摘 要

摘　要：能源利用過程的分析和研究已成為人工燃?xì)馍a(chǎn)中的一項重要工作，對城市燃?xì)獾纳a(chǎn)具有指導(dǎo)意義。上海吳淞煤氣制氣有限公司對城市燃?xì)獾挠媚茉O(shè)備進(jìn)行了大量的熱平衡測試

摘　要：能源利用過程的分析和研究已成為人工燃?xì)馍a(chǎn)中的一項重要工作，對城市燃?xì)獾纳a(chǎn)具有指導(dǎo)意義。上海吳淞煤氣制氣有限公司對城市燃?xì)獾挠媚茉O(shè)備進(jìn)行了大量的熱平衡測試，本文針對熱平衡測試的數(shù)據(jù)，對其中的未利用熱進(jìn)行火用分析，提出節(jié)能措施和利用途徑的探討。

關(guān)鍵詞：燃?xì)馍a(chǎn)　能源利用  未利用熱　火用分析

Energy Analysis and Potential Utilization of Waste Heat During Gas Manufacture Processes

Abstract：Analysis and research about energy utilization process has become an important part of gas manufacture process．Shanghai Wusong Gas Works carried out large amount of measurement about related plants in gas manufacture process．In this paper exergy analysis of waste heat was performed based upon measured data，therefore to discuss energy conservation and potential utilization．

Keywords：Gas manufacture  energy utilization  waste heat  exergy analysis

1　前言

城市燃?xì)獾纳a(chǎn)和供應(yīng)已逐步被天然氣直接供應(yīng)所替代，但在許多城市和地區(qū)，人工煤氣和天然氣改制作為過渡氣源仍有一定的生存必要和空間。目前上海的燃?xì)夤?yīng)就有天然氣直供、液化石油氣和人工煤氣三者并存的格局，按規(guī)劃將于2015年完成天然氣直接供應(yīng)。對能源利用的分析和研究作為人工燃?xì)馍a(chǎn)中的一項重要工作，是提高用能設(shè)備能源利用率的一項有效途徑，在很長的一段時間內(nèi)對城市燃?xì)獾纳a(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

上海吳淞煤氣制氣有限公司歷史上包括重油裂解爐、水煤氣爐、機(jī)械發(fā)生爐和2000年投入研究并經(jīng)重油裂解爐改制的天然氣改制爐。重油裂解爐、水煤氣爐由于能源轉(zhuǎn)換率低、污染難治理而退出人工煤氣生產(chǎn)。天然氣、天然氣改制氣和機(jī)械發(fā)生爐煤氣摻混，城市燃?xì)庵瞥煞铣鞘忻簹庖蟮娜細(xì)夤S。由于公司對能源轉(zhuǎn)換率有要求，且連年提高，公司進(jìn)行了大量細(xì)致、準(zhǔn)確的熱平衡測試，以便系統(tǒng)傘面地了解能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的能效情況。本文針對熱平衡測試數(shù)據(jù)中的未利用熱，進(jìn)行火用分析和對其利用途徑的探討。

2　2#機(jī)械發(fā)生爐生產(chǎn)中未利用熱的火用分析

(1)出爐干煤氣火用損失EX1

 

其中，T0——環(huán)境溫度，285.5K；Tr——煤氣出爐溫度，856.3K；Tr0＝Tr-T0／1n(Tr/T0)

EX1＝2.3642×10⁶kJ／h

(2)出爐煤氣中水蒸汽火用損失EX2

EX2＝G[(h-h0)-T0(S-S0)]

其中：G——出爐煤氣中水蒸汽量，kg／h；h、h0——出爐溫度Tr和環(huán)境溫度T0下蒸汽焓值，kJ／kg；S、S0——出爐溫度Tr和環(huán)境溫度T0下蒸汽的熵，kJ／kg．K；

由水蒸氣的物性表，可得：

h＝3657.3kJ／kf；h0＝50.38kJ／kg；S＝9.05393kJ／kg；S0＝0.1805kJ／kg．k；

故：EX2＝99133kJ／h；

(3)煤氣中帶出物的火用損失EX3：煤氣中帶出物的火用指帶出物的化學(xué)熱損失。

EX3＝7.17×26.62×10³=190865kJ／h

(4)爐渣帶出火用損失EX4，包括顯熱和化學(xué)熱對應(yīng)的火用損失。

爐渣帶出顯熱火用損失

 

其中，Tr——爐渣出爐溫度，723K；

數(shù)據(jù)代入計算得：EX4-a＝31468kJ／h

爐渣帶出化學(xué)火用損失EX4-b＝928158kJ／h

(5)溢流水帶出火用損失EX5，爐渣帶出顯熱火用損失

 

其中，Tr——水溫，327.4K；數(shù)據(jù)代入計算得：

EX5＝79420kJ／h

(6)爐壁散熱火用損失EX6包括爐頂、爐側(cè)而、下錐側(cè)部共3部分。

爐頂散熱火用損失

 

其中Tr——壁面溫度，326.6K；Q——散熱量，l7541kJ／h；

故EX6＝1153kJ／h

爐體側(cè)面(圓柱體部分)散熱火用損失：

 

其是Tr——壁面溫度，335.9K；Q——散熱量，101842kJ／h；故EX6-a＝8055kJ／h

爐體下錐側(cè)部散熱火用損失

 

其中Tr——壁面溫度，315K；Q——散熱量，l5639kJ／h；故EX6-a＝756kJ／h

總的散熱火用損失為：EX6＝EX6-a+EX6-b+EX6-c＝9964kJ|h

表1給出了實測的熱損失和計算的火用損失情況。

 

3　滅然氣改質(zhì)爐末利用熱火用計算分析

(1)加熱煙氣出廢熱鍋爐火用損失EX1

 

其中，T0——環(huán)境溫度，300K；Tr——煙氣出爐溫度，453K；

 

Q——煙氣帶走熱量，為4.3916×10⁶kJ／周期

EX1＝0.8433×10⁶kJ／周期

(2)改質(zhì)氣出廢熱鍋爐火用損失

 

其中，T0——環(huán)境溫度，300K；Tr——改制氣離開廢熱鍋爐的溫度，463K；

 

Q——改制氣帶走熱量，為6.7680×10⁶kJ／周期；

EX2＝1.3622×10⁶kJ／周期

(3)改質(zhì)氣中蒸汽帶出廢熱鍋爐物理火用損失

EX3＝G[(h-h0)-T0(S-S0)]

其中，G——水蒸氣流量，16801.4kg／周期；Tr——水蒸氣離開廢熱鍋爐的溫度，463K；由水蒸氣的物性表，查得：

h＝2855.5kJ／kg；h0＝113.13kJ／kg；

S=7.7922kJ／kg．k；S0＝0.3949kJ／kg．k；

EX3＝G[(h-h0)-T0(S-S0)]＝46.0756×10⁶kJ/周期

(4)爐壁散熱火用損失，為各表面散熱火用損失之和EX4＝SEX4-i

其中，

 

各壁面的溫度和散熱量見表2；

 

由表2中的相關(guān)tr及Qi數(shù)據(jù)，計算各部位的散熱火用損失，如下：

燃燒室：Tr0=332.9K；EX4-1=4.3916×10⁶kJ／h；

蒸蓄爐：Tr0=332.9K；EX4-2=56599kJ／h；

改質(zhì)爐：Tr0=330.6K；EX4-3=660lOkJ／h；

過道：Tr0=347.5K；EX4-4=8285kJ／h；

廢熱鍋爐：Tr0=308K；EX4-5=2005kJ/h；

總的散熱火用損失為EX4=∑EX4-i=153491kJ／h

當(dāng)日測試周期為12：16～15：04PM，共計2.8h，折算為l個工作周期，有：EX4=429775kJ／周期。

改制爐的火用計算結(jié)果見表3。

 

4　計算結(jié)果的分析

傳統(tǒng)的以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)的能量平衡，僅從數(shù)量上表明能量的置配狀態(tài)，不能提供能質(zhì)方面的信息，因此，并不能全面地反映能量利用狀態(tài)。從熱力學(xué)第二定律出發(fā)：能量=火用+嫵，火用是能量可用性、有效能的統(tǒng)稱，它把能量的“量”和“質(zhì)”結(jié)合起來評價能量的價值。嫵為不能轉(zhuǎn)換的能量。

結(jié)合吳煤公司的燃?xì)馍a(chǎn)，以吳煤公司的改制爐、機(jī)械發(fā)生爐熱平衡測試數(shù)據(jù)及計算報告為依據(jù)，對上述生產(chǎn)工藝中的未利用熱進(jìn)行的計算。根據(jù)計算結(jié)果，可認(rèn)為吳煤公司的主要能源轉(zhuǎn)化設(shè)備(鍋爐、改質(zhì)爐、機(jī)械發(fā)生爐)的能源利用狀態(tài)較佳。

有關(guān)機(jī)械發(fā)生爐的熱效率等技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)目前尚無國家標(biāo)準(zhǔn)對照，機(jī)械發(fā)生爐是傳統(tǒng)的常壓同定床氣化工藝，對于該生產(chǎn)工藝，相關(guān)資料報導(dǎo)，隨氣化原料不同氣化熱效率一般為70％～75％，灰渣碳含量一般為l5％～20％。而本次實測結(jié)果熱效率為75.65％，灰渣含碳量為10.32％。對比數(shù)據(jù)說明：機(jī)械發(fā)生爐的能源利用狀態(tài)好。由于灰渣含碳量降低，從分析角度來看，降低了有效能的損失。

吳煤公司的天然氣改質(zhì)爐是常壓改質(zhì)爐，該工藝過程的熱效率76.37％，生產(chǎn)城市燃?xì)庑?span lang="EN-US">84.74％。對照國內(nèi)常壓改質(zhì)爐生產(chǎn)數(shù)據(jù)，屬于較好水平生產(chǎn)燃?xì)狻＿@種能源轉(zhuǎn)換設(shè)備不同于其他燃?xì)馍a(chǎn)設(shè)備，無固體灰渣排出，因此，熱量損失評價可以從排煙熱損失(顯熱損失和化學(xué)不完全燃燒熱損失)及爐肇散熱損失進(jìn)行考察。測試數(shù)據(jù)顯示，僅有部分爐體外壁溫度有所偏高，較易克服以減少熱量損失。從占熱量損失的比值來看分別為機(jī)械發(fā)生爐為45％，鍋爐為59.53％，天然氣改質(zhì)爐為18.52％，由此可見，天然氣改質(zhì)爐的能源轉(zhuǎn)換和熱量利用最好。

5　節(jié)能措施和未利用熱的利用途徑

針對上述兩種不同生產(chǎn)設(shè)備的詳細(xì)測試和計算結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)有的工藝生產(chǎn)狀況提出以下節(jié)能建議和利用途徑：

(1)從表l機(jī)爐生產(chǎn)中熱損失和損失對照可見，機(jī)爐生產(chǎn)中主要的熱量損失為出爐煤氣顯熱，其次是灰渣帶出熱和溢流水帶走熱損失，由于溢流水排出溫度低，這部分熱量損失中有效能(火用)很低，計算所得的損失只占熱量損失的6.69％，這部分熱量很難利用。爐壁表面溫度低，所以，這部分損失很小，說明爐體保溫效果好，這部分已無節(jié)能潛力。雖然煤氣中帶出物只占原料焦炭的0.5％，但這部分的熱量損失全部是有效能，而帶出物的熱值高，為此，建議帶出物累計一定量后回收利用。因出爐煤氣溫度高，這部分熱損失中有效能(火用)占有較大比例，火用損失占熱量損失的44.1％?；以臒崃繐p失主要是不完全燃燒熱損失，這部分熱損失中95％為有效能(火用)。出爐干煤氣的顯熱損失由于工藝生產(chǎn)條件難于避免，所以，在日常生產(chǎn)中盡量控制灰渣的低含碳量，使該部分熱量有效利用和提高節(jié)能效果。

(2)從改質(zhì)爐生產(chǎn)中熱損失和損失計算結(jié)果(表3)可見，無論是熱量損失還是火用損失，改質(zhì)氣中蒸汽的潛熱損失和損失占極大部分。因此，在改質(zhì)爐生產(chǎn)中節(jié)能的關(guān)鍵在于調(diào)節(jié)到最適宜的操作參數(shù)，在滿足改質(zhì)氣質(zhì)量指標(biāo)的情況下，盡可能提高水蒸汽分解率，可以提高操作溫度和降低水蒸汽與天然氣之比來實現(xiàn)，從而降低改質(zhì)爐生產(chǎn)中有效能(火用)損失。另外，在停產(chǎn)檢修時，盡量做好廢熱鍋爐的清掃工作，改善傳熱效果，盡可能降低加熱煙氣和改質(zhì)氣出廢熱鍋爐的出Vl溫度，從而降低這兩部分的熱量損失和能量利用率。從爐體表面溫度測試記錄可知，燃燒室、蒸蓄爐、改質(zhì)爐、過道的表面溫度分別為108.0℃、95.0℃、90.2℃、l26.6℃，這些表面溫度偏高，可以在停產(chǎn)檢修時考慮改善保溫材料的保溫性能，降低爐壁表面溫度，降低爐壁散熱損失，使熱量得到有效利用。

 

參考文獻(xiàn)：

1吳淞煤氣制氣有限公司天然氣制爐熱平衡測試報告.上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院能源與資源綜合利用研究所，2007

2吳淞煤氣制氣有限公司機(jī)械發(fā)生爐熱平衡測試報告.上海華東理工大學(xué)能源化工系，2009

3王以中.上海天然氣發(fā)展戰(zhàn)略與機(jī)遇.上海市市政管理局，2008

 

 

本文作者：殷劍君

作者單位：上海吳淞煤氣制氣有限公司