石油化工行业节能原理和节能技术讲义

石油化工行业节能原理与节能技术讲义 石 油 化 工 行 业 节能原理和节能技术讲义 尹洪超 教授 博士生导师 大连理工大学能源与动力学院 2007年4月 目 录 1目 录 2前 言 1第一节 节能的基本原理 0 2第二节 典型例题分析 2 第三节 节能的基本概念 32 第四节 企业节能的原则和基本途径 43 第五节 企业通用节能技术 50 8第六节 石化行业节能技术 5 前 言 节能是指在满足相等需要或达到相同目的的条件下，通过加强用能管理，采取技术上可行，经济上合理以及环境和社会可以接受的措施，减少从能源生产到消费各个环节中的损失和浪费，提高能源利用的经济效果。 一、我国的能源发展和供求问题 1、能源供应压力大 “十五”期间，由于能源需求增长迅速，我国能源市场由“九五”时期的供需基本均衡转向供不应求。按可比价格计算，这期间我国GDP年均增长率高达9.7%，而相应的能源消费量年均仅增长4.6%，远低于同期经济增长速度，其中1997至1999三年能耗为负增长。然而，进入21世纪以来，尤其是从2002年开始，我国能源消费增长迅猛，超过了经济发展速度。 我国2005年一次能源生产总量20.6亿吨煤。其中发电量24747亿千瓦小时，比2004年增长12.3%；原煤21.9亿吨，增长9.9%；原油1.81亿吨，增长2.8%。2005年能源消费总量22.2亿吨标准煤，比2004年增长9.5%。其中，煤炭消费量21.4亿吨，增长10.6%；原油3.0亿吨，增长2.1%；天然气500亿立方米，增长20.6%；水电4010亿千瓦小时，增长13.4%；核电523亿千瓦小时，增长3.7%。 “十五”期间我国能源消费总量从2001年的13.49亿吨标准煤增长到2005年的22.2亿吨标准煤。如今我国能源消费总量已经位居世界第二，约占世界能源消费总量的11%。 图1 “十五”期间我国一次能源生产总量和能源消费总量对比 表1 “十五”期间我国一次能源生产总量和能源消费总量对比 年份 一次能源生产总量（亿吨标准煤） 能源消费总量（亿吨标准煤） 2001 12.1 13.5 2002 13.8 14.8 2003 16.0 17.1 2004 18.5 19.7 2005 20.6 22.2 但我国人均能源消费量较低。2004年,我国人均一次能源消费量1.08吨标准油，为世界平均水平的66%，美国的13.4%，日本的26.7%，英国的28.1%。目前，美国人均消费石油是我国的14倍，日本是我国的3.8倍。从世界范围来看，经济越发达，人均能源消费量越高。我国到2010年要实现人均GDP比2000年翻一番，这客观上要求人均能源消费量有较大幅度增长，特别是优质能源需求量的增长。 表2 2004年世界一次能源人均消费（英国石油公司BP资料） 世界平均水平 1.63吨标准油/人 中国 1.08吨标准油/人 美国 8.02吨标准油/人 日本 4.03吨标准油/人 英国 3.82吨标准油/人 随着需求的快速增长，我国能源供给约束越来越大。综合起来看，当前我国能源供给的矛盾已超出生产能力不足这个层面，更为突出地表现为资源不足的“瓶颈性”约束。 2、能源安全特别是石油安全问题日益严峻 “十五”期间，我国能源进口依存度不断上升，尤其是石油的进口依存度上升很快。2001～2003年，我国原油进口依存度从39.9%上升到48.6%，平均每年上升4.4个百分点。三年间我国原油进口依存度平均水平达到43.3%。  随着进口石油数量的持续增加，国际石油价格的上涨对我国的影响越来越大。据有关部门测算，国际油价每桶变动1美元，将影响进口用汇46亿元人民币，直接影响我国GDP增长0.043个百分点。最近两年，国际原油价格屡创新高，我国深受其害。从统计资料来看，2004年，原油进口平均价格比2003年上涨58.9美元/吨，我国为此多支付外汇70.68亿美元；2005年，国际油价上涨更多，据估计我国至少为此多支出了100亿美元外汇。 从国际上进口大量的石油，意味着风险性因素增多和不安全程度提高，能源安全特别是石油安全问题日益严峻。 3、能源利用效率较低，浪费严重 我国在能源利用上仍处于粗放型增长阶段。当前，我国经济社会发展中存在一个较为突出的矛盾，就是在能源资源相对贫乏的条件下，不少地区的经济增长速度仍然是靠“三高”（高投资、高能耗、高污染）来支撑，结果表现为“两低”（低质量、低效益），以及“三荒”（煤荒、电荒、油荒）现象。 从能源消耗强度来看，2003年按现行汇率计算的每百万美元能耗，我国为893吨标准油，比目前世界平均水平高2.3倍，比发达国家美国和日本分别高2.7倍和9.4倍，比同样是发展中国家的印度还高0.45倍。 从能源利用效率来看，根据国家发展和改革委员会公布的信息，目前我国的能源利用效率为33%，比发达国家低约10个百分点。电力、钢铁、有色、石化、建材、化工、轻工、纺织8个行业主要产品单位能耗平均比国际先进水平高40%；钢、水泥、纸和纸板的单位产品综合能耗比国际先进水平分别高21%、45%和120%；机动车油耗水平比欧洲高25%，比日本高20%；我国单位建筑面积采暖能耗相当于气候条件相近发达国家的2～3倍。 如不改变能源低效利用的现实，到2020年，我国要以能源翻一番实现经济翻两番的目标，按2003-2005年能源消费增长的趋势，我国能源消费量将高达40多亿吨标准煤，在能源供应及能源安全等方面都会带来严重问题。即便考虑到各种节能因素，我国能源消费量仍将达30亿吨标准煤，因此必须通过节能提高能源利用效率。 图2 中国与其他发达国家单位GDP产出能耗量对比（2003年） 表3 2003年单位GDP能耗国际比较（摘自世界经济年鉴） 国家 GDP （亿美元） 一次能源消费量 （百万吨标油） 单位GDP能耗 （吨标油/万美元） 单位GDP能耗比率 （中国/外国） 中国 13200 1178.3 8.93 1.00 印度 5590 345.3 6.18 1.45 韩国 7330 212 2.89 3.09 日本 58800 504.8 0.86 10.40 俄罗斯 5060 670.8 13.26 0.67 德国 27100 332.2 1.23 7.28 法国 18300 260.6 1.42 6.27 英国 13900 223.2 1.61 5.56 意大利 12400 181.9 1.47 6.09 加拿大 7540 291.4 3.86 2.31 美国 94600 2297.8 2.43 3.68 世界 36300 9741.1 2.68 3.33  4、我国能源供需结构均以煤为主，能源工作必须兼顾环境保护  随着全球气候变暖和大气环境质量的急剧下降，环保问题受到了世界各国的普遍重视。在我国，以煤为主的能源供需结构是环境污染日趋严重的主要原因。我国是世界气候变化框架公约的签字国，环境因素将逐渐成为我国能源工作中不容忽视的问题。  从能源消费结构优化进程来看，发达国家早在20世纪60年代就基本完成了以煤为主向以油气为主的能源消费结构的转变，其转变历程大约经历了60年。所以，我国要在2050年达到中等发达国家水平，从现在起必须重视改善能源结构的问题。这也是我国树立科学发展观，构建资源节约型、环境友好型社会的必然要求。 二、我国能源供需预测 “十一五”期间能源市场供需形势呈如下特点： （1）我国能源消费需求继续保持快速增长，增速较“十五”回落。2006～2010年，我国一次性能源消费从19亿吨标准煤，增加到26.2亿吨标准煤，增长37.8%，年均增长8.4%，比“十五”回落约5个百分点。能源消费弹性系数平均为1.1左右，比“十五”末期缩小约0.5个百分点。这一方面表明能源消费需求仍处在较快增长时期，增速仍在经济增长之上；另一方面也表明经济增长对能源需求的依赖性趋于减弱。 （2）生活用能源消费需求增长快于工业生产用能源。到2010年，按照可能达到的人口基数13.5亿计算，人均生活用能源消费约300千克标准煤，同目前标准相比，基本上翻一番。届时生活用能源消费占总消费中的比重达到15%左右，比当前水平提高约4个百分点。 （3）我国能源生产增长继续快于需求增长,但增势亦有明显回落。2006～2010年，能源生产从18.2亿吨标准煤增加到26.1亿吨标准煤，增长了43%，年均增长9.4%，增幅较“十五”回落6个百分点左右。 （4）由于需求增长减缓，生产增长快于需求增长，预计“十一五”期间，我国能源需求自我保障平均在97%左右，特别是“十一五”后期可实现供需基本平衡。整个“十一五”期间，我国能源需求保障对外部的依赖性没有明显上升。 另外，根据相关预测，2020年，中国一次能源需求约30亿吨标准煤，其中石油4.3～5.2亿吨，煤炭21～24亿吨，比2000年增加70%～130%，人均1.5～2.0吨标准煤。到2020年，全社会用电需求将达4.2万亿千瓦时，发电装机容量达9亿千瓦，比2000年增长1.8倍。 三、我国能源政策 我国政府将能源政策确定为“资源节约和开发并举，把节约放在首位”。 2004年6月30日国务院提出了关于能源中长期发展八项规划： （1）坚持把节约能源放在首位，实行全面、严格的节约能源制度和措施，显著提高能源利用效率。 （2）大力调整和优化能源结构，坚持以煤炭为主体、电力为中心、油气和新能源全面发展的战略。 （3）搞好能源发展合理布局，兼顾东部地区和中西部地区、城市和农村经济社会发展的需要，并综合考虑能源生产、运输和消费合理配置，促进能源与交通协调发展。 （4）充分利用国内外两种资源、两个市场，立足于国内能源的勘探、开发与建设，同时积极参与世界能源资源的合作与开发。 （5）依靠科技进步和创新。无论是能源开发还是能源节约，都必须重视科技理论创新，广泛采用先进技术，淘汰落后设备、技术和工艺，强化科学管理。 （6）切实加强环境保护，充分考虑资源约束和环境的承载力，努力减轻能源生产和消费对环境的影响。 （7）高度重视能源安全，搞好能源供应多元化，加快石油战略储备建设，健全能源安全预警应急体系。 （8）制定能源发展保障措施，完善能源资源政策和能源开发政策，充分发挥市场机制作用，加大能源投入力度。深化改革，努力形成适应全面建设小康社会和社会主义市场经济发展要求的能源管理体制和能源调控体系。 中共中央公布的“十一五”规划建议提出“能源产业要坚持节约优先、立足国内、煤为基础、多元发展，构筑稳定、经济、清洁的能源供应体系”；“在优化结构、提高效益和降低消耗的基础上，实现2010年人均国内生产总值比2000年翻一番；资源利用效率显著提高，单位国内生产总值能源消耗比“十五”期末降低20%左右”。节约能源已经成为工作的硬指标。 四、工业节能的战略地位 工业是我国能源消费大户，能源消费量占全国能源消费总量的70%左右，特别是钢铁、有色金属、建材、化工、煤炭、电力、石油、石化等八个行业占全部工业能耗的78%，到2020年，虽然工业部门占能源总需求的比例将从2000年的72.7%逐步下降到56.7%～58.7%，但仍然为第一大用能部门，也是获得节能效应最为显著的部门，因此工业节能对于我国节能工作的顺利开展、能源发展规划和“十一五”建设目标的实现具有至关重要的战略地位。 首先，工业节能是实现经济持续快速发展的必然选择。虽然我国能源比较丰富，但人均占有量不多，而且开采难度越来越大，同时，能源基础设施建设投资大、周期长，还面临交通运输、水资源制约等一系列问题。今后20年，我国钢铁、有色金属、石油石化、水泥等高耗能产品的需求量将继续增加，汽车和家用电器大量进入家庭。与之相适应，能源消费将进一步增长。能源相对不足造成的资源约束矛盾将会越来越突出。节约使用各种资源，建立节能型工业、节能型社会，必将成为增强经济发展后续保障能力的重要途径。 其次，工业节能是保障国家能源安全的战略举措。随着经济发展特别是工业化进程加快，特别是石油石化工业的快速发展，石油需求将继续增长，供求缺口会越来越大。如不采取积极有效的措施，石油供应很可能对我国经济安全带来不利影响。解决石油问题，一方面要注重开源，充分利用国外资源，加强国内勘探开发，积极发展替代产品；另一方面，必须坚持节约优先，降低消耗，提高利用效率。 再次，工业节能是增强工业企业竞争力的有效途径。近年来，通过广泛采用节能技术和加强管理，冶金、有色、建材、石化等工业企业，特别是大型工业企业的能耗有所下降。但从总体上看，我国主要耗能工业的能耗与国际先进水平相比仍然较高，成为工业企业成本高、经济效益差的一个重要原因。 最后，工业节能是保护环境的重要手段。据测算，我国工业能源利用效率若能达到世界先进水平，可减少能源消耗约四分之一，使环境质量得到极大改善。 强化工业节能，减轻能源消费增长给环境保护带来的巨大压力，改善环境质量，已成为亟待解决的问题。 五、节能的意义和方向 《中国节能技术政策大纲（2006版）》指出： 节能既是一项长期的战略任务，也是当前一项紧迫的任务。节能工作要全面贯彻科学发展观，落实节约资源基本国策，坚持开发与节约并举，节约优先的方针，以提高能源利用效率为核心，以转变经济增长方式、调整经济结构、加快技术进步为根本，通过调整产业结构、产品结构和能源消费结构，淘汰落后技术和设备，加快发展服务业和高新技术产业，用高新技术和先进适用技术改造提升传统产业，促进产业结构优化升级，提高产业的整体技术装备水平，提高能源利用效率。 坚持节能与发展相互促进，把节能作为转变经济增长方式的主攻方向，从根本上改变高耗能、高污染的粗放型经济增长方式；坚持发挥市场机制作用与政府宏观调控相结合，努力营造有利于节能的体制环境、政策环境和市场环境；坚持源头控制与存量挖潜、依法管理与政策激励、突出重点与全面推进相结合。 六、节能工作中存在的问题 目前，我国节能存在的问题主要有： 1、对节能重要性缺乏足够的认识，节能优先的方针没有落到实处。 在发展思路上存在重开发、轻节约，重速度、轻效益的倾向，把节能仅仅作为缓解能源供需矛盾的权宜之计，供应紧张时重视节能，供应缓和时放松节能，片面认为节能可以依靠市场机制来实现，对节能在转变经济增长方式、实施可持续发展战略中的重要地位以及政府在节能管理中的重要作用缺乏足够的认识，在宏观政策的各个方面节能优先的方针还没有充分体现，一些地方和行业节能管理有所削弱，节能还没有成为绝大多数企业和全体公民的自觉行动。 2、节能法律法规不完善。 1998年颁布实施了《节约能源法》，但有法不依，执法不严的现象严重，配套法规不完善，操作性上有待改进。能效标准制定工作滞后，尚未颁布机动车燃油经济性标准，大部分工业用能设备（产品）没有能效标准。虽然陆续制定和颁布了各气候区建筑节能50%的标准，但全国城市每年新增建筑中达到节能建筑设计标准的不到5%。 3、缺乏有效的节能激励政策。 国内外实践表明，节能在很多方面属于市场失灵的领域，需要政府宏观调控和引导。目前在财税政策上对节能改造、节能设备研制和应用以及节能奖励等方面，支持的力度不够，没有建立有效的节能激励机制。 4、尚未建立适应市场经济体制要求的节能新机制。 在经济体制下形成的节能管理体系已不适应新形势的要求。国外普遍采用的综合资源规划、电力需求管理、能源管理、能效标识管理、自愿协议等节能新机制，在我国还没有广泛推行，有的还处于试点和探索阶段。供热体制改革滞后，受各种因素影响贯彻落实难度较大。 5、节能技术开发和推广应用不够。 节能必须依靠技术进步，改革开放以来，我国开发、示范（引进）和推广了一大批节能新技术、新工艺和新设备，节能技术水平有了很大提高。但从总体上看，投入不足，创新能力弱，先进适用的节能技术，特别是一些有重大带动作用的共性和关键技术开发不够。同时由于缺乏鼓励节能技术推广的政策和机制，多数企业融资困难，节能技术推广应用难。 6、节能监管和服务机构能力建设滞后。 目前，全国共有节能监测（技术服务）中心145个，绝大部分受政府委托开展节能执法监督和监测。但总体上看，多数节能监测（技术服务）机构能力建设滞后，监测装备落后，信息缺乏，人才短缺，整体实力不强。能源统计体系不完善、节能信息不畅，难以适应节能工作的需要。 我国工业能源消费量占全国能源消费总量的70%，技术与装备良莠不齐，部分装备技术性能低下、生产工艺落后，能耗指标较高、总体用能效率低，严重制约国民经济持续快速发展，是我国节能工作的重点。 第一节 节能的基本原理 要搞好节能，就要了解造成能量损耗和损失的原因、能量损耗和损失的分布、科学用能的基本原则、技能的对策等。 首先要了解热力学的基本原理和基本定律，为节能工作做好准备。 一、基本概念 1、热力系统 在对能量转换的现象或过程进行分析的时候，需要从相互作用的物体中提取研究对象，该对象就是热力系统，简称系统。 一般来说，根据分析研究的需要，热力系统可以是一台设备，也可以是一个车间、一个企业，甚至是一个地区等。 一个热力系统如果和外界只有能量交换而无物质交换，则该系统称为闭口系统，又称作控制质量。 如果热力系统和外界不仅有能量交换而且有物质交换，则该系统叫做开口系统，又称作控制容积，或控制体。 当一个热力系统和外界间无热量交换时，该系统称为绝热系统。 当一个热力系统和外界既无能量交换又无物质交换时，则该系统就称为孤立系统。 图1-1 一个热力系统的简图 热力工程中常见的热力系统是由可压缩流体（如水蒸气、空气、燃气等）构成的，这类系统又称作简单可压缩系统。 2、热力学第一定律 能量守恒与转换定律：自然界中的一切物质都具有能量，能量不可能被创造，也不可能被消灭；但是能量可以从一种形态转换为另一种形态，且在能源的转换过程中能量的总量保持不变。 热力学第一定律是能量守恒和转换定律在热现象中的应用，确定了热力过程中热力系统与外界进行能量交换时，各种形态能量数量上的守恒关系。 在热力学中，可以表述为热是能的一种，机械能变热能，或热能变机械能的时候，他们之间的比值是一定的。 能量从一个物体传递到另一个物体有两种方式：做功和传热。 3、卡诺循环 1824年法国青年工程师卡诺设想了一部理想热机。 该热机由两个温度不同的可逆定温过程(膨胀和压缩)和两个可逆绝热过程(膨胀和压缩)构成的循环过程——卡诺循环。 图1-2 T-S图上的卡诺循环 4、热力学第二定律 能量在使用过程中是不断贬值的、以致最后完全无用。热力学第二定律就是用来说明过程进行的方向、条件及限制。 热力学第二定律的不同表述： 克劳修斯说法：不可能把热从低温物体传至高温物体，而不引起其它变化。 开尔文说法：不可能从单一热源吸取热量，使之完全变成有用功而不产生其它影响。 普朗克说法：不可能制造一个机器，使之在循环动作中，把一种物体温度升高，而同时使一热源冷却。 卡诺定理：在不同温度的恒温热源间工作的所有热机，不可能有任何热机的效率比可逆热机的效率更高。 卡诺循环的热效率： 5、熵的基本概念 热力学第二定律告诉我们，哪些自然过程（包括非循环过程与循环过程）是可能进行的，哪些是不可能进行的，即说明自然过程是有方向性的，是不可逆的。不过，迄今为止的所有有关论证都是定性的。为了把这种分析提高到定量的阶段，下面我们将在以上讨论的基础上，导出一个新的热力学参数“熵”，它的变化将直接与过程方向性相关。 图1-3 导出熵参数的示意图 设有一个如图1-3所示的任意系统X。它在经历一个微元可逆状态的变化中，由外界吸热δQ，同时对外作功δWi，δWi为内部功，表示由系统本身对外界所作的功。为了利用热力学第二定律推论I的条件，设想热量δQ是由一台工作在系统X与热源d之间的可逆机提供的。可逆机在向系统X排出热量 δQ时，将完成若干个完整循环，并向外界作出外部功δWi（是指相对于系统X来说的）。热源的温度Td 完全是任意的，在这里我们假定Td＞T。但若Td＜T，则只要把可逆热机换成可逆致冷机或热泵，那么最后的结论将是完全一样的。 若系统X由稳定状态1可逆地变化到稳定状态2，可写出积分式为 系统X与可逆热机一起构成一个扩大的系统Y。对于确定的状态变化来说，系统Y向外界所作总功Wg与系统X和可逆机所作的功Wi+We是相同的，从而所吸收的热量Qd 也是相同的，由此可见，上式右边Qd/Td只取决于系统X的初始状态与最终状态，而与过程路径无关，这就是说，被积函数满足状态参数的基本判据，因此，我们可以定义一个状态参数熵S，令 dS =δQ/T 式中，δQ 是在系统温度T下可逆地传给系统的热量。 只和单一热源交换热量的系统，经过一有限可逆过程后，熵的变化为   若系统完成一个循环过程，可得到 上式再次表明，熵是一个状态参数。 现在，我们可以利用状态参数熵来研究过程的方向性，即不可逆性问题。所考察的系统X如图1-4所示，以下标Ｒ与Ｉ分别表示可逆过程与不可逆过程。 　 图1-4 可逆与不可逆过程示意图 　假定图中热源为变温热源，以保证在一个无限小的温差下向系统供给热量。当系统在两个无限邻近的稳定状态之间进行一个可逆或不可逆过程时，根据热力学第二定律推论Ⅰ，由于dW1 ＜dWR ，因此必定有 dQ1＜dQR。 对于微元过程，熵的变化为 上式可改为 式中等号用于可逆过程，不等号用于不可逆过程。对于在两个稳定状态1与2之间进行的有限过程，则为 式中的不等号表示了不可逆性对系统熵的影响。 当系统完成一个可逆或不可逆循环时，系统熵的变化为零，于是可以得到 这个公式称为克劳修斯不等式。它告诉我们，任何循环的克劳修斯积分总小于零，极限（可逆）时才等于零。同时还应指出，在进行以上推论时，我们曾假定不论是可逆还是不可逆过程，在热量的传递中系统边界处接受热量的局部温度是与热源温度相等的。但是，我们并没有限制热源温度是否恒定，因此所得到的方程具有普遍性，即它既可认为是单一热源，也可以是变温热源，对于孤立系统，δQ =0。 上式叫做孤立系统熵增原理。它表明，自发过程只能向熵增加的方向发展，只有在可逆的极限情况下，熵才保持不变。 二、火用参数的基本概念、热量火用 1、能量的可转换性 热力学第二定律限制了某些能量向另一种形态的转变。各种形态的能量相互转换时具有明显的方向性，如机械能、电能等可全部转化为热能，理论上转换效率近100%。这类可无限转换的能量成为火用，机械能全部为火用。但是，反方向的热能转换为机械能、电能等，却不可能全部转换，转换能力受到热力学第二定律的制约。 所以，从技术使用和经济价值角度，前者的品味（质量）更高、更为宝贵。 热量本身也具有质量的差别。由高于（或低于）环境温度的物体提供的热量中，部分可转换为机械能。以其为高温热源、环境为低温热原，通过可逆机可作出有用功（循环净功），这是技术上可实现的可转换的最大量。这类热能属于可有限转换的能量。供热体温度越高，热量质量也就越高。 由于由单一热源提供的热量是不能连续做功的，因为由它们提供的热量无法转变为机械功，它们是不可转换的能量，从动力的观点称其为废热，或者火无。 2、火用和火无的定义 热力学中的定义：在环境条件下，能量中可转化为有用功的最高份额称为该能量的火用。或者：热力系统只与环境相互作用，从任意状态可逆地变化到与外界相平衡的状态时，做出最大的有用功称之为该热力系统的火用。 在环境条件下，不可能转化为有用功称之为热力系统的火无。 任何能量（E）都是由火用（EX）和火无（AN）两部分组成的。 能量=火用+火无 即 可无限转换的能量，AN=0，如机械能、电能全部为火用，E=EX；不可转换的能量，EX=0，如环境介质中的热量全部是火无。不同形态的能量或物质，处于不同状态时，包含的火用和火无的比例也不一样。 三、热量火用和冷量火用 1、热量火用 温度为T0的环境温度下，系统（T＞T0）所提供的热量中可转化为有用功的最大值是热量火用，用 表示。 2、冷量火用 温度低于环境温度T0的系统（T＜T0），吸入的热量Q0时所作出的最大有用功称为冷量火用，用 表示。 图1-5 热量火用和热量火无 四、火用损失和能量贬值原理 体系的火用值是指其处于环境条件下经完全可逆过程过渡到与环境平衡时所作出的有用功，这时它的做功能力最大。 与此同时，任何的不可逆循环或者不可逆过程，必然会有机械能损失，体系的做功能力降低，必然有机械能损失，体系的做功能力降低，或者说必然有火用损失，火无增量。 不可逆程度越严重，做功能力降低越多，火用损失越大。 图1-6 一个孤立系统的熵增和火用损 假设：以A为热源、环境为冷源，其间工作的可逆机作出的最大循环净功Wmax(A)，即为体系A放出的热量Q中的热量火用，即： 体系B放出的热量，则它所包含的热量火用为： 由此可以看出，孤立系统发生了不可逆传热而引起的火用损失： 可以看出，热量Q从A传到B，热量的数量并未减少，但是Q中的热量火用减少了，热量的“质量”降低了，称之为能量贬值。孤立系统中进行热力过程时，火用只会减少不会增大，极限情况下（可逆过程）火用保持不变，这就是能量贬值原理。 由于实际过程中，总有某种不可逆因素，不可避免地能量中的一部分火用将退化为火无，而且一旦退化为火无就将再也无法转变为火用，因而火用损失是真正意义上的损失。 减少火用损失（有限度地）是合理用能及节能的指导方向。 五、举例分析 以某炼油厂的加热炉为例，进行火用分析 工艺过程的热平衡、热效率不能全面反映热能转换过程中热能的利用情况，也不能用来分析、考察热能转换过程中各种热能的传递、转变和降级(能量变质)的情况。所以，仅从能量的数量来分析、评价是不够的，应对能量的质量进行分析和评价，才能从根本上分析和评价用能的好坏。火用效率(ηE)能够正确地指出过程的用能情况，又能用以分析、考察过程中各种形式能量的传递、转换、降级变质情况的物理量。这是因为，火用效率是建立在热力学第一定律和热力学第二定律这两者基础上的，它更能全面、深刻地反映过程进行的情况。所谓火用(EX)就是在给定环境条件下，能量中理论上能够转变为最大有用功的那部分能量。从火用的概念出发，生产中进行的各种过程不是消耗足够的能量就能实现的，而必须在能量中有足够数量的火用才能实现，一般所谓的用能，实际上是用火用。 在一个过程或设备中, 被利用或获得的火用与支付或耗费的火用的比值, 就是所谓的火用效率, 即ηE=EX出/ EX入；在火用效率的计算式中，分子、分母属于真正的同类项, 不管过程中使用的各种能量的具体形式如何，它们具有的火用在理论上完全是同质、等价的。 此外，可根据火用效率对用能的情况作出具体的分析。通过火用效率可以确定各单元过程火用效率对总过程火用效率的影响, 从而确定各单元过程在总过程中的节能地位。在提高过程总效率时，可以指出主要矛盾所在，分析各单元过程的条件对单元过程火用的影响，从而确定提高火用效率应采取的工艺条件。所以，可将火用效率作为一项主要指标，对生产方法、工艺流程的合理性及设备的优劣进行正确的评价。 1、炼油厂加热炉的火用分析 加热炉在炼油厂中应用广泛，它是一种提供热源的火力加热设备，加热炉中燃料燃烧以后，放出的热量传给炉内炉管中的介质，使介质达到工艺要求的温度。按加热炉的功能，加热炉大体上可分为：燃料燃烧、辐射、对流三部分，下面就对这三部分进行讨论。 （1）燃烧段的火用分析 燃烧段火用效率计算式为： ηE燃= EX燃得/EX燃总 (1) 式中：ηE燃——燃烧段火用效率, %； EX燃得——燃烧段总得火用，kcal/h； EX燃总——燃烧段总供火用，kcal/h。 由式(1)可知：只有增大燃烧段烟气的火用值，才能增大燃烧段的火用效率，而决定烟气火用值的主要因素是燃烧段的热力学平均温度，即理论燃烧最高温度和入炉平均温度, 要提高燃烧段火用效率，就必须提高理论燃烧最高温度和入炉平均温度。理论燃烧最高温度计算式为： t最高= Q总/(W gC烟) (2) 式中：t最高——理论燃烧最高温度，℃； Q总——燃料、空气、雾化蒸汽的显热以及燃料燃烧热的总和，kcal/h； Wg——烟气量，kg/h； C烟——烟气的比热，kcal/(kg·℃)。 由式(2) 可知：影响理论燃烧最高温度的因素主要有燃料燃烧热和燃料、空气、雾化蒸汽显热的总和Q总以及烟气量Wg；所以，要提高理论燃烧最高温度，其一加热炉必须配有高效燃烧器，使空气和燃料充分混合，完全燃烧；其二减小过剩空气系数及雾化蒸汽量，使烟气量Wg降低。 此外，提高燃料、空气的入炉温度，也可使燃烧段的热力学平均温度升高，就是说， 使燃烧后生成的烟气的得火用增加，这就使得燃烧段火用效率增大。提高燃料油的入炉温度，最好是直接烧热油，粘度小、易雾化，也可少用雾化蒸汽；再者，燃油粘度小，与空气混合充分，燃烧完全。提高空气的入炉温度有两种措施：一是空气和对流段排出的热烟气换热：二是空气和馏分热油换热。空气入炉温度高，有利于使燃料完全燃烧，也能减少雾化蒸汽用量。 （2）辐射段的火用分析 辐射段火用效率计算式为： ηE辐= EX辐得/EX辐总 (3) 式中：ηE辐——辐射段火用效率，%； EX辐得——辐射段总得火用，kcal/h； EX辐总——辐射段总供火用，kcal/h。 从式(3)可看出，提高辐射段的火用效率，一要减少辐射段总供火用，其措施是提高冷流介质入辐射段的温度，这样，可减少加热炉的总热负荷，从而降低燃料消耗；二是要求炉体保温良好，减少辐射段的散热损失，因为散热火用是算在辐射段的火用损中的；三是炉子密封性要好，减少空气漏入。 烟气离开辐射段的温度越高，则辐射段供火用就越少，火用效率相应提高；但是，这一温度太高，辐射段中炉管烧穿和结焦的可能性就越大。所以，这一温度应控制在一定范围内。若辐射管中要注入蒸汽，注入位置应适当，注汽点尽量接近介质气化点，相应降低注汽量，减少辐射段的供火用，这样也可提高辐射段的火用效率。 （3）对流段的火用分析 对流段可能只有一种介质被加热，也可能有两种以上的介质被加热，为此，视被加热介质数目的多少，把对流段划分为若干段来分别进行讨论，对每一对流段火用效率的计算方法完全与辐射段的计算和分析方法相同，在此，不多加赘述。 2、加热炉的火用损和火用效率 全炉的总供火用和总得火用之差即为全炉的火用损(ΔEX损) ；即表示为： ΔEX损= EX总供- EX总得； 全炉的火用效率(ηE炉) 为全炉的总得火用与全炉的总供火用之比；即表示为： ηE炉= EX总得/EX总供； 根据各段及全炉火用效率的计算结果，找出薄弱环节，从而采取各种节能措施。 目前，全国各炼油厂的加热炉热效率都高达85%以上，有的甚至在90% 以上，但是火用效率才只有50% 左右，这主要是燃烧过程的高度不可逆性引起的。虽说也相应采取了一些技术措施，但仍不能从根本上解决低火用效率的问题。现在仍有相当数量的加热炉火用效率只有20%～30%，所以要提高这些加热炉的火用效率, 仍有许多工作要做。 3、加热炉热效率及火用效率的计算结果对比分析 下面对一常减压装置的减压炉火用的计算结果进行分析。图1-7给出了该加热炉的工艺操作条件，表1-1给出了减压炉的热平衡及火用平衡的计算结果。 从表1-1可以看出，此减压炉的热效率高达82.2%。但是，全炉的火用效率只有41.3%。该减压炉的火用损部位主要在燃烧段和辐射段，这主要是由于燃烧过程为一种高度不可逆过程以及辐射段传热温度太高造成的。 图1-7 减压炉操作条件示意图 针对上述情况，可以从两方面来采取措施：其一，尽可能提高燃料油、空气入炉温度，特别是提高空气的温度。因为空气量比燃料量大，提高空气的温度可降低烟气的升温温差，从而提高燃烧段的火用效率。其二。降低该减压炉的过剩空气系数。此减压炉过剩空气系数高达1.25，这就导致烟气量增大，使炉膛理论燃烧最高温度降低，烟气的物理火用减少，燃烧过程的火用损增大，同时，也降低了三原子气体的浓度，使辐射能力降低，从而引起辐射火用损增加。另外，也使得烟气向大气排火用增加。 表1-1 减压炉各段热平衡及火用效率计算结果 4、结论及建议 为了提高加热炉用能的合理性, 首先要从质量上提高加热炉用能的合理性, 这就必须进行火用分析。据各段及全炉火用效率的比较结果, 把火用效率作为目标函数, 找出薄弱环节，获得优化加热炉的条件，制定出相应的解决措施。为提高加热炉的火用效率，在操作、维护和设备技术改进等方面应采用自动仪表，降低烟气含氧量；将蒸汽雾化改为温度较高的空气雾化；提高炉壁及看火门密封性；将普通喷嘴改为低过剩空气喷嘴；炉内壁涂高温辐射物质；用陶纤作炉衬减少炉壁散热损失等措施。在可能的情况下，可采用功热联产利用燃料能量的方法。即燃料先在烟气轮机中燃烧做功，使高温烟气进入加热炉供热，或者利用其中尚含16% 左右的高温烟气来燃烧燃料，这样也可提高加热炉燃烧过程的火用效率。 第二节 典型例题分析 例题1 求解下列两种情况下，由不可逆传热造成的火用损失，设Q=100kJ，环境温度T0=23℃，见图1-6。 （1）tA=420℃，tB=420℃； （2）tA=70℃，tB=50℃。 解：（1）TA=（420+273）K=693K，TB=（400+273）K=673K 因为TA＞TB＞T0，热量从A传向B，故 （2）TA=（70+273）K=343K，TB=（50+273）K=323K 因为TA＞TB＞T0，热量从A传向B，故 由此可以看出，同样大小的传热温差ΔT，低温传热时火用损失更大。工程上，在不降低（或减少降低）传热效果的同时，尽量减少传热温差，对低温换热器尤为重要。 例题2 某蒸汽动力系统流程如图2-1所示，能量平衡与火用分析计算见表2-1。 图2-1 蒸汽动力系统流程图 表2-1 某蒸汽动力系统能量平衡与火用分析 项目 能量平衡 火用分析 能量kJ/kg 百分率% 火用kJ/kg 百分率% 输入 燃料供给能 3704 100 3226.6 100 输出 系统净输出能 839.7 22.67 839.8 26.03 锅炉损失 555.6 15.0 1929.6 59.81 汽轮机内部损失 236.0 6.37 221.0 6.85 汽轮机摩擦损失 13.2 0.36 13.2 0.41 凝汽器损失 2006.4 54.7 164.0 5.08 管道损失 27.1 0.73 33.0 1.02 发电机损失 26.0 0.70 26.0 0.80 系统效率 22.67 从表2-3可以看出，蒸汽动力系统中造成火用损失最大的设备是锅炉，为59.81%。锅炉的火用损失主要是燃烧不可逆损失和燃烧产物与工质的热交换损失。尽管凝汽器的能量损失很大（54.7%），但由于温度很低，火用损失仅占5%，改进凝汽器的效率对提高整个系统的火用效率作用不大。 由此可见，提高蒸汽动力系统能量利用率的关键在于提高锅炉的火用效率。 例如提高蒸汽的压力和温度，以减少炉内传热过程的火用损失等，这样可以在发电作功量相同的条件下，减少燃料的供入量。同时为了减少凝汽器的能量损失，可以通过热电联产，将汽轮机排汽压力提高作为供热热源用，才可使燃料能量得到充分利用。 例题3 利用稳定的供应的0.69MPa、26.8℃的空气源和-196℃的冷源生产出0.138MPa、-162.1℃ 的空气流，质量流量qm＝20kg/s。装置示意图见图2-2。 求：（1）冷却器每秒的放热量 （2）整个系统的熵增，判断该能否实现。 已知空气的气体常数Rg＝0.287kJ/(kg.K)，比热容cp＝1.004kJ/(kg.K)，绝热指数к＝1.4。 图2-2 例题3附图 解： T1＝(26.8+273.15)K=299.95K T3=(-162.1+273.15)K=111.05K Tr=(-196＋273.15)K=77.15K （1）由热力学第一定律能量守恒式确定每秒的放热量qQ 节流前后焓值相同，故h2＝h1。又理想气体的焓取决于温度，所以T2＝T1 冷却器不对外作功，放热量等于焓降，所以 ＝20kg/s×1.004kJ/(kg·K)×（111.05-299.95K）＝-3973.11kJ/s 负值表示放热。 （2）由控制体积、冷源、物质源组成的一个孤立系，孤立系的熵变等于三者熵变的代数和，即 稳定流动控制体积的 ，而 ＝20kg/s×[1.004 kJ/(kg·K) ×ln －0.287kJ/(kg·K) ×ln ＝-10.714 ＝49.165 -10.714 ＝38.45 >0 该方案能够实现，是不可逆过程。 例题4 同样的冷源（-196℃）、同样的空气源（0.69MPa、26.8℃），达到同样的目的：生产0.138MPa、-162.1℃ 的空气，质量流量qm＝20kg/s。现改进方案，以涡轮机代替节流阀，同样起到降压的作用。设涡轮机内进行的是绝热膨胀过程，其相对内部效率ηT＝0.8（相对内部效率ηT是实际功和理论功的比值）。 图2-3 例题4的附图 求：（1）涡轮机的输出功率PT； （2）冷却器的放热量qQ： （3）整个系统的熵增； （4）两个方案的火用损失。 从热力学能源利用的角度分析，哪一个方案更合理？环境温度t0＝25℃. 解：T1=(26.8+273.15)K=299.95K T3=(-162.1+273.15)K=111.05K Tr=(-196＋273.15)K=77.15K P2=P3=0.138MPa 涡轮机的理论技术功率为 而 涡轮机输出的功率 =20kg/s×1.004kJ/(kg·K)×（299.95K-211.5K）＝1776.07 kJ/s （2） =20kg/s×1.004kJ/(kg·K)×（111.05K-211.5K）＝-2017.04kJ/s(负值为放热) （3） ＝20kg/s×[1.004 kJ/(kg·K)×ln -0.287kJ/(kg·K)×ln ＝-10.714 kJ/(kg·s) = ＝26.144 kJ/(kg·s) +0+(-10.714 kJ/(kg·s)) ＝15.43 kJ/(kg·s)>0 新方案也是可行的。 （4）两种方案的火用损 方案Ⅰ的 =38.45 kJ/(kg·s) ＝（25＋273.15）K×38.45 kJ/(kg·s)＝11463.9 kJ/s ＝（25＋273.15）K×15.43 kJ/(kg·s)＝4600.5 kJ/s 计算结果表明：方案2通过涡轮机做出有用功，火用损失比方案1小得多，因而更为合理。 例题5 蒸汽减温减压过程火用损失与余压发电应用实例分析 某钢铁厂炼铁部1号锅炉房现有2台燃用高炉煤气的中温中压锅炉，每台锅炉产汽(一次蒸汽)量为18 t/h，压力为3.43 MPa，温度为435℃。原设计中，利用一次蒸汽通过凝汽式汽轮机发电，带动送风机向高炉送风。现计划用这2台锅炉替代焦化厂锅炉，向焦化厂输送蒸汽，送风机改用外网电力驱动。焦化厂工艺设备用汽(即二次蒸汽)压力为1.25 MPa，温度为260℃。为达到焦化厂工艺设备的用汽参数要求，一次蒸汽须经减温减压后变为符合工艺设备要求的二次蒸汽。减温水的压力为3.82 MPa，温度为104℃。 分析： 1、蒸汽在减温减压过程中的火用损失 （1）减温水及二次蒸汽流量 ① 能量平衡方程 忽略减温减压过程中热量损失，能量平衡方程为： （1） 式中： ——二次蒸汽比焓，查表得到2950.82kJ/kg； ——二次蒸汽质量流量，kg/h； ​——一次蒸汽比焓，3301.49 kJ/kg； ——一次蒸汽质量流量，36000kg/h； ——减温水比焓，439.37kJ/kg； ——减温水质量流量，kg/h。 ② 质量平衡方程 （2） 由式（1）和（2）计算可得，二次蒸汽质量流量 =41.03t/h，减温水的质量流量 =5.03t/h。 （2）一次蒸汽火用降 将减温减压过程的蒸汽流动简化为稳定流动。 ① 一次蒸汽比火用降 （3） 式中， ——一次蒸汽比火用降，kJ/kg； ——环境温度，取293.15K； ——一次蒸汽比熵，6.956kJ/(kg·K)； ——二次蒸汽比熵，6.834kJ/(kg·K)。 由式（3）计算可得到，减温减压过程一次蒸汽比火用降Δes,p=314.94kJ/kg。 ② 单位时间一次蒸汽火用降 （4） 式中， ——单位时间一次蒸汽火用降，kJ/h。 由式（4）计算得到，减温减压过程单位时间的一次蒸汽火用降 =11.34GJ/h。 （3）减温水的火用升 由于减温水被加热变为二次蒸汽，因此应分别计算出一次蒸汽减温减压前减温水的比火用和一次蒸汽减温减压后减温水生成的二次蒸汽比火用。 ① 减温减压前减温水的比火用 （5） 式中， ——减温减压前减温水的比火用，kJ/kg； ——环境状态下的减温水比焓，83.86kJ/kg； ——减温减压前减温水的比熵，1.352 kJ/(kg·K)； ——环境状态下的减温水的比熵，0.296 kJ/(kg·K)。 由式（5）计算可得到，减温减压前减温水的比火用 =45.94kJ/kg。 ② 减温减压后减温水的比火用 （6） 式中， ——减温水生成的二次蒸汽的比火用，kJ/kg； ——环境状态下蒸汽的比焓，2537.20kJ/kg； ——环境状态下蒸汽的比熵，8.665kJ/(kg·K)； ——环境状态下的减温水的比熵，0.296 kJ/(kg·K)。 由式（6）计算可得，减温水生成的二次蒸汽的比火用 =950.38kJ/kg。 ③ 单位时间减温水火用升 （7） 式中， ——单位时间减温水火用升，KJ/h。 由式（7）计算可得到，单位时间减温水火用升 =4.55GJ/h。 （4）一次蒸汽火用损失率 ① 单位时间一次蒸汽实际火用降 （8） 式中， ——单位时间一次蒸汽实际火用降，KJ/h。 由式（8）计算可得，单位时间一次蒸汽实际火用降 =6.79GJ/h。 ② 一次蒸汽的比火用 （9） 式中， ——一次蒸汽的比火用，kJ/kg。 由式（9）计算可得，一次蒸汽的比火用 =1265.37kJ/kg。 ③ 一次蒸汽火用损失率 （10） 式中， ——一次蒸汽火用损失率。 由式（10）计算可得，一次蒸汽火用损失率 =0.15=15%。 2、节能措施 为了有效利用工质的做功能力，避免高品质能源的浪费，将一次蒸汽先通入背压式汽轮机发电，再将排汽供工艺设备使用，即余压发电。余压发电可使热能得到充分利用，可提高能源利用率，是一项有效的节能措施。在炼铁部1号锅炉房中温中压锅炉改造过程中，选择1台背压式汽轮机代替减温减压装置，汽轮机进汽参数为3.43MPa、435℃。蒸汽在汽轮机内绝热膨胀后排出，排汽压力为1.25MPa。 ① 蒸汽理想比焓降 （11） 式中， ——蒸汽理想比焓降，kJ/kg； ——汽轮机进汽比焓，3301.49kJ/kg； ——汽轮机排汽比焓。3018.51kJ/kg。 ② 蒸汽有效比焓降 （12） 式中， ——一次蒸汽的有效比焓将，kJ/kg； ——汽轮机相对内效率，取0.76。 由式（11）、（12）计算可得，蒸汽有效比焓降=215.06kJ/kg。 ③ 汽轮机实际排汽比焓 （13） 式中， ——汽轮机实际排汽比焓，kJ/kg。 由式（13）计算得到，汽轮机实际排汽比焓 =3086.43kJ/kg，则汽轮机实际排汽温度为320.8℃（此温度高于工艺设备要求的温度，可增减减温装置进行减温）。 ④ 汽轮机组输出的电功率 （14） 式中， ——汽轮机组输出的电功率，kW； ——机械效率，取0.98； ——发电机效率，取0.97。 由式（14）计算可得，汽轮机组输出的电功率 =2044.36kW。 ⑤ 年经济效益 汽轮机组年运行时间为6000 h/a，则年发电量为1226.62×10kWh/a。电价按0.5元/(kWh)计算，每年余压发电创造的经济效益为613.31×104元/a，改造工程造价约900×104元，约1.5年即可收回全部改造资金。 3、结论分析 （1）蒸汽的减温减压虽为绝热过程，减温减压前、后总热量不变，但减温减压后蒸汽火用损失很大，造成蒸汽品质下降。合理使用蒸汽不但应着眼于蒸汽热量的利用，更应注重蒸汽火用的充分利用。高品质蒸汽先用于发电，再用于工艺生产，是提高蒸汽能量利用率的有效途径。 （2）对于该厂炼铁部1号锅炉房采用减温减压装置制取二次蒸汽，一次蒸汽的火用损失率达0.15。 （3）在该厂炼铁部1号锅炉房改造工程中，采用背压式汽轮机代替减温减压装置进行余压发电，年发电量可达1226.62×10 kWh/a，年经济效益达613.31×104元/a。 综上所述，综合运用热力学第一定律分析法和热力学第二定律分析法对工业企业的用能情况进行分析，才能找出企业用能的主要问题，并从中寻找解决的办法，确定最为合理的用能方案，减少能量在“量”的方面和“质”的方面的损失，提高能量的利用率，利用能源创造更大的经济效益。 第三节 节能的基本概念 一、当量单位和等价单位 不同的能源的实物量是不能直接进行比较的。由于各种能源都有一种共同的属性，即含有能量，且在一定条件下都可以转化为热。为了便于对各种能源进行计算、对比和分析，我们可以首先选定某种统一的标准燃料作为计算依据，然后用各种能源实际含热值与标准燃料热值相比，即能源折算系数，计算出各种能源折算成标准燃料的数量。所选标准燃料的计量单位即为当量单位。 1、低位热值与高位热值 燃料燃烧会释放出一定数量的热量，单位质量(指固体或液体)或单位体积(指气体)的燃料完全燃烧，燃烧产物冷却到燃烧前的温度时所释放出的热量。 燃料热值有高位热值和低位热值两种。高位热值是指燃料完全燃烧，且燃烧产物中的水蒸气凝结成水的发热量，其数值由测量获得。低位热值是指燃料完全燃烧，燃烧产物中水蒸气仍然以气态存在时的发热量。 由于燃料大都用于燃烧，各种炉窑的排烟温度均超过水蒸汽的凝结温度，不可能使水蒸汽中的凝结热释放出来，所以在能源利用中，都以燃料的应用基低位热值作为计算依据。 2、当量热值与等价热值 当量热值是指某种能源本身所含的热量。具有一定品位的某种能源，当热值是固定不变的. 如汽的当量热值是42054kJ/kg，电的当量热值即是电本身热功当量3600