再生。 24 4.能源的評價: 9)能源的品位,如水力能可以直接轉變?yōu)闄C械能、電能,它的品位就比先由化學能(燒煤、燒氣等)轉變?yōu)闊崮埽儆蔁崮苻D化為機械能、電能的品位高。天然氣的品位比煤高,電的品位就比天然氣高。溫度高的熱源品位比溫度低的熱源品位高。 我們在使用能源時,特別要要防止高品位能源降級使用。 25 5.常規(guī)能源: 26 5.常規(guī)能源: 1)煤炭,有無煙煤、煙煤、褐煤。無煙煤熱值( 2633) MJ/kg,煙煤熱值( 2033) MJ/kg,褐煤( 1017) MJ/kg,特點價格低廉、燃燒困難、污染嚴重。 27 5.常規(guī)能源: 2)石油, 28 5.常規(guī)能源: 3)天然氣,特點熱值很高、污染很少,熱值( 1884136442)KJ/Nm3。 29 5.常規(guī)能源: 4)水利能(沒有污染)。 30 6.工廠使用什么能源合算? 31 6.工廠使用什么能源合算? 從目前情況,我們知道用煤最差,用煤熱效率只有 1525%,如把煤造氣,其熱效率可達 5060%。天然氣是一種熱效率很高的優(yōu)質能源,當然用電最容易控制,最清潔,最好,沒有碳排放不產生“溫室氣體”。但是,這里面還有個經濟問題和環(huán)境保護問題。單就價格上講, 1000kg煤約等于 350m3天然氣,用煤還會更便宜點,但是煤難控制、效率低,燒成的產品質量低(含硫等),如用天然氣會更合算,用電呢? 1m3天然氣熱值約等于 10kwh電的熱值,即 2.9元 5.2元,經濟上還差很遠,以上是簡單地作了比較,當然還有熱效率沒有算。如果電的熱效率作為 1,那么天然氣就只有 0.6-0.9(這里面有個燃燒效率問題,有的工廠高,有的工廠低),即 2.9/( 0.6-0.9) 5.2元。有些工廠燒窯用氣、用電,烘干用煤,我覺得這樣做,就不降低能源的品質,還是很合理的,經濟上也很合算。今后我們國家核電多了,電降價了,用電可能會更經濟。 32 綜上所述:人類發(fā)展與進步需要能源。能源有高低品位之分 。再生能源不多。過多地使用能源對環(huán)境有副作用。只有正確使用能源才能節(jié)約能源,為人類創(chuàng)造更多的財富。 33 二、窯爐與節(jié)能 34 1.窯爐是很重要的工業(yè)設備,又是重點的耗能設備。 工業(yè)窯爐有許多種,今天我們只講陶瓷窯爐。陶瓷窯爐有:瓷磚窯爐、衛(wèi)生潔具窯爐、日用陶瓷窯爐、工藝陶瓷窯爐;有隧道窯爐(窯車式和輥道式)和間歇窯爐。但是,這些窯爐基本作用和原理是一樣的。都是要把陶瓷由“泥”變成“瓷”成為陶瓷產品,都要輸入能量,產生熱量,傳熱給陶瓷坯體;輸入能量是氣嘴、油嘴或燒煤的爐膛,這些設備再經過窯體把陶瓷燒“熟”。要使燃料燃燒,還要有助燃風設備,才能產生溫度;還要冷卻系統(tǒng)等等。 35 1.窯爐是很重要的工業(yè)設備,又是重點的耗能設備。 窯爐要燒好最主要的條件有三條:溫度、壓力、氣氛。 窯爐要節(jié)能就要合理地調節(jié)好這三者關系的基礎上采取一定的措施(后面再講)。 36 1.窯爐是很重要的工業(yè)設備,又是重點的耗能設備。 1) .溫度是燒成關鍵。 我們現在講的陶瓷坯體是“粘土、石英、長石”三組份陶瓷,即普通陶瓷。這些原料構成的瓷坯,只有達到一定的溫度才能產生共熔體,才能變成陶瓷。所以溫度要在“一定的范圍內”,一定得范圍內就是說必須達到產生陶瓷的溫度,而且溫差不能太大,否則產品就會不合格。溫度達不到就燒不成陶瓷,溫度是 必要條件 ,溫差是所有窯爐都要努力克服的問題。窯爐的燒嘴布置、排窯的方法、密度等等正確與否都會影響溫差。同樣是隧道窯,輥道式就比窯車式窯溫差小、能耗低。瓷磚一般都用輥道窯燒的多。溫度的控制又與燃料的種類有關,比如,天然氣的溫度控制就比煤和煤氣好控制。 37 1.窯爐是很重要的工業(yè)設備,又是重點的耗能設備。 2) .壓力問題不可忽視。 窯爐有燒嘴、冷卻風等等流體往窯內沖,這些冷熱流體都要與被燒的產品接觸,都要對產品進行加熱、吸熱的反應,都要對窯體產生壓力,這些壓力會影響這些流體的運動。所以窯壓控制好了,流體就均勻、溫度就好調節(jié)了。 38 1.窯爐是很重要的工業(yè)設備,又是重點的耗能設備。 3) .氣氛要適當。 氣氛就是窯內的火焰是氧化焰還是還原焰。氧化焰就是氧過量,還原焰就是火焰中氧不足,有 CO存在。氣氛制度也是由陶瓷生產工藝決定的。目前燒氧化焰的產品較多。陶瓷坯體原料和成型過程中有些有機物,燒成時在坯體液相出現前必需充分氧化燒掉。因而,燒成段前的預熱段都是氧化焰。燒成段對氧化產品來說,可以是中性焰。 39 1.窯爐是很重要的工業(yè)設備,又是重點的耗能設備。 以上簡單地講了溫度、壓力、氣氛對窯爐燒成的關系。 下面講能耗問題。 40 2.隧道窯爐的能耗。 陶瓷窯爐的能耗占陶瓷生產總能耗 4070%,占成本約 2732%。窯爐的熱效率很低,用于燒成產品的只有 1020%,其余窯爐熱能損失由以下幾部分組成。 41 2.隧道窯爐的能耗。 1)爐體表面各部位散失的熱量, 2)接縫、孔眼(看火孔)等密封不嚴的部位泄漏損失的熱量, 3)排煙帶走的熱量損失, 4)窯具、帶走的熱量損失, 5)窯車帶走的熱量損失,等等。輥道窯 4)和 5)項沒有。 42 2.隧道窯爐的能耗。 窯爐熱效率這么低說明節(jié)能潛力很大,因此,就出現了許許多多的節(jié)能方法、設備和措施。比如: 降溫燒成、雙對推余熱利用隧道窯、微波燒成、快速燒成、雙回風余熱回用隧道窯 等等。 43 3.窯爐節(jié)能的途徑和措施。 1)節(jié)能原理,一切能源的利用過程本質上都是能量的傳遞和轉換過程。這兩個過程在理論和實踐上都存在著制約,存在著一系列物理的、技術的和經濟方面的制約因素。如熱能的利用首先要受到 熱力學第一定律 ( 能量守恒定律)和熱力學第二定律(能量貶值)的制約。 能量在傳遞和轉換過程中由于熱傳導、對流輻射,能量的數量要產生損失,能源的品質也要降低。 節(jié)能就是要盡量減少能源的損失和能源品位的降低。 44 3.窯爐節(jié)能的途徑和措施。 2)窯爐節(jié)能的幾個術語。單位產品能耗:比如 kg瓷/kwh, kg瓷 /m3天然氣,等等。工廠則更簡單地表述為m3瓷 /kwh, m3瓷 /m3天然氣,也可以。在德化,一般每方瓷含有瓷和窯具( 386529) kg。瓷 /窯具:每方陶瓷的陶瓷和窯具的重量比。德化一般在 0.2 0.6等等電耗快速燒成。窯爐產量:一條窯爐一天燒多少產品。燒成周期:即產品從入窯到出窯的時間,德化一般為 515小時,晉江一般為 2045分鐘。 45 3.窯爐節(jié)能的途徑和措施。 3)窯爐節(jié)能的途徑。 降低前面已經講到窯爐熱損失。如:加強保溫減少窯爐的散熱損失,隨著材料的進步,窯爐材料已由重質耐火磚到輕質磚,再到耐火纖維的使用,窯爐的散熱損失已經非常大幅度地降低了?,F在應該注意的是采用低熱容的窯車或選用輥底窯,來減少窯車帶出的熱量。 46 3.窯爐節(jié)能的途徑和措施。 加快燒成速度或采用快速燒成,可以減少單位產品耗能。目前要做到窯體的絕熱保溫是不可能的,因此,窯墻、窯體的散熱難以完全避免,如能縮短燒成時間,則產品的單位能耗越低。這一點已為各地所實踐,而且取得了很好的節(jié)能效果。瓷磚可以在 1020分鐘內燒成,日用陶瓷也可以在 12小時內燒成。因此要求窯爐溫差要小,高溫段要能輸入足夠的熱量,產品入窯水分要足夠小,保證坯體快速升溫不裂不炸,能燒透。據我們測算每減少 10的燒成時間,可減少 6 8的燃氣單耗。這是因為窯爐的散熱是固定的,燒成時間越短,單位產品的平均耗散的熱量也就越少。 47 3.窯爐節(jié)能的途徑和措施。 控制好空氣過剩系數 。空氣過剩系數:通俗的說就是“實際燃燒所用的空氣和燃氣(料)剛好完全燃燒所需的空氣”的比值??諝膺^剩系數適當,燃料燃燒的熱效率就高。熱效率最佳的配比是空氣系數控制在 1/1.011/1.03左右,但我們發(fā)現很多廠家操作是走向極端,氧化燒成空氣大些有利于氧化,燃燒比較穩(wěn)定,但是量過大了,據我測算許多廠家基本都大于 2.6以上,一般只要 1/1.031/1. 3就足夠了。多余空氣不但不能產生熱量,反而降低火焰溫度帶走窯內熱量,空氣的比熱近似為 0.31卡 / ,理論上如果把空氣系數由 2.6降為 1.3,燃燒效率將提高 36%,也就是說將會節(jié)能 30%以上?,F代窯爐都是自動控制空氣過剩系數,自動控制空氣過剩系數有多種方式,比如液化氣與空氣機械聯動,智能儀表聯鎖控制,比值閥控制,利用窯內氣氛信號調節(jié)燃氣量等,但是多少還會存在一些弊端?,F在已經有一種最先進的控制空氣過剩系數的設備和儀器,就是利用煙氣中的氧含量控制各段風機的方法。 48 3.窯爐節(jié)能的途徑和措施。 余熱利用。產品從常溫到燒成段是吸熱,燒成段再被冷到常溫是放熱,這些熱如果再返回到燒成段就可以節(jié)能 30%以上。前面講過:熱量有品位,高溫的熱就比低溫的品位高,熱總是往低溫走,要讓熱往高溫走要額外消耗能量,一般是劃不來的。因此利用急冷段的熱風作為助燃二次風可以大大地降低能耗,現在許多廠家都沒有窯爐高溫余熱利用的設備,只是把這些高溫余熱拿去干燥,雖然是余熱利用了,但是把高品位的熱降級了,非??上?。隧道窯之所以比間歇窯能耗低,就是高溫氣流得到了梯級合理的利用。當然要利用熱風助燃,窯爐都要改造,這些改造不要3個月就會全部回收成本。 49 3.窯爐節(jié)能的途徑和措施。 4)窯爐節(jié)能改造的實例 50 3.窯爐節(jié)能的途徑和措施。 實例 1,德化某瓷廠,改造前窯長 40米,截面 440*530,天然氣(常溫空氣助燃),改造前 31m3氣 / m3瓷,1270 。改造后,窯長、截面不變,天然氣(余熱經換熱器換熱后 200 空氣助燃),( 2225) m3氣 / m3瓷,1270 。 51 3.窯爐節(jié)能的途徑和措施。 實例 2,德化某瓷廠,改造前窯長 46米,截面 550*780,工頻電加熱,改造前 153kwh/ m3瓷, 1070 。改造后,窯長、截面不變,天然氣(產品余熱經雙回風風機換熱后引至窯前預熱入窯產品), 98kwh/ m3瓷, 1070 ,比改造前每天節(jié)約 1000元燃料費用。 52 3.窯爐節(jié)能的途徑和措施。 實例 3,德化某瓷廠,改造前圓窯 14米直徑,截面500*850,工頻電加熱,改造前 4500kwh/24h, 1070 。改造后,窯直徑、截面不變,(余熱經雙回風風機換熱后引至窯前預熱入窯產品), 3325kwh/24h, 1070 ,比改造前每天節(jié)約 500元燃料費用。 53 3.窯爐節(jié)能的途徑和措施。 實例 4,晉江瓷灶某陶瓷廠, 136米輥底窯,由水煤氣改天然氣后,能耗 8800m3/24h,經考察后,我們發(fā)現幾個問題。 1)天然氣熱值比水煤氣熱值高出 5-7倍,理論燃燒溫度高很多,雖然同為氣體燃料,但燒法不同,設備要做些調整,不能像水煤氣那樣“大燒大排”,燒

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