第6章 热处理燃料炉.docx

1、第6章 热处理燃料炉第6章 热处理燃料炉概述燃料炉的结构和传热特点与电阻炉有明显差别。在这类炉种中，由燃料燃烧产生热能，以燃料产物为传热介质在炉内进行热交换。本章将概述燃料炉的结构特点，燃料燃烧计算，燃料消耗量计算、燃料装置的结构性能和这类炉子的节能途径等。6.1 热处理燃料炉的基本结构一、热处理燃料炉的基本类别和特点热处理燃料炉可根据所用燃料的种类分为固体燃料炉、液体燃料炉和气体燃料炉三类。固体燃料炉通常指煤炉，这种炉子通常有较大的燃烧室，因受煤块尺寸较大和间断加煤操作的影响，煤与空气难混合均匀，燃烧常不完全，容易产生黑烟，热效率低，炉内温度均匀性差，且劳动条件很差，这些缺点限制了这类炉子的

2、应用。目前，煤炉主要用于固体渗碳、铸锻件：退火等技术要求不甚严格的热处理工艺。气体燃料炉通常称为煤气炉。气体燃料易于同空气混合均匀，燃烧完全，其燃烧过程较易于控制，便于保持炉温均匀稳定，可满足各种常规热处理工艺的要求。液体燃料炉主要是油炉，油需要先经雾化，其燃烧过程不如气体燃料易于控制，但只要设计和操作得当，炉温均匀性也基本上可满足常规热处理工艺的要求。二、热处理燃料炉的基本结构形式热处理燃料炉的基本结构形式与电阻炉主要不同之点是设有燃烧室。燃料炉的炉型常根据燃烧室的位置分为直接燃烧式、顶燃式、侧燃式和底燃式四类，如图6-1所示。直燃式炉主要采用气体燃料，烧嘴常布置在炉膛的内壁上(图6-1a)

3、。燃料在炉膛内燃烧，火焰(高温燃烧产物)温度较高，热效率也常较大，炉子结构紧凑。一般用做高温炉。这类炉子的缺点是炉温较难控制，工件容易过热。顶燃式炉常采用气体燃料或液体燃料，烧嘴布置在炉膛上方(图6-1 b)，常设一隔拱将燃烧室与炉膛隔开，火焰由上而下进入炉膛加热工件。近年来发展平焰烧嘴，其产生的火焰扁平，布置在炉顶，无需隔拱，高温火焰由上方辐射加热工件，辐射角度大，有利于提高辐射加热效率。侧燃式炉的燃烧室常布置在炉子侧面(图6-1c)，可以是在其一侧或两侧，也有的布置在炉膛后墙外侧。它是一种古老炉型，可用各种燃料，一般结构简单，容易制造，但也存在着一些缺点。通常采用单侧燃烧室，炉气在炉膛内的

4、流动及炉温均匀性不易控制，火焰由上方加热工件，炉底常为冷状态，工件单面受热，加热速度一般较小，均匀性也常较差。此外，由于有较大的独立燃烧室，炉子热损失也常比较大。底燃式炉的燃烧室布置在炉底下方(图6-1d)，它是热处理燃料炉中应用较广的一种炉型。燃料在燃烧室内基本完全燃烧后，从炉底两侧进火口上流，进入炉膛内加热工件。这类炉子因炉气运动较易控制，且可保持循环流动，炉底是热状态，故工件加热速度较大，炉温比较均匀。这类炉子的缺点是炉底结构较复杂，寿命也较短。当要求炉温较低时，常采用这种结构形式。三、热处理燃料炉的主要组成部分热处理燃料炉主要有燃烧室、进火口，挡火墙、炉膛、排烟口，烟道、烟囱和鼓风机等

5、部分组成，现以煤炉为例说明各组成部分的作用。烟囱和鼓风机是促使炉气流动的动力。由于烟囱内废气（与工件热交换后排出的炉气）位压头的作用，而从燃烧室底部吸入空气，供燃料燃烧之用，并驱使炉气流入炉膛与工件进行热交热，而后流入烟道，经烟囱排出。鼓风机常安装在固体燃料炉燃烧室下方，鼓入增压空气，供燃烧之用，同时用于克服燃烧室媒层的阻力和提高炉膛内炉气的压力。通常依靠烟囱和鼓风机的合理配合使炉膛内的炉气保持零压或微正压状态。燃烧室是供燃料燃烧的室状空间，燃料在其中释放出炉子所需要的热能。炉膛是炉子的工作空间，工件在其中与火焰、炉壁和炉底进行热交换。为提高炉子热效率和工件温度均匀性，火焰应能充满整个炉膛，并

6、以适当速度均匀地流经工件表面。挡火墙是炉膛与燃烧室之间的隔墙，其上部（或侧面）留有进火口，引导火焰从燃烧室进入炉膛，进火口的位置和大小直接影响火焰进入炉膛的方向和速度，从而影响工件的加热状态。排烟口是炉子废气的排出口，其位置和大小可限定炉气在炉膛内的流动方向和流量。因此、它对炉气在炉膛内的分布和炉温均匀性有重大影响。排烟口的位置和大小应与进火口适当配合。在炉膛内的垂直方向，排烟口应设在炉底处，以保证炉气充满炉膛。对小型箱式炉，排烟口常设在炉门洞壁的两侧，以防止冷空气侵入炉内，保证炉前区温度。对较大的炉子，在炉后区和中区也应设排烟口。燃料炉常借改变排烟口的位置和大小来调节炉温均匀性。烟道是废气排

7、出的通道，其应能保证适当密封（清灰口和闸门等处）、防水和保温，以减少废气在烟道中降温，保证烟囱有足够的抽力。烟道的结构应尽可能减少转弯和截面突然变化，截面积要适当，以减少废气在烟道内的阻力。烟道闸门用以控制炉气流量和炉膛压力。减少闸门开启程度，会降低废气流量，提高炉气静压，增大局部阻力损失，减小烟囱的有效抽力。炉架是固定炉子砌体的钢结构。燃料炉炉体常较重，气体热胀冷缩和相变引起的体积变化相当大、所以炉架需相当坚固，以防炉膛开裂，甚至炉顶倒塌。例如，底燃式燃油（气）室式热处理炉其烧嘴交错布置在坑道式燃烧室的侧墙上，燃料在燃烧室内基本燃烧完毕后，火焰分别从两侧进火口进入炉膛，以利于温度均匀。挡火墙

8、迫使火焰上升一定高度后再改变方向流入炉膛，加上炉底可保持高温状态，所以炉温比较均匀，有利于均匀迅速加热工件。火焰流动方向不但决定于挡火墙高度，还受进火口和排烟口位置和大小的影响。排烟口位于炉门洞两侧壁上，可使火焰纵贯整个炉膛。从炉门吸入的空气也将被吸入排烟口，不致进入炉膛。为增大火焰对流换热系数和调节炉子工作温度防止工件过热，还迫使部分炉气通过再循环口重新进入燃烧室进行再循环。再循环口开在烧嘴同一侧壁上，为一垂直通道，与燃烧室相通。此炉子的排烟口截面积相当大，可减少气流的阻力。废气经炉壁内的上排烟道排出。6.2 燃料燃烧计算一、常用燃料分类天然固体燃料是煤，一般由碳、氢、硫、氧、氮、灰分和水分

9、等组成。因地质年代、压力和温度不同，煤的存在状态有很大差异，按发热值大小顺序有无烟煤、褐煤和泥煤。人造固体燃料是焦碳。天然液体燃料是石油，它是各种碳氢化合物的混合物。石油可蒸馏出汽油、煤油、柴油、机油、重油、石蜡和沥清等产品。作为工业燃料的产品主要是重油和柴油。石油制品虽是良好的燃料，但它是主要动力资源，且价格较高，一般不推荐采用。重油是密度大于煤油的石油制品，发热值很高，粘度大，需经预热处理才能使用。天然气体燃料是天然气。人造气体燃料常用的有以下几种：(1) 发生炉煤气 是使空气通过很厚的炽热煤层而得到的煤气，主要成分是CO和N2。(2) 水煤气 是将水蒸气通入温度在970C以上的碳质物质层

10、所产生的煤气，主要成分是CO和H2。(3) 混合发生炉煤气 是将空气和水蒸气的混合气通入炽热煤层所产生的煤气，主要成分是CO、H2和N2。(4) 城市煤气 这类煤气包括干馏煤气(煤在甑内加热，分解蒸馏而得的煤气)和增碳水煤气(高温水煤气经裂化油增碳所得煤气)，其主要成分是H2、CO和CH4等。(5) 高炉煤气 是炼铁的副产品，主要成分是CO和H2。(6) 焦炉煤气 是炼焦的副产品，由烟煤在高温下蒸馏而得，主要成分是H2和CH4。(7) 液化石油气 是在石油开采或提炼过程中产生的气体，再在高压下将其液化，主要成分是丙烷和丁烷。现将各种常用燃料的化学成分列入表6-1中。二、燃烧发热量计算燃料发热量

11、是衡量燃料使用价值的重要指标，它是单位重量或单位体积(对于气体燃料)的燃料，在完全燃烧的情况下所能放出的热量，单位为kJ/kg(或kJ/m3。根据燃烧产物的状态不同，可将燃料的发热量分为高发热量和低发热量。1高发热量Q高表6-1 常用燃料的化学成分及发热值燃料名称燃料成分(重量分数)挥发分%发热量Q低kJ / kg (或m3)C100H100O100N100S100A100W100固体燃料褐煤48.13.411.71.21.015.61941约18170烟煤704.48.31.02.08635约27210无烟煤843211457约31400液体燃料重油8512.510.21.50.31.539

12、36041670(体积分数)CO100H2O100CH4100CmHm100S100O2100N2100(CO2+H2S)100气体燃料天然煤气-0285970.14-1.240.123517038520焦炉煤气48536019251.62.3-0.71.2713231465016750高炉煤气233110150.12.0-486081437704400发生炉煤气32330.50.9-64660.51.550256280水煤气354047520.30.6-0.10.22657837010470城市煤气1422545816200.50.7-0.20.326241340015910C3H3C2H6

13、C4H10C3H6C4H8C2H2液化石油气*509005.7521012201706.523559037680* 液化石油气的成分随各化工厂而不同，差别很大。当燃烧产物冷却到燃烧物质的原始温度，而且燃烧产物中的水蒸气冷凝成0C的水时，单位燃料完全燃烧所放出的热量叫做燃料的高发热量。2低发热量Q低当燃烧产物冷却到燃烧物质的原始温度，而且燃烧产物中的水蒸气冷却成20C的水蒸气时，单位燃料完全燃烧所放出的热量，叫做燃料的低发热量。由此可见，高、低发热量之间在数值上存在差值，它是由燃烧产物中水分的存在状态不同所造成的。高发热量表示单位燃料可能产生的全部热量，低发热量则是在高发热量中减去燃烧产物中水蒸

14、气的汽化热。高发热量常作为实验室内鉴定燃料的指标，而在实际应用中通常采用使用状态燃料的低发热量，常以表示，本书则简写为Q低。燃料的发热量可以用实验的方法求得；也可以根据燃料中各可燃元素燃烧反应时的反应热进行理论计算。现就气体燃料说明发热量的计算方法。Q高12620 (CO)+12800 (H2)+40070 (CH4)+69500 (C2H6)+64480 (C2H4)+67200 (C2H2)+94200 (C3H8)同理Q低12620 (CO)+10790 (H2)+36090 (CH4)62510 (C2H6)+64480 (C2H4)+56350 (C2H2)+90730 (C3H8)

15、式中CO，H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、C3H8为气体燃料中的一氧化碳、氢、甲烷，乙烷、乙烯，乙炔、丙烷的体积分数。式中的数字为相应成分在标准状态下每1m3该气体的发热量(kJ/m3)。三、燃烧计算燃烧计算主要计算燃料燃烧时所需的空气量和燃烧产物量以及燃料燃烧时可能达到的燃烧温度。所得到的这些数据可为燃烧装置、烟道和烟囱等的设计提供依据。1. 理论空气需要量和理论燃烧产物量按燃料燃烧反应式计算出来的单位燃料完全燃烧所需的最小空气量称为理论空气需要量，以L0表示，单位为m3/kg燃料或m3/m3燃料。其计算方法是分别计算燃料中各可燃成分的理论空气需要量，再加在一起，得其总和。表6-

16、2列出单位重量碳理论空气需要量的求法和数值。对其它可燃成分可用相似的方法求得。表6-2 碳燃烧的理论空气需要量和燃烧产物量C+O2=CO2碳 量空气需要量燃烧产物量O2N2CO2N212g22.4dm322. 4dm31kg1.87m37.03 m31.87 m37.03 m38.90m38.90 m3单位燃料按理论空气需要量完全燃烧后所产生的全部燃烧气体称为理论燃烧产物量，以V0表示，单位为m3/kg燃料或m3/m3燃料。在实际设计中常采用近似计算式计算单位重量(或标准状态下的体积)燃料的空气需要量和燃烧产物量，如表6-3所示。表6-3 单位燃料的空气需要量和燃烧产物的经验式燃料名称发热值Q

17、低空气过剩系数理论空气需要量L0理论燃烧产物量V0煤18170-314001.3-1.7(0.241Q低/1000)+0.5(0.213Q低/1000)+1.65重油39360-418681.1-1.15(0.203Q低/1000)+2.0(0.265Q低/1000)发生炉煤气5025-62801.05-1.1(0.209Q低/1000)(0.173Q低/1000)+1.0城市煤气13400-156101.05-1.1(0.260Q低/1000)-0.25(0.272Q低/1000)+0.25天然气35170-385201.05-1.1(0.264Q低/1000)+0.02(0.282Q低/1

18、000)+0.4水煤气8370-104701.05-1.1(0.209Q低/1000)(0.258Q低/1000)高炉煤气3370-44001.05-1.1(0.191Q低/1000)(0.074Q低/1000)+1.30焦炉煤气14650-167501.05-1.1(0.251Q低/1000)-0.11(0.239Q低/1000)+0.832. 空气过剩系数在燃料燃烧时，燃料与空气的混合难于达到十分完全的程度，为保证燃料完全燃烧，实际供应的空气应超过理论空气需要量。超过的空气量称过剩空气量，实际供应的空气量与理论空气需要量的比值，称空气过剩系数，以表示，即： 值的大小常与以下因素有关：(1)

19、燃料种类 各种燃料与空气混合的难易程度不同，所以常采用不同的值，一般范围为：煤气1.02-1.2，油1.1-1.3，块煤1.3-1.7，粉煤1.2-1.25。(2)燃烧装置的结构 燃料燃烧装置种类和结构会影响燃料与空气的混合程度，例如：油喷嘴结构若能把油雾化得很细时，将会提高油与空气的混合程度， 就可取下限低值。(3)燃料的加工和制备 燃料在燃烧前的加工、粉碎，对所采用的 值也有影响。例如，采用粉煤燃烧可改善燃料煤与空气的混合状况， 可取较低值。过剩空气量对炉子操作十分重要 为保证燃料完全燃烧，必须供应一定量的过剩空。但若过剩空气过多，又会降低炉温，减小炉气黑度，增大废气带走的热量，降低炉子热

20、效率，也易使工件发生氧化，还增加废气中有害气体氮氧化物NOx的浓度，因此必须很好地加以控制。3. 实际空气量与实际燃烧产物量计算出理论空气量L0和理论燃烧产物量V0并确定空气过剩系数 后，实际空气量Ln和实际燃烧产物量Vn可由下式计算：Ln L0VnV0+(-1) L04. 理论燃烧温度计算燃料燃烧后燃烧产物所能达到的理论燃烧温度tn可依热平衡进行计算。假定空气预热到ta，燃料不预热，则：热量收入： QQ低+ Lncata热量支出： QVnCntnVCO2CCO2tn+ VN2cN2tn+QQ，则燃烧产物温度ta为：式中，Ln为单位燃料所需空气量(m3/kg或m3/m3)Vn为单位燃料生成的燃

21、烧产物量(m3/kg或m3/m3)；Ca、Cn、CCO2、CN2分别为空气、燃烧产物及其组成CO2和N2等的比热容kJ/(kgC)；VCO2、VN2分别为燃烧产物组成气体CO2、N2的体积(m3/kg或m3/m3)。因，CCO2、CN2为tn的函数，对上式求解非常麻烦，因此通常都采用试求法。先假设tn，再查表求得CCO2、CN2等，验算Q低值，然后修正tn值，重复计算。一般计算两次即可解决，最后用插入法决定差值。6.3 燃料消耗量计算燃料炉的燃料消耗量指炉子每小时所消耗的燃料量，可通过热平衡法或经验统计数据进行计算。一、热平衡计算法燃料炉的热平衡计算法与电阻炉基本相同仅计算项目有所差别。以下着

22、重叙述有关燃料炉的特殊计算项目，与电阻炉相同的项目参见电阻炉功率计算一节。1. 热量收入项1) 燃料燃烧的化学热Q烧Q烧BQ低式中，B为燃料的消耗量(kg/h或m3/h)。2) 预热空气和燃料带入的物理热Q空、Q燃Q空BL0t空c空Q燃Bt燃c燃式中， 为空气过剩系数，L0为理论空气需要量(m3/kg或m3/m3)，t空、t燃为空气、燃料预热温度(C)，c空、c燃为空气，燃料由0C至t空、t燃的平均比热容kJ/(kgC)或kJ/(m3C)。2. 热量支出项1) 加热工件的有效热量Q件2) 加热辅助件所需的热量Q辅。3) 加热可控气氛所需的热量Q控4) 通过炉衬的散热损失Q散。5) 通过开启炉门

23、的辐射损失Q辅。6) 通过开启炉门或炉墙缝隙的溢气热损失Q溢。燃料炉中，若炉膛内炉气静压高于大气压，必然有炉气外溢，导致热损失。但若外溢炉气已流经工件进行了热交换，实际与烟囱排出的废气相同，则不应再计入该项损失。若燃料炉炉膛处于负压状态，则应计入加热吸入冷空气的热损失。7) 砌体的蓄热损失Q蓄，以炉子升温过程中每小时平均热损失计算。8) 通过外伸构件的传热损失Q传，以加热过程中每小时平均热损失计算。9) 废气带走的热量Q废；Q废BVnt废c废式中，t废为出炉废气的温度(C)，对热处理生产，一般高于工件加热温度，但应不超过工件终了温度的5，c废为出炉废气的平均比热容kJ/(m3C)(见附表4)。

24、10) 燃料漏失引起的热损失Q漏：Q漏BKQ低式中，K为燃料漏失的百分数，对于固体燃料，指炉栅漏煤和炉渣带走的煤，取K35；对于气体燃料，指经储油器和油管漏油，取K1。11) 燃料不完全燃烧的热损失Q不在无焰燃烧的情况下，可认为燃料燃烧完全，无此项热损失，但在有焰燃烧炉的废气中通常含有0.53的未燃烧可燃气(CO十H2)，假设CO与H2的体积比是2:1，那么该混合气的发热量为12 142 kJ/m3，则不完全燃烧的热损失为，Q不12 142 BVnb式中，b为未燃烧可燃气的百分数。12) 其它热损失Q它。根据热量的收支平衡便可列出如下平衡方程式，并可从中求出每小时的平均燃烧消耗量B。Q烧+Q控

25、+Q燃Q件+Q辅+Q控+Q散+Q辐+Q传+Q溢+Q蓄+Q废+Q漏+Q不+Q它炉子的最大消耗量则等于(1.31.5)B。炉子的燃料消耗量是炉子的重要技术指标，为便于进行评价和比较，常将其表示成标准燃料消耗量，即加热单位重量金属所消耗的标准燃料。按规定，标准燃料(标准煤)的发热量Q低29310 kJ/kg (7000 kcal/kg)。因此，加热1kg钢件所需的标准燃料消耗量(B0)可用下式换算，其数值方程为式中，p为炉子生产率，p 为 (kg/h)；B0 为 kg / (kg钢件)。一般热处理炉的标准燃料消耗量常在0.1-0.5 kg/kg钢件范围内。二、燃料炉的热效率燃料炉的热效率可表示为:

26、根据热平衡，Q件Q烧+Q控+Q燃-Q废-Q失式中，Q失为除废气热损失以外各项热损失的总和。故炉子的热效率可写成通常不回收废气热量的周期作业燃料炉的实际热效率在5-25范围内，其中中温炉较高，高、低温炉较低，这是由于废气带走的热量随温度升高而增大，而低温炉热效率也较低的原因是在低温炉中高温燃烧产物与工件接触之前必须先行在隔离的燃烧室内降温或通入过量冷空气、以降低到工件温度，避免工件过热或局部烧坏。由上式可知，要想进一步提高燃料炉的热效率需减少或回收利用废气的热量和减少炉子的各种热损失。而炉子热损失又与炉子结构尺寸、燃料种类、装炉状况，工艺操作方法等因素有关。三、经验统计数据计算法1. 根据单位热

27、耗指标计算燃料消耗量热处理炉的单位热耗q指加热1kg工件炉子所消耗的总热量，其值也等于1kg工件加热到要求温度所需的有效热q效除以炉子的热效率 ，即：因此炉子所需的热量Q和燃料消耗量B等于：式中，p为生产率（kg/h），p0为炉子单位面积的生产率kg/(m2h)；A为有效炉底面积（m2）；Q低为所采用燃料的低发热量（kJ/kg或kJ/m3）。如上所述，炉子的热效率受多种因素影响，故生产中统计的单位热耗数据是有条件的，表5-4和5-5为几种常用热处理炉的单位热耗的概略指标，它仅适用于表中指出的工艺、燃料种类和生产率等具体条件。2. 根据炉底热强度指标计，算燃料消耗量炉子的炉底热强度E为单位有效炉

28、底面积每小时的耗热量即：上式表明，炉底热强度E也是一个与炉子单位热耗，单位炉底面积生产率和热效率等有关的指标，单位为(kJ/(m2h)。因此，计算炉子的燃料消耗量为：这种方法常用于箱室式热处理燃料炉。图6-2为台车式炉的炉底热强度指标，与之相应的炉子生产率p150-200kg/(m2h)。按炉底热强度指标求得的数值为炉子最大燃料消耗量，平均消耗量为其70。从图中可以看出，炉底面积越大，炉底热强度越小，这显然与炉子的热效率有关。该图的数据适用于重质粘土砖砌造的炉子，当改用轻质砖时，炉子的燃料消耗量约可减少15。6.4 热处理燃料炉的燃烧装置煤炉的燃烧室，气体燃料炉的烧嘴和液体燃料炉的喷嘴，统称为

29、燃料炉的燃烧装置，其作用是：提供燃料燃烧的场所，产生炉子所需的热量，使空气与燃料充分混合，保证燃烧完全，节约燃料，使火焰具有一定方向、外形和温度，以保证炉子良好的传热效果和满足炉温均匀等工艺要求。一、燃料燃烧过程燃料燃烧过程包括混合，活化和燃烧三阶段。可燃气体与空气中的氧适当混合是燃烧的前提，而且混合速度一般较慢，燃料燃烧速度主要取决于混合速度。对可燃混合物的活化是指将其加热到着火温度，混合物活化后才可能顺利燃烧。在燃烧阶段气体混合物中的可燃成分急剧与氧反应形成火焰放出大量热量和强烈的光。燃料的着火温度是燃料和空气的可燃混合物可进行正常燃烧的最低温度。不论是自行着火燃烧还是点火燃烧，都必须把燃料加热到着火温度以上，燃烧方能进行。着火浓度是指在可进行燃烧的混合气体中可燃成分的浓度范围。也就是说，在可燃气与空气的混合物中，可燃气的浓度若超出或不到这个范围(太浓或太稀)就不能着火燃烧。但一旦着火后，燃烧就不再受着火浓度的限制，直至可燃物或氧气消耗完为止。某些燃料和可燃成分的着火温度和浓度范围如表6-4和表6-5所示。表6-4 某些液体和固体燃料的着火温度燃料着火温度(C)燃料着火温度(C)高炉煤气530石油260367发生炉煤气530褐煤250450焦炉煤气500烟煤400500天然气530无烟煤600700汽油390685焦炭700煤油250609表6-5 可然气成分的燃烧