环形加热炉设计.doc

内蒙古科技大学目录一、燃料燃烧计算11.1燃料成分11.2空气需要量和燃烧产物量及其成分的计算21.3燃烧产物密度计算31.4理论燃烧温度的计算3二、钢坯加热时间的计算42.1预热段计算42.2加热段计算62.3均热段计算82.4炉体长度的确定102.5加热时间的确定11三、炉子基本尺寸的确定153.1炉膛宽度的确定153.2炉膛高度的确定15四、热平衡计算及燃料消耗量的确定174.1热量收入项174.2热量支出项19五、设计总结27六、参考资料27一、燃料燃烧计算1.1燃料成分已知的天然气成分见表1.1表1.1 天然气成分天然气种类CH4 CO2COH2N2CmHnO2H2O体积分数（%）7.09.22117.142.60.60.22.31.2空气需要量和燃烧产物量及其成分的计算理论空气需要量（1-1）式中，为燃料中各成分的体积分数。空气过剩系数取n=1.1实际空气需要量 （1-2）燃烧产物量 （1-3） （1-4）式中， ，为燃料中各成分的体积分数。 （1-5）式中， ，为燃料中各成分的体积分数；为实际空气需要量，m3/m3；为1 m3干气体所吸收的水蒸气的重量，g/m3。 （1-6）式中 燃料中氮气的体积分数； 实际空气需要量，m3/m3。 （1-7）式中 空气过剩系数，取n=1.1； 理论空气需要量，m3/m3。所以燃烧产物成分 （1-8） （1-9） （1-10） （1-11）1.3燃烧产物密度计算 （1-12）式中， ，为燃烧产物中各成分的体积分数，%。1.4理论燃烧温度的计算空气预热温度t1 =400时 （1-13）式中 燃料低位发热量，kj/m3， =18004.18 kj/m3； 空气的物理热量，kj/m3；燃烧产物量，m3/m3。燃烧产物中的空气含量 （1-14）式中 过剩空气系数，n=1.1； 理论空气需要量，m3/m3；燃烧产物量，m3/m3。查冶金加热炉设计与实例图2-3，得到理论燃烧温度=1835二、钢坯加热时间的计算将环形加热炉按炉长方向分为三个计算段，每段炉气温度取平均值并视作不变，进行分段计算加热时间和炉长2.1预热段计算炉膛的内表面积： （2-1）式中 炉膛高度，m，设预热段高度H=1.3m； 炉膛宽度，m，设炉膛宽度B=6.5m；炉膛长度，m；预热段长度，m。气层有效厚度： （2-2）式中 气体的辐射有效系数，取=0.9； 充满气体的容器体积，m3；容器的内壁面积，m2；预热段长度，m。 （2-3）式中 炉气中CO2的分压，Pa； 气层有效厚度，m。 （2-4）式中 炉气中H2O的分压，Pa； 气层有效厚度，m。当 时 （2-5）所以该温度时的炉气黑度为 （2-6）当时 （2-7）所以该温度时的炉气黑度为 （2-8） 式中 炉气中CO2的黑度； 炉气中H2O的黑度； 和水蒸气分压有关的校正系数，=1.06。砌体对钢坯的角度系数 （2-9）式中 钢坯的受热表面积，m2； 炉壁的内表面积，m2。综合辐射系数 预热段温度800 （2-10） 预热段温度1280 （2-11）式中 炉气黑度； 钢坯黑度；砌体对钢坯的角度系数。2.2加热段计算炉膛的内表面积： （2-12）式中 炉膛高度，m，设加热段高度H=1.5m； 炉膛宽度，m，设炉膛宽度B=6.5m；炉膛长度，m；加热段长度，m。气层有效厚度： （2-13）式中 气体的辐射有效系数，取=0.9； 充满气体的容器体积，m3；容器的内壁面积，m2；加热段长度，m。 （2-14）式中 炉气中CO2的分压，Pa； 气层有效厚度，m。 （2-15）式中 炉气中H2O的分压，Pa； 气层有效厚度，m。当 时 （2-16）所以该温度时的炉气黑度为 （2-17）当时 （2-18）所以该温度时的炉气黑度为 （2-19） 式中 炉气中CO2的黑度； 炉气中H2O的黑度； 和水蒸气分压有关的校正系数，=1.06。砌体对钢坯的角度系数 （2-20）式中 钢坯的受热表面积，m2； 炉壁的内表面积，m2。综合辐射系数 预热段温度1280 （2-21） 预热段温度1350式中 炉气黑度； 钢坯黑度；砌体对钢坯的角度系数。2.3均热段计算炉膛的内表面积： （2-22）式中 炉膛高度，m，设均热段高度H=1.2m； 炉膛宽度，m，设炉膛宽度B=6.5m；炉膛长度，m；均热段长度，m。气层有效厚度： （2-23）式中 气体的辐射有效系数，取=0.9； 充满气体的容器体积，m3；容器的内壁面积，m2；均热段长度，m。 （2-24）式中 炉气中CO2的分压，Pa； 气层有效厚度，m。 （2-25）式中 炉气中H2O的分压，Pa； 气层有效厚度，m。当 时 所以该温度时的炉气黑度为 （2-26）当时 （2-27）所以该温度时的炉气黑度为 （2-28） 式中 炉气中CO2的黑度； 炉气中H2O的黑度； 和水蒸气分压有关的校正系数，=1.06。砌体对钢坯的角度系数 （2-29）式中 钢坯的受热表面积，m2； 炉壁的内表面积，m2。综合辐射系数 均热段温度1350 （2-30）均热段温度1280 （2-31）式中 炉气黑度； 钢坯黑度；砌体对钢坯的角度系数。预热段和均热段交界处取平均值 （2-32）加热段和均热段交界处取平均值 （2-33）2.4炉体长度的确定最大生产率 预选炉底强度 加热面积 （2-34） 又 （2-35） 有 炉长L的确定 （2-36）实际炉长 （2-37）式中 环形炉中径，m。炉膛有效面积 （2-38）式中 钢坯长度，m；有效炉长，m。2.5加热时间的确定要求每小时加热的钢坯数为233根每根钢坯的质量为加热时间的计算（1） 预热时间的计算 （2） 加热时间的计算 （3） 均热时间的计算所以炉内放置的钢坯根数为 2331.136=265根在加热完了时钢坯的温差为20，则加热段终了时钢坯的平均温度为： （2-39）在此温度下钢坯的热含量查钢铁厂工业炉设计参考资料上册 第47 页 得：查相同资料第 48 页得热导率：加热段终了进入钢坯表面的热流为： （2-40）加热段：加热段终了处了炉气温度： （2-41） =1355.6 预热段终了和加热段开始处的钢坯表面温度先按700计算，然后再进行校核。交界处热流为： （2-42） =439857.951 钢坯的温度差为： （2-43）钢坯的平均温度： 此温度下= 347.8 kj/kg （2-44） 加热段内钢坯的热含量增加值为： （2-45） 加热段内的平均热流为： （2-46）钢坯在加热段内的时间为： （7-61）加热段的长度为： （2-47）均热段：均热段完了取岀炉时钢坯的温差为10，则均热终了时钢坯的平均温度为： （2-48）在此温度下钢坯的热含量，查钢铁厂工业设计参考资料上册 第47 页 得：热导率，查钢铁厂工业设计参考资料上册 第48 页 得：均热段终了进入钢坯表面的热流为： （2-49）均热段终了处的炉气温度： （2-50） 加热段终了和均热段开始处钢坯的表面温度按1200计算，然后再进行校核。交界处的热流为： （2-51） =159097.9594 钢坯内的温度差为： （2-52）钢坯的平均温度为： （2-53）此温度下= 754.7 kj/kg均热段内钢坯的热含量增加值为： （2-54）均热段内的平均热流为： （2-55）钢坯在均热段内的时间为： （7-71）均热段的长度为： （2-56）预热段：预热段内钢坯的热含量增加值为： （2-57） 预热段炉长为： （） （2-58）钢坯在预热段内的时间为： () （2-59）预热段内的平均热流为： （2-60）预热段开始处即装料炉门口处的热流为： （2-61）装料炉门口处炉气温度为： （2-62） =201三、炉子基本尺寸的确定3.1炉膛宽度的确定 （3-1）式中 钢坯长度，m。设计中实取炉宽为6.5m。3.2炉膛高度的确定（1）预热段炉膛高度预热段炉膛的有效高度 （3-2）式中 系数，A=0.55； 炉膛宽度，m；炉气温度，。预热段炉膛的全高 （3-3）式中 炉膛的有效高度，m； 钢坯的厚度，m。设计中实取预热段炉膛高度为1.4m。（2）加热段炉膛高度加热段炉膛的有效高度 （3-4）式中 系数，A=0.65； 炉膛宽度，m；炉气温度，。加热段炉膛的全高 （3-5）式中 炉膛的有效高度，m； 钢坯的厚度，m。设计中实取加热段炉膛高度为1.7m。（3）均热段炉膛高度均热段炉膛的有效高度 （3-6）式中 系数，A=0.55； 炉膛宽度，m；炉气温度，。 （3-7）式中 炉膛的有效高度，m； 钢坯的厚度，m。设计中实取均热段炉膛高度为1.5m。四、热平衡计算及燃料消耗量的确定4.1热量收入项（1）燃料燃烧的化学热量 （4-1）式中 燃料消耗量，m3/h；燃料的低发热量，kj/m3。（2）燃料带入的物理热量 （4-2）式中 燃料消耗量，m3/h；燃气的平均比热容，kj/(m3)；燃气的预热温度，。因燃料未进行预热，故可忽略。（3）空气预热带入的物理热量 （4-3）式中 燃料消耗量，m3/h；空气过量系数；理论空气需要量，m3/ m3；空气的平均比热容，kj/(m3)；空气预热温度，。（4）雾化用蒸汽带入的热量 （4-4）式中 燃料消耗量，m3/h；理论空气需要量蒸汽消耗量，kg/ kg；水蒸气的温度，；水蒸气的平均比热容，kj/(kg)。（5）钢氧化反应的化学热量 （4-5）式中 由于铁的氧化而放出的热量；炉子小时产量，t/h；钢坯氧化烧损率，kg/ kg。4.2热量支出项（1）钢加热所需的热量 （4-6）式中 炉子小时产量，t/h；钢坯出炉时的热含量，kj/kg；钢坯装炉时的热含量，kj/kg。（2）出炉烟气带走的热量 （4-7）式中 燃料消耗量，m3/h；燃烧产物量（烟气量），m3/ m3；烟气出炉时的温度，；出炉温度时，烟气的平均比热容，kj/( m3)。（3）燃料化学不完全燃烧损失的热量 （4-8）式中 燃料消耗量，m3/h；燃烧产物量（烟气量），m3/ m3；CO，H2的混合发热值，kj/ m3；烟气中未完全燃烧成分的百分数。（4）燃料因机械不完全燃烧损失的热量 （4-9）式中 燃料消耗量，m3/h；燃料因机械不完全燃烧而损失的百分数；燃料的低发热量，kj/m3。（5）炉体砌筑散热或蓄热损失的热量炉墙、炉顶的散热损失 （4-10）式中 砌体内壁至空气的综合传热系数，kj/（m2h）；砌体内表面温度，；外界空气温度，；砌体的散热面积，m2。炉底的散热损失（环形加热炉为实炉底） （4-11）式中 形状系数，圆形炉底取4； 炉底材料的导热系数，kj/（mh）； 炉底面积，m2； 炉底的最小宽度，m；砌体内表面温度，；外界空气温度，。炉体砌筑材料组成见表8.3。表8.3 炉体砌筑材料组成炉墙重质浇注料耐火纤维380mm100mm炉顶重质浇注料轻质浇注料耐火纤维板240mm90mm30mm炉底耐磨浇注料轻质粘土砖轻质保温砖耐火纤维 续表230mm210mm140mm50mm各砌筑材料的导热系数：重质浇注料的导热系数轻质浇注料的导热系数轻质保温砖的导热系数轻质粘土砖的导热系数耐火纤维板、耐火纤维的导热系数1）炉墙散热计算设炉膛温度为t1=1300，环境温度为t4=20，炉墙外表面温度为t3，砌筑材料各层的温度分别为t2，通过的热流为q，各层的砌筑材料的厚度分别为S1、S2、导热系数分别为1、2。通过方程组迭代求出未知量计算结果汇总见表8.4表8.4 计算结果汇总表材料厚度SS1S2m0.3800.100导热系数123.830.51温度tt1t2t3t413009338220热流qq781.32）炉顶散热计算设炉膛温度为t1=1300，环境温度为t5=20，炉顶外表面温度为t4，砌筑材料各层的温度分别为t2，t3，通过的热流为q，各层的砌筑材料的厚度分别为S1、S2、S3，导热系数分别为1、2、3。通过方程组迭代求出未知量计算结果汇总见表8.5表8.5 计算结果汇总表厚度SS1S2S3m0.2400.0900.030导热系数1233.870.740.081 续表温度tt1t2t3t4t51300115992611420热流qq2010.33）炉底散热计算设炉膛温度为t1=1300，环境温度为t6=30，炉顶外表面温度为t5，砌筑材料各层的温度分别为t2、t3、t4，通过的热流为q，各层的砌筑材料的厚度分别为S1、S2、S3、S4，导热系数分别为1、2、3、4，形状系数为S=4，炉底最小宽度为B=6.5m。通过方程组迭代求出未知量计算结果汇总见表8.6表8.6 计算结果汇总表厚度SS1S2S3S4m0.2300.2100.1400.050导热系数12341.1100.5010.7420.081温度tt1t2t3t4t5t61320115683468810430 续表热流qQ796.8（6）炉门和窥孔因辐射而散失的热量 （4-12）式中 炉门和窥孔处的炉温，K； 炉门或窥孔的面积，m2； 角度修正系数； 一小时内炉门或窥孔的开启时间，min。炉门散热窥孔散热（7）炉门、窥孔、墙缝等因冒气而损失的热量在热平衡计算中，本项热损失通常包括在第二项出炉烟气带走的热量中，不单独进行计算。 （4-13）（8）炉子水冷构件吸热损失的热量 （4-14）式中 炉子小时产量，t/h；耗水量，t/t； 回水温度，； 来水温度，。（9）其他热损失 （4-15）式中 燃料消耗量，m3/h；燃料的低发热量，kj/m3；占燃料燃烧热的1.5%。热收入=热支出 （4-16） （4-17） （4-18）热量总和 （4-19）实际单位热耗 （4-20）式中 燃料消耗量，m3/h；燃料的低发热量，kj/m3；炉子小时产量，t/h。为了便于比较和评价炉子工作，通常都将热量的收支各项及其在总热量中所占比例列成热平衡表，见表8.7表4.1 热平衡表类型项目数值（kj/h）比例（%）热 收 入 项燃料燃烧的化学热量7399543082.38燃料带入的物理热量00.00空气预热带入的物理热量1003936211.37钢氧化反应的化学热量42322504.8雾化用蒸汽带入的热量00.00热 支 出 项钢加热所需的热量4236848041.5出炉烟气带走的热量3449334833.7燃料化学不完全燃烧损失的热量1609442415.7燃料因机械不完全燃烧损失的热量00.00炉体砌筑散热或蓄热损失的热量59384275.4炉门和窥孔因辐射而散失的热量6570430.60炉门、窥孔、墙缝等因冒气而损失的热量00.00炉子水冷构件吸热损失的热量20900002.05其他热损失11099311.09考虑到燃料在烧嘴处留有一定的余量，取强化系数为1.2，则实际需要的燃料量为：五、设计总结