陶瓷干燥与烧成技术课件

项目4陶瓷热工基础本项目要完成的任务：1燃料及其燃烧2陶瓷窑炉中的气体流动3陶瓷窑炉中的传热任务4。1燃料及其燃烧一。燃料的种类及特性燃烧后能放出大量热量，来源广泛、方便运输、成本低、环保可靠的可燃物质称为燃料。㈠燃料种类根据燃料的状态不同，可分为固体、液体和气体燃料三类。1。固体燃料主要有木柴、煤、可燃页岩、木碳和焦碳等。其中木柴等不再作为燃料使用。2.液体燃料陶瓷工业所用液体燃料主要有：重油、柴油、燃料油和水煤浆等。

180﹟重油250﹟重油轻柴油3.气体燃料气体燃料主要有：发生炉煤气、焦炉煤气、高炉煤气、天然气、液化石油气等㈡燃料的特性1。固体燃料的特性⑴发热量：也称为热值。是指单位燃料完全燃烧，燃烧产物冷却到燃烧前的温度所放出的热量。⑵挥发分：是指燃料中可燃气体的组分。挥发分含量高，火焰长，着火温度低。⑶粘结性：是指煤逸出挥发分后的焦渣特征。可分为八类：①粉状不粘结。②粘结手指轻压即成粉块。③弱粘结手指轻压即成小块。④不熔融粘结手指用力压才裂成小块，焦渣上表面无光泽，下表面银白色光泽并不明显。⑤不膨胀熔融粘结焦渣形成扁平的饼状，煤粒的界限不易分清，表面有银白色金属光泽，焦渣下表面光泽更明显。

⑥微膨胀熔融粘结用手指压不碎，在焦渣上下表面上有银白色金属光泽，但焦渣表面有小气泡。

⑦膨胀熔融粘结焦渣上下表面有银白色金属光泽，膨胀高度不超过15毫米。

⑧强膨胀熔融粘结焦渣上下表面有银白色金属光泽，膨胀高度大于15毫米。⑷灰分：灰分是燃料中的不可燃组分。灰分含量多，会降低燃料的发热量，热损失增大。

⑸结渣性：即灰渣的熔融性，灰分中SIO2、AL2O3含量多，熔点高，烧后不易结渣；若低熔物多，熔点低，则烧后易结渣。易结渣的煤燃烧不稳定，且灰渣中易带走未燃尽的燃料，造成浪费。

⑹水分：包括内在水分和外在水分两部分。水分越多，造成热值降低，不利于着火。

⑺硫分：指燃料中的可燃硫含量。经燃烧生成的SO2、SO3与烟气中的水蒸气结合生成硫酸或亚硫酸蒸气，既腐蚀金属设备，污染大气，又影响产品质量。一般要求其含量小于1％。2。固体燃料简介⑴可燃页岩主要为油页岩，我国主要产地为辽宁抚顺、广东茂名等地，在陶瓷工业中使用并不广泛。⑵煤煤的种类很多，主要有烟煤、无烟煤、褐煤等①褐煤：

褐煤是一种棕黑色的低级煤。是泥炭经成岩作用形成的腐殖煤，煤化程度最低，呈褐色、黑褐色或黑色,一般暗淡或呈沥青光泽,不具粘结性。水分大、挥发分高、密度小,含有腐殖酸,氧含量常达15～30％，在空气中易风化碎裂,发热量低。低位发热量一般只有11710～16730kJ/kg，易氧化自燃。

②烟煤：煤化程度高于褐煤而低于无烟煤。包括长焰煤、气煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫煤等。呈灰黑至黑色，具沥青光泽至金刚光泽，通常有条带状结构，不含原生腐殖酸。挥发分为10％～40％，一般随煤化程度

增高而降低。碳含量为76％～92％，发热量较高，热值为27100～37200kJ/kg。大部分烟煤具有粘结性，燃烧时火焰高而有烟，故名烟煤。③无烟煤：俗称白煤或红煤，是煤化程度最大的煤，固定碳含量高，挥发分低，密度大，硬度大，燃点高，燃烧时不冒烟。黑色坚硬，有金属光泽。燃烧时火焰短而少烟。不结焦。一般含碳量在90%以上，挥发分在10%以下。灰分不多，水分较少，发热量很高，可达25000~32500kJ/kg。3。液体燃料的特性⑴水煤浆水煤浆是一种新型煤基固、液两相液体燃料。现阶段水煤浆在陶瓷工业领域主要用于喷雾干燥塔、部分低温墙地砖辊道窑的烧成。水煤浆的制造：①煤质要求：不粘结性或弱粘结性烟煤（末煤即可），发热量＞20000KJ∕KG，挥发分＞28％灰分＜10％，灰熔点＞1250℃，硫分＜1％，内水分＜5％②制备过程：干煤粉（53～57％）+水（46～42％）+添加剂1％，混合后入球磨机5～7小时左右,检测其参数，达到要求即可。③ 水煤浆工艺参数：细度200目筛余10～20％，粘度＜80秒（涂氏粘度计）水分45～51％，沉淀性72小时无硬沉淀。

⑵重油和柴油重油和柴油都来自石油。重油是在蒸馏原油的过程中，分馏出航空油、汽油、煤油、柴油以及其他石油产品后，残留在蒸馏塔中的一种呈黑褐色的较重的油品。①重油的元素组成范围为：C：85～88％，H：10～13％，N+O2：0.5～1％，S：0.2～1％，发热量很高，约为38000～42000kJ／kg；②柴油分为轻柴油和重柴油：轻柴油主要来自催化裂化的柴油馏分，也有部分直馏柴油馏分。具有良好的低温流动性和储存安定性以及低灰分等特点。重柴油，则馏分较重，甚至可混入一定量的重油，因此不易燃烧完全，柴油一般含：C：85.5～86.5％，H：13.5～14.5％。

①密度

燃油的密度随着温度的升高而略有减小，20℃时重油密度约0.9～1.0t/m3，柴油的密度约为0.810～0.855t/m3。②水分

燃油中含有水分，不仅降低其发热量，而且当水分过高时容易产生“气塞”现象，使燃烧火焰不稳定，影响窑炉的正常运行，故贮油罐应定期排水。由于燃油的密度略小于水，因此贮油罐的排水管安装在下部。③粘度

我国重油常用的粘度标准是以恩氏粘度（0E）来表示的。恩氏粘度（0E）：即在测定温度下重油从恩格拉粘度计中流出200ml所需时间（s）与20℃的蒸馏水流出200ml所需时间（约52s）的比值。我国重油分为20﹟、60﹟、80﹟、100﹟、200﹟五个牌号，牌号的数值表示温度为50℃时的恩氏粘度值。重油的牌号愈高，油的粘度愈大。恩格拉粘度计

实际上工业炉所使用的重油往往不完全是标准牌号的，有时是混合渣油。部分陶瓷窑炉使用的是以原油加工过程中的常压油，减压渣油、裂化渣油、裂化柴油和催化柴油等为原料调合而成的燃料油。重油的粘度随着温度升高，粘度减小。各种重油在低温下粘度相差很大，温度越高，它们的粘度相差越小。为了保证重油良好的雾化，要求重油的粘度最好不超过5～100E。④闪点、燃点、着火点油类加热到一定温度时，油表面有油蒸气产生。油温越高，油蒸气越多。当有火焰接近时，若出现短暂的蓝色闪光，则此时的油温称为油的“闪点”。若油温超过闪点，则油的蒸发速度加快，以致用火源接近油表面时，在蓝光闪现后能持续燃烧（不少于5s），此时的油温称油的“燃点”。若再继续提高油温，则油表面的蒸气即使无火源接近也会自发燃烧起来，相应的油温称油的“着火点”。

测定闪点的方法有开口杯法（油表面暴露在大气中）和闭口杯法（油表面封闭在容器内）两种。前者用于测定闪点较高的油类，如重油，后者一般用于测定闪点较低的油类，如原油、汽油等。开口闪点比闭口闪点一般高15℃～25℃。

BS-3型闭口闪点自动测定仪

燃点与闪点相差不大，重油的燃点一般比其闪点高10℃左右，柴油的燃点约为220℃。重油的着火点约为500℃～600℃。⑤凝固点

当油类失去流动性时的最高温度称凝固点。重油的凝固点一般为30℃～45℃。我国柴油的牌号就是根据凝固点来分类的。轻柴油的牌号主要有10﹟、0﹟、-10﹟、-20﹟、-30﹟等五种；重柴油的牌号主要有RC3-10、RC3-20和RC3-30等三种。⑥比热容和导热系数重油的比热容一般为：1.88kJ／kg·℃～2.1kJ／kg·℃.重油的导热系数与重油的品种及温度有关，一般为：0.128W/(m·℃)～0.163W/(m·℃)。

⑦机械杂质

燃油中的机械杂质，大部分是在贮运过程中带入的，它容易磨损油泵，堵塞输油管路和油喷嘴，因此，应在输油系统中安装过滤器，以除去油中的机械杂质3.气体燃料的特性⑴气体燃料的种类及组成人造煤气：①发生炉煤气是用固体燃料在高温下通入气化剂得到的人造煤气，根据气化剂的不同，又有空气煤气、水煤气、混合煤气之分。②焦炉煤气是炼焦（即将煤隔绝空气加热）过程得到的气态挥发物，③高炉煤气则是高炉炼钢得到的副产品。

平均组成(煤气名称平均组成（×100)热值（)空气煤气0.5～1.532～330.5～0.964～664000～4500水煤气5～70.1～0.235～4047～520.3～0.60.2～0.42～610000～11000混合煤气5～70.1～0.324～3012～150.5～346～555000～6500焦炉煤气2～30.7～1.24～853～6019～251.6～2.37～1315000～17000高炉煤气8～1423～3110～150.1～2.648～604000～5000发生炉煤气、焦炉煤气、高炉煤气的组成及热值范围天然气：天然气根据矿藏特点可分为伴生气和非伴生气：伴生气随原油共生，与原油同时被采出，还有一种伴生气是煤矿伴生气。非伴生气包括纯气田天然气和凝析气田天然气，两者在地层中均为均一的气相。凝析气田天然气由井口导出后，经减压降温，分离为气、液两相。气相经净化后，成为商品天然气。也有将天然气液化，然后贮运使用。液化石油气：液化石油气是石油炼制的副产品，其主要组成为丙烷和丁烷，液态密度约为500～600kg／m3。液化石油气组成变化较大，但都是以C3和C4为主。低位热值高达：85000kJ/m3～108000kJ/m3,如以质量计则为：45000kJ/kg～50000kJ/kg。⑵相对分子量和密度煤气的相对分子量按下式计算：

煤气在标准状态和工作状态下的密度均可用理想气体状态方程计算。⑶平均比热容煤气的平均比热容按下式计算：二.燃料组成的表示方法与燃烧计算

㈠燃料组成的表示1.固体、液体燃料固体、液体燃料的组成，可以由化学分析得到，通常包括碳(C)、氢（H）、氧（O）、氮(N)、硫(S)五种元素以及水分（M）和部分矿物杂质—灰分（A）。上述元素并不是单独自由存在的，而是以结合成有机化合物的形式存在。这种用元素来表示燃料组成的分析方法，称为元素分析法。对于煤还有一种表示方法：工业分析法，即将煤分为固定碳、挥发分、水分和灰分。表示煤组成的常用基准有四个：

⑴收到基，指使用单位收到的煤的组成，在各组成的右下角以“ar”表示；

⑵空气干燥基，指风干（20℃、相对湿度70％）煤样的组成，各组成右下角以“ad”表示；

⑶干燥基，指绝对干燥的煤的组成，各组成右下角以“d”表示；

⑷干燥无灰基，指假想的无水无灰的煤的组成，各组成右下角以“daf”表示。其中，用于燃烧计算的为收到基组成，常用下式表示:

2.气体燃料气体燃料是由可燃成分（如：、、、、等）及不可燃成分（、、、、等）组成的混合气体。一般用体积分数表示，并有干成分和湿成分两种表示方法。干成分：湿成分：两者换算关系如下：

㈡热值及热值计算1.高位热值与低位热值单位质量或体积的燃料完全燃烧，燃烧产物冷却到燃烧前的温度所放出的热量，称为燃料的发热量或热值。固体或液体燃料的热值单位是，气体燃料的热值单位是。按燃烧产物中水的存在状态，热值有高位热值与低位热值之分。高位热值是指燃烧产物中的水蒸气全部冷凝成水时所放出的热量；低位热值是指燃烧产物中的水蒸气仍以气态存在时所放出的热量。由上述定义可知，高位热值与低位热值的差为单位燃料完全燃烧生成的水气化所吸收的热量。常温下水的气化热约为2500。2.气体燃料热值的计算

3.标准燃料

不同种类的燃料热值相关较大，为了便于统计和评比燃料的消耗量，就需要有一个统一的标准。规定：标准煤的收到基低热值为29310，标准油或标准气则为41870或41870

㈢燃烧计算1．完全燃烧与不完全燃烧完全燃烧，是指燃料中所有的可燃成分达到完全氧化，燃烧产物中不存在游离的碳和CO、H2、CH4等可燃气体。不完全燃烧，是指燃料中的可燃成分没有全部氧化，燃烧产物中有游离碳和CO、H2、CH4等可燃气体。不完全燃烧又分为化学不完全燃烧和机械不完全燃烧。化学不完全燃烧：指燃烧产物中含有游离C、CO、H2；机械不完全燃烧：指部分可燃成分未参加燃烧反应被损失掉，如因管道、阀门不严而泄漏的液体或气体燃料等等。2．空气系数⑴理论空气量（）:按燃烧化学反应方程式计算得到的燃料完全燃烧所需的空气量（m3/kg或m3/m3）.⑵实际空气量（）:燃烧时实际通入的空气量.⑶空气系数（或空气过剩系数）:的经验值：气体燃料1。05～1。15液体燃料1。15～1。25煤粉1。1～1。3块状固体燃料1。3～1。73．烟气的成分(烧成气氛)⑴氧化气氛烟气中含有O2，不含CO、H2等还原介质时，称氧化气氛。燃烧时空气系数＞1。强氧化时以O2计：8～10％；弱氧化时约：4～5％。⑵还原气氛烟气中含有CO、H2等，不含O2时，称为还原气氛，燃烧时空气系数＜1。强还原时以CO计：3～5％；弱还原时为：0～2％。⑶中性气氛烟气中既不含O2，也不含CO、H2时，称为中性气氛，燃烧时空气系数=1。4.燃烧计算计算的目的：计算的内容：燃料燃烧所需空气量、烟气生成量及烟气组成、燃烧温度等。计算的基准：①计算时空气认为只有和两种气体构成，其中的体积占79％，的体积占21％，所涉及的气体均按标准状态（0℃及101325）来计算；②计算时一般选取单位燃料（1公斤或1立方米）；③对于固、液燃料按收到基，对于气体燃料按干成分（有的也按湿成分）进行计算。⑴空气量的计算①理论空气量的计算对于固体、液体燃料，其收到基组成为按其可燃部分计算理论空气量：（取1公斤燃料，则有碳公斤、有氢公斤、有硫公斤）

燃料中的可认为相当于提供助燃，燃料燃烧所需理论氧气量：则：

对于气体燃料，由于组分不同，其可燃成分也不同，这里列举主要的可燃气体如：、、、及等，取1立方米燃料，则其燃烧反应式分别为：

1m3m31m3m3同理：

那么1含这些可燃气体的气体燃料燃烧所需理论氧气量为：

需理论空气量为：②实际空气量的计算

（）或（）⑵烟气量的计算①理论烟气量对于固体、液体燃料：

生成量：生成量：生成量：生成量：

所以，理论烟气量为各组成生成量之和，有：理论烟气组成：

100％,其余类推。对于气体燃料，烟气中各气体组成生成量为：生成量：

生成量：

生成量：

生成量：

理论烟气量为：

其理论烟气组成计算方法同固、液燃料。

②实际烟气量

对于固体、液体燃料：当＞1时，各可燃气体还是按原燃烧反应进行，生成的烟气量并没有变化，只是多了空气，那么过剩的空气使烟气中多出了和，其生成量为：生成量：

其余和理论烟气生成量相同．所以其实际烟气量为：

实际烟气组成的计算与理论烟气组成的计算相同．

当＜1时，由于空气供应不足，燃料中将有部分可燃物质不能完全燃烧，产物中含有可燃气体。

那么空气不足，燃料又是如何燃烧的呢？212212少了的氧气量为：故量为：

则生成量：

生成量：

生成量：

生成量：对于气体燃料：当＞1时，实际烟气量为：

过剩空气中的生成量为：

当＜1时，若煤气按比例燃烧，则：

式中：——未燃燃料量，；——燃烧产生烟气量，。⑶理论空气量和理论烟气量的估算及值烟煤重油发生炉煤气天然气6～86.5～8.510～1110.5～121.05～1.41.9～2.29～1410～14.5⑷燃烧温度的计算①理论燃烧温度燃料完全燃烧放出的热量以及燃料和助燃空气带入的显热全部用于加热燃烧产物，此时燃烧产物的温度称为理论燃烧温度，用表示。平均比热容：加热物体使其升高1℃所需的热量称为比热，但物体从0℃～1℃和从99℃～100℃，都是升高1℃，但所需热量并不相同，所以为便于计算，我们将在某一温度范围内，物体平均每升高1℃所需的热量，称为物体的平均比热容．显热：以0℃为基准，物体的温度比0℃高，它所带的热量也比0℃多，我们把这部分多的热量称为物体的显热．燃料完全燃烧放出的热量：单位燃料带入的显热：助燃空气带入的显热：燃烧产物的显热：根据热平衡，故：②实际燃烧温度燃料燃烧时，燃烧产物的实际温度称为实际燃烧温度，用表示。式中：为机械不完全燃烧热损失，

为化学不完全燃烧热损失，

为炉体向外界的散热损失，

为物料吸收的热量。

③和的关系由于各种热损失的数据不容易获得，所以计算实际燃烧温度是困难的。实际燃烧温度和理论燃烧温度的比值，称为高温系数，用表示。

陶瓷隧道窑气体或液体燃料=0.78～0.83

陶瓷间歇窑液体或气体燃料=0.73～0.78④提高实际燃烧温度的途径提高实际燃烧温度可从以下几个方面考虑：控制适当的空气系数，在保证燃料完全燃烧的前提下，应使空气系数值小些，即值略大于1；预热空气或燃料；选用热值高且烟气量少的燃料；减少各种热损失，特别是要加强炉体的保温，减少炉体的散热；采用富氧燃烧热技术，减少烟气生成量，提高实际燃烧温度。三.燃料燃烧过程㈠固体燃料的燃烧过程固体燃料的燃烧过程一般可分为准备、燃烧与燃尽三个阶段。1.准备阶段准备阶段包括预热、干燥和干馏。固体燃料受热后，首先是所含水分的气化，约1100℃时物理水全部逸出，当燃料达到一定温度时便开始分解，放出挥发分，剩下焦炭，这一过程称为干馏。褐煤干馏的起始温度只有130℃左右，无烟煤约为400℃，烟煤介于两者之间。准备阶段全部都是吸热。2.燃烧阶段燃烧阶段包括挥发分和固态炭的燃烧。挥发分中主要是碳氢化合物，比固态炭容易着火，因此逸出的挥发分先于固态炭着火燃烧；固态炭是固体燃料中的主要燃质，对煤来说，其发热时一般占总发热量的一半以上；燃烧时间长．3.燃烬阶段（灰渣形成阶段）随着燃烧，焦炭颗粒逐渐变小，灰渣外壳逐渐增厚，使空气难于进入里面参与反应，从而使燃烧速度减慢，所以此阶段仍需保持较高温度，增强通风，尽量使灰渣中的可燃质完全燃烧。㈡液体燃料燃烧过程1.燃油的燃烧过程燃油的燃烧过程分为四个阶段：⑴雾化阶段燃油雾化成细小的雾滴；⑵蒸发阶段雾滴受热蒸发为油气；重油油滴蒸发前，当急剧受热时，产生裂化。急剧受热到500℃～600℃，裂化对称进行，生成较轻的碳氢化合物；急剧受热650℃以上，裂化不对称进行，轻的碳氢化合物呈气体逸出，剩下游离炭粒和难以燃烧的重碳氢化合物，形成结焦，如果随烟气排出，即能见到黑烟。⑶混合阶段油气与助燃空气混合；⑷着火燃烧阶段油气与助燃空气的混合物达到着火温度，着火燃烧。其中雾化阶段是整个燃烧过程的关键。2.燃油的雾化⑴对雾化质量的要求①雾滴要细经研究，最合适的雾滴直径为50或略小些。这样大小的雾滴能达到受热面大、气化迅速、燃烧均匀的目的。②雾滴直径要均一按现用雾化方法得到的是直径为10～100的雾滴群。在此雾滴群中要求直径为50或略小于50的雾滴占85％以上。③雾滴分布要均匀油流股断面上雾滴的分布避免出现边缘密集、中间空心的现象。⑵雾化方法①机械雾化机械雾化是依靠重油的高压（一般为106Pa～3.5×106Pa），以较大的速度并以旋转运动的方式从喷嘴小孔喷入气体空间使油雾化。机械雾化包括旋流雾化和压力雾化两种形式。机械雾化的雾滴比较粗（直径约100～200），效果差，陶瓷窑炉采用较少。②介质雾化介质雾化是利用以一定角度高速喷出的雾化介质，使油流股分散成雾滴。分为气流雾化和气泡雾化两种形式。陶瓷窑炉燃油的雾化基本采用此法。这种方法的雾化原理为：由于雾化介质对油流股的机械作用。当摩擦力或冲击力大于油的表面张力时，油流股先分散成细流，继而破裂成细带或细线，后者又在油本身的表面张力作用下形成雾滴。根据雾化介质的压力可分为低压雾化、中压雾化和高压雾化三种。

㈢气体燃料燃烧过程1.燃烧过程气体燃料的燃烧过程主要包括:混合（燃料与空气的混合）、着火、燃烧三个阶段。煤气的燃烧速度和燃烧的完全程度，主要取决于混合速度和混合的完全程度。2.气体燃料的燃烧方法⑴长焰燃烧（扩散式燃烧）在烧嘴内煤气与空气不预先混合，煤气单独喷入窑内或煤气与空气分别喷入窑内靠扩散作用进行混合与燃烧的方法。其特点是：火焰长，温度分布均匀，不会回火也不易脱火，燃烧速度慢，燃烧温度较低，空气系数大（＞1.2）⑵短焰燃烧煤气与部分空气（一次空气1＜1）在烧嘴内预先混合后喷出后燃烧的方法。与长焰燃烧相比，其特点是：火焰较短，燃烧速度较快，燃烧温度较高，空气系数较小，易燃烧完全。但燃烧稳定性差，喷出速度太小时会回火，喷出速度过大时会离焰或脱火。⑶无焰燃烧

煤气与空气在烧嘴内完全混合，喷出后立即燃烧的燃烧方法。其特点是：火焰短而透明，无明显的轮廓，空气系数小，燃烧温度高，燃烧完全，但燃烧的稳定性差。为避免回火现象的发生，混合气体的喷出速度要大于火焰的传播速度，同时煤气与空气的预热温度不能接近于其着火温度；为防止脱火，常设置稳燃装置，如燃烧道、挡墙、多孔陶瓷板及金属网等3.着火浓度范围气体燃料与空气的比例，必须在一定的范围内才能进行燃烧，这一范围叫着火浓度范围，或叫着火浓度极限。

煤气种类着火浓度范围下限上限水煤气6．2％72．0％发生炉煤气21．0％74．0％焦炉煤气5．6％31．0％天然气4．0％15．0％4.火焰的传播在可燃气体与空气的混合物中，当某一个部位已经着火燃烧，在燃烧处就形成了燃烧焰面，由于燃烧放热使该处温度升高，并以导热方式把热量传给邻近一层未燃气体，使其达到着火温度而燃烧，形成新的燃烧焰面。这种火焰面不断向未燃气体方向移动的现象叫火焰的传播（扩散）现象.传播的速度叫火焰传播（扩散）速度。其方向与火焰面垂直。回火：

当可燃气体与空气的混合物从烧嘴喷入窑内时，若在点燃处气体喷出速度小于火焰扩散速度，火焰根部有可能移至烧嘴内，发生“回火”现象，有发生爆炸的危险；离焰：

若气体喷出速度大于火焰传播速度，火焰根部离开烧嘴，产生“离焰”，使燃烧不稳定；脱火：

气体混合物速度进一步增加，喷出后不能预热至着火温度而燃烧，即发生“脱火”现象。

煤气燃烧时，“回火”与“脱火”现象都不允许发生，产生“回火”时易发生爆炸事故；产生“脱火”时易发生中毒事故。任务4。1结束

谢谢!任务4.2陶瓷窑炉中的气体流动燃料燃烧后产生大量的热量，这些热量以燃烧产物——烟气作为载体，烟气在陶瓷窑炉内进行一定的流动，在流动过程中，将热量传递给陶瓷物料，从而使陶瓷物料获得进行物理、化学变化所需的动力.因此掌握气体流动的基本规律，控制气体的流向、流速和流量等是我们操作和调控烧成设备的关键之一，一.不可压缩气体在陶瓷窑炉中的流动㈠不可压缩气体的流动特点1.不可压缩气体根据理想气体状态方程可知，气体具有压缩与膨胀性.当一定种类的气体温度不变时，单位气体的体积和压强成反比；当压强不变时，单位气体的体积与温度成正比。当压强与温度均不变，单位气体的体积不变，密度也不变，这种气体就可认为是不可压缩的，称为不可压缩气体。在陶瓷窑炉内，气体流速不大，窑内气体的压强变化甚微，虽然整个窑内温差较大，但对窑内某一小段来说，温度变化是不大的。因此，可以近似地看作是不可压缩气体。一般只有当系统前后压强变化为原来压强的20％以上时，气体才看作是可压缩气体。2.气体在陶瓷窑炉内作强制流动时的流动状态气体的流动状态可分为两种，即层流与湍流。①层流：就是气体在流动时层次分明，互不干扰，垂直于流动方向上的分速度为零，其质点运动轨迹互不相交；②湍流：就是气体紊乱的流动，气体质点有轴向和横向运动，互相撞击，产生湍动和旋涡，所以又叫紊流。气体层流流动时，由于垂直于流动方向上的分速度为零，层与层间热量传递慢，易产生层间温差，所以陶瓷窑炉内气体的流动一般控制为湍流。气体在窑炉内的流动状态，可用无因次数群—雷诺准数来判断。

式中：—雷诺准数；

—气体管道的当量内径，。

其中为通道截面积，为通道浸润周边长。实验证明，当＜2000时，气体作层流流动；≥4000时，则为湍流；2000＜＜4000为过渡流，在这范围内，气体的流动状态可能是层流也可能是湍流，与实验条件有关。气体在管道内流动时，其速度分布规律和流动状态有关，在圆管道内:层流时，其速度分布为抛物线状，管道中心的速度最大，管壁处为零，平均速度约为最大流速的一半；湍流时，速度分布为一顶端稍宽的曲线，湍流程度越大，曲线顶端也就越平坦，其平均速度约为最大流速的0.8倍～0.85倍。

层流湍流

气体在管道内速度分布与流动状态的关系图㈡气体连续性方程式（质量方程）

若气体在截面变化的管道内作稳定而连续的流动，如图所示，气体从截面1-1流入，从截面2-2流出，其面积分别为S1和S2，流速为ｗ1和ｗ2，密度为ρ1和ρ2。如果管道两截面间的气体没有分支（即没有气体的加入或漏出），根据质量守恒定律，在单位时间内通过管道各截面的气体质量必相等。气体连续性方程式推导常数

=常数

常数

上式称为气体流动连续性方程式。

式中：—称作气体的质量流量，表示气体在管道内流动时，单位时间内流经管道任意截面的气体质量，单位是；

—称为气体的体积流量，表示气体在管道内流动时，单位时间内流经管道任意截面的气体体积，单位是。

当不可压缩气体作等温流动时，在流动过程中密度不变，即常数。所以若气体在流动过程中温度变化不大时，亦可采用上式计算，但计算1-1、2-2截面上的流速时，要用二截面平均温度，㈢适用于窑炉系统的伯努力方程式（能量方程）

1.陶瓷窑炉系统内气体流动的特点陶瓷窑炉在正常操作时正压和负压都不大，窑炉内压强的变化范围很小，一般只相差20～200。而生产中窑炉内气体的温度是逐渐变化的，若将窑炉系统划分为若干区段，在每一小区段内，当气体的温度变化不大，就可以近似地把气体温度看作不变而取其平均值。在这样的区段内可认为是不可压缩气体的流动。另一方面，窑炉系统是和外界相通的，窑内热气体受到外界冷空气的浮力，这样，在考虑窑炉系统气体所具有的能量时，就要考虑外界空气对它的影响。2.适用于窑炉系统的伯努力方程

若热气体在窑炉系统温度变化很小的一个区段，从截面1-1到截面2-2作稳定（即系统内任意截面上气体的流动状况均不随时间而改变）而连续流动，如图所示，外界空气认为是静止的.伯努力方程的推导

据能量守恒定律，热气体在截面1-1上的位能、压力能、以及动能之和应该等于截面2-2上的位能、压力能、动能以及热气体从1-1截面流至2-2截面阻力损失之和。以单位体积的气体为基准，可用方程式表示为：

式中：、—单位体积的气体所具有的静压能，通常称为静压头，或；

、—单位体积的气体所具有的位能，通常称为几何压头，或；

、—单位体积的气体所具有的动能，通常称为动压头，或；

—单位气体从1-1截面到2-2截面的压头损失，或。

上式即为单一热气体的伯努力方程式。对于系统外的冷空气，同样也可以列出方程式：

由上两式相减得：

由于窑外是冷空气，密度大；窑内是热气体，密度小，所以＜0，一般把上式改写为：为了取消高度前面的负号，通常把基准面改变一下，即把基准面取在上面，使高度自上而下为正，这样上式可改为：上式即为适用于窑炉系统的两气体伯努力方程式。为了书写方便，令，，，

静压头几何压头动压头则上式又可改写为：

以上伯努力方程式的使用条件如下：

⑴气体在窑炉系统稳定流动；

⑵气体只受到重力的作用；

⑶所取截面必须是渐变流截面；

⑷气体在流动过程中温度不变。

当所取二截面间气体的温度变化不大时，也可采用以上伯努力方程式近似使用，完全能满足工程计算的要求，但在计算时要采用二截面的平均温度。㈣伯努力方程式中各压头对窑炉中气体流动的作用1.静压头静压头的物理意义是指窑内单位体积的热气体比窑外同一水平面上的空气多具有的压力能。静压头数值上等于窑内气体与窑外冷空气的压强差，即表压，用Ps表示。当表压Ps＞0时，窑内气体压强比窑外冷空气的压强大，称为正压，此时窑内气体向外流出；当Ps=0时，称为零压，窑内气体既不流出，窑外冷空气也不流入窑内，为动平衡状态；当Ps＜0时，称为负压，此时，窑外冷空气流入窑内。由此可知，气体流动，其方向总是由压强大的地方流向压强小的地方，往窑内鼓风使窑内静压提高，即为正压，而抽风处一般为负压，所以控制好压差就能控制气体的流动方向。另外，零压位置是陶瓷窑炉的一个重要操作参数，控制好零压位置，就能控制窑内正、负压的大小，对窑内压强的合理分布有非常重要的意义。静压头的测量：静压头可以用压力计来测量，如图所示，压力计的一端与大气相通，另一端与窑内相连，管口垂直于气体流动方向。

静压头测量示意图2.几何压头几何压头的物理意义是指窑内单位体积的热气体比窑外同高度的冷空气多具有的位能。

几何压头的产生是由于窑内有一个几何高度，里面充满热气体，其密度小于窑外冷空气，因此，在窑内外连通的情况下，窑外冷空气密度大，沉于下部，托举窑内热气体，使热气体上升而造成的。由此可知，几何压头使气体流动方向总是向上的，这也就是热气体自然向上流动的原因。如果要使热气体由下向上流动，几何压头成为推动力；而热气体由上向下流动（如倒焰窑），几何压头就成为了阻力。

几何压头还受高度的影响，其沿高度方向上的分布规律：当基准面选在上部时，越向下，几何压头越大。

由于窑内的气体温度总是比窑外空气温度高，而窑内又总有一定高度，所以几何压头肯定是存在的，它的存在，从而使热气体向上流，冷空气向下流，加剧窑内气体分层，增大上、下温差。

几何压头是一种相对能量，无法直接测量，只有在基准面确定后，才能通过计算求得。3.动压头动压头的物理意义是指单位体积的气体流动时所具有的动能。动压头的大小取决于气体的流速，气体流速越大，气体紊乱程度越大，从一定程度上克服几何压头造成的窑内上、下温差，使窑内温度更加均匀。所以要求窑内气体有一定的流速（大于1）；流速越大，造成的窑内阻力损失也会增大，其流速应控制在一个合理的范围内。动压头可用毕托管来测量，其测量原理如图所示。4.压头损失⑴摩擦阻力损失

气体在流动过程中，由于气体质点与质点间以及气体质点与管壁间相互碰撞和摩擦造成的能量损失称为摩擦阻力损失。其值可用下式表示：式中：—各段管道长度，

—各段管道内径或当量直径，；—各段管道摩擦因数，和管壁的粗糙程度有关,如砖砌管道：=0.05～0.06。⑵局部阻力损失在气流通道发生局部变形（如扩张、收缩、转弯、分支、合流、通道设置闸板等）处，气体质点与质点间、气体质点与管壁间相互冲撞，产生的局部能量损失，称为局部阻力损失。局部能力损失可用下式计算：

式中：—局部阻力系数，可从相关手册和书籍查⑶料垛阻力损失窑内气流通过陶瓷坯体或其他物料料垛时，产生的能量损失，称为料垛阻力损失。既有摩擦阻力损失，又有局部阻力损失。料垛阻力损失与料垛形状、码垛方法、码垛密度等有关，难于从理论上计算，通常采用经验数据，即每米料垛阻力约为1。5.压头的相互转换伯努力方程式本身在表达能量守恒的同时，也表明各种能量之间可以相互转变。伯努力方程式中的静压头、几何压头、动压头与压头损失之和为一常数，那么，只要其中有一个增大或减小，必然会引起其它压头作相应的减小或增大。由于压头损失只发生在气体流动时，因此，只有通过动压头才会引起压头损失（转变为热），而且是不可逆的。㈤伯努力方程式在陶瓷窑炉中的应用1.烟囱及其作用⑴烟囱的种类为了使窑内燃料燃烧产生的烟气排出窑外，排烟方法有两种:①是用烟囱进行自然排烟，称为自然通风；②是用引风机进行机械排烟，称为机械通风。在机械通风的窑炉中，烟囱主要起使气体导向的作用，即将烟气排至高空；自然通风的窑炉，烟囱不仅将烟气排出窑外，更重要的是依靠它产生的抽力，以克服窑炉系统内气体流动的阻力，引导窑炉系统气体流动。自然通风的烟囱

自然通风的特点：前者设备简单，不需耗电，维修费用少，工作可靠，使用年限长，特别是对缺乏电力或排烟温度较高（300℃～450℃）窑炉较为适用。其缺点在于基建费用大，抽力受气候变化的影响大，夏季与冬季、白天与黑夜、晴天与雨天，烟囱的抽力都有变化。

机械通风的特点：受外界气候变化的影响很小，排烟稳定，调节也比较灵敏，缺点在于设备多，成本高，耗电量大，易受电压变化的影响，操作控制、维修保养都比较复杂。⑵烟囱的作用窑炉系统中的气体流动总是由压强高的地方流向压强低的地方，窑内气体从正压可以流向零压，那么从零压就必须流向负压，那么这个负压对于自然通风的窑炉，就必须依靠烟囱的抽力来提供。下图说明烟囱的作用。图中箭头所示为气体流动的方向，由于整个窑炉系统温度变化较大，可分段对窑炉系统的气体列伯努力方程。

对1-1、2-2截面上的窑内气体列伯努力方程

（a）

同理，可列出其余各段气体的伯努力方程

（b）

（c）

（d）

将上述4式相加，考虑烟囱所要提供的抽力从零压面开始，可令=0。经整理后得：

式中：—从零压面至烟囱底部的几何压头损失，当气体从上向下流动时为正值，反之为负值。

—从零压面至烟囱底部的全部阻力损失。

上式的右边必大于零，即＞0。可见烟囱的抽力即是烟囱底部形成的负压，它用来提供从零压面至烟囱底部动压头的增量，克服气体流动过程中的几何压头损失和其它能量损失。囱底负压越大，抽力越大，通风能力越强。⑶烟囱抽力的产生烟囱抽力又是如何提供这个烟囱底部负压的呢？下面以截面6-6为基准面对图中5-5、6-6截面上的烟囱内气体列伯努力方程：整理得：由上式可知，由烟囱高度产生的几何压头除提供烟囱内气体流动的动压头增量和补充烟囱内气体流动的能量损失之外，全部转变成烟囱底部的负压。烟囱的高度越高，囱内气体密度越小，外界空气密度越大，烟囱的抽力越大。⑷烟囱抽力的调节对于自然通风的烟囱，一但建好其抽力变化不大。陶瓷烧成时，特别是间歇窑炉其烟囱的抽力需要经常调节，以控制烟气在窑内的流动速度以及窑内压强的变化。烟囱抽力的调节一般有两种方法：①在烟囱下部或主排烟道上设置闸板，通过改变烟囱的截面的大小来改变抽力大小；②在主排烟道上开孔，通过打开和堵塞开孔来调节烟囱抽力。

同学们想想：闸板的关、开是如何改变抽力的？打开或堵塞主排烟道开孔，烟囱抽力是变大还是变小？2.分散垂直气流法则在陶瓷倒焰式窑炉中，热气体在垂直通道中自上而下流动时，被陶瓷坯体或物料分割成许多相互平行的小流股，称为分散垂直气流。分散垂直气流法则认为：在分散垂直气流通道内，为使各通道内气流温度分布均匀，热气体应自上而下流动；冷却时，冷空气应自下而上流动，此法则只适用于几何压头起主要作用的通道内。

假定热气体在垂直通道中自上而下流动，在2-2截面后分成两股气流，分别在a、b通道中流动，在1-1截面后又混合成一股气流流出通道，如图所示。

设a、b为等截面通道，为保证温度在、通道内均匀分布，通道要具备什么条件呢？分别列出气体在、两通道2-2、1-1两截面上的伯努力方程式，以2-2截面为基准面。对于a通道：由于；

则同理在b通道：

要使、两通道内温度分布均匀，则两通道内热气体的流速和流量应一致，这就必须使两通道两端的静压差相等，即：

所以，有：当≤时，即忽略几何压头对气流温度分布的影响时，两通道气流温度分布均匀的条件为：。当≤时，即阻力损失可忽略不计时，通道内温度分布将取决于几何压头的影响。假如＜，则有＞，＜，此时为气流阻力，因而使通道内流量增加，通道内流量减少，这样通道内温度逐渐上升，通道内气流温度逐渐下降，两通道气流温度趋于均匀。用同样方法也可推导出坯体或物料冷却时，冷空气应自下而上流动，当几何压头起主要作用时，两通道内气流温度会自行调节均匀。3.气流通道大小与流量、流速的关系隧道窑内烟气从烧成带向预热带流动，其主流方向为水平流动，码在窑内的物料料垛在窑内形成多条气体通道。一般料垛与料垛之间的内部通道较小，料垛与窑墙、窑顶之间的外部通道较大。在这些不同大小的通道中，气体的流速和流量不同。

取1窑长内的料垛来考虑，假定其中被料垛分成若干条独立的气体通道。就每一条气体通道而言，料垛阻力可按摩擦阻力来考虑，可按下面的计算式计算：

…在1长的料垛中，认为各条通道的长度相等。又由于各通道两端的压差相等，即阻力损失相等，可得

=……=

或

从上式可以看出，通道中气体流速与该通道的当量直径的0.5次方成正比。通道当量直径越大，其流速也越大。根据流速和流量的关系，得：

从上式可以看出，通道中气体流量与该通道的当量直径的2.5次方成正比。通道当量直径越大，其流量更大。

本结论也适于热气体从上而下流经陶瓷物料的窑炉中，如倒焰式窑炉。

窑内烟气携带大量热量，烟气流向哪里，哪里温度就会升高，通道越大，气体流量与流速也越大，升温越快。所以为了对物料均匀加热，在物料码放时，应力求通道合理分布，以使气流分配合理。二.可压缩气体的流动陶瓷窑炉系统的高、中压煤气烧嘴，燃油雾化喷嘴、以及煤气管道、油管道的吹扫喷嘴等，都是气体在压强高达几个大气压的条件下喷出的。气体从喷嘴中喷出时，压强、温度、密度等参数变化很大，和不可压缩气体流动相比，不仅有量的差别，而且有质的不同。

㈠理想可压缩气体伯努力方程式可压缩气体由于流速较高，可达到或超过音速，因此单位时间内气体与管壁交换的热量与单位时间内流过的气体的总热量相比可忽略不计，即可认为属绝热流动。气体所具有的能量有压力能、热力学能、动能、位能。相对而言，位能的变化很小，可忽略不计。

对上图所示的流动系统来说，以单位质量的气体为基准，有：

常数（a）

压力能热力学能动能式（a）即理想可压缩气体的伯努力方程式。

根据热力学，及，

故式（a）又可写为：

=常数(b)

=常数(c)

=常数

(d)㈡可压缩气体通过渐缩喷嘴流出的流速与流量

设有一个容量足够大的大型气罐，罐中的高压气体通过一个小流量的渐缩喷嘴流入压强为Pa的空间，如图所示，罐中气体的参数在短时间内可视为常数。气体在气罐中的流速可视为零。流速为零的状态称为滞止状态。滞止状态的参数标以下标“s”表示。气体进入渐缩喷嘴后加速运动，至出口的2-2截面速度最大。

气体在喷嘴中的流动可看作绝热流动，如将气体近似看作理想气体，则对0-0和2-2截面有：

(a)

则流速：

(b)

因为是绝热过程，将绝热方程

代入式（b），

故流速又可写为：

对于流量，由于质量流量且故：

式中：—质量流量，；

—喷嘴出口截面积，。实际气体流动时有能量损失，其喷出速度和质量流量均小于上述理想值。

=

=

式中称为速度系数，称为流量系数。和的大小反映出喷嘴的工作效率。设计良好的喷嘴，在大雷诺数（≥）下工作时，=0.96～0.99，=0.99；当雷诺数比较低时，因边界层相对较厚，以致和值会显著降低。三.气体射流气体脱离了原来限制它流动的管道，不再受固体壁面的限制，而在空间继续扩散流动，这种气体的流动称为射流。如喷射到窑内的可燃气体、烟囱冒出的烟气等都属于射流现象。射流有层流和湍流两种流动状态。另外，射流射入空间的大小对射流的流动规律也有很大影响。当气体喷射到充满静止介质的无限空间中去时，射流完全不受固体壁面的限制，这种射流称自由射流；当气体喷射到有限空间时，射流要受到空间的部分限制，这种射流称受限射流。㈠自由射流1.等温湍流自由射流等温湍流自由射流是指周围介质温度和密度与喷出气流相同且在管嘴出口处形成湍流状态的自由射流，它的形成如图所示：

2.温差射流和浓差射流当周围的气体温度和密度与喷射气体不同时，自由射流的温度和浓度就会引起变化，致使喷射气体与周围气体之间产生热量交换和质量交换。在湍流自由射流中由于热量扩散要比动量扩散快，因此温度边界层要比速度边界层发展得快而厚。

3.射流弯曲非等温射流由于射流的密度与周围气体密度不相等，所受的重力和浮力不平衡，射流发生弯曲。当热射流水平射至冷气体时，射流轴线向上弯曲；当冷射流水平射至热气体时，则向下弯曲。射流弯曲现象对火焰的刚性、火焰在窑炉内的传热、窑炉内的温度分布以及窑炉的寿命都有一定的影响。㈡受限射流射流喷入一个限制空间时，既受到周围空间的限制，又不能充满整个空间，如可燃气体喷入燃烧室或窑炉内的射流，称为受限射流。其流动规律与自由射流、管流均不相同。1.受限射流的形成当气体向有限空间喷出时，由于有限空间的边壁限制了射流边界层的扩散，使受限射流沿射程增大，而增大到一定程度后逐渐减小，其边界层呈橄榄形，如图所示。在边界层的内部是与射流方向一致的直流区，在边界层的外部形成与射流方向相反的回流区，于是在限制空间内的流线呈闭合状，这些闭合线环绕回流中心C而流动。

此外，在有限空间的死角处，由于空间的局部变形而引起的局部循环区，称为旋涡区。旋涡区的气体流动方向是不规则的，没有一定的回路。在旋涡区内气流更新慢、温度低，不利于窑内传热，增加气流阻力，加剧窑体的侵蚀，因此操作、调控窑炉时要注意死角处温度和其他区域温度的均匀性。2.限制空间内的气体循环窑内的气体循环能使物料迅速而均匀地得到热量，加强窑内气体循环，有利于窑内传热。根据实验和生产实际，气体循环的强烈程度和循环方向与下述因素有关。⑴限制空间的大小

主要取决于射流出口截面与有限空间截面积之比.若这个比值很小，属等压自由射流，不会产生气流循环；若很大，则形成管流，也不会有气流循环。因此，适当的截面比值会使循环气流达到最大值，这一比值要根据生产实际情况来确定。⑵射流喷出口的位置如射流喷出口的位置在有限空间的中央，有限射流就上下左右对称，回流区在四周。如射流喷出口靠近有限空间的下部，则回流区全部集中在射流的上部与有限空间的顶部之间。⑶射流喷出口与气流出口的相对位置当射流喷出口与气流出口位于同一侧时，射流在开始时按惯性流动，射流撞击墙面后失去其惯性，反向朝出口流去（如图），由于循环气流部分的流向与射流主体方向是一致的，气体循环得到了加强。这种循环气流有利于高低温气体的相互混合，从而使温度均匀。

当喷出口位置与气流出口位置不在同一侧时（如图），循环气流发生在直流的两边，由于阻力较大，循环较弱，回流区也小。

有多个射流喷出口的空间，为了加剧气流循环，可以把射流喷出口布置成相反并相互错开，下图可以当作平面图，也可以当作立面图。当作立面图，必须使物料不妨碍气体的循环。现代隧道窑的燃烧系统布置时就要考虑如何加强窑内的气流循环，其烧嘴布置形式多采用此类布置。⑷射流喷出压强及射流与墙面交角的影响

射流射出后的压力能转变成动能，动能越大，惯性越大，可以带动回流区的气体越多，气体循环越强烈。射流与墙面交角大，射流与墙面碰撞后会较早脱离墙面而改变方向，形成回流，由于回流区位置向前移动，回流区缩小了。影响气流循环的因素很多，除上述四种影响因素外，窑墙、窑顶的位置、窑炉内物料排列情况、窑炉内的抽力等因素都会影响气体循环。任务4。2结束

谢谢!任务4.3陶瓷窑炉中的传热

燃料燃烧产生的烟气携带大量的热量，经过流动和陶瓷物料发生热交换，从而把热量传给陶瓷物料，传热可分为三种基本传热方式：⑴导热导热是依靠物体各部位直接接触的热量传递过程。其特点是物体各部分不发生宏观位移；需要一定的传热介质。⑵对流换热对流换热是指流体质点发生相对位移而引起的热量交换。其特点是流体内质点发生宏观位移。⑶辐射传热辐射传热是以电磁波的形式传递热量。其特点是无需传热介质，而且伴随着能量形式的转换，即热能与辐射能的转换。陶瓷窑炉传热是一个很复杂的过程，往往同时存在两种或两种以上方式的传热。有些传热是有益的，如窑炉高温火焰对制品的传热；有些传热是有害的，如窑体外壁的散热等。学习传热规律，有助于强化有益传热，减少有害传热。一.传热基本概念1.温度场和等温面、等温线传热系统内部空间各点某一瞬间温度的分布情况，称为温度场。温度场内的温度是空间和时间的函数，可用下式表示：

式中：—直角坐标系的坐标；—时间；—温度。

若温度场内各点温度随时间而变，称为不稳定温度场；若温度场内各点温度不随时间而变，称为稳定温度场。

温度沿三维空间方向变化的温度场称为三维温度场；沿二维或一维空间方向变化的分别称为二维或一维温度场。这里主要讨论一维稳定温度场的问题，即：在温度场中，把同一瞬间具有相同温度的各点相连接，得到的一个面称为等温面；若有一个平面与等温面相交，则得到的交线，称为等温线。2.温度梯度所谓温度梯度是指相邻等温面的温度差与该两等温线间的法向距离之比值的极限。其数学表达式为：温度梯度是沿等温线法向方向的矢量，它的正方向指向温度增加的方向.

3.热流和传热量在单位时间内，通过单位面积传递的热量称为热流。用符号表示，单位为。热流是矢量，其正方向是指向温度降低的方向。在单位时间内，通过总传热面积传递的热量，称为传热量。用符号表示，单位为。传热量与热流的关系为：4.稳定传热与不稳定传热发生在稳定温度场内的传热称为稳定传热，其特点是传热量不随时间而变化；发生在不稳定温度场内的传热称为不稳定传热，其特点是传热量随时间而变化。5.热流的串联与并联热流的串联是指不同的传热依次进行；热流的并联是指两种或两种以上的传热方式同时进行。(类似于电学中电阻的串联与并联).二.导热㈠导热的基本定律—傅立