典型有效用能技术分析

1、.,1,能量有效利用,典型有效用能技术分析,.,2,内容简要,本章结合目前常用的有效用能技术的发展和应用情况，系统全面的介绍了远红外辐射加热技术、微波与超声波加热技术、隔热保温与蓄能技术、高效低污染燃烧技术、余热利用技术和磁场节能技术。并对上述有效用能技术的工作原理、工作过程及有效用能环节进行了详细的阐述。,.,3,第一节 远红外辐射加热技术,一、远红外辐射加热原理,物质具有不停地向外发射各种波长电磁波的特性。波长在0.761000m范围内的电磁波称为红外线。红外线具有热效应，即当物体吸收了外来的红外线时，要促使物体内部微观粒子加速运动，特别是要加速分子的振动与转动，增加了物体的内能（热能）。

2、也就是把外来的红外辐射能转变为热能，使物体的温度升高。实用上把红外线按波长范围分为近红外、中红外、远红外与极远红外等区。各区的波长范围对不同的学科也不相同。,.,4,第一节 远红外辐射加热技术,二、远红外辐射器件,辐射器件主要由热源、基体与涂料三部分组成。热源用于对辐射器加热升温，达到要求的辐射温度。它可以是电能；气体、液体与固体燃料燃烧产生的燃气及水蒸气。基体是辐射器的机体。有金属(如钢板、钢管、铝管等)和非金属(如搪瓷、陶瓷、碳化硅管板等)两种。涂料是用以增强辐射器辐射能力的物质，喷涂在辐射器基体表面上。因为物体的辐射能力取决于物体的本性，其表面状况、温度与辐射波长。根据斯蒂芬-波尔兹曼定

3、律与克希荷夫定律，物体的辐射力为：,.,5,第一节 远红外辐射加热技术,二、远红外辐射器件,(一)辐射器件的类型 辐射器件按供热方式分，有直热式与旁热式。直热式只能由电热元件加热。它既是发热元件，又是辐射元件。如电阻带式辐射器(图3-1)。它结构简单、重量轻、升温快，多用于需迅速加热的装置中。旁热式需由外部供给热能使辐射器升温。它体积大、升温时间长，但其生产工艺较成熟，又能利用多种能源，做成各种形状的辐射器，且寿命长，故获得广泛应用。如图3-5为煤气加热的辐射器。辐射器件按结构形状分，有板状、管状和灯状。,.,6,第一节 远红外辐射加热技术,二、远红外辐射器件,(一)辐射器件的类型,目前常用的

4、远红外辐射器有： 1碳化硅远红外辐射器 一般由6070的SiC，加适量粘土烧结而成，具有良好的远红外辐射性能。可制成板状、管状的旁热式，又可制成直热式电热碳化硅棒。如图3-2为碳化硅辐射板。其槽内安放电阻线。,图3-1 合金电阻带式辐射器 图3-2 碳化硅辐射板,.,7,第一节 远红外辐射加热技术,二、远红外辐射器件,(一)辐射器件的类型,2氧化镁管远红外辐射器 如图3-3所示。电热丝置于金属管内部，空隙由良好导热性和绝缘性的氧化镁粉末填充。管两端有绝缘瓷件与接线柱将电线引出。金属管表面喷涂远红外涂料。这种器件机械强度高，安全可靠，轻便耐用，密封性好，宜于作硝石、油、水、酸、碱等生产中的加热系

5、统。如金属管用石英玻璃代替，就无须喷涂远红外涂料，即成为乳白石英辐射器。,图3-3 氧化镁远红外辐射管,.,8,第一节 远红外辐射加热技术,二、远红外辐射器件,(一)辐射器件的类型,3搪瓷远红外辐射器 其远红外涂层在1000左右高温下烧结在金属基材表面。具有涂层不易脱落、耐腐蚀与良好抗震等性能。表面还可定期用水冲洗。可作成管状、板状。工作温度在400左右。宜用于食品、药品的加热干燥，如图3-4。,图3-4 板状搪瓷远红外辐射器,.,9,第一节 远红外辐射加热技术,二、远红外辐射器件,(一)辐射器件的类型,4多孔远红外陶瓷辐射器 多孔陶瓷由多种金属氧化物在1000以上高温下烧结成型。具有表面辐射

6、率高、底里面辐射率低、导热系数小、比重小、耐急热急冷等性能。可制成板状、管状，多孔陶瓷板如图3-5所示，置于煤气炉上可成为旁热式煤气远红外辐射加热器。,图3-5 煤气远红外辐射加热器,.,10,第一节 远红外辐射加热技术,二、远红外辐射器件,(一)辐射器件的类型,5灯型远红外辐射器 由反射罩、辐射体及灯头组成(图3-6)。辐射体发射的远红外线经反射罩汇聚平行射出，因此，在辐照范围内能量分布没有方向引起的差异，且照射距离的能量衰减低于逆二次方定律值。,图3-6 灯型远红外辐射器,.,11,第一节 远红外辐射加热技术,二、远红外辐射器件,(一)辐射器件的类型,6. 合金电阻带式远红外辐射器 它以镍

7、铬合金电阻带为发热体，其表面涂喷高辐射率的远红外涂料而成。如图3-7所示采用光清度高的抛物面反射罩，可使热效率提高。它在2.515m范围内的辐射率在0.7以上。,图3-7 高硅氧灯辐射器示意图 图3-8 集成式管状电阻膜辐射器,.,12,第一节 远红外辐射加热技术,二、远红外辐射器件,(一)辐射器件的类型,7. 集成电阻膜式远红外辐射器 一种直热式器件。它是利用多种氧化物半导体材料混合喷熔在铝质基材上的陶瓷管或板块，作为发热层，其表面再喷熔远红外涂料，从两端引出电极。具有升温快、重量轻、热效率高等特点。如图3-8所示。,图3-7 高硅氧灯辐射器示意图 图3-8 集成式管状电阻膜辐射器,.,13

8、,第一节 远红外辐射加热技术,二、远红外辐射器件,（二）远红外辐射涂料 远红外涂料是一种在远红外波长范围内，具有很高辐射率的材料，由各种金属氧化物，或碳化物、氮化物、硼化物与粘结剂按一定比例组成，喷涂或烧结在辐射器表面上，用以发射高辐射强度的远红外线，去加热干燥工件或物料。 1. 远红外辐射涂料的种类,（1）锆钛系涂料： （2）黑色锆系涂料： （3）铁系涂料： （4）碳化硅系涂料：,（5）稀土系涂料： （6）高硅分子筛系涂料： （7）镍钴系涂料：,.,14,第一节 远红外辐射加热技术,二、远红外辐射器件,（二）远红外辐射涂料,2. 涂料的选择原则 （1）在远红外辐射加热干燥常用温度400600

9、范围内，应有较高的全辐射率；在要求的远红外波长区应有尽量高的单色辐射率。 （2）由被加热物质的性质及其吸收光谱选择涂料： （3）有近似于基体材料的热膨胀系数。同时，有较好的冷热循环性与抗老化性。 （4）材料来源广、价廉、制备工艺简单。,.,15,第一节 远红外辐射加热技术,二、远红外辐射器件,（二）远红外辐射涂料,3粘结剂 粘结剂是远红外辐射涂料与辐射基体牢固结合的媒介。不同类型的辐射器或不同工艺加工的辐射器使用的粘结剂也不同。如黑色锆系陶瓷辐射元件的粘结剂为矾土、粘土等；碳化硅元件基体用粘土，而涂层多用水玻璃，搪瓷元件的粘结剂为搪瓷釉料，高温辐射器采用双氢磷酸铝或高温油料。作为粘结剂的材料应

10、具有附着性强、抗热冷冲击性和化学稳定性好、不影响涂料的辐射性能、制作工艺简单、价格便宜等性能。,.,16,第一节 远红外辐射加热技术,二、远红外辐射器件,（二）远红外辐射涂料,4涂覆工艺 （1）基体处理： （2）涂料涂覆 冷涂法： 高温熔射法： 涂层烧结法：,.,17,第一节 远红外辐射加热技术,二、远红外辐射器件,（三）电热元件 电热元件作为远红外辐射器件的热源，通过电阻丝(带)把电能转变为热能，使辐射器表面升温到要求的工作温度，从而发射远红外线。,使用中要保证电阻丝长期稳定工作，主要是合理选择电阻丝的表面功率(热负荷)。通常电阻丝的许用功率为12W/cm2；电阻带为1.52.5W/cm2。

11、工作温度高、元件封闭者，热负荷应选得小些。,.,18,第一节 远红外辐射加热技术,二、远红外辐射器件,（三）电热元件,选择热负荷及某种材料的电阻元件后，可由下式算得电阻丝的直径。,.,19,第一节 远红外辐射加热技术,三、远红外辐射加热炉,远红外辐射加热炉一般由炉体、炉壁、隔热保温衬垫、远红外辐射器、电气及温、湿度控制系统、通风系统等组成。工件可移动的通过式炉还有传动装置。采用非电的其他热源还有燃烧装置。加热炉的具体结构可参阅有关资料。,（一）加热炉的功率 确定加热炉的功率指远红外辐射器热源的功率。它主要决定于加热炉的热负荷Q与热效率 。因此，加热炉功率为,炉的热负荷在稳定状态下，主要包括加热

12、工件或物料所需热量Q1，加热物中蒸或挥发物升温热量与汽化潜热Q2，而各种散热损失Q3包括辅具、炉壁、炉门等散热量及炉内介质带走的热量，都可在热效率中考虑。,.,20,第一节 远红外辐射加热技术,（二）远红外辐射器的合理选用 1远红外辐射器的选择 2确定辐射器的最佳工作温度,图3-9 辐射器的布置,.,21,第一节 远红外辐射加热技术,3辐射器在炉内的布置,.,22,第一节 远红外辐射加热技术,（三）远红外加热炉设计的内容与步骤 设计一台远红外加热炉要进行热工、机械、电气、流体力学及经济等多方面的设计计算，并画出设计图，写出设计说明书。其内容与步骤为： 1. 了解与掌握设计的原始资料与数据 2根

13、据受热物的性质、产量确定炉型，采用固定式，还是通过式加热炉。 3确定受热物的工艺布置与输送方式，与受热物同时入炉的输送设备型式、重量及传送速度等。 4确定炉子的尺寸、炉壁结构和保温层材料与厚度。 5计算加热炉功率 6远红外辐射加热系统设计，包括选定辐射器的型式，热源及涂料，确定最佳辐射温度，辐射器的个数，组数及布置。 7其他系统设计可有温度、湿度控制及电气系统，通风系统，受热物输送系统等。 8根据设计计算绘制加热炉结构图、施工图，写出设计说明书。,.,23,第一节 远红外辐射加热技术,（四）远红外辐射加热炉设计实例 设计一远红外面包烘烤炉。连续生产，每小时烘烤450 kg面包(以面粉计算)。

14、1参数确定和物料分析 2物料量计算 3炉体长度计算 4热量及功率计算 5. 实际应用的一些考虑,.,24,第二节 微波与超声波加热技术,一、微波与超声波加热原理 （一）微波加热原理 1微波的定义 微波是一种高频率的电磁波，其频率范围约在31023105MHz(相应的波长为1000.1cm)，即在300MHz至300GHz之间。 2. 微波加热原理,如果外电场是交变的，那么有极分子的转向也要随电场的变化而不断改变方向。在这个过程中，由于分子间的相互碰撞，将使电能转化为分子的动能，然后再转化为热能，使物体的温度升高。,.,25,第二节 微波与超声波加热技术,（二）超声波加热原理 1. 超声波的定义

15、 2. 超声波加热的基本原理 (1）共振：即超声波是被加热物质中分子的共振，根据分子动理论，物质是由大量的分子组成的，而分子是处于永不停息的运动之中，当然这个运动是振动形式的了。 （2）热力学原理：温度的本质就是衡量物质内的大量分子的无规则运动的剧烈程度的物理量，只是在表面现象上显现为冷热程度。当然分子运动越剧烈温度越高。,.,26,第二节 微波与超声波加热技术,二、微波与超声波加热器件 (一)微波加热器件,微波加热源主要有两种：一种是连续波磁控管，特点是中等功率（几十瓦到几千瓦），效率高（约50%80%），场结构简单、体积小、重量较轻、寿命较长、价格低；另一种是多腔速调管，其特点是大功率（几

16、千瓦到兆瓦级）、寿命长（10000h以上）、中等效率（40%60%），但需要高压电源（数万伏到数十万伏），结构复杂、体积大、重量重、价格贵等。 如图3-10所示为微波加热设备的方框图。它主要由直流电源、微波发生器、连接波导、加热器及冷却系统等几部分构成。,.,27,第二节 微波与超声波加热技术,微波加热器主要有以下四大类： 1. 微波炉 微波炉的结构示意图如图3-11所示，主要由电源、磁控管、波导、谐振腔、模扰动器等构成。 2. 行波场波导加热器 图3-12所示为一平板波导加热器示意图,.,28,第二节 微波与超声波加热技术,3. 慢波型微波加热器 图3-13所示为梯形加热器示意图，它是在脊形

17、波导的宽边上周期性地开了许多与波导轴正交的槽，由于梯形加热器中微波场集中在槽附近传播，所以在槽的位置上可以获得很强的电场。 4. 辐射型微波加热器 在农产品加工、医药用微波加热器以及对矿石、水泥进行破坏或加工时，可以用辐射型加热器。将微波能量辐射到被加热的物料表面，然后再穿透到物料内部去。图3-14所示的喇叭式辐射加热器是其中的一种。,.,29,第二节 微波与超声波加热技术,（二）超声波加热器件 1. 超声波燃烧器 2. 超声波传感器 3. 超声波测距系统,图3-15 超声波传感器系统的构成,.,30,第二节 微波与超声波加热技术,（一）微波的应用 微波在医学上的应用 （1）微波诊断： （2）

18、微波在农业上的应用： （3）利用微波传输太阳能,三、 微波与超声波的应用,.,31,第二节 微波与超声波加热技术,（二）超声波的应用 1. 超声波在军事中的应用 2. 超声波在医学中的应用 3. 超声波在生活及服务业中的应用 4. 超声波在工业上的应用,三、 微波与超声波的应用,.,32,第三节 隔热保温与蓄能技术,一、概述 在生产和生活实际中，对热（冷）设备、热管道及其附件、建筑物的外围护结构一般都要进行隔热保温。其目的：一是为减少热或冷损失，提高热能的利用效率，以节约能源；二是为保护在高温或低温下工作的材料和结构，免遭损害；三是为保安、防火、环境保护及改善劳动条件等。隔热保温措施通常是使用

19、绝热材料与采用热屏蔽。前者更为普遍。隔热保温措施可以是在短时间内一次采用，这通常是属于保护性的。如在火灾时保护建筑物的钢筋免受高温影响；又如人造卫星重返大气层时，使其免受高温烧毁。而通常则是长期反复使用。,.,33,第三节 隔热保温与蓄能技术,（一）保温材料及其应用 隔热通常是通过在设备或管道外包上一层保温材料(又称热绝缘材料或隔热材料)来实现的。为了使保温材料长期可靠的使用，在保温层的外面还加了一层防护层。 1. 对保温材料的要求 2. 对防护层的要求 为了长期可靠，保温层外面通常要加一层防护层，对防护层的要求如下： 3. 常用保温材料的热物理性质 表3-4给出了常用保温材料及其制品的热物理

20、性质。更详细的资料可查阅有关的手册。,二、隔热保温技术,.,34,第三节 隔热保温与蓄能技术,表3-4 常用保温材料及其制品的热物理性质,注：t为保温材料的平均温度(）。,.,35,第三节 隔热保温与蓄能技术,（二）管道保温计算 管道保温计算有两个目的：一是计算所需保温材料的厚度，二是计算单位长度管道的热损失或核算保温材料的外表面温度。 1. 架空管道 （1）基本公式：如图3-16所示。 假设管道各部分的分热阻为Ri， 则通过每米长管道的径向热损 失(不包括管道附件的热损失)为,图3-16 管道保温计算示意图,.,36,第三节 隔热保温与蓄能技术,（2）基本公式的简化：为计算简单起见，从工程应

21、用出发，常对基本公式进行如下的简化。,一般保温层外表面的温度均不高，这时保温层外表面的对流换热系数a2和辐射换热系数a3之和，即保温层外表面的总换热系数a，可以用下面的简化公式进行计算。 对室内管道有,对室外管道有,由此得简化公式为：,（3-26）,（3-27）,.,37,第三节 隔热保温与蓄能技术,（3）容许热损失的确定：,为满足工艺要求的容许热损失，一般需要计算，对于其他情况，容许热损失计算时可参考表3-5和表3-6。,表3-5 室内保温管道表面容许的热损失(保温表面和周围空气的温差为20),.,38,第三节 隔热保温与蓄能技术,.,39,第三节 隔热保温与蓄能技术,（5）经济厚度：保温层

22、的经济厚度就是图3-16上的0，在这个厚度下，年总费用最低。每年每米管道的投资、运行和维修的总费用C为：,（4）保温层厚度的计算方法：,保温层厚度的计算很复杂。要由式(3-21)式(3-27)或简化公式计算出保温层的厚度，首先必须确定单位长度管道所容许的热损失QL。在QL决定以后,还不能算出所需的保温层的厚度，因为计算中涉及保温层外表面的温度tw，而tw又与保温层的厚度a有关。a越大，tw越小。故只能采用试算法。,C = bQ+ P(c0V + cbF)(元/(mh),（6）保温管导热损失的计算及核算壁温：热力管道包上保温层后，由于已知，由式(3-26)或式(3-27)，很容易算出管道的热损失

23、和保温层外表面的壁温。,.,40,第三节 隔热保温与蓄能技术,2. 无沟埋设的管道 对直接埋于土壤中的管道，在计算热损失时，除了保温层的热阻外，还要考虑土壤的热阻。根据传热学理论，土壤热阻可用下式计算，即,（3-30）,当h/dx1.25时，式(3-30)可简化为,此时无沟埋设的保温管道的热损失为,式中 t0土壤的平均温度（）。,（3-32）,（3-31）,.,41,第三节 隔热保温与蓄能技术,3. 地沟中铺设的管道 地沟中铺设的管道的总热阻应包括以下几部分：保温层的热阻R3，保温层外表面到地沟内空气的对流换热热阻R4，地沟内空气到地沟壁的对流换热热阻R7，地沟壁的导热热阻R8，土壤的热阻Rt

24、。其中R3、R4、R7、R8、Rt均可采用前述的计算公式进行计算。,计算地沟中铺设的管道的热损失可采用如下公式，即,（3-33）,（3-34）,.,42,第三节 隔热保温与蓄能技术,4. 热力管道保温设计中的一些问题 （1）保温管道的附加热损失：这里是指管道中的法兰、阀门、接头、分配器等所带来的热损失。这部分热损失不易求得，一般按下面给出的值来估算。 阀门：阀门热损失的相当长度可参见表3-7。 （2）保温管道的敷设：在设计保温管道时应根据具体情况选用合适的敷设方式，并考虑不同敷设方式对保温结构的要求。,表3-7 阀门热损失的相当长度,.,43,第三节 隔热保温与蓄能技术,（三）热屏蔽 用导热系

25、数小的绝热材料进行隔热保温，主要是减少散热损失。而热屏蔽是设法消耗掉传入的热量，或利用反射率高与辐射率低的表面，将辐射热反射回去，既可减少散热损失，更主要是起保护作用，防止被保护材料或设备过分升温。在被保护的材料与热源之间加遮热板、罩，可大量减少对被保护材料的传热。这是最常用的热屏蔽方法。 通过消耗传来热量的热屏蔽，其耗热方法有三类。一是作为显热消耗，二是作为相变(蒸发、升华、熔化)潜热消耗；三是作为反应热、离子化热消耗。,.,44,第三节 隔热保温与蓄能技术,三、 蓄能技术 （一）常见的蓄热方式 蓄热的方式主要有三种，即显热蓄热、潜热蓄热和化学反应热蓄热。 1. 显热蓄热 当对蓄热介质加热时

26、，其温度升高，内能增加，从而将热能蓄存起来。显热式蓄热原理十分简单实际使用也最普遍。 （1）蓄热水箱： （2）石块床蓄热器： （3）液体固体组合式蓄热设备： （4）中、高温蓄热介质及大容量蓄热技术：,.,45,第三节 隔热保温与蓄能技术,三、 蓄能技术 （一）常见的蓄热方式 2. 潜热蓄热 物质由固态转为液态，由液态转为气态，或由固态直接转为气态(升华)时，将吸收相变热，进行逆过程时，则将释放相变热。 （1）低温潜热式蓄热： 表3-8 适用于建筑物供暖及降温用的有关相变蓄热材料的热物性 （2）高温应用： 表3-9 若干共熔材料的物性参数,.,46,第三节 隔热保温与蓄能技术,三、 蓄能技术 （

27、一）常见的蓄热方式 3. 热化学方法蓄热 化学反应储能是利用可逆化学反应的反应热来进行储能的，例如，正反应吸热，热被储存起来，逆反应放热，则热被释放出来。这种方式的储能密度虽然较大，但是技术复杂并且使用不便，目前仅在太阳能领域受到重视，离实际应用尚较远。 （1）化学反应蓄热： （2）浓度差蓄热： （3）化学结构变化蓄热：,.,47,第三节 隔热保温与蓄能技术,（二）蓄热材料的性能要求及分类 1. 蓄热材料的性能要求 理想的蓄热材料应符合以下条件： （1）热力学条件合适的相变温度： （2）化学条件： （3）经济性条件： 2. 蓄热材料的分类,图3-17 蓄热材料的分类示意图,.,48,第三节 隔

28、热保温与蓄能技术,（三）蓄热技术的应用 蓄热技术作为缓解人类能源危机的一个重要手段，主要有以下几个方面的应用。 1. 太阳能热储存 太阳能蓄热技术包括低温和高温两种。 2. 工业热能储存 目前工业热能储存采用再生式加热炉和废热蓄能锅炉等蓄能装置。 3. 电力调峰及电热余热储存 4. 交通及武器装备等 5. 在太空中的应用 6. 其他方面的应用,.,49,第四节 高效低污染燃烧技术,燃料燃烧是获取热能的最主要方式。燃料燃烧过程是一个很复杂的化学、物理过程。燃料燃烧必须具备三个条件： （1）必须有可能燃烧的可燃物(燃料)。 （2）必须有使可燃物着火的能量(或称热源)，即使可燃物的温度达到燃点温度以

29、上。 （3）必须供给足够的氧气或空气(因为空气中也含有助燃的氧气)。,一、燃烧概述,.,50,第四节 高效低污染燃烧技术,二、气体燃料的燃烧技术,气体燃料便于储存、运输，且燃烧方便，因此随着天然气的开发和煤的气化，其应用越来越广。气体燃料燃烧的效率主要取决于气体燃烧器。对气体燃烧器的基本要求是： （1）不完全燃烧损失小，燃烧效率高。 （2）燃烧速率高，燃烧强烈，燃烧热负荷高。 （3）着火容易，火焰稳定性好，既不回火，又不脱火。 （4）燃烧产物中有害物质少，对大气污染小。 （5）操作方便，调节灵活，寿命长，能充分利用炉膛空间。,.,51,第四节 高效低污染燃烧技术,二、气体燃料的燃烧技术,常用的

30、气体燃烧器有扩散式燃烧器、预混式燃烧器、部分预混式燃烧器。对这类扩散式燃烧器，可燃气体与助燃空气不需预先混合，燃烧所需空气由周围环境或相应管道供应、扩散而来。图3-18(a)、(b)所示为简单的扩散式燃烧器。,a b 图3-18 简单的扩散式燃烧器 a.最简单的煤气扩散式燃烧器 b.多排喷孔的煤气扩散式燃烧器,.,52,第四节 高效低污染燃烧技术,一、燃烧概述,气体燃料的燃烧效率通常都很高。在气体燃料的燃烧技术中，应将注意力放在以下几个方面： 1. 正确选用燃烧器 2. 正确选择燃烧器的参数 3. 提高火焰的稳定性 4. 燃烧器的改进和开发,图3-19 多喷口板式无焰燃烧器 1.耐火砖燃烧道

31、2.分配室 3.分配锥 4.混合器 5.喷嘴 6.空气调节阀,.,53,第四节 高效低污染燃烧技术,三、油的燃烧技术,油是最常用的液体燃料。由于油的沸点总是低于其着火温度，因此油总是先蒸发成油蒸气，再在蒸气状态下燃烧，其燃烧过程和气体燃料燃烧几乎完全相同。油的燃烧包含了油加热蒸发、油蒸气和助燃空气的混合以及着火燃烧三个过程，其中油加热蒸发是制约燃烧速率的关键。为了加速油的蒸发，扩大油的蒸发面积是主要的方法，为此，油总是被雾化成细小油滴来燃烧。,.,54,第四节 高效低污染燃烧技术,为了实现油的高效低污染燃烧，应从以下两方面来着手： 1. 提高燃油的雾化质量 燃油的雾化是通过各种雾化器来实现的。

32、雾化器又称喷油嘴。按其工作形式可以分为两大类：机械式喷油嘴(压力式和旋杯式)；介质式喷油嘴(以蒸汽或空气作介质)。压力式雾化喷油嘴是借送入燃烧器的油的压力来实现雾化，它又可分为简单式和回油式两种形式。,三、油的燃烧技术,图3-20 超声波喷油嘴 1.谐振器 2.喷油孔 3.环形间隙 4.汽室,.,55,第四节 高效低污染燃烧技术,2. 实现良好的配风 油燃烧器是由喷油嘴和配风器两部分组成。配风器的任务是供给适量的空气，以形成有利于空气和油雾混合的空气动力场。 图3-21所示为直管式配风器的示意图，它多用于小型锅炉和窑炉。,三、油的燃烧技术,图3-21 直管式配风器的示意图,.,56,第四节 高

33、效低污染燃烧技术,2. 实现良好的配风 油燃烧器是由喷油嘴和配风器两部分组成。配风器的任务是供给适量的空气，以形成有利于空气和油雾混合的空气动力场。,三、油的燃烧技术,不论采用何种配风方式都应该使空气和油雾扩展角很好配合，一般气流的扩展角应比油雾扩展角稍小些，以使空气能高速喷入油雾中形成良好的配合(见图3-22)。,a,b,图3-22 空气扩散角和油雾扩散角的配合,a.空气流扩展角过大 b.空气流扩展角合适,.,57,第四节 高效低污染燃烧技术,四、煤粉燃烧稳定技术,我国大型锅炉和工业窑炉大多采用煤粉燃烧。煤粉燃烧稳定技术是通过各种新型燃烧器来实现煤粉的稳定着火和燃烧强化。采用新型燃烧器不但能

34、使锅炉适应不同的煤种，特别是燃用劣质煤和低挥发分煤，而且能提高燃烧效率，实现低负荷稳燃，防止结渣，并节约点火用油。 1. 煤粉钝体燃烧器 煤粉钝体燃烧器见图3-23。,图3-23 煤粉钝体燃烧器示意图,.,58,第四节 高效低污染燃烧技术,四、煤粉燃烧稳定技术,2. 稳燃腔燃烧器 3. 开缝钝体燃烧器 4. 夹心风燃烧器 5. 火焰稳定船式燃烧器 6. 双通道自稳燃式燃烧器,.,59,第四节 高效低污染燃烧技术,五、煤粉低氮氧化物燃烧技术,一般来说，采用低过量空气燃烧可以降低NOx排放15%20%。燃煤电站对环境的污染是十分严重的。目前世界上大多数燃煤电站对粉尘和SO2的排放已有相当成熟的控制

35、和处理技术，但对如何减少另一种污染物NOx的排放仍在进一步深入研究之中。目前降低NOx的排放比较成熟的办法是采用空气分级燃烧和烟气再循环燃烧等技术。 1. 低过量空气燃烧 如果使煤粉燃烧过程的供气接近理论空气量，则由于烟气中过氧量的减少将有效地抑制NOx的生成，显然这是一种最简单的降低NOx排放的方法。值得注意的是，采用这种方法有一定的限制。,.,60,第四节 高效低污染燃烧技术,五、煤粉低氮氧化物燃烧技术,2. 空气分级燃烧 空气分级燃烧是目前国内外燃煤电厂采用最广泛、技术上也比较成熟的低NOx的燃烧技术。空气分级燃烧的基本原理是将燃料的燃烧过程分阶段来完成。,图3-24 空气分级燃烧原理的

36、示意图,.,61,第四节 高效低污染燃烧技术,3. 燃料的分级燃烧 燃料的分级燃烧与空气分级燃烧类似。它先将8085的燃料送入第一级燃烧区，使之在过量空气系数大于1的条件下燃烧，并生成NOx；其余的20l5的燃料则在主燃烧器的上部送入第二级燃烧区，在过量空气系数小于l的条件下形成很强的还原气氛，从而使得在第一级燃烧区中生成的NOx在第二级燃烧区中被还原成氮分子；与此同时，新的NOx的生成也受到了抑制。采用此法可使NOx的排放降低50。,五、煤粉低氮氧化物燃烧技术,.,62,第四节 高效低污染燃烧技术,4. 烟气再循环 除了利用空气和燃料分级燃烧减少NOx排放外，目前还采用烟气再循环来减少NOx

37、的排放。这种方法是在锅炉尾部空气预热器前抽取一部分低温烟气，或直接送入炉膛，或与一次风或二次风混合后再送入炉膛。这样不但可以降低进入炉膛的氧气浓度，而且可以降低燃烧温度，这些都有利于抑制NOx的生成。经验表明，当烟气再循环率为l520时，煤粉炉NOx的排放可降低25左右。,五、煤粉低氮氧化物燃烧技术,.,63,第四节 高效低污染燃烧技术,六、高浓度煤粉燃烧技术,高浓度煤粉燃烧技术不但能实现煤粉锅炉低氮氧化物燃烧，而且能实现无烟煤等难燃煤种的稳燃。为了实现高浓度煤粉燃烧技术，必须提高一次风中的煤粉浓度，目前主要有以下三种提高煤粉浓度的方法。 1. 高浓度的给粉 它是直接采用高浓度输粉，即用独立的

38、风源或其他介质把高浓度的煤粉，经过比常规给粉管细得多的管道直接送至燃烧器进行高浓度的燃烧。 2. 采用燃烧器浓缩技术 选种技术或是形成浓淡偏差燃烧，或是大范围地调节一、二次风粉流，间接形成高浓度燃烧，或是通过特殊的喷嘴设计形成局部浓缩着火区。 3. 采用浓缩器浓缩技术 它是在燃烧器之外设置专门的浓缩机构，从而浓缩一次风粉流，实现高浓度煤粉燃烧。,.,64,第四节 高效低污染燃烧技术,七、流化床燃烧技术,煤的流化床燃烧是继煤燃烧和粉煤燃烧后，于20世纪60年代开始迅速发展起来的一种新的煤燃烧方式。这种方式煤种适应性广，易于实现炉内脱硫和低氮氧化物排放，且燃烧效率高，负荷调节性好，能有效地利用灰渣

39、。 1. 特殊的气固流动形态流态化,a b c 图3-25 气固两相随气流速度变化所呈现的不同流态 a.固定床 b.沸腾床 c.循环流化床,.,65,第四节 高效低污染燃烧技术,七、流化床燃烧技术,2. 流化床锅炉的优点 （1）燃料的适应性好： （2）污染物排放低： （3）燃烧效率高： （4）负荷调节性好： （5）有效利用灰渣： 正是上述这些优点，使流化床燃烧技术在较短的时间内得到了迅速发展和广泛应用。,.,66,第四节 高效低污染燃烧技术,3. 流化床锅炉的发展 流化床锅炉已从20世纪60年代的第一代鼓泡流化床锅炉发展到80年代的第二代循环流化床锅炉，锅炉的容量也从以小于75 t/h 为主，

40、逐步发展到220 t/h、410 t/h，目前正向800t/h和更大容量发展，并与200 MW的汽轮发电机组配套。目前，流化床锅炉部分地取代煤粉锅炉，大幅度地减少污染物的排放，降低电厂治理污染的投资和运行费用，已成为全世界洁净煤技术的重要发展方向之一。 目前为发展燃气蒸汽联合循环发电装置，一种与燃气轮机配套的增压流化床锅炉也正在迅速发展之中。因此，根据我国能源以煤为主且煤质较差的国情，大力发展流化床燃烧技术是十分必要的。,七、流化床燃烧技术,.,67,第五节 余热利用技术,以环境温度为基准，被考察体系排出的热载体可释放热称为余热。企业中有着丰富的余热资源，从广义上讲，凡是温度比环境温度高的排气

41、和待冷物料所含的热量都属于余热。 （一）余热资源分类 依据在热体形态将余热分为以下三类： 1. 固态载体余热资源： 2. 液态载体余热资源： 3. 气态载体余热资源：,一、概述,.,68,第五节 余热利用技术,一、概述,（二）余热资源等级 1余热资源等级划分原则 按余热利用投资回收期划分余热资源等级。 2. 余热资源等级,表3-10 余热资源等级,余热接温度水平可以分为三档：高温余热，温度大于650；中温余热，温度为230650；低温余热，温度低于230。,.,69,第五节 余热利用技术,二、余热利用的原则与途径,(一) 余热利用的原则 在估计和利用余热中，应注意以下原则与事项。 1. 余热的

42、可用性 （1）余热的可用性表现为余热应具有一定的品质与足够的数量。 （2）余热的品质： （3）按国家规定的工业炉窑烟气排放标准，可估计其余热的可用性：,表3-11 工业锅炉排烟温度标准,.,70,第五节 余热利用技术,表3-12 工业炉窑烟气余热回收率标准,二、余热利用的原则与途径,.,71,第五节 余热利用技术,2. 余热的有效利用 （1）余热的利用也应按“按质用能，梯级利用”的用能原则办。 （2）应在想方设法提高设备效率，以减少余热排出量的前提下，就近、就地利用余热，最优先用在本工序上，以减少余热传输损失。 （3）尽可能减少使用中能量的转换次数，以减少转换损失，最好是直接利用。 （4）要减

43、少余热利用与管理上的能量损失。应尽量避免在余热中混进低温空气或水，这不仅使余热品质降低，且引起处理量的增加，因而使处理设备增大。注意回收余热设备、管道，阀门等的保温隔热，以减少散热损失。,二、余热利用的原则与途径,.,72,第五节 余热利用技术,3. 余热回收率的控制 余热回收率并不是愈高愈好。要考虑以下问题，适当控制余热的回收率。 （1）要以不影响产品质量及设备寿命为前提来考虑余热回收。如高温产品显热的回收就要注意冷却速度，以免急冷而使产品变形、开裂或过大的热应力，造成损坏。 （2）烟气余热回收率过高，可能造成设备的低湿温腐蚀。 （3）随着回收率的提高，余热回收设备，如换热器等的设备费用将按

44、指数规律增加。 （4）利用烟气来预热燃烧用空气，使燃烧温度提高，这可使烟气中的氮氧化物含量增加，造成对大气的污染。应注意环境保护。,二、余热利用的原则与途径,.,73,第五节 余热利用技术,4. 余热利用的经济性 余热利用不但要添加回收利用设备，需要投资，而且还要扩大占地面积，增加运行管理的环节与费用。 评价余热回收利用的经济效益有以下几种方法。 （1）使用期净收益法： （2）投资偿还年限法： （3）投资利润率法： 当然，在评价余热利用时，还应注意环境、对产品质量及工人劳动条件等的影响。,二、余热利用的原则与途径,.,74,第五节 余热利用技术,（二）余热利用的途径 余热利用的途径主要有三方面

45、：余热的直接利用、余热发电和余热的综合利用。 1余热的直接利用 余热的直接利用有以下途径： (1）预热空气： (2）干燥： (3）生产热水和蒸汽： (4）制冷： 2余热发电 利用余热发电通常有以下几种方式： 3余热的综合利用 余热的综合利用是根据工业余热温度的高低，采用不同的利用方法，实现余热的梯级利用，以达到“热尽其用”的目的。,二、余热利用的原则与途径,.,75,第五节 余热利用技术,三、余热计算,为了开发利用余热，制定余热回收标准，采取合适的余热回收技术，应该对我国余热资源进行调查、测试、统计和分析。这都须对余热进行计算。下面介绍几种余热的计算公式，以便采用测算结合的方法，得出余热资源数

46、量。 1. 烟气余热,式中 B炉窑的平均燃料用量（kg/h）； Vy每公斤燃料产生的烟气量（Nm3/kg）。对于煤，可从表3-13查得； ty、tp分别为烟气的与余热利用设备排烟的平均温度（）。如表3-14所列；,.,76,第五节 余热利用技术,表3-13 燃烧每公斤煤产生的烟气量（Nm3/kg）,表3-14 常见工业炉窖排烟温度,.,77,第五节 余热利用技术,Cy,Cp分别为烟气的与余热利用设备排烟时温度下的比热（kJ/Nm3K）。其数值可以从表3-15查得。,表3-15 通用烟气比热,.,78,第五节 余热利用技术,2. 高温炉渣和产品余热 高温炉渣的余热可用下式计算,式中 mz炉渣产量

47、（kg/h）； tz，tzp分别为高温炉渣的与炉渣热量被利用后的排渣温度（）； Cz，Czp分别为tz与tzp温度时炉渣的比热（kJ/kgK）。对于近似计算，炉渣比热可参照表3-16取值。 高温产品余热计算，可用上述类似的方法进行。,（3-42）,.,79,第五节 余热利用技术,表3-16 炉渣近似的比热,.,80,第五节 余热利用技术,3. 冷却介质余热 （1）水冷却的余热 式中 DS冷却水流量（kg/h）； CS水的比热（kJ/（kgK）； t2，t1冷却水在冷却设备中的出口利用设备的出口温度（）。 （2）汽化冷却的余热 式中 Dq汽化时的产汽量（kg/h）； hs，hq分别为汽化介质在冷

48、却设备中的出口和利用设备的出口焓（kJ/kg）。 废水和废汽的余热可用类似的方法计算。,.,81,第五节 余热利用技术,4. 可燃气体余热 可燃气体余热由可燃气体的发热量确定： 式中 Qd可燃气体的低位发热量（kJ/Nm3）； Vr可燃气体的体积（Nm3/h）。 煤气1547017150kJ/Nm3；焦炉煤气为1465018840kJ/Nm3；天然气为3350039000kJ/Nm3。 5. 化学反应余热 化学反应余热取决于具体的化学反应，其余热量为： 式中 mf化工产品产量或化工原料耗用量（kg/h）； qf生产单位产品或耗用单位原料的反应放热量（kJ/kg）。 上述计算都是每小时可产余热量

49、。在计算余热资源时应按年产余热量计算。,.,82,第五节 余热利用技术,1. 余热的动力回收 余热中动力回收的经济性好，许多热设备的排气温度较高(见表3-17)，能满足动力回收的条件。,四、余热利用实例,表3-17 常见热设备的排气温度,.,83,第五节 余热利用技术,此外，许多可燃废气，其温度和热值都比较高，也是理想的动力回收的资源。表3-18给出了部分可燃废气的成分和发热量。,四、余热利用实例,表3-18 部分可燃废气的成分和发热量,.,84,第五节 余热利用技术,在动力回收中，最简单的是直接利用可燃废气驱动燃气轮机。 对于中高温的废气，在很多情况下，都是采用余热锅炉产生蒸汽，再驱动汽轮机

50、发电。 余热锅炉的结构和一般锅炉类似，也是由省煤器、蒸发受热面和过热器等组成，但由于热源分散，温度水平不同，因此不能像普通锅炉那样组成一个整体，其布置应服从工艺要求，多采用分散布置。因为不需要炉膛，所以其外形更类似于换热器。,四、余热利用实例,.,85,第五节 余热利用技术,对于低温的余热，在动力回收中通常采用闪蒸法或低沸点工质法。闪蒸法主要用于低温热水或汽水混合物，闪蒸动力循环如图3-26所示。,四、余热利用实例,图3-26 单级闪蒸动力循环系统圈 1.闪蒸器 2.汽轮机 3.发电机 4.冷凝器 5.冷水源6.水泵 7.阀 8.排热水 9.低温热水,.,86,第五节 余热利用技术,另一种采用

51、低沸点工质的动力回收方法是采用双循环法，即低沸点工质作为直接做功工质，而另一种工质则作为中间传热介质，构成双工质循环。图3-27所示为油-氟利昂双工质循环的示意图。,四、余热利用实例,图3-27 油氟利昂双工质循环的示意图,.,87,第五节 余热利用技术,四、余热利用实例,2. 凝结水回收系统 蒸汽是工业生产和人们生活中被广泛应用的载热介质。一般用汽设备利用的蒸汽热量只不过是蒸汽的潜热，而蒸汽中的显热，即凝结水中的热量，几乎没有被利用。凝结水温度等于工作蒸汽压力下的饱和温度，蒸汽压力越高，凝结水中的热量也越多。其含热量可以达到蒸汽所含热量的2030。如果不加以回收，不仅损失热能，而且也损失了高

52、度洁净的水，使锅炉补给水和水处理费用增加。,.,88,第五节 余热利用技术,蒸汽在用汽设备和管道中放出潜热以后，即凝结为水。在设备中积存的凝结水应及时排出。如积存过多，对加热设备来说，将减少蒸汽的散热面积。降低设备的加热效果；对动力设备和管道还会引发水击。为此在加热设备和管道的泄水管出口应装设疏水器(见图3-28)。,图3-28热膨胀式疏水器 1.凝结水入口 2.管接头 3.管箍 4.阀座 5.凝结水出口6.丝堵 7. 阀尖 8.阀体 9.波纹管 l0.阀盖,.,89,第六节 磁场有效用能技术,一、磁场有效用能原理,1. 高频加热原理 高频加热是一项已经成熟并且广泛运用的加热技术，发热原理是：

53、通过先进的电路系统在被加热的金属内部产生高频磁场，高频磁场根据高频感应原理在被加热的金属内部产生高频电子碰撞，从而产生热量使金属温度迅速上升。由于是高频感应原理，高频线圈不与被加热金属直接接触，所以系统本身热辐射温度接近环境温度，只有50以下，人体完全可以触摸。它以热效高、发热快、省电节能、安全可靠等诸多优点在我们日常生活中发挥着重要作用，比如我们家庭常用的电磁炉等。,.,90,第六节 磁场有效用能技术,一、磁场有效用能原理,2. 电磁加热节能原理 电磁加热是通过线圈把交变的电场转换成交变的磁场，加热筒体在交变磁场的作用下产生涡流而发热的一种加热方式，这种方式它从根本上解决了电热片、电热圈等电

54、阻式通过热传导方式加热的效率低下问题，其加热效率在95%以上。 （1）原有加热圈： （2）高效节能加热：,.,91,第六节 磁场有效用能技术,二、磁流体发电技术,1. 磁流体发电 定义磁流体发电技术，就是用燃料(石油、天然气、燃煤、核能等)直接加热成易于电离的气体，使之在2000的高温下电离成导电的离子流，然后让其在磁场中高速流动时，切割磁力线，产生感应电动势，即由热能直接转换成电流。 2. 磁流体发电的基本原理 磁流体发电是将热能直接转变为电能的一种发电方式，与普通发电相比，减少了转换成机械能这一阶段，是利用电磁感应现象获得电能。3. 磁流体发电的特点 （1）效率高： （2）无转动部分： （

55、3）机组容量越大越好： （4）起动快：,（5）环境污染少： （6）结构简单，发电成本低： （7）涉及科学技术面很广：,.,92,第六节 磁场有效用能技术,三、超导磁场储能技术,所谓超导磁场储能技术（SMES），即利用超导材料制作成超导螺旋管，让其处于相应低温下，呈现出超导状态。通过与其连接的功率调节系统，将电网中过剩的电力转换成直流电（以磁场的形式）存储于超导螺旋管中。当电网出现峰荷而使系统电力不足时，又可通过功率调节系统的逆向输送将存储于超导螺旋管中的电能（或者说磁能）转换成交流电送入电网。,（一）超导磁场储能原理 超导磁储能装置(Superconducting Magnetic Energ

56、y Storage，SMES)系统通过变压器与电网向连，实现对功率波动的抑制。图3-29给出了SMES的结构框图，它主要由超导磁体、功率变换装置和控制系统三部分组成，其中超导磁储能体包括超导线圈、低温容器和制冷装置。,.,93,第六节 磁场有效用能技术,三、超导磁场储能技术,图3-29 SMES装置结构框图,.,94,第六节 磁场有效用能技术,三、超导磁场储能技术,目前采用的主要方法有分段电阻保护、并联电阻保护、谐振电路保护和变压器保护。冷却装置保证了超导线圈的工作环境；目前的冷却方式主要有两种：一种是将线圈浸泡在液氦之中的浸泡冷却方式；另一种是在导体内部强制通过超临界氦流的强制冷却方式。 1超导线圈 2冷却系统 3. 变流器 4. 失超保护 （1）过热。 （2）高压放电。 （3）应力过