SKS煉鉛鼓風(fēng)爐的能量分析和火用分析＊

蔣愛(ài)華，梅 熾，時(shí)章明，2，余 煌，姜信杰，朱小軍，2

（1.中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410083；2.湖南節(jié)能評(píng)價(jià)技術(shù)研究中心，湖南長(zhǎng)沙 410083）

SKS煉鉛鼓風(fēng)爐的能量分析和火用分析＊

蔣愛(ài)華1，2?，梅 熾1，時(shí)章明1，2，余 煌1，姜信杰1，朱小軍1，2

（1.中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410083；2.湖南節(jié)能評(píng)價(jià)技術(shù)研究中心，湖南長(zhǎng)沙 410083）

為挖掘SKS煉鉛系統(tǒng)的鼓風(fēng)爐（SKS鼓風(fēng)爐）的節(jié)能潛力，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用能量分析法和火用分析法分別對(duì)SKS鼓風(fēng)爐的能量收支、火用量收支分布狀況進(jìn)行了衡算和分析.結(jié)果表明：SKS鼓風(fēng)爐的熱效率和火用效率分別為47.55%和38.88%.采取減少排煙損失、利用冷卻水帶走的能量、采用高鉛渣直接還原新工藝等措施可以提高爐子的熱效率和火用效率；僅利用鼓風(fēng)爐冷卻水帶走的能量就可以使?fàn)t子的熱效率提高到71.34%，火用效率提高到43.01%.SKS鼓風(fēng)爐的火用輸出總量要遠(yuǎn)小于火用輸入總量，內(nèi)部不可逆火用損失占總輸入火用的41.85%.SKS鼓風(fēng)爐總火用量收入為總能量收入的1.61倍，這說(shuō)明SKS鼓風(fēng)爐的能量和火用量衡算已經(jīng)沒(méi)有太大的相關(guān)性，火用分析更能夠反映出系統(tǒng)的物質(zhì)、能量消耗的本質(zhì)，而且SKS鼓風(fēng)爐的火用分析要比能量分析更簡(jiǎn)單.

能量分析；火用分析；節(jié)能；SKS煉鉛；鼓風(fēng)爐

火用指系統(tǒng)在只有環(huán)境作用下，經(jīng)歷可逆過(guò)程達(dá)到與周?chē)h(huán)境狀態(tài)平衡時(shí)能產(chǎn)生的最大可用功［1］.火用在實(shí)際熱力過(guò)程中都是不守恒的.火用分析法就是根據(jù)進(jìn)出系統(tǒng)火用量的不平衡發(fā)現(xiàn)不可逆火用損失，獲得熱力學(xué)完善性、火用效率等指標(biāo)，對(duì)系統(tǒng)的物質(zhì)、能量利用狀況給出全面評(píng)價(jià)的分析方法.火用分析不僅已被廣泛應(yīng)用于鋼鐵冶金、水泥、電力等生產(chǎn)過(guò)程和設(shè)備的能效狀況分析和評(píng)價(jià)［2－4］，也是空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化和冷熱源選擇的理論方法之一［5］.火用分析的應(yīng)用范圍已經(jīng)從個(gè)別的生產(chǎn)系統(tǒng)和設(shè)備擴(kuò)展到國(guó)家、地區(qū)和行業(yè)等大能源系統(tǒng)［6－8］.此外，火用理論也成為了評(píng)價(jià)地球和國(guó)家資源環(huán)境狀況的重要工具［9－10］.隨著中國(guó)關(guān)于火用分析國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的頒布和實(shí)施［11］，火用分析方法在中國(guó)將得到更廣泛的研究和應(yīng)用.

目前，火用分析方法在有色冶金領(lǐng)域中應(yīng)用的報(bào)道較少.冶金爐窯高溫產(chǎn)品的熱能將隨著產(chǎn)品冷卻而最終散失到環(huán)境，所以，僅對(duì)這類(lèi)爐窯進(jìn)行能量分析獲得熱效率指標(biāo)是不夠的.采用火用分析獲得的火用效率能揭示爐內(nèi)物質(zhì)、能量轉(zhuǎn)換、利用和損耗的實(shí)質(zhì)［12］.

SKS煉鉛法（水口山煉鉛法）為氧氣底吹熔煉－鼓風(fēng)爐還原煉鉛法，是中國(guó)自行開(kāi)發(fā)的先進(jìn)煉鉛方法，具有產(chǎn)品能耗低和環(huán)境污染少等優(yōu)點(diǎn).在SKS煉粗鉛過(guò)程中，混合粒礦首先進(jìn)入氧氣底吹爐完成氧化熔煉，獲得部分粗鉛和氧化爐渣（稱(chēng)高鉛渣），接著高鉛渣被冷卻鑄塊后送入鼓風(fēng)爐還原熔煉，獲得二次粗鉛產(chǎn)品，最后用煙化爐吹煉鼓風(fēng)爐渣，回收渣中的鉛和鋅.鼓風(fēng)爐是SKS煉鉛系統(tǒng)的主要設(shè)備，它的能效和火用損失狀況直接影響到整個(gè)煉鉛系統(tǒng)的能效水平.對(duì)鼓風(fēng)爐進(jìn)行能量和火用的衡算和分析，掌握爐子的能量和火用量收支狀況，可為該工序和爐子的節(jié)能改造提供依據(jù)，對(duì)降低SKS煉鉛的粗鉛綜合能耗和火用理論的發(fā)展都具有重要意義.

1 SKS鼓風(fēng)爐的能量和火用分析模型

1.1 鼓風(fēng)爐的能量分析模型

鼓風(fēng)爐的能量平衡分析計(jì)算模型基于能量守恒定律，即爐子的能量收入等于能量支出.能量平衡分析模型可表示為：

式中：Ein，i為鼓風(fēng)爐獲得的第i股能量流，MJ；Eout，i為鼓風(fēng)爐支出的第i股能量流，MJ.

鼓風(fēng)爐的能量收入包括物料帶進(jìn)的熱量、燃料燃燒熱和化學(xué)反應(yīng)放熱；支出能量包括粗鉛、鉛锍帶出的熱量，還包括煙氣、煙塵、冷卻水和蒸氣帶走的熱量和爐子的散熱.評(píng)價(jià)爐子的能量利用狀況的重要指標(biāo)是熱效率.熱效率為有效利用的能量與總收入能量之比.鼓風(fēng)爐的熱效率ηe為：

式中Eef，i為鼓風(fēng)爐有效利用第i股能量流，MJ.

鼓風(fēng)爐有效利用的能量流包括產(chǎn)品帶出的能量和鼓風(fēng)爐渣攜帶的能量.

1.2 鼓風(fēng)爐的火用分析模型

鼓風(fēng)爐的火用分析模型基于它進(jìn)出火用的不等性，進(jìn)出火用差為內(nèi)部不可逆火用損失.鼓風(fēng)爐的火用分析模型可用下式表示：

式中：EXin，i為進(jìn)入鼓風(fēng)爐的第i股火用流，MJ；EXout，i為離開(kāi)鼓風(fēng)爐的第i股火用流，MJ；Ii為第i項(xiàng)內(nèi)部不可逆火用損失，MJ.

式（3）中的火用損失包括化學(xué)反應(yīng)、不完全燃燒和溫差傳熱等不可逆過(guò)程造成的火用損失.

投入到鼓風(fēng)爐的火用流包括高鉛渣、焦炭和配料以及空氣的火用；離開(kāi)爐子的火用流包括粗鉛的火用、鉛锍的火用、鼓風(fēng)爐渣的火用、水蒸氣帶走火用、煙氣火用、煙塵火用和爐壁散熱火用損失等.其中，高于環(huán)境溫度、壓力的各物質(zhì)流都不僅僅有化學(xué)火用，還有相對(duì)于環(huán)境的物理火用.

系統(tǒng)有效利用的火用與輸入系統(tǒng)的總火用之比為火用效率，它是反映一個(gè)設(shè)備、工序或流程火用的有效利用程度的重要指標(biāo)，用ηex表示，即

式中：EXef，i為輸出系統(tǒng)的各股收益火用流，MJ.

SKS鼓風(fēng)爐的收益火用為粗鉛、鉛锍、煙塵的化學(xué)火用和高溫鼓風(fēng)爐渣的全部火用.

由式（3）可以計(jì)算出不可逆造成的火用損失.但是，內(nèi)部火用損失僅僅是SKS鼓風(fēng)爐火用損失的一部分，煙氣、煙塵排放也帶走了排放火用損失，爐壁散熱導(dǎo)致散熱火用損失.

某項(xiàng)火用損失EXloss，i與總輸入火用之比稱(chēng)為火用損系數(shù)εex，i，即

火用損系數(shù)εex，i是反映各項(xiàng)火用損失相對(duì)大小的指標(biāo)，比較各火用損系數(shù)大小，可判斷出用能薄弱環(huán)節(jié)，有針對(duì)性地開(kāi)展節(jié)能改造.

2 SKS鼓風(fēng)爐能量和火用衡算結(jié)果與分析

2.1 SKS鼓風(fēng)爐能量和火用衡算結(jié)果

分析對(duì)象為日處理量為335 t／d的SKS煉鉛鼓風(fēng)爐.現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試獲得進(jìn)出物料的流量和成分，產(chǎn)品和鼓風(fēng)爐渣的溫度，煙氣成分、排放溫度和壓力，冷卻水套補(bǔ)水量以及爐壁溫度等.首先進(jìn)行爐子的物質(zhì)平衡計(jì)算，在物質(zhì)平衡結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行能量平衡計(jì)算和火用量衡算.表1為對(duì)應(yīng)1 000 kg高鉛渣量的物料平衡計(jì)算結(jié)果.由表1可知，投入鼓風(fēng)爐的物料總量為2 332.75 kg，產(chǎn)出物料總量為2 326.82 kg，衡算誤差5.97 kg，相對(duì)誤差為0.26%，物料衡算結(jié)果有效.表2為能量平衡計(jì)算結(jié)果.由表2可知，未計(jì)入的熱損失（包括爐子底部散熱、放鉛口輻射散熱等）及衡算誤差等因素造成的其他熱損失項(xiàng)占2.42%，鼓風(fēng)爐的能量平衡計(jì)算誤差在工程允許范圍，能量衡算結(jié)果有效.表3所示為鼓風(fēng)爐的火用衡算結(jié)果.

表1 SKS鼓風(fēng)爐的物料平衡數(shù)據(jù)表（對(duì)應(yīng)1 000 kg高鉛渣量）Tab.1 Data sheet of material balance of the SKS blast furnace（per 1 000 kg high lead slag）

表2 SKS鼓風(fēng)爐能量平衡計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)表（對(duì)應(yīng)1 000 kg高鉛渣）Tab.2 Data sheet of energy balance of the SKS blast furnace（per 1 000 kg high lead slag）

表3 SKS鼓風(fēng)爐火用衡算結(jié)果數(shù)據(jù)表（對(duì)應(yīng)1 000 kg高鉛渣）Tab.3 Data sheet of exergy balance of the SKS blast furnace（per 1 000 kg high lead slag）

2.2 SKS鼓風(fēng)爐的熱效率和火用效率

由表2可以看出，對(duì)應(yīng)1 000 kg高鉛渣的鼓風(fēng)爐的能量總收入為3 720.70 MJ，總有效利用能量為1 769.08 MJ，它們包括化學(xué)反應(yīng)吸熱、產(chǎn)品帶出能量、煙塵帶出能量及鼓風(fēng)爐渣帶出能量.鼓風(fēng)爐熱效率為47.55%，能量損失占52.45%，能量損失包括煙氣排放帶走的能量、鉛揮發(fā)損失能量、爐壁散熱和其他能量損失.

由表3可知，SKS鼓風(fēng)爐的總輸出火用為3 469.03 MJ，小于總輸入火用5 967.38 MJ，總輸出火用為總輸入火用的58.15%，總輸入火用和總輸出的差值反映了SKS鼓風(fēng)爐實(shí)際過(guò)程離理想可逆過(guò)程的程度.從表3還可以看出，輸出火用中并不全是收益火用，收益火用占總輸入火用的38.88%，此值即鼓風(fēng)爐火用效率.產(chǎn)品冷卻、煙氣排放、爐壁散熱等外部火用損失占19.27%，加上內(nèi)部損失，總火用損失為總輸入火用的61.12%.

比較能量分析和火用分析結(jié)果，SKS鼓風(fēng)爐的熱效率比火用效率要高.

2.3 SKS鼓風(fēng)爐的能量和火用量損失機(jī)理分析

表2顯示，SKS鼓風(fēng)爐的2項(xiàng)主要能量損失為煙氣帶走的能量和冷卻水帶出的能量，分別占總能量收入的22.44%和23.79%.而由表3可知，SKS鼓風(fēng)爐的最大火用損失項(xiàng)為爐內(nèi)不可逆火用損失，占總輸入火用的41.85%，此項(xiàng)火用損失主要是因?yàn)榻固咳紵蜖t內(nèi)溫差傳熱等不可逆過(guò)程造成的，降低該項(xiàng)損失要受到目前工藝條件的限制，若采取高鉛渣直接還原新工藝，可減少燃料消耗和溫差傳熱量，可使該項(xiàng)火用損失降低；其次為煙氣排放火用損失，排放煙氣的物理火用、化學(xué)火用合計(jì)為總輸入火用的13.53%（見(jiàn)表3），降低排煙溫度，可以減少煙氣損失；再次為冷卻水帶走的火用損失，占總輸入火用的4.13%（見(jiàn)表3）.若能夠?qū)⒐娘L(fēng)爐冷卻水帶走的能量全部回收利用，則爐子的熱效率可以提高到71.34%（47.55%＋23.79%），而火用效率可以提高到43.01%（38.88%＋4.13%）.

2.4 SKS鼓風(fēng)爐的能量分析和火用分析的其他差異

1）SKS鼓風(fēng)爐總能量和火用量收入差異.從表2，表3可以看出，能量收入總量為3 720.70 MJ，總火用量收入為5 967.38 MJ，后者是前者的1.61倍，說(shuō)明SKS鼓風(fēng)爐能量衡算和火用衡算分析的相關(guān)性不大.這主要因?yàn)槲镔|(zhì)的能量?jī)H為物質(zhì)高于環(huán)境溫度的焓，而火用量計(jì)算中不僅包含了反應(yīng)物體溫度高于環(huán)境溫度的物理火用，還包含了反映物質(zhì)與環(huán)境存在化學(xué)結(jié)構(gòu)和組分偏差時(shí)的化學(xué)火用，因此，火用量更能反映物質(zhì)、能量的做功能力即價(jià)值的大小.

2）產(chǎn)品能量和火用量收入差異.產(chǎn)品收益的能量隨著產(chǎn)品溫度降低而損失到周?chē)h(huán)境中，而產(chǎn)品的收益火用（化學(xué)火用）將伴隨產(chǎn)品進(jìn)入下一道工序或者進(jìn)入市場(chǎng)，能量和火用量收益的性質(zhì)是不同的，一個(gè)是暫時(shí)性收益，另一個(gè)是永久性收益，因此，火用分析更能夠反應(yīng)出系統(tǒng)的物質(zhì)、能量消耗的本質(zhì).

3）能量和火用量衡算過(guò)程差異.從表2看出，能量的收入項(xiàng)和輸出項(xiàng)都與化學(xué)反應(yīng)過(guò)程有關(guān)，說(shuō)明了能量平衡計(jì)算必須要弄清爐內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)情況；從表3可以看出，火用量收入都是外界物質(zhì)流帶進(jìn)的，輸出火用量都是離開(kāi)爐子的產(chǎn)品和排放物及散熱量帶出的火用，說(shuō)明火用量衡算不需要知道爐內(nèi)情況.熱量衡算必須取白箱模型，火用量衡算分析則取黑箱模型即可，火用量衡算分析要相對(duì)簡(jiǎn)單些.

3 結(jié) 論

1）SKS鼓風(fēng)爐熱效率為47.55%，排煙損失、水蒸氣帶走的能量為兩大能量損失項(xiàng)，若利用冷卻水套帶走的能量，爐子的熱效率可以提高到71.34%.

2）SKS鼓風(fēng)爐的火用效率為38.88%，內(nèi)部不可逆火用損失為41.85%，采用高鉛渣直接還原新工藝、利用冷卻水帶走的能量、降低煙氣排煙損失可以提高鼓風(fēng)爐的火用效率，僅將冷卻水帶走的能量全部利用，則可使鼓風(fēng)爐的火用效率提高到43.01%.

3）冶金爐的能量分析和火用分析已經(jīng)沒(méi)有太大的相關(guān)性，火用分析不僅更能夠反應(yīng)出爐內(nèi)物質(zhì)、能量消耗的本質(zhì)，而且火用衡算分析要比能量平衡分析更簡(jiǎn)便、更直觀.因此，火用分析方法值得在冶金生產(chǎn)過(guò)程和設(shè)備的分析和評(píng)價(jià)中得到推廣應(yīng)用.

致謝：特別感謝對(duì)本項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作提供支持和幫助的水口山有色金屬集團(tuán)有限公司第八冶煉廠的有關(guān)工作人員.

［1］ 布羅章斯基B M.火用方法及其應(yīng)用［M］，王加璇，譯.北京：中國(guó)電力出版社，1997：7－9.

БRODYANSKY B M.Exergy analysis method and its application［M］.Translated by WANG Jia-xuan.Beijing：China Electric Power Press，1997：7－9.（In Chinese）

［2］ COSTA M M，SCHAEFFER R，WORREL E.Exergy accounting of energy and materials flows in steel production systems［J］.Energy，2001，26（4）：363－384.

［3］ RASUL M G，WIDIANTO W，MOHANTY B.Assessment of the thermal performance and energy conservation opportunities of a cement industry in indonesia［J］.Applied Thermal Engineering，2005，25（17／18）：2950－2965.

［4］ ALIJUNDI I H.Energy and exergy analysis of a steam power plant in Jordan［J］.Applied Thermal Engineering，2009，29（2）：324－328.

［5］ 龔光彩，曾巍，常世鈞.基于火用方法的空調(diào)冷熱源系統(tǒng)優(yōu)化決策［J］.湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，32（5）：16－19.

GONG Guang-cai，ZENG Wei，CHANG Shi-jun.Scheme-selection optimization of air-conditioning heating and cooling system based on exergy method［J］.Journal of Hunan University：Natural Sciences，2005，32（5）：16－19.（In Chinese）

［6］ UTLU Z，HEPBASLI A.Analysis of energy and exergy use of the Turkish residential-commercial sector［J］.Building and Environment，2005，40（5）：641－655.

［7］ UTLU Z，HEPBASLI A.Assessment of the Turkish utility sector through energy and exergy analyses［J］.Energy Policy，2007，35（10）：5012－5020.

［8］ CHEN G Q，CHEN B.Extended-exergy analysis of the Chinese society［J］.Energy，2009，34（9）：1127－1144.

［9］ CHEN B，CHEN G Q，YANG Z F.Exergy-based resource accounting for China［J］.Ecological Modeling，2006，196（3／4）：313－328.

［10］HERMANN W A.Quantifying global exergy resources［J］.Energy，2006，31（12）：1685－1702.

［11］全國(guó)能源基礎(chǔ)與管理標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB／T 14909－2005能量系統(tǒng)火用分析技術(shù)導(dǎo)則［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

National Energy Foundation and Management Standardization Technical Committee.GB／T 14909－2005 Technical guides for exergy analysis in energy system［S］.Beijing：Standards Press of China，2005.（In Chinese）

［12］蔣愛(ài)華，楊雙歡，梅熾，等.SKS煉鉛氧氣底吹爐的火用分析［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，41（3）：1190－1195.

JIANG Ai-hua，YANG Shuang-huan，MEI Chi，etal.Exergy analysis on oxygen bottom blown furnace in SKS lead smelting system［J］.Journal of Central South University：Science and Technology，2010，41（3）：1190－1195.（In Chinese）

Energy and Exergy Analysis of the Blast Furnace in SKS Lead Smelting System

JIANG Ai-hua1，2?，MEI Chi1，SHI Zhang-ming1，2，YU Huang1，JIANG Xin-jie1，ZHU Xiao-jun1，2

（1.School of Energy Science and Engineering，Central South Univ，Changsha，Hunan 410083，China；2.Hunan Research Center of Energy-saving Evaluation Technology，Changsha，Hunan 410083，China）

In order to exploit the potential of energy-saving of blast furnaces in SKS lead smelting systems（hereinafter referred to as SKS blast furnace），the income and expense distribution of energy and exergy were calculated and analyzed by adopting the energy and exergy analysis approach.The results indicated that the thermal efficiency and the exergy efficiency of the SKS blast furnace is 47.55%and 38.88%，respectively.The efficiencies can be improved by reducing the loss of discharged gas，making use of the energy of cooling water，directly reducing the high lead slag with new techniques.and so on.The thermal efficiency and the exergy efficiency of the SKS blast furnace can reach 71.34%and 43.01%，respectively，by only utilizing the energy of cooling water.The total output of the exergy leaving the SKS blast furnace is much smaller than the total input，and the internal irreversible exergy loss accounts for 41.85%of the total input of exergy.The exergy income of the SKS blast furnace is 1.61 times of the total energy income，which illustrates that the balance of the energy and the exergy have little relevance.Exergy analysis further shows the essential of the consumption of material and energy in systems.Moreover，the exergy analysis is simpler than the energy analysis.

energy analysis；exergy analysis；energy-saving；SKS lead smelting；the blast furnace

TF062

A

1674-2974（2011）06-0038-05＊

2010-09-29

湖南省科技計(jì)劃攻關(guān)重大專(zhuān)項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（2008SK1002）

蔣愛(ài)華（1965－），女，湖南永州人，中南大學(xué)副教授

?通訊聯(lián)系人，E-mail：jah65＠163.com