硅基生產企業的窯爐能耗測算影響因素分析

摘要：本文按照GB/T39809－2021平板玻璃窯爐能耗測定方法，對蚌埠地區七家達到了國家發展改革委認定的重點能耗單位的玻璃生產企業進行實際測算，通過比較直接法和間接法在實際測算過程的影響因素，得出結論直接法更適用于建立能耗數據監測系統，以供參考。

關鍵詞：節能減排；能耗測算；直接法；間接法

DOI：10.12433/zgkjtz.20232541

2007年，首度在中國政府工作報告中正式展示了“資源保護和垃圾減少”的觀念。溫家寶總理強調強調，“應更為關注資源保護和生態環保，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任制度。”在2015年巴黎氣候大會上，178個國家達成共識，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的共同目標。在2020年第75屆聯合國大會上，我國提出了“碳中和”的目標。能源的生產和使用涉及可持續發展和基本民生問題。資源使用情況的改善不僅關系到企業未來的經濟利益，還涉及溫室氣體排放和垃圾排放的總量。在當今社會對環境問題日益敏感的情況下，資源保護和垃圾減少顯得尤為重要。

蚌埠市是硅基生產企業的聚集地，硅基生產企業的生產規模接近1000億。硅基生產行業一直是高能耗、高排放的行業。能源計量是確保能源政策的重要技術支持。如果沒有準確的能源計量數據，就不能制定科學的能源消耗指標、監測實際能源消耗和評估能源結果。因此，能源計量對蚌埠這一以硅產業為特色的城市而言尤為重要，是實現“碳中和”目標的基礎。

通過對蚌埠市七家達到國家發展改革委確定的重點能耗單位的玻璃生產企業調查研究發現，生產過程中的玻璃窯爐是核心能耗點，窯爐結構、燃燒系統、熱能利用、絕熱材料、熱工測試、環境保護和控制系統都對窯爐的綜合能耗有很大影響。本文能耗計算方法按照GB/T39809－2021進行，選取測量期間窯內每千克熔融玻璃消耗的能量作為窯爐能耗。

測量方式分為非直接途徑和直接途徑兩種，非直接途徑是通過審查窯爐系統的熱平衡估算窯爐的能源使用，如果無法明確燃料使用量或燃料熱值，就應采取非直接途徑。而直接方式是基于燃料的使用量、熱值和電助熔的電耗來計算窯爐的能源使用，適用于已明確燃料用量和燃料熱值的情況。

一、直接測定法

直接測定法需要測定的項目包括燃料消耗量、熱值、電助熔熱、熱值、電助熔熱、玻璃液質量六個。其中，熱值的測定并非現場由計量器具直接測得，應優先采用檢測機構檢測報告上的數值，也可采用國家公布的數值。蚌埠地區的窯爐主要是蚌埠市新奧燃氣提供的天然氣，品質及熱值相對穩定。燃料的消耗量現場通過智能氣體渦輪流量計的讀數獲得。

電助熔熱的測定：用電量依據電表讀數確定，按電力折標準煤系數轉化為能量按式（1）計算，其中用電量通過窯爐區域對應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（kW·h）；

A—電力折標準煤系數，取0.1229kgce/（kW·h）

玻璃液質量的測定：取測定期內統計得到的玻璃液質量，可以通過生產控制系統直接讀取。

取測定期內燃料的消耗量、熱值、電量和玻璃液質量，按式（2）計算能耗：

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—玻璃液質量，單位為千克（kg）。

通過直接法測定步驟相對簡單，僅燃料的消耗量、用電量、玻璃液質量三個參數需要現場測得，所用計量器具可以實現聯網在線監控。中大型企業燃料供應品控嚴格供應商相對固定，燃料低位發熱量在燃料品質穩定的情況下數值相對穩定，不會產生較大變化。

二、間接測定法

依據能量平衡原理，通過測定輸出體系的總能量，得到輸入體系的總能量。測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、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、玻璃液帶出隱藏熱、孔口輻射散熱、窯爐表面散熱、孔口溢流氣體顯熱、冷卻風帶出熱、冷卻水帶出熱、煙氣顯熱和燃料化學不完全燃燒熱。輸入體系能量包括燃料燃燒熱、助燃空氣顯熱、霧化介質顯熱、鼓泡氣體顯熱、配合料顯熱、電助熔熱共十五個項目。

玻璃熔體傳遞的熱量：需要測量玻璃熔體的溫度和質量。測定玻璃熔體溫度的方法是采用與溫度示顯儀結合的一級鉑銠熱電偶熱量測量設備，將溫度感應部分插入玻璃熔體中，深度約50mm，并置于溫度示顯儀的保護套管內。在實際操作過中因玻璃液溫度極高，測量時應注意安全防護避免灼燒皮膚，測量完成后取出熱電偶時應等待玻璃液下滴結束后，靜置冷卻足夠時再回收測溫熱電偶。

玻璃液質量通過測量玻璃原板的寬度及厚度計算求得一定時間內生產產品的總質量，本次測量用分度值為0.01mm的外徑千分尺測量玻璃原板厚度。用Ⅰ級精度的鋼卷尺測量玻璃原板寬度。根據式（3）計算玻璃液質量：

式中：

mb—玻璃液質量，單位為千克每小時（kg/h）；

Vb—玻璃板拉引速度，單位為米每小時（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）。

最后根據公式（4）計算玻璃液帶出顯熱Qbx，整個玻璃液帶出顯熱測量過程中有三個參數需要現場測量。

式中：

Qbx—玻璃液帶出顯熱，單位為千焦每小時（kJ/h） ；

mb—玻璃液質量，單位為千克每小時（kg/h） ；

cbc—玻璃液在0～tbc時的平均比熱容；

tbc—出體系玻璃液溫度。

玻璃液帶出潛熱：提前測定每千克配合料含水量，該項目需提前進行，在原料混合機下料口取樣測量，遵循JC/T 648的標準操作程序，提前一天進行三次均勻時間的取樣測定，并取平均值。玻璃液帶出潛熱按照公式（5）計算：

式中：

Qbq—玻璃液帶出潛熱Q，單位為千焦每小時（kJ/h）；

qi—各種原料硅酸鹽形成反應熱（以千克分解氧化物計），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）中逸出氣體的質量，單位為千克每千克（kg/kg）；

mb—玻璃液質量，單位為千克每小時（kg/h）；

K—每千克配合料實測含水質量，單位為千克每千克（kg/kg）。

窯爐表面散熱的測定：需測定體系內窯體的表面溫度和相應的環境溫度，窯體表面積三個參數。

窯體表面積需要通過建筑圖紙確定，在本次調查測算中部分企業存在圖紙不齊全的情況，需要提前溝通尋找確認建筑面積。窯體的表面溫度需要根據位置均勻取點，取點位置按照表1進行。

用最大允許誤差為±2℃（MPE±2℃）的紅外測溫儀進行測溫，在實際過程中，因窯爐構造及現場位置條件取點位置無法做到嚴格均勻選取，區域面積的劃分可能存在重疊的情況，從而影響測量結果。用二等標準玻璃液體溫度計測量位于測定區域1m處的環境溫度。按照式（6）測點區域的表面散熱量，窯爐表面散熱量等于各區域表面散熱量之和。

式中：

Qsir—各區域表面散熱量，單位為千焦每小時（kJ/h）；

ai—對流輻射換熱系數，單位為千焦每平方米小時攝氏度[kJ/（m2·h·℃）]；

twi—測定區域的表面溫度平均值，單位為攝氏度（℃）；

toi—環境溫度，單位為攝氏度（℃）；

sbi—各區域的表面積，單位為平方米（m2）。

孔口的輻射熱量測算：測算孔口敞開時的輻射溫度、孔口被磚塊覆蓋時磚塊的內外表面溫度、孔口被金屬板遮蓋時金屬板的外表面溫度、孔口大小以及周圍環境溫度。

孔口敞開時的輻射溫度可以直接利用紅外測溫儀測定。在測定孔口輻射溫度時，不同角度可能會產生不同的溫度讀數，但正對孔口進行測量通常更符合實際需求。

當孔口被金屬板覆蓋時，可以直接使用紅外測溫儀測量金屬板的外表面溫度。

孔口尺寸可以使用Ⅰ級卷尺直接測量，而金屬板的外表面溫度可通過紅外測溫儀獲取。

磚材外觀溫度檢測采用紅外測溫儀器，鑒于安全考慮以及使用紅外測溫儀器，要翻轉磚材，但會導致內部溫度降低。因此，可以使用附近的窯爐溫度熱電偶顯示內部溫度。對于環境溫度而言，使用玻璃液體溫度計進行測量，孔口面積可直接從圖紙中獲取。

孔口敞開輻射散熱量根據公式（7）計算：

式中：

Qkf—孔口輻射散熱量，單位為千焦每小時（kJ/h）；

Co—黑體輻射系數取20.4kJ/（m2·℃4·h）；

tfi—窯體第i個孔口的輻射溫度，單位為攝氏度（℃）；

toi—環境溫度，單位為攝氏度（℃）；

φ1—窯體第i個孔口的門孔系數；

Ski—窯體第i個孔口的面積，單位為平方米（m2）

孔口溢流氣體顯熱的測定：需要進行孔口溢流氣體的溫度、成分、孔口氣體內外靜壓差三個參數測定。

進行氣體溫度測量時，應當將剛玉保護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安置于孔口上方，以進行穩態測定。

根據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成分；SO2可運用電導率法、電位法和非分散紅外法原理的便攜氣體分析儀進行測試。

用最大允許誤差為1%的U型管壓力計測定氣體內外靜壓差，確保測壓管與氣流方向垂直，避免渦流和氣體泄露對測定的影響。

根據公式（8）計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（kJ/h）；

Vyi—孔口溢流氣體量，單位為立方米每小時（m3/h）；

cyi—孔口溢流氣體在0～℃時的平均比熱容，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（℃）。

冷卻水帶出熱的測定：需要進行冷卻水的流量、冷卻水進、出溫度參數的測定。

直接在冷卻水進出口處用玻璃溫度計測量溫度，冷卻水流量通過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）計算：

式中：

Q1s—冷卻水帶出熱量，單位為千焦每小時（k/h）；

mls—進出體系的冷卻水量，單位為千克每小時（kg/h）；

t'ls—系統出口冷卻水溫度，單位為攝氏度（℃）；

tls—系統入口冷卻水溫度，單位為攝氏度（℃）。

冷卻風帶出熱量的測定：需要進行流量斷面的截面積、動壓、靜壓、氣體流速，吹向窯體前的冷卻風溫度、吹向窯體后的反射風溫度的測定。

該項測定要在氣體管道上開測孔具有一定的破壞性，提前與相關負責人溝通，在初步確定測控位置后，根據測定要求，所開測孔大小應確保測試儀器伸入測孔內，且盡量避免選在形變、彎曲或有閘門的地方，測孔上游直線管道長大于6D（D為管道直徑），測孔下游直線管道長大于3D。此外，提供測量完成后的測控恢復方案，確保管道運行，避免與企業產生糾紛。

本次測定采用最大允許誤差為1%的數字壓力計配合S型皮托管測定動壓、靜壓、流速。測量時S型皮托管測量部分與管道中氣體流向平行。

用二等標準玻璃液體溫度計在風機入口測定，用顯示誤差值應不大于±3℃抽氣熱電偶在冷卻風風嘴處測定吹向窯體后的反射風溫度。

冷卻風帶出熱量按公式（10）計算：

式中：

Qlf—冷卻風帶出熱量，單位為千焦（下轉第157頁）（上接第124頁）每小時（kJ/h）；

Vlf—冷卻風量，單位為立方米每小時（m2/h）；

c'lf—0～t'lf冷卻風平均比熱容，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溫度，單位為攝氏度（℃）

clf—0～tlf冷卻風平均比熱容，單位為千焦每立方米攝氏[kJ/（m3·℃）]；

tlf—吹向窯體前的冷卻風溫度，單位為攝氏度（℃）。

煙氣顯熱的測定：需要進行煙氣的動壓、靜壓、速率、溫度和成分測定。

測定過程與冷卻風帶出熱量的測定類似，根據要求在選擇適當的測點，使用氣體分析儀在窯爐主煙道的橫截面中央位置進行煙氣成分的檢測，測定設備應插入流動氣流中。采用鎧裝熱電偶與溫度顯示器組合的熱電偶溫度測量設備測量窯體各小爐支煙道的橫截面中央位置的煙氣溫度，進行三次測定并取平均值。

煙氣顯熱按照公式（11）計算：

式中：

Qyq—出體系煙氣顯熱，單位為千焦每小時（kJ/h）；

Voy—出體系的煙氣流量，單位為立方米每小時（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—煙氣出體系時平均溫度，單位為攝氏度（℃）。

燃料化學不完全燃燒熱的測定：測量煙氣流量，煙氣中CO、CnHm的成分。

用對應的氣體分析儀在窯爐的主煙道截面中心點測定。流速數值是基于煙氣明顯熱值測定結果直接獲得的煙氣排放流速，按照公式（12）計算燃燒化學不完全燃燒熱。

式中：

Qrh—燃料化學不完全燃燒熱，單位為千焦每小時（kJ/h）；

Vco—體系煙氣中CO的含量（體積分數），%；

體系煙氣中C、H的含量（體積分數），%；

V—體系的煙氣流量，單位為立方米每水時（m3/h）

Voy—出體系的煙氣流量，單位為立方米每小時（m3/h）。

整個間接測定過程中共需測定參數33個，現場所用到的計量器具較多，包括表面熱電偶測溫儀、鋼制測量尺、紅外線溫度探測器、剛玉防護套管內的單鉑銠熱電偶與溫度監測器組成的熱電偶溫度計、鎧裝熱電偶與溫度監控器組成的熱電偶溫度感應設備、U型管壓力計或數字壓力計與皮托管、便攜式超聲波流量計、玻璃溫度計等十余種計量器具，配備及維護成本較高。

在實際測量過程中，測量點位的選取受限于場地及窯爐結構，部分測溫點位測量人員操作危險性較高，測量結果不確定程度受人員影響較大，整個測定過程時間長，且難以實現在線監控。

三、結語

目前，國家鼓勵年能耗超過3000t標準煤的企業建立能耗數據監測系統。該系統一般有以下功能：第一，實時的數據采集功能，例如，可以實時監控電、水、氣等相關數據的動態變化。第二，自動生成能耗統計報表的功能，例如，硅基企業生產所需的水、電、汽、油等不同能源的分類報表。第三，對異常能耗進行提醒的功能。一些硅基企業需要使用窯爐，一年365天燃燒，能耗一般較固定，一旦出現異常，系統可設置報警提醒功能，消除隱患。第四，能耗管理功能，系統終端將采集到的數據傳輸到監控平臺。管理系統通過現有數據和解決方案對能耗設備進行智能控制。

為了建立能耗數據監測系統，直接測算方法更容易實現在線能耗監控及管理，在遵守GB17167－2006《電力單位能源測量設備配置和管理規定》的條件下，合理分配必要的能源測量工具，結合硅基產業的能耗特點，對能源測量裝置進行分類和分級，并啟用聯網監測。