摘要:本文按照GB/T39809-2021平板玻璃窯爐能耗測(cè)定方法,對(duì)蚌埠地區(qū)七家達(dá)到了國(guó)家發(fā)展改革委認(rèn)定的重點(diǎn)能耗單位的玻璃生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行實(shí)際測(cè)算,通過(guò)比較直接法和間接法在實(shí)際測(cè)算過(guò)程的影響因素,得出結(jié)論直接法更適用于建立能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),以供參考。
關(guān)鍵詞:節(jié)能減排;能耗測(cè)算;直接法;間接法
DOI:10.12433/zgkjtz.20232541
2007年,首度在中國(guó)政府工作報(bào)告中正式展示了“資源保護(hù)和垃圾減少”的觀念。溫家寶總理強(qiáng)調(diào)強(qiáng)調(diào),“應(yīng)更為關(guān)注資源保護(hù)和生態(tài)環(huán)保,完善減低資源消耗和垃圾排放政策,廣泛建立資源降低和垃圾排放責(zé)任制度?!痹?015年巴黎氣候大會(huì)上,178個(gè)國(guó)家達(dá)成共識(shí),共同商議并簽署了題名為“巴黎氣候變化合約”的文件,將降低全球平均氣溫作為未來(lái)的共同目標(biāo)。在2020年第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上,我國(guó)提出了“碳中和”的目標(biāo)。能源的生產(chǎn)和使用涉及可持續(xù)發(fā)展和基本民生問(wèn)題。資源使用情況的改善不僅關(guān)系到企業(yè)未來(lái)的經(jīng)濟(jì)利益,還涉及溫室氣體排放和垃圾排放的總量。在當(dāng)今社會(huì)對(duì)環(huán)境問(wèn)題日益敏感的情況下,資源保護(hù)和垃圾減少顯得尤為重要。
蚌埠市是硅基生產(chǎn)企業(yè)的聚集地,硅基生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模接近1000億。硅基生產(chǎn)行業(yè)一直是高能耗、高排放的行業(yè)。能源計(jì)量是確保能源政策的重要技術(shù)支持。如果沒(méi)有準(zhǔn)確的能源計(jì)量數(shù)據(jù),就不能制定科學(xué)的能源消耗指標(biāo)、監(jiān)測(cè)實(shí)際能源消耗和評(píng)估能源結(jié)果。因此,能源計(jì)量對(duì)蚌埠這一以硅產(chǎn)業(yè)為特色的城市而言尤為重要,是實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)的基礎(chǔ)。
通過(guò)對(duì)蚌埠市七家達(dá)到國(guó)家發(fā)展改革委確定的重點(diǎn)能耗單位的玻璃生產(chǎn)企業(yè)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn),生產(chǎn)過(guò)程中的玻璃窯爐是核心能耗點(diǎn),窯爐結(jié)構(gòu)、燃燒系統(tǒng)、熱能利用、絕熱材料、熱工測(cè)試、環(huán)境保護(hù)和控制系統(tǒng)都對(duì)窯爐的綜合能耗有很大影響。本文能耗計(jì)算方法按照GB/T39809-2021進(jìn)行,選取測(cè)量期間窯內(nèi)每千克熔融玻璃消耗的能量作為窯爐能耗。
測(cè)量方式分為非直接途徑和直接途徑兩種,非直接途徑是通過(guò)審查窯爐系統(tǒng)的熱平衡估算窯爐的能源使用,如果無(wú)法明確燃料使用量或燃料熱值,就應(yīng)采取非直接途徑。而直接方式是基于燃料的使用量、熱值和電助熔的電耗來(lái)計(jì)算窯爐的能源使用,適用于已明確燃料用量和燃料熱值的情況。
一、直接測(cè)定法
直接測(cè)定法需要測(cè)定的項(xiàng)目包括燃料消耗量、熱值、電助熔熱、熱值、電助熔熱、玻璃液質(zhì)量六個(gè)。其中,熱值的測(cè)定并非現(xiàn)場(chǎng)由計(jì)量器具直接測(cè)得,應(yīng)優(yōu)先采用檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)報(bào)告上的數(shù)值,也可采用國(guó)家公布的數(shù)值。蚌埠地區(qū)的窯爐主要是蚌埠市新奧燃?xì)馓峁┑奶烊粴?,品質(zhì)及熱值相對(duì)穩(wěn)定。燃料的消耗量現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)智能氣體渦輪流量計(jì)的讀數(shù)獲得。
電助熔熱的測(cè)定:用電量依據(jù)電表讀數(shù)確定,按電力折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)轉(zhuǎn)化為能量按式(1)計(jì)算,其中用電量通過(guò)窯爐區(qū)域?qū)?yīng)的三相三線智能電能表獲得。
式中:
Qd—電助熔熱,單位為千焦(kJ);
W—用電量,單位為千瓦時(shí)(kW·h);
A—電力折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù),取0.1229kgce/(kW·h)
玻璃液質(zhì)量的測(cè)定:取測(cè)定期內(nèi)統(tǒng)計(jì)得到的玻璃液質(zhì)量,可以通過(guò)生產(chǎn)控制系統(tǒng)直接讀取。
取測(cè)定期內(nèi)燃料的消耗量、熱值、電量和玻璃液質(zhì)量,按式(2)計(jì)算能耗:
式中:
E—窯爐能耗,單位為千焦每千克(kJ/kg);
mr—燃料的消耗量,單位為千克(kg);
Qdw—燃料低位發(fā)熱量,單位為千焦每千克(kJ/kg);
Qd—電助熔熱,單位為千焦(kJ);
mb—玻璃液質(zhì)量,單位為千克(kg)。
通過(guò)直接法測(cè)定步驟相對(duì)簡(jiǎn)單,僅燃料的消耗量、用電量、玻璃液質(zhì)量三個(gè)參數(shù)需要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得,所用計(jì)量器具可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)控。中大型企業(yè)燃料供應(yīng)品控嚴(yán)格供應(yīng)商相對(duì)固定,燃料低位發(fā)熱量在燃料品質(zhì)穩(wěn)定的情況下數(shù)值相對(duì)穩(wěn)定,不會(huì)產(chǎn)生較大變化。
二、間接測(cè)定法
依據(jù)能量平衡原理,通過(guò)測(cè)定輸出體系的總能量,得到輸入體系的總能量。測(cè)定體系包括窯爐的熔化部、澄清部、卡脖、冷卻部、小爐和蓄熱室。以窯爐的外表面和物料進(jìn)、出窯爐的界面作為體系與外界的分界面。
輸出體系能量包括玻璃液帶出顯熱、玻璃液帶出隱藏?zé)?、孔口輻射散熱、窯爐表面散熱、孔口溢流氣體顯熱、冷卻風(fēng)帶出熱、冷卻水帶出熱、煙氣顯熱和燃料化學(xué)不完全燃燒熱。輸入體系能量包括燃料燃燒熱、助燃空氣顯熱、霧化介質(zhì)顯熱、鼓泡氣體顯熱、配合料顯熱、電助熔熱共十五個(gè)項(xiàng)目。
玻璃熔體傳遞的熱量:需要測(cè)量玻璃熔體的溫度和質(zhì)量。測(cè)定玻璃熔體溫度的方法是采用與溫度示顯儀結(jié)合的一級(jí)鉑銠熱電偶熱量測(cè)量設(shè)備,將溫度感應(yīng)部分插入玻璃熔體中,深度約50mm,并置于溫度示顯儀的保護(hù)套管內(nèi)。在實(shí)際操作過(guò)中因玻璃液溫度極高,測(cè)量時(shí)應(yīng)注意安全防護(hù)避免灼燒皮膚,測(cè)量完成后取出熱電偶時(shí)應(yīng)等待玻璃液下滴結(jié)束后,靜置冷卻足夠時(shí)再回收測(cè)溫?zé)犭娕肌?/p>
玻璃液質(zhì)量通過(guò)測(cè)量玻璃原板的寬度及厚度計(jì)算求得一定時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)產(chǎn)品的總質(zhì)量,本次測(cè)量用分度值為0.01mm的外徑千分尺測(cè)量玻璃原板厚度。用Ⅰ級(jí)精度的鋼卷尺測(cè)量玻璃原板寬度。根據(jù)式(3)計(jì)算玻璃液質(zhì)量:
式中:
mb—玻璃液質(zhì)量,單位為千克每小時(shí)(kg/h);
Vb—玻璃板拉引速度,單位為米每小時(shí)(m/h) ;
Bb—玻璃原板寬度,單位為米(m);
hb—玻璃板厚度,單位為米(m) ;
ρ—玻璃密度,單位為千克每立方米(kg/m3)。
最后根據(jù)公式(4)計(jì)算玻璃液帶出顯熱Qbx,整個(gè)玻璃液帶出顯熱測(cè)量過(guò)程中有三個(gè)參數(shù)需要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。
式中:
Qbx—玻璃液帶出顯熱,單位為千焦每小時(shí)(kJ/h) ;
mb—玻璃液質(zhì)量,單位為千克每小時(shí)(kg/h) ;
cbc—玻璃液在0~tbc時(shí)的平均比熱容;
tbc—出體系玻璃液溫度。
玻璃液帶出潛熱:提前測(cè)定每千克配合料含水量,該項(xiàng)目需提前進(jìn)行,在原料混合機(jī)下料口取樣測(cè)量,遵循JC/T 648的標(biāo)準(zhǔn)操作程序,提前一天進(jìn)行三次均勻時(shí)間的取樣測(cè)定,并取平均值。玻璃液帶出潛熱按照公式(5)計(jì)算:
式中:
Qbq—玻璃液帶出潛熱Q,單位為千焦每小時(shí)(kJ/h);
qi—各種原料硅酸鹽形成反應(yīng)熱(以千克分解氧化物計(jì)),單位為千焦每千克(kJ/kg);
Khi—每千克配合料(濕基)中,各種原料引入的分解氧化物質(zhì)量,單位為千克每千克(kg/kg);
Kbf—熔成每千克玻璃液所需配合料(濕基)量,單位為千克每千克(kg/kg);
Kfq—每千克配合料(濕基)中逸出氣體的質(zhì)量,單位為千克每千克(kg/kg);
mb—玻璃液質(zhì)量,單位為千克每小時(shí)(kg/h);
K—每千克配合料實(shí)測(cè)含水質(zhì)量,單位為千克每千克(kg/kg)。
窯爐表面散熱的測(cè)定:需測(cè)定體系內(nèi)窯體的表面溫度和相應(yīng)的環(huán)境溫度,窯體表面積三個(gè)參數(shù)。
窯體表面積需要通過(guò)建筑圖紙確定,在本次調(diào)查測(cè)算中部分企業(yè)存在圖紙不齊全的情況,需要提前溝通尋找確認(rèn)建筑面積。窯體的表面溫度需要根據(jù)位置均勻取點(diǎn),取點(diǎn)位置按照表1進(jìn)行。
用最大允許誤差為±2℃(MPE±2℃)的紅外測(cè)溫儀進(jìn)行測(cè)溫,在實(shí)際過(guò)程中,因窯爐構(gòu)造及現(xiàn)場(chǎng)位置條件取點(diǎn)位置無(wú)法做到嚴(yán)格均勻選取,區(qū)域面積的劃分可能存在重疊的情況,從而影響測(cè)量結(jié)果。用二等標(biāo)準(zhǔn)玻璃液體溫度計(jì)測(cè)量位于測(cè)定區(qū)域1m處的環(huán)境溫度。按照式(6)測(cè)點(diǎn)區(qū)域的表面散熱量,窯爐表面散熱量等于各區(qū)域表面散熱量之和。
式中:
Qsir—各區(qū)域表面散熱量,單位為千焦每小時(shí)(kJ/h);
ai—對(duì)流輻射換熱系數(shù),單位為千焦每平方米小時(shí)攝氏度[kJ/(m2·h·℃)];
twi—測(cè)定區(qū)域的表面溫度平均值,單位為攝氏度(℃);
toi—環(huán)境溫度,單位為攝氏度(℃);
sbi—各區(qū)域的表面積,單位為平方米(m2)。
孔口的輻射熱量測(cè)算:測(cè)算孔口敞開(kāi)時(shí)的輻射溫度、孔口被磚塊覆蓋時(shí)磚塊的內(nèi)外表面溫度、孔口被金屬板遮蓋時(shí)金屬板的外表面溫度、孔口大小以及周?chē)h(huán)境溫度。
孔口敞開(kāi)時(shí)的輻射溫度可以直接利用紅外測(cè)溫儀測(cè)定。在測(cè)定孔口輻射溫度時(shí),不同角度可能會(huì)產(chǎn)生不同的溫度讀數(shù),但正對(duì)孔口進(jìn)行測(cè)量通常更符合實(shí)際需求。
當(dāng)孔口被金屬板覆蓋時(shí),可以直接使用紅外測(cè)溫儀測(cè)量金屬板的外表面溫度。
孔口尺寸可以使用Ⅰ級(jí)卷尺直接測(cè)量,而金屬板的外表面溫度可通過(guò)紅外測(cè)溫儀獲取。
磚材外觀溫度檢測(cè)采用紅外測(cè)溫儀器,鑒于安全考慮以及使用紅外測(cè)溫儀器,要翻轉(zhuǎn)磚材,但會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部溫度降低。因此,可以使用附近的窯爐溫度熱電偶顯示內(nèi)部溫度。對(duì)于環(huán)境溫度而言,使用玻璃液體溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)量,孔口面積可直接從圖紙中獲取。
孔口敞開(kāi)輻射散熱量根據(jù)公式(7)計(jì)算:
式中:
Qkf—孔口輻射散熱量,單位為千焦每小時(shí)(kJ/h);
Co—黑體輻射系數(shù)取20.4kJ/(m2·℃4·h);
tfi—窯體第i個(gè)孔口的輻射溫度,單位為攝氏度(℃);
toi—環(huán)境溫度,單位為攝氏度(℃);
φ1—窯體第i個(gè)孔口的門(mén)孔系數(shù);
Ski—窯體第i個(gè)孔口的面積,單位為平方米(m2)
孔口溢流氣體顯熱的測(cè)定:需要進(jìn)行孔口溢流氣體的溫度、成分、孔口氣體內(nèi)外靜壓差三個(gè)參數(shù)測(cè)定。
進(jìn)行氣體溫度測(cè)量時(shí),應(yīng)當(dāng)將剛玉保護(hù)套管中的單鉑銠熱電偶與溫度指示儀器組合的熱電偶溫度計(jì)安置于孔口上方,以進(jìn)行穩(wěn)態(tài)測(cè)定。
根據(jù)不同氣體成分采用不同氣體分析儀器,O2、CO、CO2采用奧式氣體分析儀或其他等效儀器測(cè)定;NOx可使用基于電位法或非分散紅外法原理的便攜氣體分析儀檢測(cè)成分;SO2可運(yùn)用電導(dǎo)率法、電位法和非分散紅外法原理的便攜氣體分析儀進(jìn)行測(cè)試。
用最大允許誤差為1%的U型管壓力計(jì)測(cè)定氣體內(nèi)外靜壓差,確保測(cè)壓管與氣流方向垂直,避免渦流和氣體泄露對(duì)測(cè)定的影響。
根據(jù)公式(8)計(jì)算孔口溢流氣體顯熱:
式中:
Qky—孔口溢流氣體顯熱,單位為千焦每小時(shí)(kJ/h);
Vyi—孔口溢流氣體量,單位為立方米每小時(shí)(m3/h);
cyi—孔口溢流氣體在0~℃時(shí)的平均比熱容,單位為千焦每立方米攝氏度[kJ/(m3·℃)];
tyi—孔口溢流氣體溫度,單位為攝氏度(℃)。
冷卻水帶出熱的測(cè)定:需要進(jìn)行冷卻水的流量、冷卻水進(jìn)、出溫度參數(shù)的測(cè)定。
直接在冷卻水進(jìn)出口處用玻璃溫度計(jì)測(cè)量溫度,冷卻水流量通過(guò)接在冷卻水管上的最大允許誤差為1%的水表直接讀取。
冷卻水帶出熱按公式(9)計(jì)算:
式中:
Q1s—冷卻水帶出熱量,單位為千焦每小時(shí)(k/h);
mls—進(jìn)出體系的冷卻水量,單位為千克每小時(shí)(kg/h);
t'ls—系統(tǒng)出口冷卻水溫度,單位為攝氏度(℃);
tls—系統(tǒng)入口冷卻水溫度,單位為攝氏度(℃)。
冷卻風(fēng)帶出熱量的測(cè)定:需要進(jìn)行流量斷面的截面積、動(dòng)壓、靜壓、氣體流速,吹向窯體前的冷卻風(fēng)溫度、吹向窯體后的反射風(fēng)溫度的測(cè)定。
該項(xiàng)測(cè)定要在氣體管道上開(kāi)測(cè)孔具有一定的破壞性,提前與相關(guān)負(fù)責(zé)人溝通,在初步確定測(cè)控位置后,根據(jù)測(cè)定要求,所開(kāi)測(cè)孔大小應(yīng)確保測(cè)試儀器伸入測(cè)孔內(nèi),且盡量避免選在形變、彎曲或有閘門(mén)的地方,測(cè)孔上游直線管道長(zhǎng)大于6D(D為管道直徑),測(cè)孔下游直線管道長(zhǎng)大于3D。此外,提供測(cè)量完成后的測(cè)控恢復(fù)方案,確保管道運(yùn)行,避免與企業(yè)產(chǎn)生糾紛。
本次測(cè)定采用最大允許誤差為1%的數(shù)字壓力計(jì)配合S型皮托管測(cè)定動(dòng)壓、靜壓、流速。測(cè)量時(shí)S型皮托管測(cè)量部分與管道中氣體流向平行。
用二等標(biāo)準(zhǔn)玻璃液體溫度計(jì)在風(fēng)機(jī)入口測(cè)定,用顯示誤差值應(yīng)不大于±3℃抽氣熱電偶在冷卻風(fēng)風(fēng)嘴處測(cè)定吹向窯體后的反射風(fēng)溫度。
冷卻風(fēng)帶出熱量按公式(10)計(jì)算:
式中:
Qlf—冷卻風(fēng)帶出熱量,單位為千焦(下轉(zhuǎn)第157頁(yè))(上接第124頁(yè))每小時(shí)(kJ/h);
Vlf—冷卻風(fēng)量,單位為立方米每小時(shí)(m2/h);
c'lf—0~t'lf冷卻風(fēng)平均比熱容,單位為千焦每立方米攝氏度[kJ/(m3·℃)];
t'lf—吹向窯體后的反射風(fēng)溫度,單位為攝氏度(℃)
clf—0~tlf冷卻風(fēng)平均比熱容,單位為千焦每立方米攝氏[kJ/(m3·℃)];
tlf—吹向窯體前的冷卻風(fēng)溫度,單位為攝氏度(℃)。
煙氣顯熱的測(cè)定:需要進(jìn)行煙氣的動(dòng)壓、靜壓、速率、溫度和成分測(cè)定。
測(cè)定過(guò)程與冷卻風(fēng)帶出熱量的測(cè)定類(lèi)似,根據(jù)要求在選擇適當(dāng)?shù)臏y(cè)點(diǎn),使用氣體分析儀在窯爐主煙道的橫截面中央位置進(jìn)行煙氣成分的檢測(cè),測(cè)定設(shè)備應(yīng)插入流動(dòng)氣流中。采用鎧裝熱電偶與溫度顯示器組合的熱電偶溫度測(cè)量設(shè)備測(cè)量窯體各小爐支煙道的橫截面中央位置的煙氣溫度,進(jìn)行三次測(cè)定并取平均值。
煙氣顯熱按照公式(11)計(jì)算:
式中:
Qyq—出體系煙氣顯熱,單位為千焦每小時(shí)(kJ/h);
Voy—出體系的煙氣流量,單位為立方米每小時(shí)(m3/h);
cy—0~ty煙氣平均比熱容,單位為千焦每立方米攝氏度[kJ/(m3·℃)];
ty—煙氣出體系時(shí)平均溫度,單位為攝氏度(℃)。
燃料化學(xué)不完全燃燒熱的測(cè)定:測(cè)量煙氣流量,煙氣中CO、CnHm的成分。
用對(duì)應(yīng)的氣體分析儀在窯爐的主煙道截面中心點(diǎn)測(cè)定。流速數(shù)值是基于煙氣明顯熱值測(cè)定結(jié)果直接獲得的煙氣排放流速,按照公式(12)計(jì)算燃燒化學(xué)不完全燃燒熱。
式中:
Qrh—燃料化學(xué)不完全燃燒熱,單位為千焦每小時(shí)(kJ/h);
Vco—體系煙氣中CO的含量(體積分?jǐn)?shù)),%;
體系煙氣中C、H的含量(體積分?jǐn)?shù)),%;
V—體系的煙氣流量,單位為立方米每水時(shí)(m3/h)
Voy—出體系的煙氣流量,單位為立方米每小時(shí)(m3/h)。
整個(gè)間接測(cè)定過(guò)程中共需測(cè)定參數(shù)33個(gè),現(xiàn)場(chǎng)所用到的計(jì)量器具較多,包括表面熱電偶測(cè)溫儀、鋼制測(cè)量尺、紅外線溫度探測(cè)器、剛玉防護(hù)套管內(nèi)的單鉑銠熱電偶與溫度監(jiān)測(cè)器組成的熱電偶溫度計(jì)、鎧裝熱電偶與溫度監(jiān)控器組成的熱電偶溫度感應(yīng)設(shè)備、U型管壓力計(jì)或數(shù)字壓力計(jì)與皮托管、便攜式超聲波流量計(jì)、玻璃溫度計(jì)等十余種計(jì)量器具,配備及維護(hù)成本較高。
在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中,測(cè)量點(diǎn)位的選取受限于場(chǎng)地及窯爐結(jié)構(gòu),部分測(cè)溫點(diǎn)位測(cè)量人員操作危險(xiǎn)性較高,測(cè)量結(jié)果不確定程度受人員影響較大,整個(gè)測(cè)定過(guò)程時(shí)間長(zhǎng),且難以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控。
三、結(jié)語(yǔ)
目前,國(guó)家鼓勵(lì)年能耗超過(guò)3000t標(biāo)準(zhǔn)煤的企業(yè)建立能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)一般有以下功能:第一,實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集功能,例如,可以實(shí)時(shí)監(jiān)控電、水、氣等相關(guān)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)變化。第二,自動(dòng)生成能耗統(tǒng)計(jì)報(bào)表的功能,例如,硅基企業(yè)生產(chǎn)所需的水、電、汽、油等不同能源的分類(lèi)報(bào)表。第三,對(duì)異常能耗進(jìn)行提醒的功能。一些硅基企業(yè)需要使用窯爐,一年365天燃燒,能耗一般較固定,一旦出現(xiàn)異常,系統(tǒng)可設(shè)置報(bào)警提醒功能,消除隱患。第四,能耗管理功能,系統(tǒng)終端將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺(tái)。管理系統(tǒng)通過(guò)現(xiàn)有數(shù)據(jù)和解決方案對(duì)能耗設(shè)備進(jìn)行智能控制。
為了建立能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),直接測(cè)算方法更容易實(shí)現(xiàn)在線能耗監(jiān)控及管理,在遵守GB17167-2006《電力單位能源測(cè)量設(shè)備配置和管理規(guī)定》的條件下,合理分配必要的能源測(cè)量工具,結(jié)合硅基產(chǎn)業(yè)的能耗特點(diǎn),對(duì)能源測(cè)量裝置進(jìn)行分類(lèi)和分級(jí),并啟用聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)。