燃气工业炉的热工过程及热力计算.docx
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燃气工业炉的热工过程及热力计算
燃气工业炉的热工过程及热力计算（2020年）
Safetymanagementreferstoensuringthesmoothandeffectiveprogressofsocialandeconomicactivitiesandproductiononthepremiseofensuringsocialandpersonalsafety.
（安全管理）
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燃气工业炉的热工过程及热力计算（2020年）
安全管理是运用行政、法律、经济、教育和科学技术手段等，协调社会经济发展与安全生产的关系，处理国民经济各部门、各社会集团和个人有关安全问题的相互关系，使社会经济发展在满足人们的物质和文化生活需要的同时，满足社会和个人的安全方面的要求，保证社会经济活动和生产、科研活动顺利进行、有效发展。
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。
表3—9—3采用轻质耐火材料对砌体散热及蓄热的影响
炉子工作特点
砌筑类型
筑炉材料名称
厚度/mm
热损失
散热量/kJ·（m-2
·h-1
）
蓄热量/kJ·m-2
连续式炉
Ⅰ
粘土砖
232
6926
轻质粘土砖
116
Ⅱ
粘土砖
232
5074
轻质粘土砖
232
Ⅲ
耐火纤维毡
75
3720
粘土砖
232
轻质粘土砖
232
间歇式炉
Ⅰ
粘土砖
232
3184
381101
轻质粘土砖
116
Ⅱ
粘土砖
232
2157
147698
硅藻土砖
116
Ⅲ
耐火纤维毡
75
1609
10768
矿渣纤维
100
（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
；
tl
（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
；
αC
——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αC
。
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
QC
=BHL
（9—3）
式中QC
——燃气的燃烧热，kJ/h
HL
——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
Qa
=BVa
ta
ca
（9—4）
Qg
=Btg
cg
（9—5）
式中Qa
、Qg
——空气和燃气的物理热kJ/h；
Va
——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；
ta
、tg
——空气及燃气的预热温度，℃；
ca
、cg
——0～ta
及0～tg
之间，空气及燃气的平均定压容积比热容，kJ／（m3
·K）。
（2）热支出
1）有效热
如果物料中不发生化学反应，则
Qe
=Qp
-Qm
=G（t2
C2
-t1
c1
）=G△i（9—6）
式中Qe
——有效热，kJ／h；
Qp
——产品出炉时带走的物理热，kJ／h
Qm
——物料入炉时带入的物理热，kJ／h；
tl
、t2
——物料入炉及出炉时的温度，℃；
C1
、C2
——分别为0～t1
及0～t2
之间物料的平均质量比热容，kJ／（kg·K）；
△i——单位质量物料的热焙增量，kJ／kg；
G——炉子的生产率，kg／h。
设计炉子时，炉子生产率及物料入炉和出炉温度都是根据设计要求选定的。
在试验时，这些数据可实测。
2）炉膛出口烟气带走的热量
①烟气的物理热
Q′ph
=BVf
cf
tf
（9—7）
在设计炉子时，Vf
由燃烧计算求得。
在试验工作中，炉膛出口烟气流量BVf
一般不易进行实测，而是按实际空气量和燃气量进行燃烧计算求得，计算时应考虑到炉膛吸入的空气量和漏风的烟气量。
炉膛出口烟气温度对炉子的生产率和燃料的消耗量影响极大，所以在设计工作中，要根据工艺要求，同时参照现有的炉子，慎重地选取。
②烟气中未燃可燃物的化学热
设炉膛出口烟气中，可燃物的容积成分为ψ（CO′）、ψ（H′2
）等，则它们带走的化学热为
Q′ch
=BVf
（HCO
）ψ（CO′）+HH2
ψ（H′2
）+…）（9—8）
在炉子进行热平衡试验时，须实测烟气组分，然后进行计算；但在设计中，只能参照生产炉子，作一般估计。
3）炉膛热损失
在不同的炉子上，炉膛热损失Q′t所包括的具体项目各不相同。
一般包括：
①通过砖砌体的散热
在连续工作的炉子上，通过砖砌体的散热可看作多层平壁稳定热传导，采用以下公式计算：
式中Qbr
——通过砖砌体的散热量，kJ／h；
t3
、tat
——炉壁内表面和炉子周围大气的温度，℃；
δl
、δ2
——各层筑炉材料的厚度，mm；
λ1
、λ2
——各层筑炉材料的热导率，W／（m·K）；
Fbr
——炉壁面积，m2
；
0．054——炉壁外表面与大气之间的热阻。
由于炉膛各部分砖砌体的厚度和温度不同，所以炉体各部分的散热损失要分别计算，然后把它们加起来，才能求得整个炉膛的散热损失。
在试验工作中，砖砌体的散热损失可用热流计等热工仪表进行实测。
②冷却水带走的热量
Qco
=Gco
（t2
-t1
）Cco
（9—10）
式中Qco
——冷却水带走的热量，kJ/h
Gco
——冷却水的流量，kg／h；
t1
、t2
——冷却水的进、出口温度，℃；
Cco
——冷却水的比热容，kJ／（kg·K）。
实测时，要测量的项目是冷却水流量和进、出口水温。
在设计炉子时可以根据同类炉子的冷却水用量及温升来估算此项热量。
③通过炉门或开孔的辐射热损失
当炉门和窥视孔打开时，炉内热量向外辐射，造成热损失。
如果炉墙极薄（理论上厚度接近于零），那么向外辐射的热量可按黑体辐射的四次方定律计算。
但是，实际上炉墙有一定厚度，所以通过开孔的辐射热损失比上述数值小些，其值为
式中Qdo
——通过炉门或开孔的辐射热损失，kJ／h；
Fdo
——炉门或开孔面积，m2
；
φ——综合角度系数，由图3—9—10查得。
该系数反映炉墙厚度等对炉内辐射线的“遮蔽作用”，其大小决定于开孔的形状、尺寸和炉墙厚度；
τop
——炉门或开孔的开启时间。
由此可见，炉膛的热损失为
Q′L
=Qbr
+Qco
+Qdo
（9—12）
4）热平衡方程和热平衡表
图3-9-10综合角度系数φ
1-长的平板；a:
b=0:
2；2-长方体a:
b=0.2；
3-长方体a:
b=0.5；4-四方体a:
b=1:
5－圆
根据能量守恒的热力学第一定律，可列出炉膛热平衡方程式；
Qm
+Qe
+Qa
+Qg
=Qp
+Q′ph
+Q′ch
+Q′L
即：
Qc
+（Qa
+Qg
）=Qe
+Q′ph
+Q′L
（9—13）
具体的热平衡表，可按不同项目来编制，某金屈加热炉的炉膛热平衡如表3—9—4所示。
表3—9—4金属加热炉的炉膛热平衡表
热收入
kJ/h
％
热支出
kJ/h
％
1.燃料燃烧的化学热
Q1
70～100
1.金属加热所需的热
Q′1
10～50
2.燃料带入的物理热
Q2
0～15
2.出炉废气带走的热
Q2
′
30～80
3.预热空气带入的物理热
Q3
0～25
3.燃料化学不完全燃烧的热损失
Q3
′
0.5～3
4.金属氧化放出的热
Q4
1～5
4.燃料机械不完全燃烧的热损失
Q4
′
0.2～5
5.经过炉子砌体的散热损失
Q5
′
2～10
6.炉门及开孔的辐射热损失
Q6
′
0～4
7.炉门及开孔溢气的热损失
Q7
′
0～5
8.炉子水冷构件的吸热损失
Q8
′
0～15
9.其他热损失
Q9
′
0～10
热收入总和
ΣQ
100
热支出总和
ΣQ′
100
2.全炉热平衡
炉子的热平衡是各区域热平衡的总和。
如果炉子只有炉膛和空气预热器两部分，空气预热器热平衡区域如图3—9—9，热平衡公式可写成
Q′ph
=Qa
+Q″ph
+Q″L
（9—14）
式中Qa
——热空气所带走的物理热；
Q″ph
——预热器出口烟气所带走的物理热；
Q″L
——预热器的热损失。
则炉子的热平衡式为式（9—13）与（9—14）之和：
Qc
+Qg
=Qe
+Q″ph
+（Q′h
+Q″L
）
或
Qc
+Qg
=Qe
+Q″ph
+QL
（9—15）
式中QL
——全炉热损失，QL
=Q′L
+Q″L
必须清楚炉膛热平衡式与炉子热平衡式的区别。
对于炉膛区域，热空气的物理热Qa
是它的热收入；但对全炉而言，热收入并不包括Qa
，这是因为热空气的物理热是烟气在空气预热器中供给的，并非外来热源提供。
3．炉子燃气耗量
在设计时，燃气工业炉的燃气耗量可按计算法和经验法确定。
计算法，由炉子热平衡求得。
若不考虑燃气的物理热，由炉膛热平衡有：
Qc
+Qa
=Qe
+Q′ph
+Q′L
即，
BHL
+BVa
Ca
ta
=Qe
+BVf
Cf
tf
+Q′L
所以炉子燃气耗量
炉子燃气耗量的经验推算，一般参照同类炉子的数据而确定。
如果由设计定额查得某些产品的单位热耗q′，单位为KJ／kg，则可推算：
若炉子生产能力为G（kg／h），则单位热耗
单位热耗是衡量炉子生产优劣的一个重要指标。
4．炉子热效率
按照GB2588—81之规定，热效率是指设备为达到特定目的供给能量利用的有效程度在数量上的表示。
炉子热效率η为，有效利用热与供给炉子的热量之比，即：
在热平衡测试时，只要测出炉子的燃气用量B，燃气的低热值HL
以及炉子的有效利用热Qe
，即可计算出炉子的热效率。
这是一种常用的，也是比较简单准确的方法，称为直接计算法或正算法。
为了研究和分析影响热效率的种种原因、寻求提高热效率的途径，在实际测试过程中，往往先测出炉子的各项热损失，然后反过来计算炉子的热效率，这种方法称为反算法。
当燃气物理热略去时，由炉子热平衡式（9—15）得
Qe
=Qc
-Q″ph
-QL
所以炉子热效率可表示为
炉膛热效率可表示为
工业炉的热效率往往比较低，例如金属连续加热炉为30％～50％，均热炉为30％～40％，锻造用炉为5％～40％，热处理炉为5％～20％。
因此尽力提高炉子的热效率，是工业炉节能的一个重要任务。
5．提高炉子热效率降低燃气消耗的途径
（1）减少出炉废气从炉膛带走的热量
各类工业炉中，出炉废气从炉膛带走的热量占总热量支出的30％～80％，足热量损失中最重要的一项。
在保证燃气完全燃烧前提下，应尽可能降低空气过剩系数，以提高燃烧温度，减少废气量。
要注意炉子的密封问题，控制炉底压力在微小正压水平，防止冷空气吸入。
要控制合理的废气温度，废气温度越高，热效率越低；但废气温度太低，炉内的平均炉温水平降低，热交换恶化，加热速度变慢，炉子生产率下降。
因此，正确的途径应该是保持较高的生产率，合理的废气温度，以提高热效率，降低燃气消耗。
所以在生产率，热效率和单位热耗之间有一个合理选择热负荷的问题，这个特征如图3—9—11所示。
图3-9-11加热炉的热工指标
1-燃料消耗量（B）；2-热效率（η）；3-单位热耗（b）
（2）回收废气余热
炉子排出的废气所带走的热量，可通过多种途径加以回收。
其中最主要的是用来预热空气及燃气，把热量又重新带回炉膛，可以直接提高炉子的热效率，降低燃耗。
（3）减少冷却水带走的热量
冷却水带走的热量通常要占支出热量的13％～15％，甚至更高。
为了减少此项热量，采用的措施确：
减少不必要的水冷却面积：
进行水冷管的绝热包扎；采用气化冷却等。
（4）减少炉子砌体的散热
主要措施是实行绝热。
采用轻质耐火材料和各种绝热材料。
（5）加强炉子的热工管理与调度
炉子燃耗高，热效率低，往往不是技术方面的原因，而是管理与调度不善造成。
应使炉子保持在额定生产能力下均衡地操作，并实现各项热工参数的最佳控制。
（二）燃气工业炉炉膛热交换计算
燃气工业炉的热交换计算，必须按窑炉的实际工作情况来具体分析，而且，由于炉内热交换过程的多样性，决定了热交换计算的复杂性。
在工程上，可根据某些近似炉子工作状态下的假定条件，先按传热基本理论进行计算，然后按实际情况进行修正。
对于连续式加热炉炉膛热交换计算，在均匀热辐射条件下，有如下的假设；炉膛是一个封闭体系；炉膛内各处炉气温度都相等：
炉壁和炉料表面温度都均匀；从炉壁和炉料表面反射出来的射线密度都均匀；炉气对辐射射线的吸收率在任何方向上都一样：
炉气的吸收率等于黑度，其值只决定于炉气温度；炉壁和炉料表面部只有灰体性质，即黑度不随温度而改变；炉气以对流方式传给炉壁的热量，恰等于炉壁对外的散热量，即在辐射热交换中，炉壁的热量收支相等。
在上述假设条件下，可导出炉料净获得的辐射热：
其中，导来辐射系数C如公式（9—2），为炉气黑度和炉壁对炉料的角系数的函数，即C=f（ε1
，ψ32
）。
在实际使用中，将该函数式绘制成曲线，如图3—9—11所示。
根据已知的ε1
和ψ32
可以非常简便地查出C值。
炉气的黑度，或称火焰黑度，在均匀热辐射炉气充满整个炉膛时，
ε1
=1-e-kps
（9—21）
式中p——炉膛绝对压力，MPa，通常P≈0．1MPa；
s——气体有效辐射层厚度，m，通常s=η4V/F，其中V为炉膛有效容积，F为炉膛全面积，η为气体辐射有效系数，一般取为0．85～1．0；
K——辐射减弱系数，1／（m·MPa）
K=（Ksu
rsu
+Ksu
,这里Ksu
为三原子气体的幅射减弱系数，可按经验公式（9—15）或线算图3—9—13求得。
式中rsu
=rRO2
+rH2
O
——烟气中三原子气体的总容积成分，％；
rRO2
、rH2
O
、Psu
——三原子气体的分压，MPa。
图3-9-12C随ε1
和ψ32
变化的关系曲线
图3-9-13三原子辐射减弱系数
灰黑粒子的辐射减弱系数
式中——燃气中碳与氢质量成分的比值；
α——炉膛出口的空气过剩系数。
对于负压或正压小于5kPa的炉膛，火焰的黑度可用线算图3—9—14求得。
炉气的和炉料表面的平均温度（T1
和T2
）沿炉长或随时间而有所变化，在进行炉膛热交换计算时，可根据不同情况选取算术平均、几何平均、抛物线平均值等。
图3-9-14火焰的黑度
（三）对流受热面传热计算
为了回收烟气余热，燃气工业炉尾部通常设有空气预热器、燃气预热
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