《北京钢铁学院学报》：工业炉㶲分析方法初探（曹冠之、李泌）

D0I:10.13374/j.issn1001053x.198M.01.021 北京铜铁学晚学报 1984年第1期 工业炉㶲分析方法初探 热能系曹冠之李泓 摘 要 期平衡是拥分析方法的基本手段，本文介绍了工业炉（窑）拥平衡所用的重 要概念和基本思想，以及可能過到的主要理论性问题，并给出进行连续加热拥平 衡所采用的实用计算公式。 本文针对工业（密）内部佣损分布的计算问题，对于内部存在燃烧与传热两 人环节的炉型，将能质引入媚平衡计算，提出了可逆传热物理模型。该模型运用佣 分析方法些本原理，结合炉子热工特点，利用热力学状态函数方法，建立衡量实 际传热不可逆程设的可逆传热样板。模型的物理意义明确，可求得传热不可逆调 损的分配。 最后，作者根据在热平衡与朝平衡计算中所遇到的问题，提出将热平衡计算基准 温度统一于加平衡基准的建议。 用平衡与连续加热炉可逆传热物理模型 一、前 言 传统的热效率（或热平衡）法基于热力学第一定律，通过求得收入能威的数量在设备 中的分布，能够算出设备对能量数量的有效利用部分和损失部分。热效率法的最基本特点 是着眼于设备对能量数量的利用能力，并称这种能力为设备的热力学完善性。然而，传统 方沾的局限性就在于它唯一着眼于能量的数证，而没有考虑能量的质址。近年米得到迅速发 展的绷理论指出，各种能量之间不仅在数量方面，而尤为重要的是在质量方面存在着差异。 能量之所以能为入类利用，其本质就在于能是具有的质量。丽理论为热工分析提供了既其 于热力学第一定律又基于热力学第二定律的分析方法，.佣效率（或拥平衡）法是州分析的基 *手段。运用效率法，通过求得收入能量的质敏在设备中的分布，能够算出设各对能量 质量的利用能力，特别是有可能算出设备内部不可逆损失的程度及其分布。拥效率法的最 基本特点是者眼于设备对他质量的利用能力，并称这种能力为设备的热力学完善性。拥分 析还为统一评定各种能源提供了合理的价值指标。在当代能源日益紧张的情况下，较传统 理论和方法更为科学的拥理论及其分析方法，元论是对于节能技术，还是对于热工理论的 发展都具行十分重要的意义。 57

北 京 栩 铁 学 晚 举 报 年 幼 翔 工业炉佣分析方法初探 热 能 系 曹冠 之 李 泌 摘 要 朋 平衡是拥分析方 法 的基本 手 段 ， 本 文 介绍 了工业 炉 窑 拥平衡所用 的重 要概 念和基本思 想 ， 以 及可能 遇 到的主要理论 性 间题 ， 并给出进行连续加热拥平 衡所 采 用 的实用计算 公式 。 本文 针对工 业 炉 窑 内部拥损分 布的计算问题 ， 对 于 内部存在嫩烧与传热两 大环 节 的炉型 ， 将能质 引入 娜 平衡计算 ， 提 出 了可逆传热物理模型 。 该模型运 用拥 分析方 法 丛 本原 理 ， 结合炉子热 工特点 ， 利用热力学状态 函数方法 ， 建立 衡耸 实 际传热不 可逆程皮 的可逆传热样板 。 模 型 的物理 意 义明确 ， 可求得传热不可 逆加 损的分配 。 最后 ， 作者根据在热平衡 与润平衡计算 中所遇 到的问题 ， 提出将热平衡计算基 准 温度 统一 于 润平衡墓 准 的建议 。 烟平衡与连续加 热炉可逆传热物理模型 一 、 前 去 巨 传统 的热效率 或热平衡 法基 于热力学第一定 律 ， 通 过求得收入能址 的数量在设备 中的分布 ， 能够算 出设备对能量数量 的有效利 用部分 和损失部分 。 热效率法的最基本特点 是 着 眼 于 设备对能量数 量 的利用能力 ， 并称这 种能力 为设备的热力学完善性 。 然 而 ， 传统 方 法的局 限性就在 于 它唯一着眼 于能量 的数量 ， 而没有考虑能量 的质量 。 近 年来得到迅 速发 展 的拥 理论 指 出 ， 各种能量 之 间不 仅在数量 方面 ， 而尤为重 要 的是在质量 方 面存在着 差 异 。 能 量 之所 以能 为人类 利用 ， 其本质就在 于能 量具 有的质量 。 加理论 为热工分 析提供 了既其 于 热力学第一 定 律又 基 于热 力学第二 定律的分析 方 法 ， 拥效率 或拥平 衡 法是灿分析的基 本手 段 。 运 用烟效率法 ， 通 过求得收入能址 的质童 在设 备中的分布 ， 能够算出设备对能蛋 质 星的利川能力 ， 特 别是 有可能算 出设备内部不 可 逆损失 的程 度及其分布 。 拥效率法的最 基 本特点是着 眼 于 几 设备对 姚 址质 量 的利 用能力 ， 并称这 种能力为 设备的热力学完善性 。 拥分 析 还 为统 一 评 定各种能 源提供 了合理 的价值指标 。 在 当代能 源 日益紧张的情况下 ， 较 传统 理论和方 法更 为 科学的拥理 论 及其分析方 法 ， 无 论 是 对于节 能技术 ， 还 是对 于热工理 论 的 发展 都具 有 十分 重要 的意 义 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1984．01．021

目前我国拥理论及应用仍处于理论研究和应用探索的阶段。在动力、化工行业，这一 工作开展较为活跃，在冶金行业还只有少数人进行了这方面的工作。如我院徐业鹏付教授 1979年在国内首次引用拥概念对加热护进行了初步分析，进行了开拓性的工作，北京有色 冶金设计研究总院吴幼奋同志对有色治炼设备的拥分析及余热资源的合理利用方面进行了 富有成效的工作。冶金工业是国民经济中的能耗大户，应该进一步加强拥理论的应用研 究。本文在前人工作及亲自从事烟平衡工作的基础上，对连续加热炉拥分析方法进行了初 步实践与探索，提出了连续加热炉可逆传热物理模型，用以计算连续加热炉内不可逆传热 拥损失及其分配，并对连续加热佣平衡计算方法及有关概念做一介绍。 二、基本概念 按照朗特的定义，拥是“在给定的环境条件下，理论上可以转换为其他能量形态的那 部分能量”。T.J.kotas给出了较为严格、明确的定义[6]，“一个系统的拥是该系统通过 仪与环境之间具有热力作用和化学作用的可逆过程，达到与环境的非约束平衡（即热平 衡、机械平衡、化学平衡)状态时，可获得的功的数量”。 佣具有以下性质： 1.拥是系统状态与环境状态偏差的度量。对于给定的环境状态，拥是物质系统的状态 参数。 在拥理论中，“环境”是一个十分重要的概念。环境的内容包括：基准环境温度T。 基准环境压力P。,基准环境化学构成或基准物质。烟理论中“环境”是热力学平衡环境， 是拥参数的计算基准。 2,佣以统一的尺度一作功能力评价能量的质量。拥代表能量的最大作功能力（或转 换能力)。作功能力正是能源区别于一般物质源的基本属性。能量中的㶲值越多，其“质” 越高。因此，能量的质量可以用单位能量中含有的烟值多少来度量[2]，即： E (1) 式中，入三曾称之为“能级”，现已更为准确地称之为能质， En二能量， E三-En中所含拥量。 3.拥具有互比性。因为拥代表能量中量与质相统一的部分，以拥为计量的比较是同质 能量的比较。这是拥分析法比传统的热效率法优越的重要原因。 一切能量是由㶲(exergy)与不具有作功能力的（或不能转换为拥的）妩(anergy) 组成，即： 能量=拥+妩 (2) “anergy”的译名尚未最后确定，本文暂时采用“妩”的名称。引入㶲与无的概念， 热力学第一定律与热力学第二定律可以表述为： 热力学第一定律：在任何过程中，㶲与抚的总量守恒。 热力学第二定律： 58

目前我国加理论及应用仍处子理论研究和应用探索的阶段 。 在动力 、 化工行业 ， 这一 工作开展较为活跃 ， 在冶金行业还只 有少数人进行了这方面 的工 作 。 如我 院徐业鹏付教授 年在国内首次引用娜概念对加热炉进行了初步分析 ， 进行 了开 拓性的工作， 北京有色 冶金 设计研究总院吴幼奋 同志对有色 冶炼 设备的拥分析及余热资源 的合理利用方面 进行 了 富有成效的工 作 。 冶金工业是国 民经济中的能耗大户 ， 应 该进一步加强加理论 的 应 用 研 究 。 本文在前人工作及亲 自从事拥平衡工作的基础上 ， 对连续加热炉娜分析方法 进行 了初 步实践与探索 ， 提出了连续加热炉可逆传热物理模型 ， 用 以计算连续加热炉 内不可逆传热 绷损失及其分配 ， 并对连续加热拥平衡计算方法及有关概念做一 介绍 。 二 、 基 本 概 念 按照 朗特的定义 ， 拥是 “ 在给定的环境条件下 ， 理论上可 以转换为其他能量形态 的那 部分能量 ” 。 给出了较为严格 、 明确 的定 义 〕 “ 一 个系统 的拥是该系统通 过 仅与环 境之 间具有热力作用和化学作用 的可逆过程 ， 达到与环境的非约束 平 衡 即 热 平 衡 、 机械平衡 、 化学平衡 状态时 ， 可获得的功 的数量 ” 。 娜具有以下性质 佣是系统状态与环境状态偏差的度量 。 对于 给定的环 境状态 ， 拥是物质 系统 的状态 参数 。 在娜理论 中 ， “ 环境 ” 是一个十分重要的概念 。 环境的内容包括 基准环境温度 。 ， 基准环境压力 。 ， 基 准环境化学构成或基准物质 。 拥理论 中 “ 环境 ” 是热力学平衡环 境 ， 是拥参数的计算基准 。 拥以统一 的尺度－ 作功能力评价能量 的质量 。 拥代表能量 的最大作功能力 或转 换能力 。 作功能力正是能源 区别于一般物质源 的基本属性 。 能量 中的拥值越多 ， 其 “ 质 ” 越 高 。 因此 ， 能量的质量可 以用单位能量 中含有的拥值多少来度量〔 〕 ， 即 久二 夕杯 式中， 入三三 曾称之为 “ 能级 ” ， 现 已更为准确地称之为能质 ， 任三 能量 ， 一三 中所含加量 。 少用具有互 比性 。 因为烟代表能量 中量与质相统一 的部分 ， 以拥为计量 的比较是同质 能量 的比较 。 这是烟分析法 比传统的热效率法优越的重要原 因 。 一切能量是由烟 与不具有作功能力的 或不能转换为烟的 妩 组成 ， 即 能量 溯 抚 ” 的译名尚未最后确定 ， 本文暂时采用 “ 抚 ” 的名称 。 引入 烟与抚的概念 ， 热力学第一定律与热力学第二定律可 以表述为 热力学第一定律 在任何过程 中 ， 烟与妩的总量守恒 。 热力学第二定律

a。在一切不可逆过程中，痈转化为妩， b。只有在可逆过程中，拥量守恒， ℃。由无转化为㶲是不可能的。 应当指出，一方面在能源利用过程中，能量的总量守恒，并未被消灭，另一方面在自 然界中并不优乏抚，例如蕴涵于江河湖海及大气中的巨大热能的主要成分就是抚。因此可 以更为准确地讲，所谓能源应称之为佣源，能耗应称之为拥耗，热损失应称之为拥损 失[2]。 由上述概念可知，由于任何实际的能量转换及利用过程中，都存在着程度不同的不可 逆性。因此，虽然在全过程中能量守恒，即拥与妩的总量不变，但是能量中的翔在不断减 少，即能量的质量在不断退化。当拥退化为妩后，就再也无法复原，构成能量的真正损 失，即不可逆过程的拥损失，简称为不可逆奶损。任何涉及到热现象的实际宏观过程都是 不可逆的[5]，工业炉（窑）内的主要过程，例如燃料燃烧、温差传热等等都是涉及到热现 象的不可逆过程。因此，控制过程的不可逆程度，减少不可逆拥损，是热工工作者的重要 任务。 对内部进行不可逆过程的给定边界的系统，列出其烟平衡方程可以求出内部不可逆拥 损，例如对图1所示的概括性模型，可以列出拥平衡方程。 系统边界 系统边界 E E山： E世1 E E出？ n1 E与 E Ell E出I EiM EMIN EAFIM Ea,出N Π，l:lxr (1)用流图 (2)能流图 图1稳定流动开口系统概括性模型· ·注：木模型概可以某设备为系统，也可以该设备的某一内部环节为系统。 M N E:=E出j+2ΠK (3) i=1 j=1 k=1 式中：Ex,E出：一系统入口，出口的各项拥流， Π一系统内部各项不可逆烟损。 运用㶲平衡法应注意三个问题： (1)拥平衡与热平衡方程不完全相同。山于内部不可逆损失的存在，佣平衡出入口 各总量之间存在如下关系： 兰 N E>∑E (4) i=1 j=1 而热平衡出入1各总量之间的的火系为： 59

在一 切不可逆过程中 ， 加转化为妩 ， 只 有在可逆 过程中 ， 拥 量守恒， 由妩 转化为拥是不 可能的 。 应 当指 出 ， 一 方面在能源利用过程 中 ， 能量的总量守恒 ， 并未被消灭， 另一方面在 自 然界 中并不优乏 妩 ， 例如蕴涵 于江河 湖海及大气中的巨大热能的主要成分就是抚 。 因此可 以更 为准确 地讲 ， 所谓能源应称之 为拥源 ， 能耗应称之 为拥耗 ， 热 损 失 应 称 之 为 加 损 失 〕 。 由上述 概念可知 ， 由于任何实际 的能量转换及利用过程 中 ， 都存在着程度不 同的不 可 逆性 。 因此 ， 虽然在全 过程 中能量守恒 ， 即拥与妩的总量不变 ， 但是能童 中的拥在不断减 少 ， 即能量 的质量 在不 断退化 。 当炯退化为妩后 ， 就再也无法复原 ， 构成能量 的 真 正 损 失 ， 即不 可 逆过程 的拥损失 ， 简称为不 可逆 炯损 。 任何涉及到热现象的实际宏观过程都是 不可 逆 的 〕 ， 工业炉 窑 内的主要 过程 ， 例如燃料燃烧 、 温差传热等等都是涉及到热现 象的不可逆过程 。 因此 ， 控制 过程 的不 可逆程度 ， 减少不可 逆拥损 ， 是热工 工作者的重要 任务 。 对 内部进行不可 逆过 程 的 给定边 界 的系统 ， 列 出其烟平衡方程可 以求出内部不可 逆拥 损 ， 例如对 图 所 示 的概括性模型 ， 可 以列 出拥平衡方程 。 系统边界 系统边 界 “‘‘ 古 之 味用流图 能流图 图 稳定流动开 口 系统概括性模型 注 木模型 既 可 以某设备为系统 ， 也可以该设备的某一 内部环节为系统 。 艺 入 艺 出 二 艺 二 式 中 知 ， 出，一 系 统入 口 ， 出 口 的各项 烟流 ， 一 系统 内部各项不可 逆 炯损 。 运用拥平衡法应 注 意三个间题 拥平衡 与热平衡方程不完全 相 同 。 山于 内部不 可逆 损失 的存在 ， 拥 平衡 出 入 口 各总量 之 间存在如下 关系 艺 入 艺 出， 而热 平衡 出入 务总量 之 间 的的关 系为

M N EaA=∑Eo出： i=1 j=1 从以上两式可以看出，佣平衡是必须追加内部拥损失的“假平衡”，而热平衡则是 “真平衡”。因此，朔平衡可以揭示内部不可逆损失为： M 号= N E-∑E出i (3) k=1 i=1 j"1 内都不可逆损失κ亦简称为内部损失，相对于此，芝E出：中的损失项称为外部损失。 j=1 内部损失与外部损失各自体现系统内部与外部的热力学不完善称度，反映不同的不可逆因 章，两者不能混为一谈，更不能用旧有的热平衡观点简单地看待内部损失。如果内外损失 不分，势必混滑内外不可逆因素，甚至使查找薄网环节的工作导出错误结论。 (2)内部不可逆拥损失是由系统内部的各种不可逆因素造成的。仅就系统出入口列 出的棚平衡方程式(3)，只能求得内部不可逆损失总量Π。。进一步求出相应的内部不 可逆烟损分配，乃是至今尚未完全解决的一个程题，本文将对此题目近行探讨。 (3)由于实际设备的输入输出拥流并非一定均为工艺日的所需，因此在计算设备拥 效率时，要正确区分各拥流中的收入项、损失项及获益项，选择既能反映设备内外热力学 完善程度，又不脱离当代工程技术水平的拥效常公式或朔效率公式系列。实际上，如何选 择合理的拥效率公式也是一个尚待商椎的问题[1][3]〔6]。 特别是在拥平衡中还可以利用拥特有的性质一能量的统一尺度，对设备的输入输出 能流做出评价，为合理有效地使用能源提供科学判据。 以上介绍了在连续加热炉拥平衡中所用到重要概念和基本思想，以及可能遇到的主要 理论性问题，其内容也适用于其他工业炉（窑）。 三、连续加热炉拥平衡实用计算公式 本文参考日本工业标推(JIS)“有效能评价方法通则”，信泽窝男教授“烟的实用计算 法”等文章所推荐的计算式，经过使用比较后，在连续加热炉拥平衡中采用了下列公式。 利用这些公式，可以在热平衡测定和计算的基础上进行拥平衡计算。 1。燃料的用： 采用朗特的经验式[7][8] 气体燃料， er=0.950Q高 〔Kcal/NM3) (6) 液体燃料： er=0.975Q高 〔Kcal/kg) (7) 固体燃料： er=Q低+Yo 〔Kcal/kg) (8) 式中，Q高、Q低一燃料的高、低发热量，气体〔Kcal/NM3〕，固体和液体 Kcal/kg〕 Y一环境温度下水的汽化潜热〔Kca1/kg) 0一燃料供用成分中水的重压百分数。 2。铁氧化反应拥： 60

艺 入 艺 出玉 二 从以上两式可 以看出 ， 拥 平衡是必须追加 内部佣损失的 “ 假平衡 ” ， 而热 平 衡 则 是 柑 一 蕊 翻口 丫 脸 二节， 、 ，召日 石乌 由 勿留丁，节 二游 栩 母二 从 三 “ 咨 “ 一 咨“ 出， 尹 内部不可逆损失 亦简称为 内部损失 ， 相对于此 ， 笺二 出 中的损失项 称为外部损失 。 内部损失与外部损失各 自体现系统内部与外部的热力学不 完善称度 ， 反 映不 同的不 可逆 因 素 ， 两者不能混为一谈 ， 更不能用旧有的热 平衡观点简单地看待 内部损失 。 如果内外损失 不分 ， 势必 混淆内外不可逆 因素 ， 甚至使查找薄弱环节的工作导 出错误结论 。 内部不可 逆 拥损失是 由系统 内部的各种不可逆因素造成 的 。 仅就系统出入 口 列 出的灿平衡方程式 ， 只能求得内部不可逆损失 总量艺 二 。 进一步求 出二闹应 的内 部 不 可 逆拥损分配 ， 乃是至 今尚未完全解决的一个程题 ， 本文将对此题 目进行探讨 。 由于实际设备的输入输出烟流并非一定均为工艺 目的所需 ， 因此在计算设 备 加 效率时 ， 要正确 区分各拥流中的收入项 、 损失项 及获益项 ， 选择既能反映设 备内外热力学 完薯程度 ， 又不脱离当代工程技术水平 的拥效率公式 或烟效率公式系列 。 实 际上 ， 如何选 择合理的绷效率公式也是一个尚待商榷的间题 」〔 〕 〕 。 特别是在拥平衡 中还可 以利用 拥特有的性质－ 能量 的统一 尺度 ， 对设备的输入输出 能流做出评价 ， 为合理有效地使用能源提供科学判据 。 以上介绍了在连续加热炉拥平衡 中所用到重要概念和基本思 想 ， 以及可能遇到的主要 理论性间题 ， 其内容也适用于其他工业炉 窑 。 三 、 连续加 热炉洲 平衡实用计算公 式 本文参考 日本工业标准 “ 有效能评价方法通则 ” ， 信泽寓男教授 “ 加的实用计算 法” 等文章所推荐的计算式 ， 经过使用 比较后 ， 在连续加热炉拥平衡 中采用 了下 列公式 。 利用这些公式 ， 可 以在热平衡测定和计算的基 础 仁进行炯平衡 计算 。 。 姗 料的加 采用 朗特的经验式 了」〔幻 气体燃料 ， 高 〔 〕 液体燃料 。 高 〔 咬 〕 固体燃料 ， 二 低 丫。 〔 〕 式 中 高 、 低－ 燃料的高 、 低发热量 ， 气体 〔 〕 ， 固体和液体 〔 〕 丫－ 环境温度下水的汽化潜热 〔 〕 。 一 燃料供用成分 中水的重量 百分数 。 铁舰化反应或毛

公式为ere=-g∑yicci [Kcal/kg (9) 式中，g一每公斤钢中铁的氧化t,〔kg(e)/kg(st) yi一铁生成不同氧化物i(FeO,Fc2O,Fc,O,)的重卧百分数。 e.i一铁生成氧化物i的反应拥，〔Kcal/kg(Fe)) 根据氧化铁皮成分数据1]及信泽寅男教授提供的e:数据〔7刀，我们采用以下公式 (计算见表1) ere=1284g 〔Kcal/kg) (10) 表1 铁氧化反应拥计算激据 氧化 计算项1 FeO Fe:O Fe:O 氧化铁皮成分[4们 重昼百分数% 而 10 50 到化物分子含钱母 0.77731 0.69944 0.72360 [kg(Fe)/kg(i)] yi 0.418G 0.0942 0.4872 [7」 eci [kcal/kg] 1010 1640 1450 zyieci [kcal/kg] 1281 3。化学不完全燃烧烟气的化学拥： 公式为[] c.=7990C′+xeci 〔Kcal/NM3) (11) 式中：C一烟气中的游离碳，〔kg/NM3〕 x:一烟气中可然成分i的休积百分数， ee一可燃成分i的3值，〔Kcal/NM3〕，e值在表2中查取。 表2 可燃气体化学拥值[1] 分子式 H: Co CH C,H C,H C:Ha C,H。 C,HCHi。 HS eci Kcal/NM*2480 2740 8520 13120·14050 15510 20730 22300 29070 5290 4。姑拥： 燃料及空气预热，钢坯（锭）加热，高温烟气，炉门滋气，炉子机构吸热等项烟值， 可用下述近似公式计算： o)(1-下Tln)〔Kca/kg)或(Kc (12) 或者可取下式计算： o=-ho1-r。1n）Keal/ks)或(Kca/xM) (13) 61

公式为 时 二 ‘ 艺 〔 仁 〕 之 式 中 － 每公 斤钢 中铁的氧化量 ， 〔 户 － 铁生 成不 同氧化物 ， 户 。 。 〕 的重量 百 分数 。 。 － 铁生 成氧化物 的反应拥 ， 〔 户 〕 根据氧化铁皮成分数据 〔 门 及信泽寅男 教授提供的 数据 〔月 ， 我们采用 以 下 公 式 计算见 表 。 二 〔 〕 表 铁叙化反应夕用计茸教据 一 ，一 一一 一 嗽化 绪勿 计算 岁之 ‘ 氧重 化量铁百皮分成数分 氧 化 物 分 子 含铁 遇 ， 〕 。 。 。 。 。 。 了 。 〕 。 化学不完全燃烧烟 气的化学姗 公 式为 〔门 。 ， 艺 ‘ － 烟气中的游离碳 ， 〔 灯 “ 〕 － 烟气中可 燃成 分 的体积 一 百分数 ， 。 － 可燃成分 的 姗值 ， 〔 〕 〔 交 “ 〕 。 ，值在表 中查 取 。 可游气体化学男用值〔习 朴粗 分 子 式 了 ， “ · … · · · · · … 。 … 。 ‘ 。 。 。 。 。 ’ 。 。 味舍索用 燃料及 空气顶热 ， 钢 坯 锭 加热 ， 高温烟气 ， 炉 门溢气 ， 炉予机 构吸热等项加值 ， 可 用下 述 近似公万弋计算 、 一 。 一 一 。 〔 〕 或 〔 ” 〕 一 或者可 取下式计算 、 一 一。 一 〔 丈 〕 或 〔 又 入 飞 ‘ 令 〕 。 ， ’ 一