化工过程节能原理与技术 第2章节能基本原理及评价方法课件

化工过程节能原理与技术12026/10/2716:532.1节能的基本原理2.2主要节能方法2.3节能技术评价的必要性2.4节能技术经济评价第2章节能基本原理及评价方法2026/10/2716:5322.1.1热力学第一定律与节能的方向性2.1.2热力学第二定律与节能的程度2.1.3热经济学分析法2.1.4节能原理的具体指导意义★2.1节能基本原理2026/10/2716:5334热力学第一定律分析法热力学第二定律分析法热经济学分析法掌握节能原理科学找出节能潜力与部位制定节能措施的指导原则规划长短期节能目标不掌握节能原理提出不恰当的节能指标制定出不合理的节能决策批准不合理的节能方案主要分析方法2.1节能基本原理2026/10/2716:53能量定义：

能量是物质做功的本领。做功能力越大，能品位越高。能量形式：

物质所含能量有6种形式：机械能（动能、势能）、热能、电能、辐射能、化学能、核能等。能量按热力学分成两类（5种）：储存能（内能、动能、势能），与状态有关；传递能（热能、功），与过程有关。2026/10/2716:535能量利用的过程就是能量转换的过程。热力学：研究能量转换方式和规律的科学。能量在转换过程中遵循的基本定律：（1）热力学第一定律，即能量守恒定律；（2）热力学第二定律。2026/10/2716:536热力学第一定律（能量守恒定律）

“自然界的一切物质都具有能量；能量既不能创造，也不能消灭，而只能从一种形式转换成另一种形式，从一个物体传递到另一个（或多个）物体；在能量转换与传递过程中，能量的总量恒定不变。”2.1.1热力学第一定律与节能的方向性2026/10/2716:537

锅炉煤环境环境体系体系与环境之间可以通过热或功传递能量。2.1.1热力学第一定律与节能的方向性2026/10/2716:538能量转换与节能的关系在锅炉燃煤产生蒸汽的体系中，煤燃烧产生的能量一部分转移到蒸汽中，这是我们所希望的；另一部分能量通过多种形式转移到了环境中去。ΔE（体系的能量）-Δ

E（环境的能量）=0Δ【E（体系的能量）＋E（环境的能量）】=0节能的方向：尽量减少那些转移到体系之外（即环境中）的能量。2.1.1热力学第一定律与节能的方向性2026/10/2716:539

锅炉煤环境环境此体系能量不守恒此体系能量守恒能量转换示意图体系体系2026/10/2716:5310锅炉的用能平衡2.1.1热力学第一定律与节能的方向性对于锅炉体系，进入体系的总能量等于体系输出的总能量（能量守恒）。2026/10/2716:5311可见，输入锅炉体系的能量（100％）中，实际得到的有用能（转移给蒸汽）只有73.2%，能量不守恒，为什么？分析发现，损失掉的能量中，17.2%由锅炉烟气带走，煤炭不完全燃烧损失能量9.1%，锅炉散热损失0.5%。通过能量守恒分析，指明了节能的方向：1）采取高效烟气余热回收装置，如高效换热器，可预热助燃空气，或预热补给软水；2）改进锅炉结构和燃烧方式，以提高燃烧效率；3）加强锅炉隔热保温措施，以减少热损失。2.1.1热力学第一定律与节能的方向性2026/10/2716:5312锅炉的用能平衡2.1.1热力学第一定律与节能的方向性2026/10/2716:5313任意体系与环境之间的能量转换关系2.1.1热力学第一定律与节能的方向性热力学第一定律指明节能的方向：尽量减少那些转移到体系之外（即环境中）的能量。2026/10/2716:5314热力学第一定律对节能的提示：能量在转换过程中总量的不变性，指明了节能的方向：在能量转换过程中，尽量将能量转换到期望的体系中去（节能的关键）。2.1.1热力学第一定律与节能的方向性2026/10/2716:531516

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。该分析法得到了广泛应用，它主要是用热效率的高低来估计节能潜力，热效率越低说明节能潜力越大。能量平衡工作正是基于这一定律，把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：由于它所依据的仅是能量数量上的守恒性，在挖掘节能潜力时有较大的局限性和不合理性。2.1.1热力学第一定律与节能的方向性2026/10/2716:53热力学第一定律未解决问题能量的转换过程，是不是只要守恒就可以任意转换吗？A系统B系统ΔE？要解决能量转换的方向性问题，用热力学第二定律。2.1.1热力学第一定律与节能的方向性2026/10/2716:5317热力学第二定律的表述方法：2.1.2热力学第二定律与节能的程度开氏表述（Kelvin，

1851）

其唯一效果是热量全部转变为功的过程是不可能的。克氏表述（clausius,1850）

热量不能自动地从低温物体传向高温物体。2026/10/2716:5318自然界中的一切自发过程都是不可逆的。水总是从高处向低处流动。气体总是从高压向低压膨胀热量总是从高温物体向低温物体传递2.1.2热力学第二定律与节能的程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，其品位只可能降低或不变，绝不可能提高。2026/10/2716:5319为了将热量从冷态输送到热态，您需要一个装置。例如热泵或冰箱，持续做功。2.1.2热力学第二定律与节能的程度克氏表述（clausius,1850）

热量不能自动地从低温物体传向高温物体。2026/10/2716:5320不可能从单一热源吸取热量，使之完全转变为功而不产生其他影响。2.1.2热力学第二定律与节能的程度

其唯一效果是热量全部转变为功的过程是不可能的。开氏表述（Kelvin，

1851）2026/10/2716:53212026/10/2716:5322燃煤电厂中热功转换过程示意图2.1.2热力学第二定律与节能的程度热机工作示意图锅炉给水泵热量Q1,T1热量Q2,T2做功W1做功W2冷凝器蒸汽轮机试计算热机（将热能转换为机械能的机器）的效率？2.1.2热力学第二定律与节能的程度忽略掉Q1=W1+Q22026/10/2716:5323热功转换的总效率：忽略水泵做功W2及各种损失。要想让能源效率达到100%，只有让Q2等于0。但这不可能，违背热二定律。热功转换必须付出一定代价。2.1.2热力学第二定律与节能的程度Q1=W1+Q2Q1-Q2=W12026/10/2716:53242026/10/2716:5325压缩式制冷机/制热机（热泵）热量Q1，

T1节流阀蒸发器冷凝器压气机热量Q2，T2做功W制冷效率：Q1/W=Q1/（Q2-Q1）制热效率：Q2/W=Q2/（Q2-Q1）守恒：忽略各种损失，则W+Q1=Q2低压气高压气低压液高压液2.1.2热力学第二定律与节能的程度2026/10/2716:5326压缩式制冷机/制热机（热泵）制冷效率：Q1/W=Q1/（Q2-Q1）制热效率：Q2/W=Q2/（Q2-Q1）守恒：忽略各种损失，则W+Q1=Q2制冷制热注意：式中T均为热力学温度。T=t+273.15(K)2.1.2热力学第二定律与节能的程度制冷/热机效率计算实例★制冷：某制冷空调如果夏天室外冷凝温度T2为40℃，室内蒸发温度T1为10℃，则最大的可能效率为：目前商用空调的效率一般为3-5，所以从理论极限来说，还有较大的节能潜力。2.1.2热力学第二定律与节能的程度2026/10/2716:5327制冷/热机效率计算实例★制热（热泵）：某制暖空调冬天室外蒸发温度T1为-20℃，室内冷凝温度T2为20℃，则最大的可能效率为：目前商用空调的制暖效率一般为3-6，所以从理论极限来说，还有较大的节能潜力。对比表明，空调器制热比电热器制热省电60%以上2.1.2热力学第二定律与节能的程度2026/10/2716:5328热力学第二定律对节能的提示：1、能量转换是有条件及方向性的；2、能量的品位有高下之分，不同品位之间的能量转换需要付出代价；3、节能的关键是以尽量小代价实现能量的转换。2.1.2热力学第二定律与节能的程度2026/10/2716:532930

第二定律分析法依据热力学第一、第二定律，并通过直观实用的方式，来体现能量的全面本性，由此建立的节能理论，称为第二定律分析法。火用分析法：从能量的品位和火用的利用程度来评价过程和装置在能量利用上的完善性，主要指标是火用效率和损耗功。火用分析法不仅可以揭示由于“三废”、散热、散冷等引起的火用损失以及工艺物流、能流所带走的火用，而且能准确查明由于过程不可逆性引起的火用损，并确认过程不可逆是能量损失的内在因素，指出能量利用热力学上的薄弱环节与正确的节能方向，这是对节能本质认识的重大突破。2.1.2热力学第二定律与节能的程度2026/10/2716:5331

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，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。热经济学分析法特别适用于解决大型、复杂的能量系统分析、设计和优化。

2.1.3热经济学分析法2026/10/2716:53★2.1.4节能原理的具体指导意义★1、能量守恒必须将体系和环境一起来考虑，单独考虑体系时，能量是不守恒的。2、在能量转化过程中，节能的方向是：减少能量向环境的转移。最根本的节能技术是：提高体系本身的转换效率，减少向环境排放量；其次是补救性节能技术：能量回收再利用。2026/10/2716:53323、能量有品位高低，一般情况下，不要将高品位的能量转变成低品位能量再利用。如将电能转变成热能时，不要直接转变，可通过制热机（如热泵）提高能源效率系数。4、低品位能量（如热能）不能完全转变成高品位能量（如机械能、电能），且在转变的过程中需要付出一定的代价。所付出的代价是：消耗一定量高品质能量，且有一部分能量转移到环境中。如能充分利用转移到环境中的这部分能量，则可大大提高能量的利用效率。★2.1.4节能原理的具体指导意义★2026/10/2716:533334

工业生产中的用能过程可以归纳为：传热过程、传质过程、化学反应过程、热功转换过程等。

可逆过程是热力学中的一种理想过程，在这个过程中，如为机械运动则没有摩擦阻力，如为传热过程则没有温差。因此可以看出：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。节能工作就是要在现有的经济合理条件下，最大限度降低过程的阻力，使用能过程接近可逆过程。2.2主要节能方法2.2.1工艺过程/设备节能分析方法2026/10/2716:5335使用先进工艺过程和高效设备。减少过程。凡有过程，就有不可逆性，因此应尽可能减少过程，减少不可逆性。多次使用能量。如对传热过程，就是要减少传热温差，凡是传热温差很大或较大的地方，也即是用能不合理的地方。高能高用，低能低用。

工艺过程/设备节能的基本原则2.2主要节能方法2026/10/2716:5336能量多次使用的节能

假设有5个物理过程，分别从起始温度加热至终止温度后，即需将热量排掉，每个过程的需热量为10kg标油。（1）1200~1400℃

（2）800~1000℃（3）400~600℃（4）200~300℃（5）150~200℃

如果每一个过程单独进行，至少需要5×10kg=50kg标油。如果将前一个过程完成后的热量回收用于下一个过程，则总需能量仅为10kg标油，是单独过程用能的五分之一。

由此可以看出能量多次使用的本质和系统优化的极大优越性。2.2主要节能方法2026/10/2716:5337

通过节能分析指出节能潜力和方向通过经济分析指出改进的经济可行性提高能源效率必须在能耗费用和投资费用之间取得平衡工艺过程/设备节能分析方法工艺过程用能优化流程简化和优化组合用能单元和设备强化排弃能量和最小化运行工况最优化2.2主要节能方法2026/10/2716:5338系统节能的效果往往受制于单元（单个设备）的节能水平，对于一些常用单元设备，可以采用不同的方法降低过程的阻力，提高用能效率。

用能设备的节能2.2主要节能方法

换热过程节能对于要提高传热效率的：1）优化传热温差，提高传热效率；2）应用强化传热技术，如扰流、翅片、相变传热等；3）降低换热过程的冷热介质的压降。对于要保温的：加大传热的阻力

锅炉和加热炉节能1）操作、控制优化；控制空气过剩系数、改进喷嘴、加强密封减少散热、采用高效辐射涂料等。2）烟气余热回收；3）提高发生蒸汽压力；

2026/10/2716:5339管道保温的节能一根直径150mm的钢管，有3M长的一段没有保温，管内为0.8MPa的饱和蒸汽，一年散热损失折算为5吨标准煤，以每吨200元计算，浪费金额达1000元。五个同管径的法兰，如不保温等就同于3M长管段。一个同管径阀门不保温等同于3M长管段。

2.2主要节能方法2026/10/2716:5340

流体机械（风机、泵等）节能1）机械本身性能提高；2）运行性能提高：额定负荷与需要相适应；变频法流量调节。

2.2主要节能方法

压缩过程节能1）增加压缩机段数；2）提高吸入压力，降低出口压力；3）降低压缩机入口气体温度；4）减小段间阻力降及系统压降。2026/10/2716:5341过程能量系统是指生产过程中由与能量的转换、利用、回收等环节有关的设备所组成的系统。它包括换热网络、蒸汽、动力、冷却、冷冻等公用工程子系统能量系统担负着生产过程中物流的加热、冷却、驱动机泵的动力供应、工艺和加热用蒸汽等任务，对生产特别是生产中的能源消耗起着十分重要的作用。

2.2.2系统节能分析方法2.2主要节能方法能量系统的优化是指合理地设计能量的转换、逐级利用和回收系统，在满足工艺过程对动力、蒸汽、冷却、加热等各种能量需求的前提下，使企业总的能源消耗最少，设备投资费用最少。优化总体用能的核心是推行按需产能、阶梯用能和合理匹配。2026/10/2716:5342

组合工艺流程，优化总体用能从工艺优化和能量联合利用两个方面节能：1）从系统总流程出发，探讨生产用能的合理性；2）避免过分追求装置操作独立性，相同工艺单元采取联合的方式生产。将原先分置于各个装置的同类工艺单元联合起来，实现规模化，提高设备效率；3）实施装置热联合。装置热联合打破了用能自成体系的局面，做到相互协调，取长补短，有显著的节能效果。2.2主要节能方法2026/10/2716:5343

热能回收利用1）热能利用的大系统匹配；2）热能回收网络的优化合成；3）强化传热技术的应用；4）低温余热回收利用。

2.2主要节能方法

能量转换系统的联产1）加热炉热能利用的系统匹配；2）锅炉、汽轮机的逐级利用；3）燃气轮机的热电联产；4）其他热能的逐级利用。

2026/10/2716:531）有的节能方法是不理想、伪科学的。如所谓的水变油技术、永动机技术。2）有些节能技术，就项目本身看确实有节能的效果，但为了达到该节能效果所付出的代价远大于节能所带来的效果，那么这些节能技术也没有实施的必要。3）节能不节钱、节能节钱不环保、短期有节能效益，长期造成环境污染，或对潜在的危险无法评定。所以，必须对节能技术进行全面的、综合的评价，在众多的节能方案中挑选技术上可行、经济上合理、环境污染最小化、社会效益最大化的节能方案。2.3节能技术评价的必要性2026/10/2716:53442026/10/2716:5345资金的时间价值：

资金在不同的时间上具有不同的价值，资金在周转使用中由于时间因素而形成的价值差额。2.4节能技术经济评价2.4.1节能措施的技术经济分析的目的定义：就是要在措施实施以前，全面考察其在技术上的可行性与经济效益的优劣（在一定时期内产出大于投入），进行方案比较，确定投资方向，避免由于盲目性而造成人力、物力、财力上的浪费。节能投资的目的，不仅要收到节约燃料、电力、水等资源的效果，还要有好的投资效益。2.4节能技术经济评价2026/10/2716:53462026/10/2716:53471）简单补偿年限法2）标准补偿年限内的计算费用法

3）动态补偿年限法4）寿命周期净现值收益法（不能比较两方案）5）年度净收益法6）净收益-投资比值法2.4节能技术经济评价2.4.2节能技术经济评价方法2026/10/2716:53481）简单补偿年限法IP:节能措施投入的全部资金（元）；A:节能措施形成的年经济效益增长总值（元/年）；N:节能措施投入资金的回收期限（年）；Nb:标准回收年限（年）；对电类设备可按Nb＝5年考虑。其它设备，根据其使用寿命对照电类设备寿命适当假定Nb值。NS:节能措施的使用寿命（年），一般Nb<Ns。评价标准：

N<Nb<Ns，节能措施可行；N>Nb，经济上不合理。计算公式2.4节能技术经济评价2026/10/2716:5349对某锅炉进行节能技术改造，有两个方案可供选择：

方案A，一次性投入20万元，每年的产生的节约能源费用5万元，因节能技术而增加的年维修费用1万元，使用寿命8年，设备残值3万元；

方案B，一次性投入30万元，每年的产生的节约能源费用7万元，因节能技术而增加的年维修费用1.5万元，使用寿命10年，设备残值4万元。在资金年利率为10%的情况，判断两节能技术改造方案更可行性。案例2026/10/2716:5350对方案A有：对方案B有：方案A和方案B的投资回收年限既小于标准补偿年限Nb，又小于设备的使用寿命Ns，所以两个方案均可行。但方案A的投资回收年限小于方案B，两个方案相比而言，方案A较优。案例分析之一简单补偿年限法2026/10/2716:53512）标准补偿年限内的计算费用法应用场合：两种或多种节能方案，其技术条件满足要求，又符合使用寿命Ns＞Nb条件，可采用计算费用法进行经济分析。具体公式：计算费用C：IP1、IP2、IP3——节能措施投入的全部资金（元）；

Nb1、Nb2、Nb3——各方案对应的标准补偿年限（年）；

S1、S2、S3——各方案的年运行成本。2.4节能技术经济评价2026/10/2716:5352判断依据：上式计算费用最低者为最经济方案。上式中年运行成本S是指设备正常运行时，每年的设备折旧费、维护管理费、能源消耗费等。计算费用法的优点是经济概念清楚，计算简便。但没有考虑技术条件的可比性，如对产品质量的影响；对时间因素及社会效益和环境影响均未加考虑。

2026/10/2716:5353原锅炉节能改造方案，假设原来年运行成本为S0，则S1=S0+1-5=S0-4；S2=S0+1.5-7=S0-5.5对方案A有：对方案B有：比较两者费用，可知C1>C2，所以方案B优于方案A。案例分析之二2026/10/2716:53543）动态补偿年限法考虑资金的时间效益，若在动态回收期ND年内回收一次投资，则应该符合下式条件：由上式经推导可得：[设年净收益均为A](1)(2)IP为节能项目总投资；i为单利的年利率；Aj为第j年净收益；F为设备残值。2.4节能技术经济评价2026/10/2716:5355判断依据1如已知资金的年利率i，一次性投资IP及每年因节能措施带来的净收益Aj

，则可以通过（2）式计算所得的动态回收期ND和行业标准回收期Nb的比较，确定方案在经济上是否可行。若动态回收期ND小于行业标准回收期Nb（同时也小于项目寿命Ns），则方案是可行的；反之方案不可行。2026/10/2716:5356判断依据2如果要求该节能方案的一次性投资必须在规定的年限N年内，将每年由于节能措施所产生的效益Aj用于偿还一次性投资IP。则可将已知数据代入（1）式，求出该节能投资方案的等效年利率i0

。如该年利率i0大于规定的年利率i，则方案合理可行，反之方案不合理，需要进行改进。2026/10/2716:5357

对方案A有：对方案B有：结论：单个项目方案A和B都可行,但方案A动态回收期小于方案B，所以方案A优于方案B。案例分析之三2026/10/2716:53584）寿命周期净现值收益法计算公式:当项目寿命周期净收益P>0时，节能方案增益，在经济上可行；P=0时，节能方案收支相抵，在经济上无收益，但若有环境效益，可考虑实施；P<0时，节能方案将亏损，在经济上不可行。局限性:1、没有考虑单位节能投资带来收益的大小2、没有考虑寿命周期长短而引起设备更新因素2.4节能技术经济评价2026/10/2716:5359节能方案A而言，寿命周期净现值为：节能方案B而言，寿命周期净现值为：从单个方案来看，两个节能方案在经济上均可行。要比较哪个方案更优，需要将方案A的计算时间折算到10年，计算过程较复杂。案例分析之四2026/10/2716:53605）年度净收益法如果节能项目每年的净节约费用相等，均为A，则可简化为：当AP>0时，节能方案增益，在经济上可行；AP=0时，节能方案收支相抵，在经济上无收益，但若有环境效益，可考虑实施；AP<0