21世纪的能源与红外辐射的节能
本刊记者：近年来我国人民对电能的利用愈来愈感兴趣，这是为什么？褚治德(天津大学红外热学科负责人，国家级有突出贡献的专家，博士生导师)：这是世界发展的趋势，莫斯科市民不用煤、不用石油、不用天然气而只用电。美国目前电站容量约为20亿kW，我国约为2.99亿kW，居世界第2位。美国C*B*史密斯著书《电的有效使用》（Efficient Electricity Use）深受读者欢迎，在第一章中就提出了“向电转移问题”，这是因为：（1）用电环境最清洁、污染最小。（2）煤、石油、天然气均可发电。（3）水电一本万利，既防洪又治涝，我国水力蕴藏量为6.76亿kW，可装容量3.8亿kW，居世界首位，我国大力兴建水电站，为我国人民造福。（4）核电有发展前途，据全球统计每百万kW电力造成人员死亡数，核电为1人，天然气电为2人，油电为3人，煤电为37人。煤电释放出的放射性物质为核电的100倍。核电造价成本比煤电高20%，但不排放CO2、SO2等各种污染物。（5）控制方便、精确。本刊记者：联合国秘书长安南最近在美国大学生毕业典礼讲话中指出：“美国作为温室气体排放大国，应当像其它国家一样，在降低温室气体排放和节约能源方面作出努力”。这是为什么？褚教授：当前美国电站容量相当100万kW的电站约有2 000个以上，每年排放的CO2量高达100亿t，美国耗能与总排放量占世界总量的1/3，但仅供全世界人口6%的美国人享用，排放这些气体会使南北极冰盖融化，海平面升高，全球无数岛屿将被淹没，因而失去生存权，同时带来的水土流失与海啸也还是全球的灾难，尤其是太平洋地区岛国甚多，仅巴布亚新几内亚就有80多个岛。因此，2000年各国首脑订下“京都协议”，减少CO2排放，其中美国减少7%，欧盟减少8%，日本6%，加拿大6%。本刊记者：怎样才能减少CO2气体的排放和节约能源？褚教授：对这一问题首先要对全球矿物资源有个了解，要认识到全球可燃资源的危机，按当前能耗规模石油资源可用41年，天然气资源可用64年，煤资源可用219年，铀资源可用60年，可见全球可燃而不可再生的能源资源是有限的。挥霍和浪费都是对人类的犯罪。但如何减少CO2气体排放和节约能源？（1）提高电站的发电效率：在燃烧、余热回收、发电机组整个系统下功夫提高效率10%。这时美国每年可少排放CO2为10亿t，少建100万KW电站200多个，节省投资1 300多亿美元，同时节省同一数量级的燃料费。这时中国少排放CO2为1.4亿t，可节电0.21亿kW，是现在三峡水电站装机容量的1.13（0.21/0.186）倍。（2）提高电与燃气的能源利用率美国和日本家庭能源利用率为80%，而我国只有20%。工业能源利用率美、日两国为78%，而我国只有39%。而高效的燃气红外与电辐射红外均有节电潜力。对电热红外辐射器的设计与使用有两点应予注意：(1)尽量在额定电压下工作：如一个石英板辐射加热器，供电电压为75V、190V与220V，则电能—辐射能的转换效率分别为21.4%、64.1%与72.6%。(2)尽量提高电阻丝（带）的表面负荷，如上述的石英板红外辐射加热器，该表面负荷为1.7W/cm2与3.8W/cm2时均为220 V电压，其电能—辐射能的转换效率分别为54.5%与72.6%，相差1.33（72.6/54.5）倍。(3)要提高辐射器与被加热工件（物料）的发射率与吸收率。(4)余热回收。无论是发电厂、窑炉、烘道均要余热回收，既提高了效率又降低了排气温度，减少温室效应。如美国芝加哥电厂仍在研究锅炉的余热回收。汽车车轮毂烤漆其轮毂本身吸热占96%，而油漆只占4%，一个大型轮毂烤漆烘道均是几百个kW的功率，余热回收有潜力。另外是烤漆溶剂的燃烧与余热回收，可减少溶剂污染。(5)研究高效发电技术：当前火力发电效率为30%左右，而磁流体发电可达50%～60%，燃料电池发电可达80%，新型电池贮电可平息用电高峰。(6)依靠标准化推进节能，日本已这样提出。(7)改进窑炉或烘道的隔热材料，如纳米材料等。本刊记者：国内外的红外辐射加热情况如何？褚教授：（1）EI（美国工程索引）（1993～2001）共检索53篇，其中电热红外37篇，燃气红外16篇。在电热红外中，纸、纸板、纸盒干燥共9篇；汽车、自行车、金属体烤漆共4篇；纺织与印染共5篇；食品干燥5篇；中草药干燥2篇。在燃气红外加热干燥中，纸、纸板、纸盒干燥共6篇，有两个明显的特点：①纸、纸板、纸盒的红外辐射加热干燥比中国普遍。②文中指出“辐射器表面温度高”单个辐射加热器功率大时（High-powered Infraved），加热干燥效果更佳、更节能。（2）SCI（科学引文索引）（1980～2001年）共检索红外辐射加热干燥86篇，其中电热红外65篇，燃气红外11篇，综合10篇。其中汽车与金属体烤漆13篇；纸、纸板、纸盒干燥13篇；婴儿与成人医疗10篇；中药干燥10篇；食品干燥7篇；粮食干燥4篇；其余为种子、胶卷、陶瓷纤维等。从文中可见：①中红外与远红外（λ<2μm为短波红外，λ=2～4μm为中波红外，λ＞4μm为远红外）辐射加热干燥砂层表明，中红外更有效。②高强度红外辐射加热干燥（High-intensity Infrared Drying Study）当辐射强度为5～18 kW/m2时，漆膜干燥非常强烈快速。③高温燃气红外（900～1 000 ℃燃气温度）以碳纤维陶瓷母体制成的辐射管代替镍-铬合金管。④人参与中草药的干燥注重干燥质量与生物活性，温度不超过45 ℃，对有效成分用高压液相（HPLC）法等检查，我国的研究不低于这个水平。本刊记者：红外辐射加热干燥的特点是什么？要注意什么？褚教授：红外辐射加热干燥的特点有4：①热辐射的红外光谱特性：既要弄清楚辐射器的发射光谱，又要弄清被加热物料（工件）的吸收光谱，根据物料的吸收光谱选择短波、中波还是长波红外辐射器，以达到被加热工件的分子共振或化学键断裂的高效加热。②辐射加热器的温度特性：包括表面温度分布，电能—辐射能的转换效率等。③辐射器与被加热工件的距离，方向及相关特性。④能量特性：工程上真实物体既不是黑体也不是灰体，其吸收率均不是常值，根据辐射-吸收特性进行两者间的辐射换热计算，要注意：红外辐射加热与干燥不是万金油，不是怎么用都可节能或把质量搞好，因它很容易比对流干燥提供高出几十倍的能量，对工件加热或烤漆很有利（对不耐高温的漆件等除外），但对厚而难干的毛细管多孔物料的加热与干燥是属内部扩散控制过程，加热过急，表面硬化或碳化，使毛细管封闭，热量传不进，水分排不出，传热传质受阻反而坏事，这时远红外低温辐射加热则更节能，但对已烤熟的鸡、鸭与乳猪等，希外焦里嫩这就要后期加大辐射能量，因而要认真研究被加热干燥物料的特性，它是“上帝”，因此红外辐射加热与干燥用得好则节能，用得不好不但不节能还会出质量事故。切记！
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TM9;TS2
2004-01-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）
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