能量控制对热处理节能的影响

宋 杰，韩鸣花，许忠祥，王建斌，安榆林，吴 晶

(1.南京出入境检验检疫局，江苏 南京211100; 2.苏州出入境检验检疫局，江苏苏州215000;3.江苏出入境检验检疫局，江苏 南京210000)

能量控制对热处理节能的影响

宋 杰1，韩鸣花1，许忠祥1，王建斌2，安榆林3，吴 晶1

(1.南京出入境检验检疫局，江苏 南京211100; 2.苏州出入境检验检疫局，江苏苏州215000;3.江苏出入境检验检疫局，江苏 南京210000)

在热处理过程中，能量的供给形式不同，导致实际能量的利用效率也不同。通过加热过程中能量供给的控制，实验验证可以提高整个加热过程中的能量利用率。实验表明加热过程中通过控制能量供给的方法可以提高能量利用效率，节能效果明显，与平均能耗的正负差高达28.28%。即在不增加任何投入的基础上通过改变能量供给就可实现节能减排，为热处理等相关的耗能行业实现节能提供了一个新的思路。

能量控制;效率;节能;热处理

作为高能耗行业之一的热处理行业的节能一直是学者和专家们的研究方向，绝大多数都是通过对加热设备的改进提高能量利用效率，或者通过余热的回收和再利用装置来提高能量利用效率。无论是加热设备的改进还是回收装置的研发，都需要在节能上进行设备投入。如何在不增加投入的基础上通过科学使用能量提高能量的利用效率来实现节能是一个全新的思路。随着近年来“火积”［1］概念的提出，加热过程中的节能已经不仅仅只停留在设备与装置等硬件的研究上，而是包括温度的控制［2］以及通过优化热传递［3］研究上同样能够实现节能减排。

本研究通过对相同设备，在相同的环境下调整能量供给方式达到同样结果的实验，在理论的基础上证实了相同设备在相同环境下要达到相同的结果，通过不同能量供给方式的能量利用效率是完全不同的。从实验角度证明了“火积”在热处理实际生产中的意义，同时为实际生产过程中通过科学使用能量实现节能起到一定的指导作用。

1 常见的通过能量控制节能现象

1.1 汽车经济时速的节油现象

所谓汽车经济时速是指汽车最省油的行驶速度，也就是同一汽车，同一动力系统，在使用不同时速时油耗不同的现象，低于或高于经济时速的速度油耗(能耗)就会上升。但各种车型的经济时速有所不同，每种车型厂家都会根据实验设计与设定在一定范围。例如别克GS型轿车在时速70 km/h时，油耗为6.47 L;而时速达到120 km/h时，油耗则上升到 9.46 L［4］。二者相差 30% 以上。

1.2 通过提高传输电压降低电能损耗

通常情况下，发电厂的汽轮发电机本身发出的电压只有15750 V。发电厂在传输电压时会提高到0.5～1.0×106V的超高压输电，这样即使在同等线径的输电线上也能减少电能在传输过程中的能量损失，实现节能的目的。

1.3 燃煤热处理锅炉的供煤控制实现节能

在热处理行业中常用的燃煤锅炉，经验丰富的工人通过控制燃煤的添加时间与添加方式同样可以提高燃煤能量的使用。在锅炉燃烧过程中，不同的添加方式按锅炉工人估算，燃煤量差异或可达到10%以上。

2 木质包装热处理的基本能耗现状

木质包装热处理的国际标准为木心温度56℃，持续30 min，国际标准中未对热处理环境的因素进行详细规定［5］，只要能实现国际标准中的最低要求即可。国际上目前共用的方法为热处理窑，通过外部加热设备(大多为热锅炉)对木质包装进行加热，锅炉的温度范围一般在150℃以内，但企业实际控制的窑内加热温度各不相同。但使用不同的窑内温度加热木质包装能耗是否相同，目前国际上并无相关研究报道。因此国际上木包装热处理企业大多采用60～90℃的经验值范围进行加热，主要考虑到在此温度范围内对木材加热过程中开裂的影响。国内热处理企业处理一个标准窑木质包装所使用的蒸汽量约为3 t，2012年度蒸汽价格为203元/t。若使用焦炭锅炉，处理一个标准窑木质包装所使用的焦炭量约为0.3 t，一级焦炭2012年价格约为1600元/t，电加热一个标准窑木质包装所使用的电量约为500 kW/h，商业用电为1元/(kW·h)。国内目前包装处理企业近1000家，每家企业年处理包装至少可达100窑(多数企业使用2座窑以上)，以每窑加热成本平均500元计算，全年加热成本至少达5000万元，按本研究的能耗正负差28.28%计算，效益相差约1400万元。

3 实验设计

3.1 实验目的

测定相同设备通过不同加热方法达到同一结果条件下统计使用的能量总量，筛选出实验设定条件下的节能区间，并比较不同过程方法的能耗。

3.2 实验方法

整个实验在实验室模拟环境下进行，以烘箱模拟实体窑，实际用电量计算为能耗，烧瓶中定量水模拟为热处理对象，实现一定初始温度(25℃)加热到目标温度(56℃)，采用不同温度加热(64～145℃)控制烘箱，记录每次采用不同温度对处理对象加热达到目标温度的耗电量，将耗电量通过公式转换为能量。

3.3 实验结果

不同加热温度下达到56℃的能耗数据见表1，加热温度和耗电量的变化曲线如图1所示。

表1 不同加热温度下达到56℃能耗数据Table 1 Energy consumption data of achieving 56℃in different heating temperature

表1 (续)

图1 加热温度与耗电量变化曲线Fig.1 Change curve of heating temperature and power consumption

4 讨论分析

1)类比实验结果表明:相同条件下，实现相同结果，采用不同温度加热的能耗是完全不同的，实验条件范围内最高能耗和最低能耗与平均能耗的正负差高达28.28%。随着热处理窑能量数字化控制系统对加热各阶段能量需求［6］的分析，通过加热温度(也可以称为能量供给方式)的控制可以降低能耗，实现节能的目的。

2)在一定条件下，加热温度与总能耗的相关性具有一定规律，在实验设定的目标参数中，78～98℃范围内是总能量消耗的较低区间;高于或低于该区间，总能耗均呈现上升趋势。若在木质包装热处理过程中不考虑其他因素的前提下，建议处理过程中的加热温度采用78～98℃范围内，该区间范围内总能耗差异不大。

3)“火积”的科学使用能量上具有一定的指导意义，高能耗、高污染行业应该在研究节能方面适当转换研究思路，针对本行业的处理目标通过科学实验，验证分析提高能量利用率，对企业节能提出指导意见。

4)通过控制能量节能的研究不仅限于温度，如在实际中常见的通过能量控制节能的很多情况，均可以在任何能量传导过程中的任何环节进行科学控制和分配，从而实现提高能量利用率的节能目标。

［1］过增元，梁新刚，朱宏晔.火积描述物体传递热量能力的物理量［J］.自然科学进展，2006(16):1288-1296.

［2］苏静，杨雪玲.热处理工艺中加热时间的研究［J］.热处理技术与装备，2010，31(3):31 -33.

［3］吴晶.热学中的势能(火积)及其应用［D］.北京:清华大学博士学位论文，2009.

［4］老骥.怎样节油［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，许忠祥，王建斌，等.太阳能结合辅助加热型节能热处理窑的理论设计［J］.中南林业科技大学学报，2013(1):99-103.

［7］魏仕勇，刘克明，胡强，等.低碳经济与热处理节能环保新技术浅谈［J］.热处理技术与装备，2011，32(12):46-50，53.

［8］宋杰，许忠祥，吴晶，等.太阳能应用于检验检疫热处理领域的可行性分析［J］.太阳能，2012(15):13 -15，25.

［9］吕德隆.兵器工业的热处理节能技术现状和展望［J］.热处理技术与装备，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，硕士，工程师，主要研究森林保护、植物检疫、木包装处理等;

联系电话:13601459388;E-mail:wuj2@jsciq.gov.cn

国家质检总局项目(2012IK277);江苏出入境检验检疫局项目(2009KJ47);中美合作项目。