《北京科技大学学报》：工业炉余热利用及节能效益的分析（邱夏陶、韩小良）

D0I:10.13374/j.issm1001053x.1991.06.033 北京科技大学学报 第13卷第6期 Vol.13No.6 1991年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Nov.1991 工业炉余热利用及节能效益的分析 邱夏陶·韩小良 摘要：对3种余热利用途径（工艺方式、能量方式和综合方式）进行了研究，导出了节 能量的计算公式。对常见的余热回收方法一利用换热器预热空气进行了详细的分析，讨论 了换热器型式及大小对炉子燃料利用率和节能半的影响，提出了换热器优化设计和选择的 方法。 关键词：工业炉，余热利用，节能，换热器，优化 Analysis of Waste Heat Recovery Methods and Calculation of Their Energy Savings Qiu Xiatao Han Xiaoliang ABSTRACT:Three methods of waste heat recovery,including technological, energetical and comprehensive method,are studied.The formulae of energy savings of these methods are derived.The practical waste heat recovery me- thod,preheating combustion air by the heat exchanger is also analysed and the effects of type and size of the heat exchanger on fuel utilization coefficient and energy savings of furnace are discussed.The optimum method of desi- gning and selecting heat exchanger is proposed. KEY WORDS:industrial furnace,waste heat vecovery,energy saving,heat exchanger,optimum 1990-08-06收到初稿，1991-06-10收到修改稿 ·热能工程系(Departmenr of Energy Engincering) 597

第 卷第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 。 。 工业炉余热利 用及节能效益 的分析 邱夏 陶 ’ 韩 小 良 ’ 摘 要 对 种 余 热利 用途 径 江艺 方式 、 能量 方式和 综 合方式 进行 了研究 ， 导出 了节 能 量的 计算公 式 。 对常见的余 热回收方法— 利 用换 热器预 热空气进 行 了详细 的分析 ， 讨论 了换 热器型 式及大小对沪子燃 料利用率和 节 能率 的影响 ， 提出 了换 热器优化设计和 选择 的 方法 。 关 键词 工 业 炉 ， 余热利 用 ， 节能 ， 换热器 ， 优 化 ， ， ， 诬 ， 。 爪 。 ， ， ， ， ， 一 一 收到初稿 ， 一 一 收到 修改稿 热能工程系 DOI ：10．13374／j ．issn1001—53x．1991．06．033

回收工业炉烟气余热有很多方法，如利用换热器预热空气，利用余热锅炉产生蒸汽或热 水，都已在生产中发挥了巨大的作用，产生了明显的经济效益。然而，对这些余热利用方法 还没有系统的分析，尤其是节能量的计算；对炉子技术经济性能如燃料利用率等的影响，还 缺乏详细的分析和讨论。为此，本文首先分析并比较8种余热利用方法，然后就目前常见的 换热器预热空气进行详细研究。 1余热利用途径 利用工业炉余热的方法，从本质上来说，可以归纳为3类：工艺方式、能量方式和综合 方式1)。 工艺方式是在同一工艺过程中回收余热并被该工艺过程所利用，可分为两种形式：闭环 方式和开环方式。前者如利用换热器预热空气和煤气，利用某种装置预热进炉工件，这种方 式对炉子本身的技术经济性能有着良好的影响，因为回收的热量又返回到炉膛内，从而降低 了燃耗，提高了燃料利用率；后者如对产品进行预热处理或加热处理，此时回收的热量并未 返回到炉内，而是为该工艺过程的其他工序所利用，因而对整个工艺来说是有益的。 能量方式是利用动力设备回收余热产生载能体（如热能、电能），常见的是利用余热锅 炉产生蒸汽或热水。这种方式对全厂是有益的，但对炉子本身则无影响。 综合方式是联合使用工艺方式和能量方式，常见的是联合利用换热器和余热锅炉，同时 产生热空气（热煤气）和蒸汽（热水），不仅减少了热损失，也提高了余热利用效果。 上述3种余热回收方式各有优缺点，在不同程度上回收了余热，节约了燃料。在确定采 用何种余热利用方案时，首先应对它们的热回收幸和节能量进行分析和评价，在此基础上， 估计基本投资、能耗、节能量、运行费等各方面的关系，从而作出最优设计和选择。 2节能量的计算 定义炉子的燃料利用率？为留在炉膛内的热量与供入燃料热量之比，则有下式成立： 7=(Qa-Qg）/Qa (1) 式中，Q:为燃料的低发热量(kJ/kg或kJ/Nm3),Q。为单位燃料产生的烟气带走的有效热量 (kJ/kg或kJ/Nm3)。 当空气预热时，燃料利用率变为7′： =(Q+Q:-Qg)/Q (2) 式中Q,为单位燃料所需空气预热时的有效物理热。 下面分别对3种余热利用方式的节能量进行讨论。 2.1工艺方式 (1)闭环方式 ①预热空气预热空气的节能量EA(kW)可由下式计算： 598

回收工业炉烟气余热有很多方法 ， 如利用换热器预热空气 ， 利用余热锅护产生蒸汽或热 水 ， 都已在生产 中发挥了 巨大的 作用 ， 产生 了 明显的 经济效益 。 然而 ， 对这些 余热利 用方法 还没 有系统 的分析 ， 尤其是节能量的 计算 对护子技术经济性能如燃料利用 率等的影响 ， 还 缺乏详细的分析和 讨论 。 为此 ， 本文首 先分析并比较 种余热利用方法 ， 然后就 目前常见的 换热器预热空气进 行详细研 究 。 余热利 用途径 利用工业炉余热的方法 ， 从本质上来说 ， 可以归纳为 类 工艺方式 、 能 量方式和 综合 方式 ‘ ” 。 工艺方式是在 同一工艺过程中回收余热并被该工艺过程所利用 ， 可分为 两种形式 闭 环 方式和开环方式 。 前者如利用 换热 器预热空气和煤气 ， 利用某种装置预热进护工件 ， 这种方 式对炉子本身的 技术经济性能有着 良好的影响 ， 因为回收的 热量 又返回到炉膛 内 ， 从而降低 了燃耗 ， 提高了燃料利用率 后者如对产品进行预热处理或加 热处理 ， 此时 回收的热量并未 返回到炉内 ， 而是为该工艺过程的 其他工序所利用 ， 因而对整个工艺来说是有益 的 。 能量方式是利用动力设备 回收余热 产生载能体 如热能 、 电能 ， 常见的是利用余热锅 炉 产生蒸汽或热水 。 这种方式对全厂是 有益的 ， 但对炉子本身则无影响 。 综合方式是联合使用工艺方式和能量方式 ， 常见的是联合利用 换热器和余热 锅护 ， 同时 产生热空气 热煤气 和 蒸汽 热水 ， 不仅减少了热损失 ， 也提高了余热利用效果 。 上述 种余热回收方式各 有优缺点 ， 在不 同程度上 回收 了余热 ， 节约 了燃料 。 在确定采 用 何种余热 利用 方案时 ， 首 先应对它 们 的热 回收率和节能量进行分析和评价 ， 在 此基础上 ， 估计基本投资 、 能耗 、 节能量 、 运行费等各方面的关系 ， 从而 作出最优设计和选择 。 节能量的计算 定义炉 子的燃料利用率 ，为 留在炉膛内的热量与供 入燃料热 量之 比 ， 刀 一 则有下式成立 式中 ， 为燃料的低发热量 或 ” ， 。 为单位燃料产生的烟气带走的 有效热量 或 “ 。 当空气预热时 ， 燃料利用率变为丫 习尹 一 ‘ 式中 为单位燃料所需空气预热时的有效物理热 。 下 面分 别对 种余热利用方式的节能量进行讨论 。 工艺方式 闭 环方式 ①预热 空气 预热 空气的 节能量 八 可 由下 式计算

EA=Q-Q'=(B-B)Q:=Q(1-B'/B) (3) 式中Q和Q'、B和B'分别为预热空气前后的供入燃料热量(kW)和燃料消耗(kg/s或Nm3/s), Q=BQ,Q=B'Qdo 预热空气前后燃料利用率有如下关系： /n'=B'/B (4) 则节能量为： E=Q·Q./(Qa+Q.-Qg) (5) 或表示为： EA=B'Q./n (6) 定义预热空气的热回收率mμ为： mA=Q./Qg (7) 则式(5)可化为： EA=Q·一m(1-) 刀+ma(1-) (8) ②预热工件预热工件时的节能量E可写为： Ex=Q-Q=QR/ (9) 式中Q和Q'分别为预热工件前后的燃料热量(kW),Q,为预热工件回收的热量(kW)。 定义预热工件的热回收率mw为： my=Qp/Q (10) 则Em变为： Ew=Q·m(1-) 刀+mw(1-7） (11) 比较式(6)和(9)，式(8)和(11)可知，预热空气和预热工件的节能量可表示为同一数学 表达式形式，它们都取决于热回收率。当两者的热回收率相同时，节能量是一样的。 将式(6)和(9)表示为下述普遍式： E=Q:/1 (12) 式中E为节能量(kW),Q:为回收热量(kW)。 由式(12)可知，回收单位热量就可节约1/)单位的热量。大多数工业炉在空气未预热时 的燃料利用率为0,5~0.35，这就意味着每回收单位余热就可节约2~3单位的热量。这对高 温炉是极为重要的，因为高温炉的燃料利用率一般都很低，因而回收余热并返回炉内所带来 的效益是巨大的。 当联合预热空气和预热工件时，总节能量即为Eλ和EM之和。 599

尸人 一 ， 一 ， 一 ， 式中 和 ‘ 、 和 ‘ 分 别为预热空气前 后的 供 人燃料热量 和燃料消耗 或 “ ， ， 尹 。 预热空 气前后燃料利 用率 有如下 关 系 刀 刁， ， 则节能 量为 · 二 一 或表示为 人 ， 峥 定义预热 空气的热 回 收率。 为 二 则式 可化为 人 · 一 甲 叩 优 一 叩 ②预热工件 预热工件时的节能量 二可 写为 ， 一 ’ 刀 式中 和 产分 别为预热工件前后的燃料热量 ， 定义预热工件的热回收率 二为 爪， ‘ 则 。 变为 为预热工件 回收的 热 量 。 二 · 从 一 勺 勺 从 一 勺 比较式 和 ， 式 和 可知 ， 预热 空气和预热工件的 节能量可表示为 同一 数 学 表达式形式 ， 它 们都取决于热回收率 。 当两者的热 回收率相 同时 ， 节能量是一样的 。 将式 和 表示 为下述普遍式 二 呀 式中 为 节能量 ， 为回收热量 。 由式 可 知 ， 回收单位热量就可节约 ，单位的热 量 。 大多数工业炉在 空气 未预 热 时 的 燃料利 用 率为 。 ， 这就意味着每回收单位余热就可节约 单位的热 量 。 这 对 高 温炉是极为重要 的 ， 因为高温炉的燃料利 用率一般都很低 ， 因而 回收余热并返回炉 内所带来 的 效益是巨大的 。 当联合预热空气和预热工件时 ， 总节能量即为 和 ，之和

(2)开环方式由前所述，开环方式是利用二级设备回收余热，故节能量为单独运行该 设备时的耗热量，即： E,=Q。=BQ:m2=Q (13) 7 Qa79·Qxm2 式中E,为节能量(kW),Q2为该设备的耗热量(kW),m2为该设备的热回收率，n:为该设 备的热效率。 由式(1)，式(13)可变化为： E。=Q·m2(1-n)/8 (14) 2,2能量方式 任何能量方式的节能量的计算均与锅炉的计算类似，即节能量等于单独运行锅炉的耗能 量。因此，能量方式的节能量E:(kW)为： EB=Q8/=Q(1-n)mB/n3 (15) 式中nB为余热锅炉的热效率，mB为其热回收率，mg=Q:/(BQ。),QB为产生蒸汽的有效热 (kW)。 2.3综合方式 此时的节能量Ec(kW)为Ea和EB之和。考虑到空气预热后炉子耗热量由Q变为Q',则 Q变为Qa=mB·B'·Qg,从而有： Eg=Q·ma(1-) 7a”n‘8 (16) 而 B:=E+E=0·7”n〔+}(-)门 (17) 式中m=mA+mB为总热回收率。 了工艺方式与能量方式的比较 假设工艺方式预热空气，能量方式产生蒸汽，则由式(8)和(15)可知： aE=合=· (18) mB 对于一般的加热炉，空气预热时的)'为0.5~0.65，而锅炉的7可达0,85，故当ma=m 时，4E=1.3~1.7,即工艺方式节能量比能量方式多(30~70)%。但是，实际上m永远大 于mA,如余热锅炉的ma可达0.7，而空气换热器的mA仅为0.3~0.5，这样△E=0.75~0.9, 600

开 环方式 由前所述 ， 开 环方式是利用二级设备回收余热 ， 故 节能量为单独运行该 设备时的耗热量 ， 即 。 八 二 ， 。 “ 一 甲 ’ 一丽一‘ 一 飞肠汀一 ’ 喻，’ 式中 ， 为节能量 ， 为该设备 的耗热量 ， 二 为该设备 的热 回 收 率 ， 心为该设 备的热效率 。 由式 ， 式 可变 化为 ， · 一 ， 勺雪 。 能量方式 任何能量方式的节能量的计算均与锅炉的 计算类似 ， 即节能量等于单独 运行锅炉的耗能 量 。 因此 ， 能量方式的 节能量 。 为 。 勺盆 一 甲 勺盆 式中岭为余热 锅炉的热效率 ， 为其热回收率 ， ， 为产生 蒸汽 的有 效 热 。 。 综合 方式 此时的节能量 。 为 和 之和 。 考虑到 空气预热后炉子耗热量由 变为 ‘ ， 则 变为 。 。 · · ， 从而 有 。 · 一 刀 刀 一 勺 ，』一 专会 。 。 · 拼 一 甲 叩 入 一 刀 〔 ‘ 鑫 念 一 ‘ 〕 式中 二 。 为总热 回收率 。 工艺方式与能量方式的比较 假设工艺方式预 热空 气 ， 能量方式产生蒸汽 ， 则由式 和 可 知 爪一价人一 ︷， 刀一甲 一 一一 △ 一 对于 一般的加热炉 ， 空气预热时 的刀‘ 为 。 ， 而 锅炉 的此可达 ， 故当 时 ， 一 ， 即工艺方式节能量 比能量方式多 一 肠 。 但是 ， 实际上 。 永远大 于 ， 如余热锅炉的。 可 达。 ， 而 空气换热器的。 仅为。 。 。 ， 这样 。 一

即工艺方式节能量小于能量方式节能量。不过，工艺方式有其独特的优点，因为回收的热量 返回炉内，对炉子的技术经济性能有着良好的影响，因而预热空气的热量价值大于产生蒸汽 热量价值。另一方面，预热空气和预热工件除了能节约燃料外，还可提高基本工艺设备的生产 能力。 能量方式有其自身的缺点，如投资费用高，占地面积大，产生的二次能量不稳定，在某 些车间条件限制下不得不将余热锅炉安装在离炉子较远的地方，降低了烟气进余热锅炉的温 度，从而影响了余热利用的效果。 因此，工艺方式比能量方式更具有优越性，在利用余热时首先应使回收的热量返回炉 内，剩下的才是用于余热锅炉等其他用途。 4换热器对燃料利用率和节能率的影响 4.1换热器对炉子燃料利用率的影响 将Q.=LnC.(使-t。)及Qg=V,C。(t。-t。)代入式(2)，并将7'记为n,则有： 9=1+8〔（层-1）-（经-1）门 (19) 文献C2)中导出了下述关系： t.=t。(1+r) (20) 则有： 9=1+8〔r-”〕 Q (21) 式中L.和Vm分别为实际空气需要量和实际烟气生成量(Nm3/kg或Nm3/Nm3),C,和C.分 别为空气和烟气的平均比热(kJ/Nm3·℃)，t。、t,和t.分别为环境温度、空气预热温度和 30 90 20 80 1--Counter flow 70 2--Parallel flow 1--Counter flow 2--Parallel flow 0 2 4 5 60 2 45 NTU NTU 图1n~NTU曲线 图2EA/Q~NTU曲线 Fig.1 n~NTU curves Fig.2 E4/Q~NTU cures 烟气温度(C),形=L.C./W.Cg为换热器水当量比，0=tx/t。为换热器人口温度因子，r为与 水当量比W、人口温度因子0和传热单元数NTU有关的参数2)。 601

即工艺方式节能量小于能量方式节能量 。 不过 ， 工 艺方式有其独特的优 点 ， 因为回收的热量 返回 炉内 ， 对炉子的技 术经济 性能有着 良好的影 响 ， 因而 预热 空气的热量价值大于产生 蒸汽 热量价值 。 另一方面 ， 预热空气和预热工件除了能节约燃料外 ， 还可 提高基本工 艺设备的生产 能力 。 能量方 式 有其 自身的 缺点 ， 如投资费用 高 ， 占地面积大 ， 产生 的二次能量不稳定 ， 在某 些车 间条件限 制下不得不将余热锅炉安装在离炉子较远 的 地方 ， 降低 了烟气进余热锅炉的 温 度 ， 从而影 响 了余热利用 的效果 。 因此 ， 工艺方式 比能量方式更具有优越 性 ， 在利用余热时首 先应 使回 收的热 量 返 回 沪 内 ， 剩下 的才是用于 余热锅炉等其他用 途 。 换热器对燃料利用率和节能率的影响 。 换热器 对 炉子瀚料利 用率的影晌 将 。 一 。 及 犷 ‘ ‘ 一 。 代人式 ， 并将，’ 记 为 ，， 则有 。 注豁 三 〔 会 一 ‘ 一 命 会 一 ‘ 〕 ‘，” ， 文 献 〔 〕 中导 出 了下述 关 系 。 则有 母 — 。 二 。 广 少 一 、 — 一 ‘ 一 二二二 响 、 附 尸 式中 。 和 ， 分 别为实际空气需要量和实际烟气生成 量 或 “ 二 ， 和 。 分 别为空气和烟气的平均 比热 “ · ℃ ， 。 、 和 ‘ 分 别为环 境温度 、 空 气预热温度 和 己 卜 工 比土二 欲卜‘ 了 》 尸 口口曰 侣石舀 一 一 囚 、口才 多 一 工。 囚 一 日 时 图 ， 曲 线 。 刃 户 万 图 人 曲线 。 滋 烟气温度 ℃ ， 平 二 。 。 犷 。 为换热器水当量 比 ， 。 为 换热器入 口温 度 因子 ， ，为与 水 当量 比牙 、 入 口温度因子 和传热单元数 有关的参数 ‘ ”