能量控制對熱處理節(jié)能的影響

宋 杰，韓鳴花，許忠祥，王建斌，安榆林，吳 晶

(1.南京出入境檢驗檢疫局，江蘇 南京211100; 2.蘇州出入境檢驗檢疫局，江蘇蘇州215000;3.江蘇出入境檢驗檢疫局，江蘇 南京210000)

能量控制對熱處理節(jié)能的影響

宋 杰1，韓鳴花1，許忠祥1，王建斌2，安榆林3，吳 晶1

(1.南京出入境檢驗檢疫局，江蘇 南京211100; 2.蘇州出入境檢驗檢疫局，江蘇蘇州215000;3.江蘇出入境檢驗檢疫局，江蘇 南京210000)

在熱處理過程中，能量的供給形式不同，導(dǎo)致實際能量的利用效率也不同。通過加熱過程中能量供給的控制，實驗驗證可以提高整個加熱過程中的能量利用率。實驗表明加熱過程中通過控制能量供給的方法可以提高能量利用效率，節(jié)能效果明顯，與平均能耗的正負差高達28.28%。即在不增加任何投入的基礎(chǔ)上通過改變能量供給就可實現(xiàn)節(jié)能減排，為熱處理等相關(guān)的耗能行業(yè)實現(xiàn)節(jié)能提供了一個新的思路。

能量控制;效率;節(jié)能;熱處理

作為高能耗行業(yè)之一的熱處理行業(yè)的節(jié)能一直是學(xué)者和專家們的研究方向，絕大多數(shù)都是通過對加熱設(shè)備的改進提高能量利用效率，或者通過余熱的回收和再利用裝置來提高能量利用效率。無論是加熱設(shè)備的改進還是回收裝置的研發(fā)，都需要在節(jié)能上進行設(shè)備投入。如何在不增加投入的基礎(chǔ)上通過科學(xué)使用能量提高能量的利用效率來實現(xiàn)節(jié)能是一個全新的思路。隨著近年來“火積”［1］概念的提出，加熱過程中的節(jié)能已經(jīng)不僅僅只停留在設(shè)備與裝置等硬件的研究上，而是包括溫度的控制［2］以及通過優(yōu)化熱傳遞［3］研究上同樣能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排。

本研究通過對相同設(shè)備，在相同的環(huán)境下調(diào)整能量供給方式達到同樣結(jié)果的實驗，在理論的基礎(chǔ)上證實了相同設(shè)備在相同環(huán)境下要達到相同的結(jié)果，通過不同能量供給方式的能量利用效率是完全不同的。從實驗角度證明了“火積”在熱處理實際生產(chǎn)中的意義，同時為實際生產(chǎn)過程中通過科學(xué)使用能量實現(xiàn)節(jié)能起到一定的指導(dǎo)作用。

1 常見的通過能量控制節(jié)能現(xiàn)象

1.1 汽車經(jīng)濟時速的節(jié)油現(xiàn)象

所謂汽車經(jīng)濟時速是指汽車最省油的行駛速度，也就是同一汽車，同一動力系統(tǒng)，在使用不同時速時油耗不同的現(xiàn)象，低于或高于經(jīng)濟時速的速度油耗(能耗)就會上升。但各種車型的經(jīng)濟時速有所不同，每種車型廠家都會根據(jù)實驗設(shè)計與設(shè)定在一定范圍。例如別克GS型轎車在時速70 km/h時，油耗為6.47 L;而時速達到120 km/h時，油耗則上升到 9.46 L［4］。二者相差 30% 以上。

1.2 通過提高傳輸電壓降低電能損耗

通常情況下，發(fā)電廠的汽輪發(fā)電機本身發(fā)出的電壓只有15750 V。發(fā)電廠在傳輸電壓時會提高到0.5～1.0×106V的超高壓輸電，這樣即使在同等線徑的輸電線上也能減少電能在傳輸過程中的能量損失，實現(xiàn)節(jié)能的目的。

1.3 燃煤熱處理鍋爐的供煤控制實現(xiàn)節(jié)能

在熱處理行業(yè)中常用的燃煤鍋爐，經(jīng)驗豐富的工人通過控制燃煤的添加時間與添加方式同樣可以提高燃煤能量的使用。在鍋爐燃燒過程中，不同的添加方式按鍋爐工人估算，燃煤量差異或可達到10%以上。

2 木質(zhì)包裝熱處理的基本能耗現(xiàn)狀

木質(zhì)包裝熱處理的國際標(biāo)準(zhǔn)為木心溫度56℃，持續(xù)30 min，國際標(biāo)準(zhǔn)中未對熱處理環(huán)境的因素進行詳細規(guī)定［5］，只要能實現(xiàn)國際標(biāo)準(zhǔn)中的最低要求即可。國際上目前共用的方法為熱處理窯，通過外部加熱設(shè)備(大多為熱鍋爐)對木質(zhì)包裝進行加熱，鍋爐的溫度范圍一般在150℃以內(nèi)，但企業(yè)實際控制的窯內(nèi)加熱溫度各不相同。但使用不同的窯內(nèi)溫度加熱木質(zhì)包裝能耗是否相同，目前國際上并無相關(guān)研究報道。因此國際上木包裝熱處理企業(yè)大多采用60～90℃的經(jīng)驗值范圍進行加熱，主要考慮到在此溫度范圍內(nèi)對木材加熱過程中開裂的影響。國內(nèi)熱處理企業(yè)處理一個標(biāo)準(zhǔn)窯木質(zhì)包裝所使用的蒸汽量約為3 t，2012年度蒸汽價格為203元/t。若使用焦炭鍋爐，處理一個標(biāo)準(zhǔn)窯木質(zhì)包裝所使用的焦炭量約為0.3 t，一級焦炭2012年價格約為1600元/t，電加熱一個標(biāo)準(zhǔn)窯木質(zhì)包裝所使用的電量約為500 kW/h，商業(yè)用電為1元/(kW·h)。國內(nèi)目前包裝處理企業(yè)近1000家，每家企業(yè)年處理包裝至少可達100窯(多數(shù)企業(yè)使用2座窯以上)，以每窯加熱成本平均500元計算，全年加熱成本至少達5000萬元，按本研究的能耗正負差28.28%計算，效益相差約1400萬元。

3 實驗設(shè)計

3.1 實驗?zāi)康?/h3>

測定相同設(shè)備通過不同加熱方法達到同一結(jié)果條件下統(tǒng)計使用的能量總量，篩選出實驗設(shè)定條件下的節(jié)能區(qū)間，并比較不同過程方法的能耗。

3.2 實驗方法

整個實驗在實驗室模擬環(huán)境下進行，以烘箱模擬實體窯，實際用電量計算為能耗，燒瓶中定量水模擬為熱處理對象，實現(xiàn)一定初始溫度(25℃)加熱到目標(biāo)溫度(56℃)，采用不同溫度加熱(64～145℃)控制烘箱，記錄每次采用不同溫度對處理對象加熱達到目標(biāo)溫度的耗電量，將耗電量通過公式轉(zhuǎn)換為能量。

3.3 實驗結(jié)果

不同加熱溫度下達到56℃的能耗數(shù)據(jù)見表1，加熱溫度和耗電量的變化曲線如圖1所示。

表1 不同加熱溫度下達到56℃能耗數(shù)據(jù)Table 1 Energy consumption data of achieving 56℃in different heating temperature

表1 (續(xù))

圖1 加熱溫度與耗電量變化曲線Fig.1 Change curve of heating temperature and power consumption

4 討論分析

1)類比實驗結(jié)果表明:相同條件下，實現(xiàn)相同結(jié)果，采用不同溫度加熱的能耗是完全不同的，實驗條件范圍內(nèi)最高能耗和最低能耗與平均能耗的正負差高達28.28%。隨著熱處理窯能量數(shù)字化控制系統(tǒng)對加熱各階段能量需求［6］的分析，通過加熱溫度(也可以稱為能量供給方式)的控制可以降低能耗，實現(xiàn)節(jié)能的目的。

2)在一定條件下，加熱溫度與總能耗的相關(guān)性具有一定規(guī)律，在實驗設(shè)定的目標(biāo)參數(shù)中，78～98℃范圍內(nèi)是總能量消耗的較低區(qū)間;高于或低于該區(qū)間，總能耗均呈現(xiàn)上升趨勢。若在木質(zhì)包裝熱處理過程中不考慮其他因素的前提下，建議處理過程中的加熱溫度采用78～98℃范圍內(nèi)，該區(qū)間范圍內(nèi)總能耗差異不大。

3)“火積”的科學(xué)使用能量上具有一定的指導(dǎo)意義，高能耗、高污染行業(yè)應(yīng)該在研究節(jié)能方面適當(dāng)轉(zhuǎn)換研究思路，針對本行業(yè)的處理目標(biāo)通過科學(xué)實驗，驗證分析提高能量利用率，對企業(yè)節(jié)能提出指導(dǎo)意見。

4)通過控制能量節(jié)能的研究不僅限于溫度，如在實際中常見的通過能量控制節(jié)能的很多情況，均可以在任何能量傳導(dǎo)過程中的任何環(huán)節(jié)進行科學(xué)控制和分配，從而實現(xiàn)提高能量利用率的節(jié)能目標(biāo)。

［1］過增元，梁新剛，朱宏曄.火積描述物體傳遞熱量能力的物理量［J］.自然科學(xué)進展，2006(16):1288-1296.

［2］蘇靜，楊雪玲.熱處理工藝中加熱時間的研究［J］.熱處理技術(shù)與裝備，2010，31(3):31 -33.

［3］吳晶.熱學(xué)中的勢能(火積)及其應(yīng)用［D］.北京:清華大學(xué)博士學(xué)位論文，2009.

［4］老驥.怎樣節(jié)油［J］.道路交通管理，2003(3):32-33.

［5］IPPC ISPM No.15 Guidelines for Regulating Wood Packaging Material in International Trade［S］.

［6］宋杰，許忠祥，王建斌，等.太陽能結(jié)合輔助加熱型節(jié)能熱處理窯的理論設(shè)計［J］.中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2013(1):99-103.

［7］魏仕勇，劉克明，胡強，等.低碳經(jīng)濟與熱處理節(jié)能環(huán)保新技術(shù)淺談［J］.熱處理技術(shù)與裝備，2011，32(12):46-50，53.

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［9］呂德隆.兵器工業(yè)的熱處理節(jié)能技術(shù)現(xiàn)狀和展望［J］.熱處理技術(shù)與裝備，2012，33(01):1-9.

Effect of Control of Power Supply on Heat Treatment Energy Saving

SONG Jie1，HAN Ming-hua1，XU Zhong-xiang1，WANG Jian-bin2，AN Yu-lin，WU Jing1
(1.Nanjing Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Nanjing Jiangsu 211100，Chian;2.Suzhou Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Suzhou Jiangsu 215000，Chian;3.Jiangsu Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Nanjing Jiangsu 210000，Chian)

In the process of heat treatment，the different forms of power supply cause the different energy utilization efficiency.Experiments show that the control of power supply in the heating process can improve the energy utilization efficiency.The experimental results show that the method to control the power supply of the heating process can improve evident energy saving effect of the energy utilization efficiency，and the average energy consumption of the positive and negative difference is as high as 28.28%.Based on without increase in any investment，the energy saving and emission reduction can be realized by changing the way of power supply.At the same time，for heat treatment and other related industry to achieve the energy saving provides a new train of thought.

control of power supply;efficiency;energy saving;heat treatment

TG156.1

B

1673-4971(2014)05-0064-03

2014-07-17

宋 杰(1978-)，男，碩士，工程師，主要研究森林保護、植物檢疫、木包裝處理等;

聯(lián)系電話:13601459388;E-mail:wuj2@jsciq.gov.cn

國家質(zhì)檢總局項目(2012IK277);江蘇出入境檢驗檢疫局項目(2009KJ47);中美合作項目。