能源结构与窑炉节能

1 德化县捷能窑炉有限公司 能源结构与窑炉节能 主讲人：陈昆明 2010年 1月 2 1 目 录 一、能量与能源 3 2 二、陶瓷窑炉与节能 2 3 一、能量与能源 4 1.物质与能量是客观存在的，能量与物质运动紧密相连。 5 1.物质与能量是客观存在的，能量与物质运动紧密相连。 能量与物质可以相互转化，科学家爱恩斯坦发现了质能公式 E=mc2，式中： E能量， m物体的质量， c光速；把运动与能量拴在一起了。 能量有许多用途，如使物体发光、运动、发热等都需要能量。如果窑炉建成，要烧成也需要能量。能量主要形式有，机械能、热能、电能、辐射能、化学能（煤、石油、天然气、薪柴等）、核能。 能量广义地讲，就是“产生某种效果（变化）的能力”。所有动物生存、活动都需要能量。 人类支配使用的能量最多。 6 2.能量的性质： 1）状态性，能量取决于物质所处的状态，物质的状态不同，所具有的能量也不同（包括数量和质量）。 7 2）可加性，物质的量不同，所具有的能量也不同，即可相加；不同物质所具有的能量也可以相加，即一个体系所获得的总能量为输入该体系的多种能量之和。 8 3）传递性，能量可以从一个地方传递到另一个地方，也可以从一种物质传递到另一种物质。 9 4）转换性，各种形式的能量可以互相转换，其转换方式、转换数量、转换难易程度不尽相同，即转换效率不一样；热力学就是研究能量转换规律、方式的学科。 10 5）做功性，利用能量来做功是利用能量的基本手段和目的。这里的功指广义的功，但主要指机械功。各种能量转换为机械功的方法、程度不一样，转换效率也不一样，所以能量又分别称为高质能、低质能和废能。 11 6）贬值性，根据热力学第二定律，能量不仅有“量的多少”，还有“质的高低”。就是能量在传递过程中，由于有多种不可逆因素存在，总伴随能量的损失，表现为能量的质量和品位的降低，及做功的能力降低。 12 3.能源的类型 13 3.能源的类型 能源可以简单理解为含有能量的资源，从广义上讲，在自然界里有一些自然资源本身就拥有某种形式的能量，它们在一定条件下能够转换成人们所需的能量形式。 能源有许多分类法，通常分一次能源和二次能源。如煤、石油、天然气、风、水等自然界已经存在的叫一次能源，由一次能源直接和间接加工、转换而来的，如电、蒸汽、焦炭、煤气、氢气等叫做二次能源。二次能源通常是品质较高的能源，如煤气就比煤的品质更高。 14 能源给人类带来文明、带来进步、带来像“上帝”一样主宰世界创造一切的可能。但是，人类使用能源的过程也带来了一些副作用， CO2过度排放导致全球天气变暖，极端天气增多，自然灾害频发， NOx过多地产生，使癌肿等疾病增加，这些都恶化了我们的生存环境。以前“杞人忧天”是笑话，现在正确使用能源、减少碳排放真真实实地摆在我们面前，是世界各国领导关注的话题。 15 4.能源的评价： 16 4.能源的评价： 1）储量，中国的煤储量与天然气和石油储量的比， 40/1，国外是 1/40， 17 4.能源的评价： 2）能量密度，就是一定的空间、质量或面积内某种能源中所能提供的能量，如汽油 4.4*104KJ/kg，甲烷5*104KJ/kg，氢 1.2*105KJ/kg，天然气 2*104KJ/nm3，水煤气0.45*104KJ/nm3， 18 4.能源的评价： 3）储存的可能性， 19 4.能源的评价： 4）供应的连续性， 20 4.能源的评价： 5）能源的地理分布，北方烟煤多，南方无烟煤多 ， 21 4.能源的评价： 6）开发费用和能源的设备费用， 22 4.能源的评价： 7）运输费用与损耗， 23 4.能源的评价： 8）能源的可再生性，太阳能、风能、水能等都可再生，煤、石油、天然气则不能再生。 24 4.能源的评价： 9）能源的品位，如水力能可以直接转变为机械能、电能，它的品位就比先由化学能（烧煤、烧气等）转变为热能，再由热能转化为机械能、电能的品位高。天然气的品位比煤高，电的品位就比天然气高。温度高的热源品位比温度低的热源品位高。 我们在使用能源时，特别要要防止高品位能源降级使用。 25 5.常规能源： 26 5.常规能源： 1）煤炭，有无烟煤、烟煤、褐煤。无烟煤热值（ 2633） MJ/kg，烟煤热值（ 2033） MJ/kg，褐煤（ 1017） MJ/kg，特点价格低廉、燃烧困难、污染严重。 27 5.常规能源： 2）石油， 28 5.常规能源： 3）天然气，特点热值很高、污染很少，热值（ 1884136442）KJ/Nm3。 29 5.常规能源： 4）水利能（没有污染）。 30 6.工厂使用什么能源合算？ 31 6.工厂使用什么能源合算？ 从目前情况，我们知道用煤最差，用煤热效率只有 1525%，如把煤造气，其热效率可达 5060%。天然气是一种热效率很高的优质能源，当然用电最容易控制，最清洁，最好，没有碳排放不产生“温室气体”。但是，这里面还有个经济问题和环境保护问题。单就价格上讲， 1000kg煤约等于 350m3天然气，用煤还会更便宜点，但是煤难控制、效率低，烧成的产品质量低（含硫等），如用天然气会更合算，用电呢？ 1m3天然气热值约等于 10kwh电的热值，即 2.9元 5.2元，经济上还差很远，以上是简单地作了比较，当然还有热效率没有算。如果电的热效率作为 1，那么天然气就只有 0.6-0.9（这里面有个燃烧效率问题，有的工厂高，有的工厂低），即 2.9/（ 0.6-0.9） 5.2元。有些工厂烧窑用气、用电，烘干用煤，我觉得这样做，就不降低能源的品质，还是很合理的，经济上也很合算。今后我们国家核电多了，电降价了，用电可能会更经济。 32 综上所述：人类发展与进步需要能源。能源有高低品位之分 。再生能源不多。过多地使用能源对环境有副作用。只有正确使用能源才能节约能源，为人类创造更多的财富。 33 二、窑炉与节能 34 1.窑炉是很重要的工业设备，又是重点的耗能设备。 工业窑炉有许多种，今天我们只讲陶瓷窑炉。陶瓷窑炉有：瓷砖窑炉、卫生洁具窑炉、日用陶瓷窑炉、工艺陶瓷窑炉；有隧道窑炉（窑车式和辊道式）和间歇窑炉。但是，这些窑炉基本作用和原理是一样的。都是要把陶瓷由“泥”变成“瓷”成为陶瓷产品，都要输入能量，产生热量，传热给陶瓷坯体；输入能量是气嘴、油嘴或烧煤的炉膛，这些设备再经过窑体把陶瓷烧“熟”。要使燃料燃烧，还要有助燃风设备，才能产生温度；还要冷却系统等等。 35 1.窑炉是很重要的工业设备，又是重点的耗能设备。 窑炉要烧好最主要的条件有三条：温度、压力、气氛。 窑炉要节能就要合理地调节好这三者关系的基础上采取一定的措施（后面再讲）。 36 1.窑炉是很重要的工业设备，又是重点的耗能设备。 1） .温度是烧成关键。 我们现在讲的陶瓷坯体是“粘土、石英、长石”三组份陶瓷，即普通陶瓷。这些原料构成的瓷坯，只有达到一定的温度才能产生共熔体，才能变成陶瓷。所以温度要在“一定的范围内”，一定得范围内就是说必须达到产生陶瓷的温度，而且温差不能太大，否则产品就会不合格。温度达不到就烧不成陶瓷，温度是 必要条件 ，温差是所有窑炉都要努力克服的问题。窑炉的烧嘴布置、排窑的方法、密度等等正确与否都会影响温差。同样是隧道窑，辊道式就比窑车式窑温差小、能耗低。瓷砖一般都用辊道窑烧的多。温度的控制又与燃料的种类有关，比如，天然气的温度控制就比煤和煤气好控制。 37 1.窑炉是很重要的工业设备，又是重点的耗能设备。 2） .压力问题不可忽视。 窑炉有烧嘴、冷却风等等流体往窑内冲，这些冷热流体都要与被烧的产品接触，都要对产品进行加热、吸热的反应，都要对窑体产生压力，这些压力会影响这些流体的运动。所以窑压控制好了，流体就均匀、温度就好调节了。 38 1.窑炉是很重要的工业设备，又是重点的耗能设备。 3） .气氛要适当。 气氛就是窑内的火焰是氧化焰还是还原焰。氧化焰就是氧过量，还原焰就是火焰中氧不足，有 CO存在。气氛制度也是由陶瓷生产工艺决定的。目前烧氧化焰的产品较多。陶瓷坯体原料和成型过程中有些有机物，烧成时在坯体液相出现前必需充分氧化烧掉。因而，烧成段前的预热段都是氧化焰。烧成段对氧化产品来说，可以是中性焰。 39 1.窑炉是很重要的工业设备，又是重点的耗能设备。 以上简单地讲了温度、压力、气氛对窑炉烧成的关系。 下面讲能耗问题。 40 2.隧道窑炉的能耗。 陶瓷窑炉的能耗占陶瓷生产总能耗 4070%，占成本约 2732%。窑炉的热效率很低，用于烧成产品的只有 1020%，其余窑炉热能损失由以下几部分组成。 41 2.隧道窑炉的能耗。 1）炉体表面各部位散失的热量， 2）接缝、孔眼（看火孔）等密封不严的部位泄漏损失的热量， 3）排烟带走的热量损失， 4）窑具、带走的热量损失， 5）窑车带走的热量损失，等等。辊道窑 4）和 5）项没有。 42 2.隧道窑炉的能耗。 窑炉热效率这么低说明节能潜力很大，因此，就出现了许许多多的节能方法、设备和措施。比如： 降温烧成、双对推余热利用隧道窑、微波烧成、快速烧成、双回风余热回用隧道窑 等等。 43 3.窑炉节能的途径和措施。 1）节能原理，一切能源的利用过程本质上都是能量的传递和转换过程。这两个过程在理论和实践上都存在着制约，存在着一系列物理的、技术的和经济方面的制约因素。如热能的利用首先要受到 热力学第一定律 （ 能量守恒定律）和热力学第二定律（能量贬值）的制约。 能量在传递和转换过程中由于热传导、对流辐射，能量的数量要产生损失，能源的品质也要降低。 节能就是要尽量减少能源的损失和能源品位的降低。 44 3.窑炉节能的途径和措施。 2）窑炉节能的几个术语。单位产品能耗：比如 kg瓷/kwh， kg瓷 /m3天然气，等等。工厂则更简单地表述为m3瓷 /kwh， m3瓷 /m3天然气，也可以。在德化，一般每方瓷含有瓷和窑具（ 386529） kg。瓷 /窑具：每方陶瓷的陶瓷和窑具的重量比。德化一般在 0.2 0.6等等电耗快速烧成。窑炉产量：一条窑炉一天烧多少产品。烧成周期：即产品从入窑到出窑的时间，德化一般为 515小时，晋江一般为 2045分钟。 45 3.窑炉节能的途径和措施。 3）窑炉节能的途径。 降低前面已经讲到窑炉热损失。如：加强保温减少窑炉的散热损失，随着材料的进步，窑炉材料已由重质耐火砖到轻质砖，再到耐火纤维的使用，窑炉的散热损失已经非常大幅度地降低了。现在应该注意的是采用低热容的窑车或选用辊底窑，来减少窑车带出的热量。 46 3.窑炉节能的途径和措施。 加快烧成速度或采用快速烧成，可以减少单位产品耗能。目前要做到窑体的绝热保温是不可能的，因此，窑墙、窑体的散热难以完全避免，如能缩短烧成时间，则产品的单位能耗越低。这一点已为各地所实践，而且取得了很好的节能效果。瓷砖可以在 1020分钟内烧成，日用陶瓷也可以在 12小时内烧成。因此要求窑炉温差要小，高温段要能输入足够的热量，产品入窑水分要足够小，保证坯体快速升温不裂不炸，能烧透。据我们测算每减少 10的烧成时间，可减少 6 8的燃气单耗。这是因为窑炉的散热是固定的，烧成时间越短，单位产品的平均耗散的热量也就越少。 47 3.窑炉节能的途径和措施。 控制好空气过剩系数 。空气过剩系数：通俗的说就是“实际燃烧所用的空气和燃气（料）刚好完全燃烧所需的空气”的比值。空气过剩系数适当，燃料燃烧的热效率就高。热效率最佳的配比是空气系数控制在 1/1.011/1.03左右，但我们发现很多厂家操作是走向极端，氧化烧成空气大些有利于氧化，燃烧比较稳定，但是量过大了，据我测算许多厂家基本都大于 2.6以上，一般只要 1/1.031/1. 3就足够了。多余空气不但不能产生热量，反而降低火焰温度带走窑内热量，空气的比热近似为 0.31卡 / ，理论上如果把空气系数由 2.6降为 1.3，燃烧效率将提高 36%，也就是说将会节能 30%以上。现代窑炉都是自动控制空气过剩系数，自动控制空气过剩系数有多种方式，比如液化气与空气机械联动，智能仪表联锁控制，比值阀控制，利用窑内气氛信号调节燃气量等，但是多少还会存在一些弊端。现在已经有一种最先进的控制空气过剩系数的设备和仪器，就是利用烟气中的氧含量控制各段风机的方法。 48 3.窑炉节能的途径和措施。 余热利用。产品从常温到烧成段是吸热，烧成段再被冷到常温是放热，这些热如果再返回到烧成段就可以节能 30%以上。前面讲过：热量有品位，高温的热就比低温的品位高，热总是往低温走，要让热往高温走要额外消耗能量，一般是划不来的。因此利用急冷段的热风作为助燃二次风可以大大地降低能耗，现在许多厂家都没有窑炉高温余热利用的设备，只是把这些高温余热拿去干燥，虽然是余热利用了，但是把高品位的热降级了，非常可惜。隧道窑之所以比间歇窑能耗低，就是高温气流得到了梯级合理的利用。当然要利用热风助燃，窑炉都要改造，这些改造不要3个月就会全部回收成本。 49 3.窑炉节能的途径和措施。 4）窑炉节能改造的实例 50 3.窑炉节能的途径和措施。 实例 1，德化某瓷厂，改造前窑长 40米，截面 440*530，天然气（常温空气助燃），改造前 31m3气 / m3瓷，1270 。改造后，窑长、截面不变，天然气（余热经换热器换热后 200 空气助燃），（ 2225） m3气 / m3瓷，1270 。 51 3.窑炉节能的途径和措施。 实例 2，德化某瓷厂，改造前窑长 46米，截面 550*780，工频电加热，改造前 153kwh/ m3瓷， 1070 。改造后，窑长、截面不变，天然气（产品余热经双回风风机换热后引至窑前预热入窑产品）， 98kwh/ m3瓷， 1070 ,比改造前每天节约 1000元燃料费用。 52 3.窑炉节能的途径和措施。 实例 3，德化某瓷厂，改造前圆窑 14米直径，截面500*850，工频电加热，改造前 4500kwh/24h， 1070 。改造后，窑直径、截面不变，（余热经双回风风机换热后引至窑前预热入窑产品）， 3325kwh/24h， 1070 ,比改造前每天节约 500元燃料费用。 53 3.窑炉节能的途径和措施。 实例 4，晋江瓷灶某陶瓷厂， 136米辊底窑，由水煤气改天然气后，能耗 8800m3/24h，经考察后，我们发现几个问题。 1）天然气热值比水煤气热值高出 5-7倍，理论燃烧温度高很多，虽然同为气体燃料，但烧法不同，设备要做些调整，不能像水煤气那样“大烧大排”，烧