热能转换与利用资料课件.ppt

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1、一、概述,能源分类,一次能源,二次能源,再生资源,非可再生资源,蒸汽、电能、石油、液化气等,能源结构,生产结构：是指各种能源的生产量在这整个能源工业总产量中所占比重。,消费结构：是指国民经济各部分所消费的各种能源量占能源总消费量的比重。,通过对能源结构的分析，可以使我们从能源生产和消费的平衡关系中，看出能源结构的特点和结构是否合理，以及能源有效利用情况。通过分析能源结构的变化，还可以预测能源能源发展方向、趋势。为今后确定能源发展方向，规划能源生产提供依据。,能源有效利用程度指标,单位能耗=该产品总耗能量产品总产量能源利用率有效利用的能量能源消费量,能源主要形式：热能,作用,工业企业中的热能利用

2、,钢铁企业购入的能源,重油,天然气,电力,煤炭,洗精煤：占50%。用于炼焦,无烟煤：用于烧结和高炉喷吹,动力煤：自备电厂发电、工业锅炉、蒸汽机其它窑炉,占总能耗的70%,能耗指标,工序能耗=耗能量/产品产量整个企业能耗,耗能量=购入量库存量变化外销量,吨钢综合能耗=耗能量/钢产量,良锭量+良连铸坯量+良铸钢水量,钢铁企业的能源利用与节能途径：增加产量、提高生产率、改进生产工艺过程、提高设备效率、改善能源管理、加强余热回收,80%以上是燃料的热能,消耗,余热：属于二次能源，凡是具有一定温度的排气、排液和高温待冷却的物料所包含的 热能、衡量余热不仅要看它的数量、还要看它的质量（火用）,利用途径,直

3、接利用,预热空气或煤气预热或干燥物料生产蒸汽或热水或制冷,供热泵用,对不能直接利用的低温余热，可以将它作为热泵系统的低温热源，通过热泵提高其温度水平，然后加以利用。,动力回收,余热发电1)利用余热锅炉首先产生蒸汽，再通过汽轮发电机组，按凝气循环或被压供热循环发电。2）以高温余热作为燃气轮机工质的热源经加热的工质推动汽轮机做功。在带动压力机工作的同时，带动发电机发电。3）采用低沸点工质回收中低温余热产生的蒸汽按郎肯循环再透平中膨胀做功，带动发电机发电。,余热回收原则：（1）回收效率尽可能高（2）回收成本尽可能低、或投资回收期尽可能短（3）适应负荷变化的能力强,高温,气体：200C以上液体：80C

4、以上固体：500C以上（固体一般只回收高温大量）,余热回收优先顺序：1、气体高温大量 2、气体高温小量 3、液体高温大量 4、固体高温大 5、气体低温大量 6、液体高温小量 7、气体低温小量 8、液体低温大量 9、液体低温小量,各种余热回收基本途径：,气体余热,烟气,空气余热器,内部循环,炉子排气,热风,直接利用,热,重新利用,水蒸气,热泵,蒸气,重新利用,冷却水,液体余热,冷凝水,间接冷却水,直接冷却水,冷凝水回收,有机热媒体冷却,汽化冷却,热水,热水蒸气,蒸汽,热水、蒸气、冷水,热泵,锅炉给水,直接利用或发电,空调,产品、副产品显热,固体余热,余热锅炉,蒸气,直接利用或发电,热媒,副产气体

5、,化学潜热,燃烧,回收,重新利用,利用,热,燃料,工艺余压,余压能,燃气透平,电力,利用,高炉炉顶气压能的回收,气体通过透平绝热膨胀时，具有的最大做功能力为进口与出口火用之差即 Wmax=(h1-h2)-T0（S1-S2t）=h1-h2t,如果把高炉视为理想气体，则 Wmax=h1-h2t=CP(T1-T2t)对绝热膨胀过程，实际对外作的功仍可根据进出口的实际焓值计算。因此，实际作出的功 可表示为 W=（h1-h2t）n,T,工业炉烟气余热回收系统1、工业炉烟气焓值的计算 Hy=VytyCy=Bhy hy=VntyCy Hy为工业炉烟气焓值 Vy为烟气量 ty为烟气温度 Cy为烟气平均定压比热

6、 B为工业炉燃料消耗量 hy为单位燃料的烟气焓 Vn为单位燃料产生的烟气量2、工业炉烟气余热回收量 Qyr=(Hy-H2y)sr=Hyyr=VyCy(ty-t2y)sr Hy、H2y为烟气进、出余热设备的总焓 sr为回收设备的散热损失系数 yr为余热设备的热效率，即余热的回收率 ty、t2y为进、出余热回收设备时的温度3、工业炉烟气余热回收方法 回收工业炉烟气余热的最简单、最有效的方法是设置预热器。助燃空气或燃料将热量带回到炉内，起到直接节约燃料的目的（1）预热器的燃料节约率 B0Ql=Qx+Qs+Bo VntyCy B0为工业炉在未设置预热器时的燃料消耗量 Ql为燃料低发热量 Bo=,Qx+

7、Qs,Ql-VntyCy,Qx为有效利用的热量为Qs为散热等损失为Vn为单位燃料的烟气量为 ty为出炉膛的烟气温度,在设置预热器后，设预热器回收的热量为Qr，此时的燃料消耗量为B，则热平衡关系是 B(Ql+Qr)=Qx+-Qs+BVntyCy B=,Qx+Qs,Ql+Qr-VntyCy,设置预热器后燃料节约量为B=B0-B=B0,Qr,Ql+Qr-VntyCy,燃料的节约率为Sf=,B,B0,由此可见，空气预热温度越高，节约燃料效果越显著；发热量低的燃料采用空气预热效果比发热量高时要显著,（2）燃料转化率 采用预热器节约的燃料量将超过预热器回收热量相当的燃料量。这是因为预热空气或煤气返回到炉内

8、的 热量，可在炉内得到充分地有效利用，没有再变成废气的显热而从炉内排出。而向炉内投入同样热量的 燃料时，随着燃料量增加，相应地烟气量也增加，一部分热被烟气带走，只有一部分在炉内被有效利用 预热器节约的燃料发热量与回收的热量之比称为燃料转换率，用表示，则=,(Bo-B)Ql,BQr,=,Qx+Qs,Bo Ql,=,Ql,Ql-VntyCy,燃料的发热量越低，炉尾烟气温度越高，空气系数越大时，采用预热器回收热量的燃料转换率越高。,余热锅炉蒸汽利用系统分析,余热锅炉回收的热量为：QKL=,D(hq-hs),3600,实际可提供给热用户的热量Q为：Q=x QKL余热锅炉代替供热锅炉可节约的燃料量为x供

9、热系统热效率 g供热锅炉的效率B1=,3600Q,70004.186g,燃料转换率为=,B1 70004.186,QKL3600,=,x,g,余热锅炉回收热量的燃料转换率也是大于1.但是，由于锅炉比加热炉的效率要高，所以，它的转化率低于采用预热器时的转换率。同时，锅炉一般可采用质量较低的燃料，而加热炉需用优质燃料，所以，它们替代的燃料质量也不同。这些理由进一步说明了为什么要优先考虑采用预热器回收工业余热的原因。当蒸汽的热用户有限，余热锅炉产生的蒸汽有富裕时，可以考虑将蒸汽用来发电，或供给被压汽轮机，在发电的同时进行供热。余热蒸汽经凝汽式汽轮机组所能发出的电量为：N=,D（hq-h2t)n,Tj

10、d,3600,如果凝气式电站的总效率为n,d，则余热蒸汽发电替代凝气式电站发电所能节约的燃料为：B2=,3600N,70004.186 n,d,燃料转换率为,2=,B2 70004.186,QKL,=,N,QKL n,d,冷却介质余热回收系统 在冶金生产过程中，多数是在高温下进行。处在高温下的金属构件、高温产品均需进行冷却。最常用的冷却介质是水。此外，还可用空气惰性气体或有机介质。冷却介质带走的热可以分别采用适当的方式和系统再加以回收利用。工业炉金属构件的冷却一般是采用冷却水。气化冷却的优点：（1）节约冷却水消耗量（2）提高了冷却水能级（3）延长了水冷构件的寿命,干熄焦余热回收系统 由焦炉推出

11、的炽热的焦炭产品，温度在1000C左右。需要迅速冷却熄焦，以免热焦被空气氧化。通常用水作为冷却介质，喷淋水气化后，蒸汽夹带粉尘扩散到大气，不但余热没有回收，还污染了环境。最有效的方法是用惰性气体作为冷却介质，将热焦炭在密封的熄焦塔内进行冷却，被加热的气体再作为余热锅炉的热源，用来生产蒸汽。干熄焦装置的节能效果显著，但设备的初投资费高，约占焦化厂的14%，其中一半是热力设施费用。回收的蒸汽所节省的能源费，约在10年内可补偿投资。此外，干熄焦可改善环境，提高焦炭质量，从而降低冶炼焦比，起到间接的节能效果。因此，干熄焦是一项有发展前途的节能措施。,热媒式余热回收系统 在烟气的余热回收中，也有采用一种

12、液态化学物质作为传递热量的中间介质，叫做“热媒”。高温废气流经一高温换热器，热媒在这里起到冷却介质的作用。它吸热后温度升高，用泵将它供至低温换热器。热媒起到供热介质的做用，将热传给另一种受热流体。热媒本身不断循环，只起到携带和传递热量的作用。采用热媒方式传热，虽然要经过2次传热过程，会增加冷热流体间的传热温差，但是，它有以下优点：（1）当废热源与受热侧均为气体时，由于两侧放热系数均很低，使总传热系数很小。如果采用热媒换热，可将废热源及与受热气体分别置于高温、低温换热器的管外，并用加翅片的方法来增强传热，整个换 热器的结构可做得紧凑（2）由于热媒的受热与放热是在不同的换热器中进行的，所以管道的布

13、置灵活，在场地狭窄的地方也可 置。（3）通过热媒可以同时加热两股流体。（4）通过调节热媒的循环量，可以自由的控制热回收量。（5）工作压力小，不受压力容器规范的限制。对热媒的要求是：1、要有良好的热传递性能和较小的流动阻力，即要求比热和密度大，粘性次数小；2、在使用范围内，化学性能要稳定，不易老化变质；3、无腐蚀性和毒性；4、在温度较低的冬天仍能保持良好的流动性；5、价格便宜，等等。衡量热媒质特性的综合指标可用它携带热量的能力与流动所需的功率之比来表示。热媒携带的热量Q为：Q=AwCpT 为热媒密度；A为管路断面积；w为流过断面的流速；Cp为热媒的比热；T 流经换热器的温升。输送热媒所需的功率：

14、N=AwP P为阻力,冷却水余热利用系统 冷却水的温度一般不超过5060C，最高也只有8090C。但是它带走的热量很大。由于它的温度水平低，利用受到限制。它可以由于以下几个方面：（1）作为工业企业和居民区的供热源，以及满足农业生产需要（2）作为供热电站或锅炉房的给水加热用；（3）作为热泵的低温热源，经热泵提高温度水平后再加以利用；（4）作为低沸点发电系统的热源，将它转换成电能。在几种利用途径中，第一种最为简便，效果最为显著。热能的贮存系统 蒸汽是最常用的携带和传递热能的介质，叫载热体。不论是生产工艺用汽，还是生活用汽，蒸汽的需求量不可能是固定不变的。作为提供蒸汽的锅炉，由于它的热惰性大，加热速

15、度跟不上蒸汽需求量的变化而迅速变化。利用余热锅炉供气时，由于它的产汽量是随主体热设备的负荷变化而变化，供气也不稳定。为了使蒸汽的供求关系能基本平衡，对负荷变动较大的系统，应考虑设置储存蒸汽的设备，叫蓄热器。当生产的蒸汽有富裕时，可在蓄热器中储存一部分；当到达高峰负荷，而锅炉供汽又跟不上需要时，可由蓄热器补充供应一部分蒸汽，以适应负荷变化的需要。采用蓄热系统就可以减少锅炉的安装容量，同时可以使锅炉维持在稳定的、高效的负荷下运行，从而达到节约燃料的目的。,能量转换基础,能量转换钢铁企业中涉及到的主要能的形式有：热能、机械能、电能、化学能 在这四种工业生产中所利用的主要能量形式之间，相互转换的关系如

16、下：,在实现能量转换时，对转换装置有以下几项基本要求：1）转换效率要高。2）转换速度要快。3）具有良好的负荷调节性能。4）满足环境的要求和经济上的合理。,能量平衡能量守恒定律：输入能量-输出能量=储存能量的变化对于封闭系统，热力学第一定律的表达式为：Q=E+W E表示储存能量的变化 Q表示输入的能量 W表示输出的功稳定流动系统的能量平衡关系,HiQiWi,HeQeWe,（Hi+Qi+Wi）-（He+Qe+We）=0 Q=Qi Qe 表示净输入的热量 W=We-Wi 表示净输出的热量 则：Q=（He-Hi）+W对单纯的热设备，W=0注：焓的绝对值是不能求得的。在计算各项焓值时，实际上是指该状态的

17、焓值与基准状态下的焓的差值，并取基准状态下的焓值为0.所取基准状态不同，不影响平衡结果。但是，在同一平衡关系中，需注意基准状态的一致。供给热设备的燃料实际是在炉内进行燃烧反应而释放出热量。因此对前平衡关系来说Qi=01kcal=4186J1kWh=860kcal=3600kJ,火用（可用能）根据能量可转换性的不同，可以把能量分为三类：高级能：可以不受限制地完全转换的能量 中级能：具有部分转换能力的能量 低级能：完全没有转换能力的能量热能属于第二类能量：它具有的可用能取决于它的状态参数（温度、压力等），同时与环境状态有关。当参数与环境相同，即与环境处于平衡状态时，其火用值为零。但是，只要与环境处

18、于不平衡状态，它就具有一定的火用值。热量火用 热量是一个系统通过边界以传热的形式传递的能量。系统所传递的热量在给定环境条件下条件下，用可逆方式所能作出的最大功为该热量的火用。热量所能转变为功的数量与它的温度水平有关。根据卡诺定理，通过可逆热机它能转换的最大功比例是取决于卡诺热机的效率：c=1-,T0,T,由此，由热量可能得到的最大功为Wmax=Q(1-),T0,T,热量中不能转换为可用功的部分为火无用An表示。根据能量守恒，任何一种能量均可看成是由这两部分组成：E=Ex+An在转化过程中总和保持不变。能级热量Q具有的能级为：Q=1-由此可见，温度越高，其能级也约高，但不可能达到1,T,T0,开

19、口体系的火用 对于流动状态的工质，设它的状态参数分别为压力P，温度T，焓H，熵S，经过一系列可逆过程达到与环境平衡的状态。根据能量平衡：H=H0+Q0+W1+W2 它具有的火用值为：Ex=Wmax=W1+W2=HH0-Q0由于只有当上述整个过程均为可逆时，作出的功才最大。而对可逆过程总熵变为零，总熵变为：S0-S+=0 Q0=T0(S-S0)代入上式得：Ex=（HH0)-T0(S-S0)对于开口体系，在不考虑宏观运动的动能和位能时，工质具有的总能即为其焓，与环境状态相比，所具有的能量为：e=h-h0因此，它的能级为：=能级的高低与熵差有直接关系，T0S即为火无。在转变为功的过程中，工质的熵变量

20、越大，火无就越大，相应的火用值就越小，能级越低。因此熵变量也可以用来评价热能的品质。高温物质的火用 对高温气体它的能级为：=1-,Q0,T0,ex,h-h0,=,（hh0)-T0(s-s0),hh0,=1-,T0S,hh0,T0,T-T0,ln,T,T0,它的能级只与温度有关，而与物质种类无关。温度越高，能级也越高，说明在焓中具有的火用越大。它可用来估计利用余热转换为动力时可能回收的最大功。实际最多不过是理论值的一半左右。,火用损失 在能量转换装置中实现能量转换时，所耗费的的能量不可能全部转换为所需的能量，通常说存在能量损失。就热力学第一定律来说，能量应保持守恒，所谓损失是指未被利用的有效能量

21、。（1）通过装置散失的能量。（2）流经装置的排出物带走的能量。火用分析与火用效率 能量分析的方法：（1）统计的方法（2）动态模拟的方法（3）稳态的方法（4）周期的方法 火用效率：转换装置取得的有效能与供给装置耗费的能之比。在热平衡中，用“热效率”的概念来衡量。它是被利用的能量与消耗的能量在数量上的比值。它没有顾及能量在质量上的差别，往往不能反映装置的完善程度。=热效率为t=Q为热量的能级 为火用效率 火用效率与热效率有本质的不同。火用效率是以火用为基准，各种不同形式的能量的火用是等价的。而热效率只计能量的数量，不管能量品位的高低,Exgai,Expay,W,Q,=,ExQ,Q,W,ExQ,=Q

22、,火用分析的意义1、合理地按质使用热能2、减少过程的不可逆火用损失3、正确评价与利用余能4、技术经济和环保的合理性,热回收用换热设备,1、高温换热器。主要是回收工业炉高温烟气的余热，用来预热空气等。2、余热锅炉。回收中温以上的烟气余热或固体显热，用来产生热水或蒸汽。固体显热的回收，多数是先 通过固-气热交换后，再在余热锅炉内进行气-液热交换。3、蓄热式换热器。包括高温的蓄热室和中低温用的回转式换热器。它是以蓄热体作为传热中间介质，实 现热气体与冷气体之间的换热。蓄热室用耐火材料作为蓄热体，通常作为炉子的一个组成部分。回转 式换热器时将蓄热材料装于低速旋转的转子中，与烟气通路相通部分进行蓄热，转

23、至与空气通路相通 时进行放热。它首先用于锅炉的空气预热器，现也用于其它中低温烟气的余热回收。4、管壳式换热器。主要用于液-液之间的换热，或伴随有蒸发、冷凝相变过程的换热。5、翅管换热器。用翅片来增加气侧的传热面积，以增强换热器的换热能力，使换热器结构紧凑。它适宜 于800C以下较干净的气体。6、紧凑式换热器。由平板和翅片通道叠置而成一个整体，呈蜂窝装结构，使单位体积的传热面积增大到 7007000m/m,结构十分紧凑。特别适宜于干净的气-气之间的换热。7、热管换热器。利用热管传热能力强的特点，以热管作为传热元件的一种新型换热器。适宜于中低温余 热的回收。8、流化床换热器。将传热管埋于粒子层内，当气体通过粒子层时，使粒子处于流化状态，靠粒子的不断 运动以及与传热壁的碰撞来促进传热，使换热器结构紧凑，适宜于烟气量较小的中低温场合的余热回 收。,Codage Canal et galiation,Codage Canal et galiation,