张家口燃气工业炉的热工过程及热力计算

热工过程是工业炉内一个重要的物理、化学过程。
　　燃气工业炉的热工过程是指炉内燃气燃烧、气体流动及热交换过程的总和。显然，它是直接影响工业炉生产的产品数量、质量及经济指标的关键。
　　燃气工业炉的热工过程的好坏，炉膛部位是核心。因为物料的加热、熔炼及干燥等都主要是在炉膛内完成的，而炉膛热工过程又受炉子砌体各部位热工特性影响。

　　一、炉体的热工特性

　　工业炉炉子砌体的结构与材料，决定砌体的基本热工特性，进而对于工业炉热工状态造成重大影响。
　　(一)不同炉子砌体的热工特性
　　工业炉的炉墙、炉顶、炉底由不同材质的多层材料砌筑而成，而各层材料的导热系数与厚度都不一样，因而温度变化也各有差异。
　　图3—9—6所示炉墙，从内到外分别为粘土砖、绝热层和普通红砖。炉膛内高温焰气的热量通过辐射与对流向炉墙内表面传递；内表面再通过传导，把热量传到外表面；而外表面再通过辐射、对流向周围空间散热。
 

 

图3-9-6 炉墙厚度上的温度分布
1-普通红砖层；2-绝热层；3-粘土砖层；4-炉膛空间；tin-内壁温度；tout-外壁温度

　　一般砌体的作用是保证炉子空间达到工作温度，炉衬不被破坏，而加绝热层是为了减小损失。
　　从加热经济观点看，砌体蓄热能力差，炉子开停温度升降快，但是炉子砌体墙壁太薄，将导致外表面散热损失增加。因此，应在对炉子进行严格的热工分析后，确定砌体的厚度与材质。一般说，长期运行的大型工业炉，砌休可选厚些，反之选薄些。
　　为了节约能源，越来越多的工业炉采用轻质、热导率小的材料作为砌体的绝热层。表3—9—3给出了采用不同轻质绝热材料及组合时的节能效果。对连续式和间歇式加热炉，不同砌体组合的节能效果均为Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ。
 

　　(二)不同砌体对炉子热工状态的影响
　　图3—9—7表示炉子供热量不同对炉内热状态的影响。当供给一定热量使炉子升温时，起初由于炉膛内高温烟气与炉体的温差很大，所以炉温上升很快。而后，炉温上升逐渐缓慢，最后达到稳定的热状态B₁，温度不再升高，表示供热量与热损失相等，Q₁、B₁及炉温t₁不再变化。
 

 

图3-9-7 供给炉子不同热量时炉内热状态示意图

　　如果从冷态重新加热炉子，且供应炉内的热量减少到Q₂及Q₃时，那么炉内就达不到t₁温度，此时炉内状态稳定点就处于比t₁低的温度之下。
　　如炉内需要温度为t₂，则可分别向炉内供应热量Q₁、Q₂及Q₃，这时升温的时间间隔就不同，分别为τ₁、τ₂及τ₃。因此，炉内升温时间与热量供应成反比。

　　二、火焰炉炉膛内的热交换

　　炉子加热物料，大部分是在炉膛内进行的，炉膛内，燃气燃烧产生的高温炉气与被加热的物料(炉料)和炉壁进行换热，完成对物料的加热。
　　炉膛内的热交换机理是复杂的。在热交换过程中，炉气是热源体，低温物料为受热体，炉壁起热量传递的中间体作用，如图3—9—8所示。
 

 

图3-9-8 炉膛内热交换示意图
1-对流；2-辐射；3-传导

　　在生产实践中，根据工艺的需要；不同炉子采用不同的操作条件时，可能有三种不同特点的炉膛热辐射；
　　(1)均匀热辐射 炉气在炉膛内均匀分布，这时炉气向物料和炉壁的辐射强度相等；
　　(2)直接定向热辐射 高温炉气集中在物料表面附近，向炉料的辐射强度较大；
　　(3)间接定向热辐射 高温炉气集中在炉壁附近，向炉壁的辐射强度较大；
　　在均匀辐射传热时，通过辐射和对流传给炉料的总热量为；
 

 

 

　　式中 C——导来辐射系数，kJ／(m²·h·K)⁴；
　　　　t_l(T₁)、t₂(T₂)——炉气和炉料表面平均温度，℃(K)；
　　　　F₂——炉料的受热表面积，m²；
　　　　α_C——炉气对炉料的对流换热系数，kJ／(m²·h·℃)。
　　Q₂表示单位时间内物料所得到的热量。Q₂愈大，物料加热愈快，炉子生产率和总热效率也愈高。公式表明，影响炉子生产率和燃气消耗的因素为C、t₁、t₂和α_C。
　　导来辐射系数是炉气、炉壁对炉料的总辐射系数：
 

 

　　这里，下标l、2、3分别代表炉气、炉料和炉壁；ε为黑度，如ε₂为炉料表面的黑度，可近似认为是常数，取ε₂≈0.8；ψ为角系数，F为面积，ψ₃₂是炉壁对炉料的角系数，ψ₃₂=F₂／F₃，其倒数为ω=1/ψ₃₂，称为炉围伸展度。可见，导来辐射系数仅与炉气黑度和炉围伸展度有关。
　　物料平均温度与进入炉膛的初温和离开炉膛的终温有关。
　　炉气平均温度与物料温度、燃气理论燃烧温度及炉膛出口烟气温度有关，受燃气种类、热值、温度及空气温度、空气过剩系数等影响。
　　而对流换热系数主要与炉气流动特性有关。
　　综上所述，炉膛热交换量，即物料加热得到的热量，主要受炉子结构(炉壁面积)、燃气特性(种类、组成、热值、温度)、燃烧条件(空气过剩系数、空气温度)、炉气特性(黑度、温度)、物料条件(初温、终温)等影响。
　　还应指出，在实际生产中，炉气并不是均匀分布在整个炉膛内的，而且炉内温度也不一致，有燃烧的高温区，电有靠近加热物体处的低温区，同时炉内气流的流动状态对熟交换也有直接影响，所以炉内热交换过程是十分复杂的。为了保证有利于炉内热交换的气体流动，不同用途的炉子对炉内气流状态也有不同要求。这些要求是通过正确选择炉型与合理布置燃烧装置和排烟口的数量与位置来实现的。

　　三、燃气、工业炉的热力计算

　　在燃气工业炉中，燃气燃烧是基础，加热物料是目的，这两者是通过热交换而联系起来的。工程上对新建工业炉需要进行热力计算；对原有工业炉当燃气种类改变时，需要进行热力校核计算。此外，对工业炉进行改造或增设空气、燃气预热器及废热锅炉等也应进行热力校核计算。
　　(一)燃气工业炉的热平衡
　　编制炉子的热平衡，对于炉子设计和管理都是不可缺少的。在设计中，可以通过热平衡计算，确定炉子的燃料消耗量：对工作中的炉子，也可以根据实测数据编制热平衡来检验炉子的热效率，通过热工技术分析确定最佳的热工操作制度。
　　在编制工业炉热平衡时，首先必须划定热平衡的区域。进入这一区域的热量力热收入，离开这一区域的热量则为热支出。热平衡区域的划分，按实际需要而定，可以编制全炉热平衡，也可以编制某一个区域的热平衡，如炉膛热平衡、换热器热平衡等。编制热平衡的基准，对于连续操作的炉子(如金属连续加热炉)，以单位时间为基准，平衡各项目的单位是kJ/h；对于间歇操作的炉子(如室状炉)，可以一个加热周期(应包括周期的停歇时间)为基准，各平衡项单位是kJ／周期。同时，计算以标准状态为基点。
　　1．炉膛热平衡
　　炉膛热平衡是全炉热平衡的核心。图3—9—9表示燃气工业炉热平衡区域。
 

 

图3-9-9 燃气工业炉热平衡区域

　　(1)热收入
　　1)燃气的燃烧热
 

　　式中 Q_C——燃气的燃烧热，kJ/h
　　　　H_L——燃气的低热值，kJ／m³(干燃气)；
　　　　B——燃气用量m³(干燃气)/h。设计炉子时，燃气耗量是待还应的未知数，其值按热平衡式求出；在试验工作中，用流量计测出燃气用量。
　　2)空气及燃气的物理热
 

　　式中 Q_a、Q_g——空气和燃气的物理热kJ/h；
　　　　V_a——过剩空气系数为。时的实际空气量m³／m³(干燃气)。设计炉子时，Va值由燃烧计算求得；在试验工作中，空气的实际流量可直接测得；
　　　　t_a、t_g——空气及燃气的预热温度，℃；
　　　　c_a、c_g——0～t_a及0～t_g之间，空气及燃气的平均定压容积比热容，kJ／(m³·K)。