加热炉01(1-8)(9-19)

1、加热炉01材料成型专业绪言在热轧生产中，必须将金属锭或坯加热到一定的温度，使它具有一定的可塑性，才能进行轧制。就是采用冷轧工艺，也往往需要对金属进行热处理。为了对金属加热，就需要使用各种类型的加热炉。对加热炉的要求是：1. 生产率高在保证质量的前提下，物料加热速度越快越好，这样可以提高加热炉的生产率，减少炉子座数或缩小炉子尺寸。快速加热还能降低金属的烧损和单位燃料消耗，节约维护费用。一般用单位生产率即炉底强度kg/(m2·h)的高低来评价一座炉子工作的优劣。例如推钢式连续加热炉的炉底强度为600800 kg/(m2·h) ，步进式加热炉为700900 kg/(m2·

2、;h) ，先进的连续加热炉可达 1000 kg/(m2·h) 。2. 加热质量好金属的轧制质量与金属加热质量有密切的关系。加热时物料出炉温度应符合工艺要求，断面上温度分布均匀，金属烧损率低，防止过烧和表层的脱碳现象。3. 燃料消耗低轧钢厂能量消耗的1015用于加热炉上，节省燃料对降低成本和节约能源都有重大意义。一般用单位燃料消耗量来评价炉子的工作，如每kg钢消耗的燃料量（kg）或热量（kJ）。4. 炉子寿命长由于高温作用和机械磨损，炉子不可避免会有损坏，必须定期进行检修。应尽可能延长炉子的使用寿命，降低修炉的费用。5. 劳动条件好要求炉子的机核化及自动化程度高，操作条件好，安全卫生，

3、对环境无污染。以上五个方面是对加热炉总的要求，在对待具体炉子时，应辩证地看待各项指标之间的关系。如提高生产率、提高加热质量和降低燃料消耗量一般是统一的，但有时则有主有次，例如一些加热炉过去强调有较高的生产率，但随着能源问题的突出，则更多的是着眼于节能，而适当降低炉子热负荷和生产率。第一章 燃料及燃烧在自燃界的各种能源中，目前燃料仍占最重要的地位。冶金工业是燃料巨大消耗的行业。因而燃料工业的发展直接影响冶金工业的发展。目前冶金工业所用的燃料都是碳质燃料。碳质燃料根据其物态，可以分为固体燃料、液体燃料和气体燃料。根据来源又可以分为天然燃料和加工的燃料。天然燃料（如煤炭和石油）直接燃烧在经济上不合算

4、，在技术上也不合理，应当开展综合利用，把天然燃料首先作为化工原料，提取一系列重要产品。现代冶金联合企业主要是使用各类加工的燃料。一些主要碳质燃料的分类见表11燃料的物态来源天然燃料加工燃料固体燃料液体燃料气体燃料木柴、泥煤、褐煤、烟煤、无烟煤石油天燃气木炭、焦炭、粉煤、型煤、型焦汽油、煤油、柴油、重油、焦油、煤水浆高炉煤气、焦炉煤气、发生炉煤气、水煤气、转炉煤气、石油裂化气、第一节 燃料的一般性质一、燃料的化学组成自燃界中的固体燃料和液体燃料，都是由有机物和无机物两部分所组成。有机物是由碳、氢、氧及少量的氮、硫等构成。这些复杂的有机化合物，分析十分困难，所以一般只测定碳、氢、氧、氮、疏的百分含

5、量，与燃料的其他特性配合起来，帮助我们判断燃料的性质和煤进行燃烧计算。燃料的无机物部分主要是水分和矿物质灰分。气体燃料由CO、H2、CH4、C2H4、CmHm、CO2、N2、O2、H2S 、H2O等简单的化合物或单质混合组成，其中主要的可燃成分是CO、H2、CH4、C2H4、CmHm等， CO2、N2、O2、H2O等是不可燃成分。 固体燃料和液体燃料的元素组成用质量百分数表示，如C、H、O、N、S等。燃料中的水分和灰分分别以符号W及A表示。1. 碳碳是固体燃料和液体燃料中最主要的热能来源。碳在燃烧时与空气中的氧化合生成CO2，同时放出大量的热 C+O2=CO2+33915（kJkg）燃料不完全

6、燃烧时，碳与氧生成CO。 C+l/2O2=CO+10258（kJkg）2 .氢氢也是燃料中重要的可燃成分。氢燃烧时生成水蒸汽，同时放出大量的热。 H2+12O2=H2O（汽）+119915（kJ kg）固体燃料和液体燃料中的氢与碳、氧、硫结合成各种化合物状态存在，与碳、硫结合的氢可以燃烧；与氧结合的氢形成了燃料内的水分,不仅降低了燃料的可燃成分的比例，而且蒸发时还要消耗热量。这种水分由于在干燥时不能除去，只有高温下分解时才能被除掉。3. 氧氧是燃料中有害的组成部分，因为在固体燃料及液体燃料中，它与碳、氢等可燃成分结合呈化合物状态存在。所以作为燃料使用时，它不仅不参与燃烧，反而约束了一部分可燃成

7、分。4. 氮氮是惰性物质，燃烧时一般不参加反应而进入烟气中。在温度高和含氮量高的情况下，将产生较多的NOx造成大气污染。5.硫硫是燃料有害的杂质。燃料中有机硫和黄铁矿硫在空气中燃烧都能生成SO2 。呈硫酸盐状态存在的硫不能燃烧，燃烧时进入灰分。有机硫及黄铁矿硫燃烧时虽燃能够产生一定热量（10468kJ/kg）。但SO2，腐蚀金属设备，会使钢材表面烧损增加，严重影响钢的加热质量，并污染环境造成公害。所以冶金燃料中的硫含量一般均有限制，在选用时必须加以考虑。 6.水分燃料中的水分是有害的成分。它的存在降低了可燃成分的比例，在燃烧时要吸收大量热而蒸发，而且对燃料的运输和加工都不利。煤中水分的含量波动

8、范围很大，不同炭化程度的保，水分含量相差也很大，见表12。表12不同炭化程度煤水分含量 泥煤褐煤烟煤无烟煤原始供水分含量，6090306041524空气干燥后水分含量， 4050104018l2原始煤中水分含量比较高是由于进在开采、洗选、运输、贮存过程中，表面吸附了大量水分。这些水分在空气中风干时即可以除去，称为外部水分。其余水分吸附在煤的小毛细管中，并以物理化学方式与煤质相连接，需要加热到102105才能除去，称为内在水分。此外煤的矿物质中还常有少量结晶水，只有在更高温度下才能除去。7.灰分煤中的灰分高，相对可燃成分的比例就减少，而燃烧时灰分本身的加热和分解还要吸收热量；灰分高的煤往往容易夹

9、杂烧不透的可燃物，造成燃料的损失；清灰也是很繁重的劳动。所以灰分的多少是衡量燃料经济价值的重要指标。除了灰分的含量之外，在衡量固体燃料的质量时，还必须考虑灰分的熔点。灰分熔点太低时，容易在炉栅上结成大块，影响通风，清灰除渣也困难。所以一般要求灰分的软化温度不低于1200。二、燃料组成的表示方法固体燃料和液体燃料的分析结果表示为各组成的质量百分数，但由于燃料中水分和灰分含量波动很大，往往受季节、运输和贮存条件的影响而变动。冶金燃料基于不同的分析基准常用的成分表达方式有三种：应用成分、干燥成分和可燃成分。应用成分反映了燃料在实际应用时的组成。包括全部C、H、O、N、S和灰分（A）、水分（W），以上

10、述组成的总和为100，即 C用+ H用+ O用+ N用+ S用+ A用+ W用=100 （1-1）干燥成分水分不计在内，各成分所占的质量百分数称为燃料的干燥成分，C、H、O、N、S 、 A六个组成的总和为100，即 C干+H干+ O干+ N干+ S干+ A干=100 （1-2）可燃成分采用无水无灰的基准，以这种方式表达的质量百分组成，即 C干+H干+ O干+ N干+ S干=100 （1-3） 图11 各成分和基准的关系工业分析 工业上为了对煤作出工艺评价，合理利用煤炭资源。工业分析包括测定煤的水分、灰分、挥发分和固定碳。水分、灰分和挥发分用定量法测定，固定碳用差余法算出。将煤放在坩埚内，在隔绝

11、空气的条件下，以850士20的温度加热七分钟，煤热分解后逸出的一些气态产物，称为燃料的挥发分，以符号V表示。煤在逸出挥发分以后的残留物质就是焦炭，其中的可燃部分称为固定碳（FC），焦炭燃烧后留下的是灰分。因此，固定碳100-（水分+灰分+挥发分）。表13几种煤的挥发分产率泥煤褐煤烟煤无烟煤挥发分产率，>70>401055<10气体燃料由一些简单的气体成分混合组成，它的化学组成的表示法就是用各种单一气体的体积百分数。包括水分在内的称为“湿成分”，不包括水分的成分称为“干成分”，即CO湿+ H2湿+ CH4湿+ ···+ N2湿+ H2O湿=100

12、（1-4） CO干+ H2干+ CH4干+ ···+ N2干=100 气体燃料的水分含量一般等于在某温度下的饱和水蒸汽量。当温度变化时，饱和水蒸汽含量也发生变化。所以H2O湿只是气体燃料在一定温度下的水分含量，在分析结果中要注明温度。在湿成分又是实际应用时的成分，在计算时常常需要煤行干湿成分的换算。三 、燃料的发热量单位质量或体积的燃料完全烧烧后所放出的热量称为燃料的发热量。燃料的发热量是评价燃料质量的一项重要指标。燃料的发热量越高，经济价值也越大。固体燃料和液体燃料发热量的单位是kJ/ kg ；气体燃料是kJ/m3。由于燃料中含有水分，燃料中的氢及碳氢化合物燃烧

13、后也会生成水，因此燃烧产物中必定有水存在。水以汽态或液态存在时，发热量的值也有所不同。当燃烧产物的温度冷却到使其中的水蒸汽冷凝成0的水时，所放出的热量称为燃料的高发热量，用Q高表示。当燃烧产物中的水分不是呈液态，而是呈20的水蒸汽存在时，由于扣除了水分的汽化热而使发热量降低，这时得到的热量称为燃料的低发热量，用Q低表示。在实际燃烧过程中，低发热量比较有意义，计算采用得较多。高发热量与低发热量之间的换算关系如下：水在恒压下由0的水变为0蒸汽的汽化热近似地为25.12 kJ/ kg ，设每100 kg 燃料中的氢为Hkg，水为Wkg，则燃烧后总的水质量为9H+W kg，故高发热量与低发热量之间的关

14、系为Q高 Q低+25.12 (9H+W) (kJ/kg)(1-5)燃料的发热量可以用热量计直接测定，也可以根据燃料的元素分析值或工业分析值用计算来确定。常用的利用元素分析值计算发热量的公式，如门捷列夫公式：Q低339.1C用 +1256H用-108.9(O用-S用) 25.12(9H+W) (kJ/kg)(1-6)气体燃料是一些独立存在的可燃成分所组成，每种可燃成分的发热量可以精确测定。所以只需把各可燃成分的发热量加起来即可，其计算公式为Q低127.7CO湿 +107.6H湿+358.8CH4湿+· · · · · · (kJ/kg)

15、(1-6)各种燃料的发热量差别很大，如果要比较各炉子的能耗，单讲质量是不确切的。为了便于比较，人为地规定了一个“标准燃料”的概念。每1kg标准都料的发热量定为29270kJ（相当于7000kcal），这样就可以把各种然料折算为标准燃料。常用于加热炉的燃料有煤、重油、天然气、高炉煤气及焦炉煤气、发生炉煤气等。一、煤各种煤都是古代的植物经过在地下长期炭化形成的。世界煤储量估计为5×1012t，是丰富的能源。根据炭化程度的不同，煤又分为泥煤、褐煤、烟煤、无烟煤。炭化程度越高，煤中的水分、挥发分就越少，固定碳越多。泥煤是最年轻的煤，其中还保留了一部分植物残体，含水量很高，工业上价值不大。褐煤

16、是泥煤进一步炭化的产物。它的外观呈褐色或褐黑色，挥发分很高，可达 4555。褐煤的发热量较低，化学反应性强，在空气中可以氧化或自燃，风化后容易碎裂，在炉内受热破碎严重。褐煤可以作为气化原料和化工原料，冶金厂有时用来烧锅炉或低温炉子。烟煤是工业用煤中最主要的一种。烟煤比褐煤炭化更完全，水分和挥发分进一步减少，固定碳增加。低发热量一般在2300029300kJ/kg。无烟煤是炭化程度最完全的煤，其中挥发分很少。无烟煤化学反应性较差，热稳定性差，受热以后很容易爆裂。无烟煤由于挥发分少，燃烧时火焰很短，不适合直接作为工业燃料。二、重油加热炉上所用的液体燃料主要是重油。重油是石油加工的产品。原油经过加工

17、，提炼了汽油、煤油、柴油等轻质产品以后，剩下的分子量较大的油就是重油，也称渣油。根据原油加工过程的不同，所得的重油还有常压重油、减压重油和裂化重油之分。三、天然气天然气是直接由地下开采出来的可燃气体，是一种工业经济价值很高的气体燃料。它的主要成分是甲烷（CH4），含量一般在8098，还有少量重碳氢化合物及H2、CO等可燃气体，不可燃成分很少，所以发热量很高，大多都在 3350046000kJm3。天然气是一种无色、稍带腐烂臭味的气体，密度约 0. 730. 80kgm3，比空气轻。天然气容易着火，着火温度范围在640850之间，与空气混合到一定比例（容积比为415），遇到明火会立即着火或爆炸。

18、天然气燃烧时所需的空气量很大，每m3天然气需914m3空气，燃烧火焰光亮，辐射能力强，因为燃烧时甲烷及其他碳氢化合物分解析出大量固体碳粒。由于天然气含情性气体很少，发热量高，可以作长距离输送，是优良的冶金炉燃料，同时又是优良的民用燃料和化工原料，可以制取化肥、塑料、橡胶、药品、染料等，因此要根据天然气产区的能源平衡作统筹的考虑，使国家的能源得到最合理的分配与使用。四、高炉煤气和焦炉煤气1高炉煤气高炉煤气是高炉炼铁的副产物。高炉每消耗一吨焦炭可以得到38004000m3的高炉煤气。高炉煤气含有大量的N2和CO2，所以发热量比较低，通常只有33504200kJm3。高炉煤气由于发热量低，燃烧温度也

19、较低，火焰的辐射能力弱，在加热炉上单独使用困难，往往是与焦炉煤气混合使用，或在燃烧前将煤气与空气预热。高炉煤气是钢铁联合企业内数量很大的副产品，所以被作为一项重要的能源。 高炉煤气的成分（干成分）大致如下： CO H2 CH4 CO2 N2 2231 23 0.30.5 1019 5758现代高炉往往采用富氧鼓风和高压炉顶技术，采用富氧鼓风时，高炉煤气的CO和H2升高，而N2含量降低，所以煤气的发热量相应提高。采用高压炉顶技术时，随着炉顶压力的升高，煤气中CO略有降低，而CO2相应升高，所以煤气的发热量也稍有下降。2.焦炉煤气焦炉煤气是炼焦的副产物。每炼制一吨焦炭可得400450m3焦炉煤气。

20、焦炉煤气的主要可燃成分是H2、CH4、CO、C2H4等，此外还有H2S、焦油、氨、苯等，还有不可燃的CO2、N2和水分。由于煤气中含有许多重要化工原料，所以在作为燃料以前应在焦化厂中处理，回收各种化工产品，并除去煤气中的水分、灰分、硫分等。焦炉煤气的成分（干成分）大致如下（）： H2 CH4 CnHm CO CO2 O2 N25560 2428 24 68 24 0. 40. 8 47由于焦炉煤气内的主要可燃成分是高发热量的H2和CH4，并且含有焦油物质，所以焦炉煤气的发热量为1600018800kJm3。如果煤的挥发分高，焦炉煤气中 CH4等的含量将增高，煤气的发热量也将增高。焦炉煤气由于含

21、H2高，所以黑度小，较难预热。同时密度只有0.40.5kgm3比其他煤气轻，火焰的刚性差，往上飘。3高炉一焦炉混合煤气在钢铁联合企业里，可以同时得到大量高炉煤气和焦炉煤气。焦炉煤气与高炉煤气产量的比值大约为1：10，单独使用焦炉煤气从企业总的能量分配看来是不合理的。所以在企业里可以利用不同比例的高炉煤气和焦炉煤气配成各种发热量的混合煤气，其发热量为59009200kJm3，供企业内各种冶金炉作为燃料。五、发生炉煤气发生炉煤气是以固体燃料为原料，在煤气发生炉中制得的煤气，这个热化学过程叫固体燃料的气化。根据工艺过程的不同，发生炉煤气可以分为：空气煤气、空气一蒸汽煤气、水煤气等。作为加热炉燃料的主

22、要是空气一蒸汽煤气，通常泛指的发生炉煤气就是指这一种。图12是在发生炉中制造煤气的原理示意图。原料自上方连续加入发生炉内，空气与蒸汽从下部进入。空气与蒸汽通过灰渣层被预热后继续上升，空气中的氧与炽热的焦炭在氧化层发生燃烧反应，并放出大量的热。 CO2CO2406900（ J mol ）当气体上升时，生成的CO2在还原层又被炽热的焦炭还原为CO，并吸收一定热量。 CO2C2CO160700（J mol ）总的来看，以上两个反应式可以表达为 2CO22CO246200（ J mol ）这是放热反应，因此发生炉的温度将不断升高。为了在生产中控制反应温度，所以鼓风中同时鼓入蒸汽，蒸汽在炉内与炽热焦炭相

23、遇时，发生还原反应。 H2O+CH2+CO118720（Jmol） 2H2O+C2H2+CO2 75240（ Jmol ） CO+H2O=CO2H243580（ Jmol ）由于这几个反应都是吸热反应，因此降低了空气鼓风时过高的炉温，而且生成了可燃气体CO和H2，增加了煤气的发热量。气体从还原层上升，再经过干馏层和干燥层后由上部排出。发生炉出来的煤气含有大量水分、焦油和灰尘。如加热炉距离发生炉很近，为了利用煤气的物理热，可以直接使用热煤气，只需在干式除尘器中粗洗即可使用。如要输送或储存的煤气，则要建立洗涤装置，降低煤气中的水分、焦油和含尘量。热处理炉较多地是使用经过净化的冷煤气。各种发生炉煤气

24、成分的举例见表16。第三节 燃烧计算为了合理利用燃料，需要掌握燃料燃烧的若干热工参数和进行燃烧计算。燃烧计算包括空气需要量和燃烧产物量的计算，燃烧产物成分和密度的计算，燃烧温度的计算等。燃烧过程是很复杂的，为了使计算简化，在燃烧计算中作如下几项假定：（1）气体的体积都按标准状态（0和105Pa）计算，一切气体在标准状态下每kmol的体积都是22.4m3;（2）在计算中不考虑热分解的产物；（3）空气的组成只考虑O2和N2，按表l7的比例。表 1-7 空气的组成空气的组成1kg氧相当1m3氧相当质量容积质量容积氧 23氮 77氧 21氮 79空气 4.31kg氮 4.31kg空气 4.76m3氮

25、3.76m3在进行燃烧计算时，常常要用到以下两个基本概念。1完全燃烧和不完全燃烧燃料中的可燃物质和氧进行了充分的燃烧反应，燃烧产物中已不存在可燃物质，称为完全燃烧。如燃料中的碳全部氧化生成CO2，而不存在CO。不完全燃烧又有两种情况：（1）化学不完全燃烧燃料中的可燃成分由于空气不足或燃料与空气混合不好，而没能得到充分反应的燃烧，叫化学不完全燃烧。（2）机械不完全燃烧燃料的部分可燃成分没有参加或进行燃烧反应就损失了的燃烧过程，叫机械不完全燃烧。如灰渣裹走的煤，炉栅漏下的煤，管道漏掉的重油或煤气。2空气消耗系数燃料燃烧时所需的氧气通常是由空气供给的。根据化学反应方程式计算的每1kg或1m3燃料完全

26、燃烧时所需要的空气量，叫理论空气需要量。由于空气供给不足或燃料与空气的混合不好，会造成化学不完全燃烧。因此，为了保证燃料的完全燃烧，所供给的空气量实际上都大于理论的空气需要量。令Ln代表实际供给空气量，L0代表理论空气需要量，则二者的比值就称为空气消耗系数并用n表示，即n= Ln/ L0空气消耗系数的大小与燃料种类、燃烧方法、燃烧装置的结构及其工作好坏都有关。各类燃料空气消耗系数的经验数据如下： 固体燃料 n=1.20l.50 液体燃料 n=1.15l.25 气体燃料 n=1.051.15一、固体燃料和液体燃料完全燃烧的分析计算固体燃料和液体燃料的主要可燃成分是碳和氢，还有少量的硫也可以燃烧。

27、在计算空气需要量和燃烧产物量时，是根据各可燃元素燃烧的化学反应式来进行的。例如 C O2 CO212kg 32kg 44kg1kmol 1kmol 1kmol 计算时一种是按质量计，即 12kg碳与 32kg氧化合生成 44kg二氧化碳；另一种是按kmol计，即 1kmol碳与1kmol氧化合，生成1kmol二氧化碳。这两种表示法在实际计算中都采用，但后者显然比较简单，所以在运算中，往往先把质量换算为kmol再行计算。具体的计算方法和步骤可以通过表l8来说明。根据表1-8的分析，可得出各有关燃烧参数的计算公式1.空气需要量2.燃烧产物量n=1时的理论燃烧产物量nl时的实际燃烧产物量3.燃烧产物

28、成分各成分的体积百分数为：4.燃烧产物密度当不知燃烧产物成分时，可根据质量守恒定律（参加燃烧反应的原始物质的质量应等于燃烧反应生成物的质量），用下式计算燃烧产物的密度：当已知燃烧产物的成分时，燃烧产物的密度式中CO2、H2O 为100m3的燃烧产物中各成分的体积数，m3。二、气体燃料完全燃烧的分析计算已知气体燃料的湿成分CO湿+ H2湿+ CH4湿+ ···+ N2湿+ H2O湿=100 气体燃料的燃烧计算方法与固体燃料、液体燃料的燃烧计算相似，而且更为简便。因为任何气体每1kmol的体积为22.4m3，所以参加燃烧反应的各气体与燃烧生成物之间的mol之比，就是其

29、体积比。例如 CO 1/2O2 CO21 kmol 0.5 kmol 1 kmol 1 m3 0.5 m3 1 m3因此，气体燃料的燃烧计算可以直接根据体积比进行计算。三、燃烧温度的计算燃烧时燃烧产物所能达到的温度称为燃料的燃烧温度。燃烧产物所含的热量，可以由燃烧过程的热平衡求出。根据能量守恒，燃料燃烧时燃烧产物的热量收入和热量支出应当相等。由热量收支关系可以建立热平衡方程式，根据热平衡方程式即可求出燃烧温度。1燃烧过程中热量收入在燃烧过程中，热量的收入项包括：（1）燃料燃烧的化学热Q化；（2）燃料带入的物理热Q燃；（3）空气带入的物理热空。2燃烧过程中热量支出热量的支出项包括：（1）燃烧产物

30、包含的热量t理Vnc。，在简单的理想情况下，没有热量消耗与损失，燃烧产物所得到的热量都用以提高自身的温度，这时的燃烧温度称为理论燃烧温度t理。VVN 是燃烧产物的体积m3/kg或m3/m3 ；c为燃烧产物的平均比热kJ/（m3·）。（2）由于燃烧产物的热分解而损失的热量Q解，燃烧产物中的部分CO2和H2O在约2000 高温下要发生热分解，消耗一部分热量，即 CO2 CO + OQ解 H2O H + OHQ解 因此，可以建立燃烧过程的热平衡方程式如下：Q低+ Q燃+ Q空 t理Vnc + Q解 t理 （Q低+ Q燃+ Q空Q解）/ Vnc （131）理论燃烧温度是燃料能完全燃烧，而没有

31、其他热支出时，燃烧产物所能达到的最高温度。但是，在实际的燃烧条件下，由于向周围介质散失的热量和燃料不完全燃烧造成的损失，实际燃烧温度比理论燃烧温度低得多。因为热损失，特别是不完全燃烧的热损失从理论上计算很困难，所以不可能进行实际燃烧温度的理论计算。通过对各类炉子长期实践，总结出炉子的理论燃烧温度与实际燃烧温度的比值大体波动在一个范围内，即T实= t理 （ 132）式中的系数称为炉温系数。加热炉和热处理炉的炉温系数经验数据如表110所示。 表110 经验数据炉 型 炉 温 系 数 室状加热炉连续加热炉 炉底强度200300kg/(m2·h) 炉底强度500600kg /(m2·

32、;h)均 热 炉热 处 理 炉0.750.800.750.80 0.700.75 0.680.73 0.650.70理论燃烧温度的计算方法中比较简便的是利用it图（图13）。此法精确性差一些，但应用较普遍。先求出燃烧产物的总热含量i，再从图表上查出理论燃烧温度。由式（131）可得ct理 （Q低+ Q燃+ Q空Q解）/ Vn 式中 ct理i ，指1m3燃烧产物的热含量，它包括：i化 Q低/ Vn i燃 Q燃/ Vn c燃t燃/ Vn i空 Q空/ Vn Ln c空t空/ Vn 式中i化、i燃、 i空分别代表1m3燃烧产物中由于燃料化学热、燃料物理热、空气物理热所带入的热量。c燃、c空和 t燃、

33、t空分别代表燃料与空气的平均比热和温度。燃烧产物在高温下热分解所造成的热损失与燃烧温度有关，而燃烧温度是未知数，因此心的计算很困难。使用it图表时，一般可不进行这一计算，所以：ii化+i燃+ i空 (133)燃烧温度还与燃烧产物中的过剩空气量有关，在利用it图时，必须求出燃烧产物中过剩空气的百分含量VL，即 VL （Ln L0 ）/ Vn 100 (134)例15求例14条件下，空气预热到300，煤气预热到200时的理论燃烧温度。解由例14已知四、空气消耗系数过剩空气的多少因燃料种类、燃烧方法、炉子及燃烧装置的构造而异。过剩空气太多，会降低燃烧温度和增加钢的氧化与脱碳。因此，在燃烧情况好的烟气

34、中不完全燃烧产物和过剩空气量都较少。应该在尽可能小的空气消耗系数下，保证燃料的完全燃烧，避免过剩空气量过多或空气供给量不足。控制适当的空气消耗系数直接与节约能源有关。空气消耗系数可以根据经验选定，由于多种原因（如燃料量波动、漏风漏气、计量不准等），炉内实际的情况与规定的数值往往有出入。所以有时要根据测得的燃烧产物成分来计算空气消耗系数，再按计算结果去调整空气供给量。空气消耗系数的计算法较多，常用的有氮平衡法和氧平衡法，前者适用于在空气中的燃烧，后者还可用于富氧空气中的燃烧。空气消耗系数 n=Ln/L0气体燃料与固体燃料和液体燃料相比，其燃烧过程简单，容易控制，炉内温度、压力、气氛容易调节；与空

35、气容易混合，用最小的空气消耗系数即可以实现完全燃烧；可以预热，能得到较高的燃烧温度；并且输送方便，燃烧时劳动强度小。 一、气体燃料的燃烧过程气体燃料的燃烧是一个复杂的物理过程与化学过程的综合。整个燃烧过程可以视为混合、着火、反应三个彼此不同又有密切联系的阶段，它们是在极短时间内连续完成的。1煤气与空气的混合 要实现煤气中可燃成分的氧化反应，必须使可燃物质的分子能和空气中氧分子接触，即使煤气与空气均匀混合。煤气与空气的混合是一种物理扩散现象，这个过程比燃烧反应过程本身慢得多。在煤气与空气分别通过烧嘴送入燃烧室的情况下，决定煤气燃烧速度的主要因素是煤气与空气的混合速度。研究煤气烧嘴时，必须了解煤气

36、与空气两个射流混合的规律和影响因素、混合的均匀程度基本上取决于煤气与空气相互扩散的速度。要强化燃烧过程必须改善混合的条件，提高混合的速度。改善混合条件的途径有：（l）使煤气与空气流形成一定的交角，这是改善混合最有效的方法之一。由于二者相交，它不仅是扩散，而是机械的搅动占了主导地位。一般说来，两股气流的交角愈大，混合愈快。显然，在煤气与空气流动速度很慢，并成为平行的层流流动时，其相互的扩散很慢，混合所经历的路径很长。在燃烧高发热量煤气时，所需的空气量大，均匀混合更困难一些，这时在烧嘴上安设旋流导向装置，造成气流强烈的旋转运动，有利于混合。（2）改变气流的速度。在层流情况下，混合完全靠扩散作用，与

37、绝对速度的大小无关。在紊流状态下，气流的扩散大大加强，混合速度也增大。实验证明，在流量不变的情况下，采用较大的流速可以使混合改善。但改变两股气流的相对速度，使两股气流速度的比值增大，有利于混合的改善，而且混合速度仅与速度比有关，而与绝对速度无关。（3）缩小气流的直径。气流流股的直径越大，混合越困难。如果把气流分成许多细股，可以增大煤气与空气的接触面积，有利于加快混合速度。许多烧嘴的结构都是基于这一点，把气流分割为若干细股，或采用扁平流股，使煤气与空气的混合条件改善。2煤气与空气混合物的着火煤气与空气的混合物达到一定浓度时，加热到一定温度才能着火燃烧。反应物质开始正常燃烧所必要的最低温度叫着火温

38、度。各种气体燃料与空气混合物的着火温度如下： 焦炉煤气550650 高炉煤气700一800 发生炉煤气700800 天然气 750850在开始点火时，需要一火源把可燃气体与空气的混合物点燃。这一局部燃烧反应所放出的热，把周围可燃物又加热到着火温度，从而使火焰传播开来。当可燃混合物中燃料浓度太大或太小时，即使达到了正常的着火温度，也不能着火或不能保持稳定的燃烧。燃料浓度太小时，着火以后发出的热量不足以把邻近的可燃混合物加热到着火温度；燃料浓度太大时，相对空气的比例不足，也不能达到稳定的燃烧。要保持稳定的燃烧，必须使煤气处于一定的浓度极限范围。着火浓度极限与煤气的成分有关，也和气体的预热温度有关，

39、如果煤气与空气预热到较高温度，则浓度极限范围将加宽。在正常燃烧时炉膛内温度很高，可以保证燃烧稳定地进行。3空气中的氧与煤气中的可燃物完成化学反应空气与煤气的混合物加热到着火温度以后，就产生激烈的氧化反应，这就是燃烧。化学反应的速度和反应物质的温度有关，温度越高，反应速度越快。和混合速度与加热相比，燃烧反应本身的速度是很快的，实际上是在一瞬间完成的。对整个燃烧进程起最直接影响的，是煤气与空气的混合过程。根据煤气与空气在燃烧时混合情况的不同，气体燃料的燃烧方法（包括燃烧装置）分为两大类，即有焰燃烧法和无焰燃烧法。二、有焰燃烧有焰燃烧主要的特点是煤气与空气预先不经混合，各以单独的流股进入炉膛。边混合

40、边燃烧，混合与燃烧两个过程是在炉内同时进行的。如果燃料中含有碳氢化合物，容易热分解产生团体碳粒，因而可以看到明亮的火焰，所以火焰实际表示了可燃质点燃烧后燃烧产物的轨迹。碳粒的存在能提高火焰的辐射能力，对于炉气的辐射传热有利。能否看到“可见”的火焰，不仅与混合条件有关，也要看煤气中是否含有大量可分解的碳氢化合物，如果没有这些碳氢化合物，采用“有焰燃烧”时的火焰实际上是轮廓不明显的。有焰燃烧法的主要矛盾是煤气与空气的混合，混合得愈完善，则火焰愈短，燃烧在较小的火焰区域内进行，火焰的温度比较高。当供气与空气的混合不好，则火焰拉长，火焰温度较低。可以通过调节火焰来控制炉内的温度分布。由于煤气和空气流股

41、是分别进入烧嘴和炉膛的，因此可以把煤气与空气预热到较高的温度，而不受着火温度的限制，预热温度越高，着火越容易。但是，由于是边混合边燃烧，混合条件不好时容易造成化学不完全燃烧。所以有焰燃烧法的空气消耗系数比无焰燃烧高。现代对环保的重视，要求烟气的NOx减少，为此应注意调整一、二次空气的比例与速度。空气消耗系数增大时，氧的浓度增大，因此燃烧完全，火焰长度缩短。但是空气消耗系数达到一定值以后，火焰长度基本保持不变，而会影响氢氧化合物的生成。在实践中，改变火焰长度的办法主要是从改变混合条件着眼，即喷出的速度、喷口的直径、气流的交角以及机械搅动等。这些影响因素就是设计和调节烧嘴的依据。在燃烧过程中，火焰

42、好象一层一层地向前推移，火焰锋面连续向前移动，这种现象叫火焰的传播。火焰前沿向前推移的速度叫火焰传播速度。各种可燃气体的火焰传播速度是靠实验方法测定的。火焰传播速度的概念对燃烧装置的设计与使用是很重要的，因为要保持火焰的稳定性，必须使煤气与空气喷出的速度与该条件下的火焰传播速度相适应。否则如果喷出速度超过火焰传播速度，火焰就会发生断火（或脱火）而熄灭；反之，如果喷出速度小于火焰传播速度，火焰会回窜到烧嘴内，出现回火现象。气体燃料的燃烧装置称为烧嘴。有焰烧嘴的结构形式主要根据煤气的种类、火焰长度、燃烧强度来决定。加热炉常用的烧嘴型式有套管式烧嘴、涡流式烧嘴、扁缝涡流式烧嘴、环缝涡流式烧嘴、平焰烧

43、嘴、火焰长度可调烧嘴、高速烧嘴、自身预热烧嘴、低NOx烧嘴等。第四节 气体燃料的燃烧l套管式烧嘴（结构如下图所示）特点：A）煤气与空气平行流动，所以混合较慢，是一种长火焰烧嘴B）它的结构简单，气体流动的阻力小 2低压涡流式烧嘴（DWI型，结构如下图所示）特点：A）煤气与空气在烧嘴内部就开始混合，并在空气通道内安装有涡流叶片，使空气发生旋转，所以混合条件较好，火焰较短；B）煤气的压力不高，但因为空气通道的涡流叶片增加了阻力，因此所需空气压力比套管式烧嘴大。当空气预热时，烧嘴的结构不变，但烧嘴的燃烧能力有所降低。 3扁缝涡流式烧嘴（DW一型，结构如下图所示）特点：A）在煤气通道内安装一个雄形的煤气

44、分流短管，空气则自煤气管壁上的若干扁缝沿切线方向进入混合管。空气与煤气在混合管内就开始混合，混合条件较好，火焰较短。B）由于火焰较短，这种烧嘴主要用在要求短火焰的场合，如大型锻造室状炉及热处理炉。4环缝涡流式烧嘴（结构如下图所示）特点：A）这种烧嘴有一个圆柱形煤气分流短管，煤气经过喷口的环状缝隙进入烧嘴头，空气从切线方向进入空气室，经过环缝出来在烧嘴头与煤气相遇而混合。B）混合条件较好的，煤气要干净，否则容易堵塞。1煤气入口 2煤气喷嘴3环缝 4烧嘴头5空气室 6空气环缝5平焰烧嘴（结构如下图所示）特点：A）平焰烧嘴气流的轴向速度很小，得到的是径向放射的扁平火焰，火焰不直接冲击被加热物，而是靠

45、烧嘴砖内壁和扁平火焰辐射加热。B）平焰烧嘴比轴流式供热有更均匀的温度分布和热流分布，金属的烧损量小。平焰烧嘴近年发展比较迅速，用作连续加热炉或锻造室状炉的炉顶烧嘴，也用于罩式退火炉和台车式炉上。6火焰长度可调烧嘴（结构如下图所示）生产实践中有时需要通过调节火焰长度来改变炉内的温度分布。一次煤气是轴向煤气，二次煤气是径向煤气，通过调节一次及二次煤气量和空气量，可以改变火焰的长度。7高速烧嘴近年来开始将高速气流喷射加热技术用于金属加热与热处理上，为此采用了高速烧嘴。煤气与空气按一定比例在燃烧筒内流动混合，经过内筒壁的电火花点火而燃烧，混合气体在筒内燃烧8095，其余在炉膛内完全燃烧。大量热气体以1

46、00300m/s的高速喷出，这样在炉内产生了强烈的对流传热效果。三、无焰燃烧如果将煤气与空气在进行燃烧以前预先混合再进入炉内，由于较快地进行燃烧，碳氢化合物来不及分解，火焰中没有或很少游离的碳粒，看不到明亮的火焰，或者火焰很短。这种燃烧方法称为无焰燃烧。无焰燃烧器的原理如下图所示。煤气以高速由喷口1喷出，空气由吸入口3被煤气流吸入，因为煤气喷口的尺寸已定，煤气量加大时，煤气流速增大，吸入的空气量也按比例自动增加、空气调节阀2可以沿烧嘴轴线方向移动，用来改变空气吸入量，以便根据需要调节过剩空气量。煤气与空气在混合管4内进行混合，然后进入一段扩张管5，它的作用是使混合气体的静压加大。 以便提高喷射

47、效率。混合气体由扩张管出来进入喷头6，喷头是收缩形，以保持较大的喷出速度，防止回火现象。最后混合气体被喷火燃烧坑道7，坑道的耐火材料壁面保持很高的温度，混合气体在这里迅速被加热到着火温度而燃烧。无焰燃烧的主要特点是：（1）只需较少的过剩空气（n1.031.05）。（2）燃烧温度高，高温区集中。（3）火焰辐射能力不及同温度下有焰燃烧。（4）不能预热到过高的温度，一般限制在混合后温度不超过400450。（5）喷射式无焰烧嘴的空气是靠煤气的喷射作用吸入的，必须有煤气加压设备。（6）无焰烧嘴的燃烧强度大，燃烧空间热强度可达（42167）×106kJ/(m3·h)，烧嘴数量比有焰烧嘴

48、多，同时燃烧坑道在炉墙上占的位置大。l. 冷风喷射式烧嘴（结构如下图所示）冷风喷射式烧嘴适用于冷煤气冷空气或热煤气冷空气的场合，由于没有空气管道，所以也叫单管喷射式烧嘴。空气是被高速的煤气带入的，煤气压力越高，带入的空气量越多，烧嘴的燃烧能力越大。这种烧嘴用来烧 37709200kJ/m3的低发热量煤气，煤气在烧嘴前的压力为500020,000Pa，煤气发热量越高，所需的空气量越多，煤气压力也越大。冷风喷射式无焰烧嘴分为直头和弯头两种。弯头烧嘴比较紧凑，但煤气的阻力比直头烧嘴稍大，故应适当提高煤气压力。上图为直头冷风喷射式烧嘴的结构图。2. 热风喷射式烧嘴（结构如下图所示）这种烧嘴可用于有空气

49、预热的炉子。因为有热空气管道，所以又称双管喷射式烧嘴。使用热风喷射式烧嘴时，应当注意：1.不使预热温度过高，如果煤气与空气的混合气体超过了燃料的最低着火温度，就会在烧嘴内部着火。所以煤气预热温度限制在300以下，空气预热温度限制在500以下。燃烧含碳氢化合物高的煤气，还要考虑到预热温度过高会使碳氢化合物热分解，产生的碳粒将堵塞喷口。2.提高混合气体的出口速度 热的混合气体使火焰传播速度提高，因此要相应提高混合气体的出口速度，以免发生回火现象，为此要求提高煤气的压力。一、重油的燃烧过程1重油的雾化和煤气一样，燃烧必须具备使液体燃料质点能和空气中的氧接触的条件。为此，重油燃烧前必须先进行雾化，以增

50、大其和空气接触的面积。重油雾化是借某种外力的作用，克服油本身的表面张力和粘性力，使油破碎成很细的雾滴。这些零滴颗粒的直径大小不等，在10200m左右，为了保证良好的燃烧，小于50 m的油雾颗粒应占85以上。常用的雾化方法有三种，即低压空气雾化、高压空气（或蒸汽）雾化、油压雾化。影响雾化效果的因素有以下几点：（l）重油温度提高重油温度可以显著降低油的粘度，表面张力也有所减小，可以改善油的雾化质量。要保证重油在油烧嘴前的粘度不高于5120 E。（2）雾化剂的压力和流量低压油烧嘴和高压油烧嘴都是用气体作雾化剂的。雾化剂以较大的速度和质量喷出，依靠气流对油表的冲击和摩擦作用进行雾化。当外力大于油的粘性

51、力和表面张力时，油就被击碎成细的颗粒；此时的外力如仍大于油颗粒的内力时，油颗粒将继续碎裂成更细的微粒，直到油颗粒表面上的外力和内力达到平衡为止。（3）油压采用气体雾化剂，油压不宜过高。因油压过高。雾化剂来不及对油流股起作用使之雾化。低压油烧嘴的油压在 105Pa以下，高压油烧嘴可到 5×105Pa左右。但机械雾化油烧嘴是靠油本身以高速喷出，造成油流服的强烈脉动而雾化的，所以要求有较高的油压，约在(1020)×105Pa之间。（4）油烧嘴结构常采用适当增大雾化剂和油流股的交角，缩小雾化剂和油的出口断面（使断面成为可调的），使雾化剂造成流股的旋转流动等措施，来改善雾化质量。2加

52、热与蒸发重油的沸点只有200300 ，而着火温度在600 以上，因此油在燃烧前先变为油蒸汽，蒸汽比液滴容易着火，为了加速重油燃烧，应使油更快地蒸发。3热解和裂化油和油蒸汽在高温下与氧接触，达到着火温度就可以立即燃烧。但如果在高温下没有与氧接触，组成重油的碳氢化合物就会受热分解，生成碳粒，即CnHmnC+m/2 H2重油燃烧不好时，往往见到冒出大量黑烟，就是因为在火焰中含有大量固体碳拉。会在油烧嘴中发生结焦现象。4. 油雾与空气的混合与气体燃料相同，油雾与空气的混合也是决定燃烧速度与质量的重要条件。在雾化与蒸发都良好的情况下，混合就起着更重要的作用。但油与空气的混合比煤气与空气的混合更困难，因而

53、不像煤气燃烧那样容易得到短火焰和完全燃烧。如混合不好，火焰将拉得很长，或者造成不完全燃烧，炉子大量冒黑烟，而炉温升不上去。在实际生产中，控制重油的燃烧过程，就是通过调节雾化与混合条件来实现。5着火燃烧油蒸汽及热解、裂化产生的气态碳氢化合物，与氧接触并达到着火温度时，便激烈地完成燃烧反应，这种气态产物的燃烧属平均相反应，是主要的；其次，固态的碳粒、石油焦在这种条件也开始燃烧，属于非均相反应。作为一个油颗粒来说，受热以后油蒸汽从油滴内部向外扩散，外面的氧向内扩散，两者混合达到适当比例（n1.0）时，被加热到着火温度便着火燃烧。在火焰的前沿面上温度最高，热不断传给邻近的油颗粒，使火焰扩展开来。由于重

54、油燃烧时不可避免地热解与裂化，火焰中游离着大量碳粒，使火焰呈橙色或黄色，这种火焰比不发亮光的火焰辐射能力强。为了提高火焰的亮度和辐射能力，可以向不含碳氢化合物的燃料中加入重油作为人工增碳剂，这种方法叫火焰增碳。燃烧的各环节是互相联系又互相制约的，一个过程不完善，重油就不能顺利燃烧，一个过程不能实现，火焰就会熄灭。重油的燃烧过程重油的雾化加热与蒸发热解和裂化油雾与空气的混合着火燃烧重油的燃烧装置（油烧嘴又称喷嘴）的型式很多。按雾化方法的不同，加热炉常用的油烧嘴有三类：低压油烧嘴、高压油烧嘴，机械油烧嘴，各类油烧嘴都应具有以下基本要求：有较大的调节范围；在调节范围内保证良好的雾化质量和混合条件，燃烧稳定；火焰长度和火焰张角能适应炉子生产的要求；结构简单、轻便，容易安装和维修；调节方便。各种油烧嘴的特性如表111所示二、低压油烧嘴低压油烧嘴是由鼓风机供给的空气作雾化剂，风压一般为50008000