SKS炼铅鼓风炉的能量分析和火用分析＊

蒋爱华，梅 炽，时章明，2，余 煌，姜信杰，朱小军，2

（1.中南大学能源科学与工程学院，湖南长沙 410083；2.湖南节能评价技术研究中心，湖南长沙 410083）

SKS炼铅鼓风炉的能量分析和火用分析＊

蒋爱华1，2†，梅 炽1，时章明1，2，余 煌1，姜信杰1，朱小军1，2

（1.中南大学能源科学与工程学院，湖南长沙 410083；2.湖南节能评价技术研究中心，湖南长沙 410083）

为挖掘SKS炼铅系统的鼓风炉（SKS鼓风炉）的节能潜力，在现场测试数据的基础上，采用能量分析法和火用分析法分别对SKS鼓风炉的能量收支、火用量收支分布状况进行了衡算和分析.结果表明：SKS鼓风炉的热效率和火用效率分别为47.55%和38.88%.采取减少排烟损失、利用冷却水带走的能量、采用高铅渣直接还原新工艺等措施可以提高炉子的热效率和火用效率；仅利用鼓风炉冷却水带走的能量就可以使炉子的热效率提高到71.34%，火用效率提高到43.01%.SKS鼓风炉的火用输出总量要远小于火用输入总量，内部不可逆火用损失占总输入火用的41.85%.SKS鼓风炉总火用量收入为总能量收入的1.61倍，这说明SKS鼓风炉的能量和火用量衡算已经没有太大的相关性，火用分析更能够反映出系统的物质、能量消耗的本质，而且SKS鼓风炉的火用分析要比能量分析更简单.

能量分析；火用分析；节能；SKS炼铅；鼓风炉

火用指系统在只有环境作用下，经历可逆过程达到与周围环境状态平衡时能产生的最大可用功［1］.火用在实际热力过程中都是不守恒的.火用分析法就是根据进出系统火用量的不平衡发现不可逆火用损失，获得热力学完善性、火用效率等指标，对系统的物质、能量利用状况给出全面评价的分析方法.火用分析不仅已被广泛应用于钢铁冶金、水泥、电力等生产过程和设备的能效状况分析和评价［2－4］，也是空调系统优化和冷热源选择的理论方法之一［5］.火用分析的应用范围已经从个别的生产系统和设备扩展到国家、地区和行业等大能源系统［6－8］.此外，火用理论也成为了评价地球和国家资源环境状况的重要工具［9－10］.随着中国关于火用分析国家标准的颁布和实施［11］，火用分析方法在中国将得到更广泛的研究和应用.

目前，火用分析方法在有色冶金领域中应用的报道较少.冶金炉窑高温产品的热能将随着产品冷却而最终散失到环境，所以，仅对这类炉窑进行能量分析获得热效率指标是不够的.采用火用分析获得的火用效率能揭示炉内物质、能量转换、利用和损耗的实质［12］.

SKS炼铅法（水口山炼铅法）为氧气底吹熔炼－鼓风炉还原炼铅法，是中国自行开发的先进炼铅方法，具有产品能耗低和环境污染少等优点.在SKS炼粗铅过程中，混合粒矿首先进入氧气底吹炉完成氧化熔炼，获得部分粗铅和氧化炉渣（称高铅渣），接着高铅渣被冷却铸块后送入鼓风炉还原熔炼，获得二次粗铅产品，最后用烟化炉吹炼鼓风炉渣，回收渣中的铅和锌.鼓风炉是SKS炼铅系统的主要设备，它的能效和火用损失状况直接影响到整个炼铅系统的能效水平.对鼓风炉进行能量和火用的衡算和分析，掌握炉子的能量和火用量收支状况，可为该工序和炉子的节能改造提供依据，对降低SKS炼铅的粗铅综合能耗和火用理论的发展都具有重要意义.

1 SKS鼓风炉的能量和火用分析模型

1.1 鼓风炉的能量分析模型

鼓风炉的能量平衡分析计算模型基于能量守恒定律，即炉子的能量收入等于能量支出.能量平衡分析模型可表示为：

式中：Ein，i为鼓风炉获得的第i股能量流，MJ；Eout，i为鼓风炉支出的第i股能量流，MJ.

鼓风炉的能量收入包括物料带进的热量、燃料燃烧热和化学反应放热；支出能量包括粗铅、铅锍带出的热量，还包括烟气、烟尘、冷却水和蒸气带走的热量和炉子的散热.评价炉子的能量利用状况的重要指标是热效率.热效率为有效利用的能量与总收入能量之比.鼓风炉的热效率ηe为：

式中Eef，i为鼓风炉有效利用第i股能量流，MJ.

鼓风炉有效利用的能量流包括产品带出的能量和鼓风炉渣携带的能量.

1.2 鼓风炉的火用分析模型

鼓风炉的火用分析模型基于它进出火用的不等性，进出火用差为内部不可逆火用损失.鼓风炉的火用分析模型可用下式表示：

式中：EXin，i为进入鼓风炉的第i股火用流，MJ；EXout，i为离开鼓风炉的第i股火用流，MJ；Ii为第i项内部不可逆火用损失，MJ.

式（3）中的火用损失包括化学反应、不完全燃烧和温差传热等不可逆过程造成的火用损失.

投入到鼓风炉的火用流包括高铅渣、焦炭和配料以及空气的火用；离开炉子的火用流包括粗铅的火用、铅锍的火用、鼓风炉渣的火用、水蒸气带走火用、烟气火用、烟尘火用和炉壁散热火用损失等.其中，高于环境温度、压力的各物质流都不仅仅有化学火用，还有相对于环境的物理火用.

系统有效利用的火用与输入系统的总火用之比为火用效率，它是反映一个设备、工序或流程火用的有效利用程度的重要指标，用ηex表示，即

式中：EXef，i为输出系统的各股收益火用流，MJ.

SKS鼓风炉的收益火用为粗铅、铅锍、烟尘的化学火用和高温鼓风炉渣的全部火用.

由式（3）可以计算出不可逆造成的火用损失.但是，内部火用损失仅仅是SKS鼓风炉火用损失的一部分，烟气、烟尘排放也带走了排放火用损失，炉壁散热导致散热火用损失.

某项火用损失EXloss，i与总输入火用之比称为火用损系数εex，i，即

火用损系数εex，i是反映各项火用损失相对大小的指标，比较各火用损系数大小，可判断出用能薄弱环节，有针对性地开展节能改造.

2 SKS鼓风炉能量和火用衡算结果与分析

2.1 SKS鼓风炉能量和火用衡算结果

分析对象为日处理量为335 t／d的SKS炼铅鼓风炉.现场测试获得进出物料的流量和成分，产品和鼓风炉渣的温度，烟气成分、排放温度和压力，冷却水套补水量以及炉壁温度等.首先进行炉子的物质平衡计算，在物质平衡结果基础上进行能量平衡计算和火用量衡算.表1为对应1 000 kg高铅渣量的物料平衡计算结果.由表1可知，投入鼓风炉的物料总量为2 332.75 kg，产出物料总量为2 326.82 kg，衡算误差5.97 kg，相对误差为0.26%，物料衡算结果有效.表2为能量平衡计算结果.由表2可知，未计入的热损失（包括炉子底部散热、放铅口辐射散热等）及衡算误差等因素造成的其他热损失项占2.42%，鼓风炉的能量平衡计算误差在工程允许范围，能量衡算结果有效.表3所示为鼓风炉的火用衡算结果.

表1 SKS鼓风炉的物料平衡数据表（对应1 000 kg高铅渣量）Tab.1 Data sheet of material balance of the SKS blast furnace（per 1 000 kg high lead slag）

表2 SKS鼓风炉能量平衡计算结果数据表（对应1 000 kg高铅渣）Tab.2 Data sheet of energy balance of the SKS blast furnace（per 1 000 kg high lead slag）

表3 SKS鼓风炉火用衡算结果数据表（对应1 000 kg高铅渣）Tab.3 Data sheet of exergy balance of the SKS blast furnace（per 1 000 kg high lead slag）

2.2 SKS鼓风炉的热效率和火用效率

由表2可以看出，对应1 000 kg高铅渣的鼓风炉的能量总收入为3 720.70 MJ，总有效利用能量为1 769.08 MJ，它们包括化学反应吸热、产品带出能量、烟尘带出能量及鼓风炉渣带出能量.鼓风炉热效率为47.55%，能量损失占52.45%，能量损失包括烟气排放带走的能量、铅挥发损失能量、炉壁散热和其他能量损失.

由表3可知，SKS鼓风炉的总输出火用为3 469.03 MJ，小于总输入火用5 967.38 MJ，总输出火用为总输入火用的58.15%，总输入火用和总输出的差值反映了SKS鼓风炉实际过程离理想可逆过程的程度.从表3还可以看出，输出火用中并不全是收益火用，收益火用占总输入火用的38.88%，此值即鼓风炉火用效率.产品冷却、烟气排放、炉壁散热等外部火用损失占19.27%，加上内部损失，总火用损失为总输入火用的61.12%.

比较能量分析和火用分析结果，SKS鼓风炉的热效率比火用效率要高.

2.3 SKS鼓风炉的能量和火用量损失机理分析

表2显示，SKS鼓风炉的2项主要能量损失为烟气带走的能量和冷却水带出的能量，分别占总能量收入的22.44%和23.79%.而由表3可知，SKS鼓风炉的最大火用损失项为炉内不可逆火用损失，占总输入火用的41.85%，此项火用损失主要是因为焦炭燃烧和炉内温差传热等不可逆过程造成的，降低该项损失要受到目前工艺条件的限制，若采取高铅渣直接还原新工艺，可减少燃料消耗和温差传热量，可使该项火用损失降低；其次为烟气排放火用损失，排放烟气的物理火用、化学火用合计为总输入火用的13.53%（见表3），降低排烟温度，可以减少烟气损失；再次为冷却水带走的火用损失，占总输入火用的4.13%（见表3）.若能够将鼓风炉冷却水带走的能量全部回收利用，则炉子的热效率可以提高到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鼓风炉的能量分析和火用分析的其他差异

1）SKS鼓风炉总能量和火用量收入差异.从表2，表3可以看出，能量收入总量为3 720.70 MJ，总火用量收入为5 967.38 MJ，后者是前者的1.61倍，说明SKS鼓风炉能量衡算和火用衡算分析的相关性不大.这主要因为物质的能量仅为物质高于环境温度的焓，而火用量计算中不仅包含了反应物体温度高于环境温度的物理火用，还包含了反映物质与环境存在化学结构和组分偏差时的化学火用，因此，火用量更能反映物质、能量的做功能力即价值的大小.

2）产品能量和火用量收入差异.产品收益的能量随着产品温度降低而损失到周围环境中，而产品的收益火用（化学火用）将伴随产品进入下一道工序或者进入市场，能量和火用量收益的性质是不同的，一个是暂时性收益，另一个是永久性收益，因此，火用分析更能够反应出系统的物质、能量消耗的本质.

3）能量和火用量衡算过程差异.从表2看出，能量的收入项和输出项都与化学反应过程有关，说明了能量平衡计算必须要弄清炉内的化学反应情况；从表3可以看出，火用量收入都是外界物质流带进的，输出火用量都是离开炉子的产品和排放物及散热量带出的火用，说明火用量衡算不需要知道炉内情况.热量衡算必须取白箱模型，火用量衡算分析则取黑箱模型即可，火用量衡算分析要相对简单些.

3 结 论

1）SKS鼓风炉热效率为47.55%，排烟损失、水蒸气带走的能量为两大能量损失项，若利用冷却水套带走的能量，炉子的热效率可以提高到71.34%.

2）SKS鼓风炉的火用效率为38.88%，内部不可逆火用损失为41.85%，采用高铅渣直接还原新工艺、利用冷却水带走的能量、降低烟气排烟损失可以提高鼓风炉的火用效率，仅将冷却水带走的能量全部利用，则可使鼓风炉的火用效率提高到43.01%.

3）冶金炉的能量分析和火用分析已经没有太大的相关性，火用分析不仅更能够反应出炉内物质、能量消耗的本质，而且火用衡算分析要比能量平衡分析更简便、更直观.因此，火用分析方法值得在冶金生产过程和设备的分析和评价中得到推广应用.

致谢：特别感谢对本项目的现场测试工作提供支持和帮助的水口山有色金属集团有限公司第八冶炼厂的有关工作人员.

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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）

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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

湖南省科技计划攻关重大专项基金资助项目（2008SK1002）

蒋爱华（1965－），女，湖南永州人，中南大学副教授

†通讯联系人，E-mail：jah65＠163.com