能量控制對熱處理節能的影響

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上通過改變能量供給就可實現節能減排，為熱處理等相關的耗能行業實現節能提供了一個新的思路。

能量控制;效率;節能;熱處理

作為高能耗行業之一的熱處理行業的節能一直是學者和專家們的研究方向，絕大多數都是通過對加熱設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。無論是加熱設備的改進還是回收裝置的研發，都需要在節能上進行設備投入。如何在不增加投入的基礎上通過科學使用能量提高能量的利用效率來實現節能是一個全新的思路。隨著近年來“火積”［1］概念的提出，加熱過程中的節能已經不僅僅只停留在設備與裝置等硬件的研究上，而是包括溫度的控制［2］以及通過優化熱傳遞［3］研究上同樣能夠實現節能減排。

本研究通過對相同設備，在相同的環境下調整能量供給方式達到同樣結果的實驗，在理論的基礎上證實了相同設備在相同環境下要達到相同的結果，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”在熱處理實際生產中的意義，同時為實際生產過程中通過科學使用能量實現節能起到一定的指導作用。

1 常見的通過能量控制節能現象

1.1 汽車經濟時速的節油現象

所謂汽車經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，在使用不同時速時油耗不同的現象，低于或高于經濟時速的速度油耗(能耗)就會上升。但各種車型的經濟時速有所不同，每種車型廠家都會根據實驗設計與設定在一定范圍。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，發電廠的汽輪發電機本身發出的電壓只有15750 V。發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，實現節能的目的。

1.3 燃煤熱處理鍋爐的供煤控制實現節能

在熱處理行業中常用的燃煤鍋爐，經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 木質包裝熱處理的基本能耗現狀

木質包裝熱處理的國際標準為木心溫度56℃，持續30 min，國際標準中未對熱處理環境的因素進行詳細規定［5］，只要能實現國際標準中的最低要求即可。國際上目前共用的方法為熱處理窯，通過外部加熱設備(大多為熱鍋爐)對木質包裝進行加熱，鍋爐的溫度范圍一般在150℃以內，但企業實際控制的窯內加熱溫度各不相同。但使用不同的窯內溫度加熱木質包裝能耗是否相同，目前國際上并無相關研究報道。因此國際上木包裝熱處理企業大多采用60～90℃的經驗值范圍進行加熱，主要考慮到在此溫度范圍內對木材加熱過程中開裂的影響。國內熱處理企業處理一個標準窯木質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，處理一個標準窯木質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，電加熱一個標準窯木質包裝所使用的電量約為500 kW/h，商業用電為1元/(kW·h)。國內目前包裝處理企業近1000家，每家企業年處理包裝至少可達100窯(多數企業使用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 實驗設計

3.1 實驗目的

測定相同設備通過不同加熱方法達到同一結果條件下統計使用的能量總量，篩選出實驗設定條件下的節能區間，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，實現一定初始溫度(25℃)加熱到目標溫度(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溫度的耗電量，將耗電量通過公式轉換為能量。

3.3 實驗結果

不同加熱溫度下達到56℃的能耗數據見表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℃能耗數據Table 1 Energy consumption data of achieving 56℃in different heating temperature

表1 (續)

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)類比實驗結果表明:相同條件下，實現相同結果，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字化控制系統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，實現節能的目的。

2)在一定條件下，加熱溫度與總能耗的相關性具有一定規律，在實驗設定的目標參數中，78～98℃范圍內是總能量消耗的較低區間;高于或低于該區間，總能耗均呈現上升趨勢。若在木質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，該區間范圍內總能耗差異不大。

3)“火積”的科學使用能量上具有一定的指導意義，高能耗、高污染行業應該在研究節能方面適當轉換研究思路，針對本行業的處理目標通過科學實驗，驗證分析提高能量利用率，對企業節能提出指導意見。

4)通過控制能量節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能的很多情況，均可以在任何能量傳導過程中的任何環節進行科學控制和分配，從而實現提高能量利用率的節能目標。

［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］.熱處理技術與裝備，2010，31(3):31 -33.

［3］吳晶.熱學中的勢能(火積)及其應用［D］.北京:清華大學博士學位論文，2009.

［4］老驥.怎樣節油［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.太陽能結合輔助加熱型節能熱處理窯的理論設計［J］.中南林業科技大學學報，2013(1):99-103.

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

［8］宋杰，許忠祥，吳晶，等.太陽能應用于檢驗檢疫熱處理領域的可行性分析［J］.太陽能，2012(15):13 -15，25.

［9］呂德隆.兵器工業的熱處理節能技術現狀和展望［J］.熱處理技術與裝備，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;

聯系電話:13601459388;E-mail:wuj2@jsciq.gov.cn

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