工业窑炉设计与节能技术

工业窑炉设计与节能技术1.工业炉概述 41.1.工业炉的分类与用途 5 51.1.2.按工艺用途分类 5 51.2.工业炉的组成 61.3.工业炉的性能指标 71.4.工业炉的发展趋势与节能要求 72.设计基础与原始资料 72.1.设计原则与标准 72.2.设计流程与内容 82.3.原始资料收集与分析 8 93.1.传热的基本方式 93.2.稳定态导热计算 93.2.1.通过平壁的导热 3.2.2.通过圆筒壁的导热 3.3.对流换热计算 3.4.辐射换热计算 13.4.1.基本定律 13.4.3.两表面间的辐射换热 13.4.4.气体辐射 13.5.综合传热 4.燃料与燃烧计算 4.1.燃料的种类与特性 4.1.3.气体燃料 4.2.1.燃烧反应方程式 4.2.4.烟气生成量(V) 4.2.5.燃烧温度计算 4.3.空气系数与节能、环保的关系 4.4.低氮氧化物(NOx)燃烧技术简介 4.5.计算实例 5.炉膛热平衡与燃料消耗量计算 5.1.热平衡的意义与目的 5.2.热平衡方程 5.3.热平衡计算与燃料消耗量的确定 205.4.炉子热效率(H) 215.5.单位热耗(Q) 215.6.计算实例 6.燃烧装置设计 23 6.2.燃气烧嘴 6.2.1.低压涡流式烧嘴(DR型) 24 6.2.4.平焰烧嘴 256.3.油嘴(燃油燃烧器) 6.3.1.油嘴的组成与要求 266.3.3.介质雾化式油嘴(高压/低压空气雾化、蒸汽雾化) 6.4.燃烧装置的选型计算 276.5.低氮氧化物(Low-NOx)燃烧技术详解 27 7.1.预热器的用途与分类 287.1.1.用途 7.1.2.分类 7.2.预热器设计的基本问题 297.3.间壁式预热器的热工计算 297.3.1.基本计算公式 7.3.2.平均温差△t_m的计算 7.3.3.总传热系数K的计算 7.4.主要间壁式预热器的结构与设计 7.4.1.管式预热器 7.4.2.喷流式预热器 31 7.6.预热器设计计算实例 8.筑炉材料与炉衬设计 38.1.耐火材料的性能指标 8.2.常用耐火制品 8.2.1.定形耐火制品(耐火砖) 8.2.2.不定形耐火材料 8.3.隔热材料 8.4.炉衬设计 8.4.1.炉衬结构类型 8.4.2.炉衬厚度计算 8.4.3.热损失与蓄热损失计算 8.4.4.炉衬设计示例 8.5.特种炉衬应用 9.炉前管道设计 9.1.炉前管道设计范围 9.2.燃气管道设计 409.2.1.管道材质与附件 409.2.2.流速与管径确定 409.2.3.安全措施 9.2.4.阻力计算 9.3.空气管道设计 429.3.1.设计要点 429.3.2.风机选型 429.4.燃油管道设计 429.4.1.系统组成 429.4.2.设计要点 9.4.3.流速与管径 9.5.冷却水管道设计 43 439.5.2.设计要点 9.6.管道布置与施工 41.工业炉概述1.1.工业炉的分类与用途工业炉是工业生产中利用燃料燃烧产生的热量或电能转换的热量，对工件或物料进行加热、熔炼、热处理、干燥等热加工过程的热工设备。燃料炉：以煤、燃料油、煤气、天然气等燃料的化学能为热源。电炉：以电能作为热源，包括电阻炉、电弧炉、感应炉、电子束炉等。1.1.2.按工艺用途分类加热炉：用于锻压前钢锭或钢坯的加热，如推钢式连续加热炉、步进式炉、室式炉、台车式炉等。炉温一般在1200~1350℃。热处理炉：用于改善工件力学性能，如退火、正火、淬火、回火等。炉温范围较宽(650~1150℃),对炉温均匀性要求高。如井式炉、罩式炉、辊底式熔炼炉：用于熔化金属，如冲天炉(铸铁)、平炉、电弧炉、感应炉(铸钢、有色金属)、坩埚炉等。干燥炉：用于烘干砂型、砂芯、油漆膜或木材等，如室式干燥炉、隧道窑。炉温较低(100~500℃)。焙烧炉：用于焙烧矿石、石灰石、耐火材料等，如石灰窑、回转窑。1.1.3.按工作制度分类间歇式作业炉：物料分批装入、加热、再出炉，如室式炉、台车式炉。炉温随时间变化。连续式作业炉：物料连续不断地进出炉膛，如推钢式炉、步进式炉、环形炉、振底式炉。生产稳定，热效率高。表1-1常用工业炉型分类及特点简表*炉型典型炉温/℃结构特点热源室式加热炉室状炉膛，开闭式炉门小批量锻坯加热电台车式炉活动炉底(台车)大件热处理、第6页共44页炉型典型炉温/℃结构特点热源加热电井式炉圆形井状炉膛，炉盖升降长轴类零件热电加热炉炉底为滑轨，分预热、加热、均热段轧钢前钢坯加热步进式炉步进梁作矩形运动输送工件轧钢前钢坯加热罩式炉炉罩移动，底座固定火电冲天炉焦炭电弧炉熔炼合金钢电电阻炉电阻发热体辐射加热电一台现代化的工业炉通常由以下几个系统组成：炉衬系统：构成炉膛空间，由耐火材料和保温材料砌筑或浇筑而成，承受高温、隔绝热流。炉架系统：由型钢和钢板组成的钢结构，用于支撑和固定炉衬，承受炉子自重和工艺载荷。供热系统：包括燃烧装置(烧嘴、喷嘴)或电热元件(电阻丝、硅碳棒),以及相应的燃料供应管道、阀门、电控系统等。排烟系统：包括烟道、烟囱、引风机或喷射器，用于排出燃烧产物，保证炉内正常燃烧和压力制度。预热回收系统：如预热器，利用烟气余热预热助燃空气或煤气，显著提高热效率。炉用机械系统：实现炉门升降、台车行走、工件输送、料盘推进等机械化第7页共44页检测与控制系统：包括温度、压力、流量等检测1.3.工业炉的性能指标3)单位热耗(q):加热单位重量物料所消耗的热量(kJ/kg)。是衡量能耗的核4)炉底热强度：单位炉底面积在单位时间内消耗的热量1.4.工业炉的发展趋势与节能要求4)智能化与自动化：广泛应用PLC、DCS、FCS控制系统，实现炉况在线监2.设计基础与原始资料2.1.设计原则与标准第8页共44页3)安全可靠性：确保结构强度、密封性、耐热性，设置必要的防爆、泄压、报警装置。4)节能环保性：贯彻国家能源和环保政策，选用高效节能设备，满足排放标准。5)标准规范性：设计应符合最新的国家标准(GB)、行业标准(JB/YB)及相关安全技术规范。工业炉设计通常分为初步设计(方案设计)和施工图设计两个阶段。1)初步设计：1.1)确定炉型、结构形式、主要尺寸。1.2)进行热工计算，确定燃料消耗量、空气量、烟气量等。1.3)选定主要设备(燃烧装置、预热器、风机、泵等)的类型和规格。1.4)绘制炉子总图、剖面图，编制初步设计说明书和设备明细表。1.5)进行概算。2)施工图设计：2.1)绘制详细的炉体砌砖图、钢结构图、管道系统图、机械传动图、电气控制系统图等。2.2)编制所有部件和零件的制造、安装图纸。2.3)编制材料表、设计计算书和施工说明。设计委托方需提供以下原始资料：1)工艺资料：1.1)物料名称、材质、形状、尺寸、单重。1.2)加热工艺曲线(升温、保温、冷却各阶段的温度和时间)。1.3)炉子生产能力或最大装载量。1.4)装出料方式(人工、机械手、输送机等)。2)燃料资料：2.1)燃料种类、成分分析、发热量、压力、温度。第9页共44页2.2)例如：煤的工业分析；2.3)油的粘度、闪点、凝点；2.4)煤气的成分、密度、含尘量。3)公用条件资料：3.1)电源电压、频率、容量。3.2)水源压力、水质要求。3.3)压缩空气压力、耗量。4)场地与环境资料：4.1)车间布置图、炉子位置、地下障碍物。4.2)当地气象条件(气温、风向、大气压力)。4.3)地质水文资料(土攘耐压力、地下水位)。5)其它要求：5.1)自动化水平、控制方式、环保要求(噪声、排放标准)。5.2)电力、水、燃气价格。热量传递有三种基本方式：传导、对流、辐射。工业炉中的传热往往是三种方式共同作用的综合传热：1)导热(Conduction):物体内部或直接接触的物体之间，由于温度梯度引起的热能传递。如炉墙内的热传递。2)对流(Convection):流体(气体或液体)与固体表面之间，由于流体宏观运动而引起的热传递。如炉气对工件表面的加热。3)辐射(Radiation):物体通过电磁波传递能量的方式。无需介质，真空中也能进行。高温炉窑中，辐射是主要的传热方式，如火焰、炉壁对物料的辐射加热。当物体内各点温度不随时间变化时，称为稳定态导热。第10页共44页单层平壁：------------------------------------------式中：q—热流密度(W/m²);t₁,t₂—平壁两侧表面温度(℃)。多层平壁：----------------------单层圆筒壁：式中：Q一每米管长的热流量(W/m);L—圆筒长度(m);-----------------------------d₁,d₂—圆筒内外直径(m)。温度/℃热导率λ耐火纤维毡(注：为平均温度)3.3.对流换热计算第11页共44页对流换热的基本计算采用牛顿冷却公式：Q=α*A*(tf-tw)-----------------------------A—换热面积(m²);te—流体温度(℃);tw—壁面温度(℃)。α的值与流体性质、流速、流动状态(层流/湍流)、表面形状等因素有关，通常由经验公式确定，这些公式多以相似准则数(努塞尔数Nu、雷诺数Re、普朗特数Pr)关联。强制对流(如炉内气流冲刷工件):α较大，与流速的0.8次方左右成正比。自然对流(如炉外壁向空气散热):α较小，与温差有关。斯蒂芬-玻尔兹曼定律：黑体的辐射力Eb=Ob*T--------------------------------------E=ε*ob*T-----------------------------------------(3-6)两个无限大平行平壁间的辐射换热量：其中C为导来辐射系数第12页共44页CO₂和H₂O等三原子气体具有辐射能力。其辐射不仅与温度有关，还与气体分压p和辐射层有效厚度s有关。工程计算中通常使用气体黑度εg图表(如霍特尔图表)来求解。炉气对炉壁或工件的加热同时包含对流和辐射。4.燃料与燃烧计算通过本章的学习，设计者可以掌握燃料特性的评价方法，并能进行完整的燃烧计算，为后续的炉膛热平衡、燃烧装置选型及节能优化提供核心输入参数。接下来的第五章将基于本章的燃烧计算结果，进行整个炉膛的能量收支平衡计算。4.1.燃料的种类与特性工业炉常用的燃料可分为三大类：固体燃料、液体燃料和气体燃料。煤：应用最广泛的固体燃料。其成分分析是设计的基础。工业分析：测定水分(M)、灰分(A)、挥发分(V)、固定碳(FC)的质量分数。四项之和为100%。元素分析：测定碳(C)、氢(H)、氧(0)、氮(N)、硫(S)的质量分数，用于精确计算。发热量(Q):单位质量的燃料完全燃烧所放出的热量，分为高位发热量(Qqr)和低位发热量(Qnet)。燃烧计算中使用低位发热量。灰熔点：影响燃烧室运行安全，防止结渣。焦炭：主要用于冲天炉，固定碳含量高，发热量高，机械强度大。表4-1常用煤种分类及特性*第13页共44页煤种挥发分Vaaf(%)发热量Qnet,ar(kJ/kg)无烟煤介于无烟煤与烟煤之间结焦性强，是炼焦和动力主要用煤水分高，挥发分离，易风化，发热量低1)重油：1.1)石油炼制残余物，是燃料炉常用的液体燃料。1.3.1)粘度大，需预热才能输送和雾化；1.3.2)闪点高，安全性较好；1.3.3)含硫量是重要环保指标。2)柴油：轻质油，粘度小，雾化性好，无需预热，但价格昂贵，多用于点火或小型工业炉。1)天然气：主要成分为甲烷(CH₄),发热量高(~36000kJ/m³),洁净环保，是理想燃料。2)发生炉煤气：煤在煤气发生炉中气化所得，主要成分为CO、H₂、N₂,发热量较低(5000-6000kJ/m³),需配套煤气站。3)焦炉煤气：炼焦副产品，含H₂、CH₄较多，发热量较高4)液化石油气(LPG):丙烷、丁烷的混合物，易液化，运输方便，常用于没有管道气源的场合。表4-2常用气体燃料特性*气体种类天然气发生炉煤气~1.5需净化气氢含量高，火焰短，易燃高炉煤气与焦炉煤气混用4.2.燃烧计算燃烧计算的核心是依据物质守恒和能量守恒定律，确定燃烧所需的空气4.2.1.燃烧反应方程式氢燃烧：2H₂+0₂=2H₂O一氧化碳燃烧：2CO+0₂=2CO₂4.2.2.理论空气需要量(L₀)L₀=0.0889(C+0.375S)+0.265H-0.03330-------------于烟煤)L₀=0.02381*(CO+H₂)+0.04762*CH₄+0.07143*H₂S第15页共44页CH;-0.04762*O₂-------------------------------4.2.3.实际空气需要量(Ln)与空气系数(α)实际燃烧时，为保证燃料完全燃烧，供给的空气量通常大于理论空气量。Ln=α*Lo--------------------------------------------(4-3)α称为空气系数(或称过量空气系数),是燃烧控制的关键参数。α过小，燃烧不完全；α过大，降低炉温，增加烟气热损失。4.2.4.烟气生成量(V)理论烟气量(V₀):α=1时，燃料完全燃烧生成的烟气量。实际烟气量(V):V=V₀+(α-1)*Lo----------------------------------------4.2.5.燃烧温度计算理论燃烧温度(theory):在绝热条件下，燃料完全燃烧时烟气所能达到的最高温度。Qnet—燃料低位发热量；Qa—空气物理热；c—烟气在theory下的平均比热容。实际燃烧温度(tactual):由于炉子散热、不完全燃烧等，实际温度低于理论tactual=η*ttheor------------------------------η称为炉温系数或高温系数，一般取0.65~0.85。间歇式炉取低值，连续式炉取高值。第16页共44页4.3.空气系数与节能、环保的关系α是连接燃烧、节能和环保的核心参数。控制与测量：通过测量烟气中的O₂含量可反推α值：现代工业炉均配备氧化锆氧量分析仪，用于实时监控和优化空燃比。4.4.低氮氧化物(NOx)燃烧技术简介烟气再循环(FGR):将部分低温烟气混入助燃空气，降低燃烧区的氧浓度和低氮烧嘴：将上述原理集成设计的专用烧嘴，是例题4-1:某加热炉使用某烟煤，其收到基低位发热量Qnet,V=8.2m³/kg。测得烟气中氧含量O₂%=5%。求：实际空气系数α。理论烟气量V₀。烟气温度900℃,烟气比热容c_flue=1.4kJ/m³)。第17页共44页V₀=V-(α-1)L₀=8.2-(1.3125-1)*6.5=8.2-2.03125≈6.1当α=1.1时，其烟气量V1.1=V₀+(1.1-1)L₀=6.17+0.1*6.5=6.82m³/kg多产生的烟气量△V=V-V₁.1=8.2-6.82=1.38m³/kg每小时多损失热量△Q=100kg/h*1.38m³/kg*1.4kJ/m³*900℃=174,结论：空气系数控制不当，造成了巨大的能量浪费。通过热平衡计算，设计师可以定量地确定炉子的能耗，并精准地定位热损失环节，从而为优化设计提供无可争议的数据支持。热平衡是能量守恒定律在工业炉上的具体应用。其目的在于：1)确定燃料消耗量(B):这是热平衡计算的最终目标，是设计燃烧系统、供料系统、排烟系统的基础。2)分析炉子热能利用情况：找出热损失的主要环节，为改进炉子结构、操作制度和节能改造提供定量依据。3)评价炉子热工性能：计算炉子热效率，是衡量炉子先进性与合理性的核心指标。4)热平衡计算通常以单位时间(1小时)为基准，对炉膛区域进行核算。炉膛的热量收支遵循以下平衡方程：热收入项总和(Qin)=热支出项总和(Qout)------------------(5-1)Q₁=B*Qnet(kJ/h)--------------------------------Qnet—燃料低位发热量(kJ/kg或kJ/m³)。这是最主要的收入项。Q2=B*Cf*tf(kJ/h)------------------------C—燃料的比热容；当燃料经过预热时此项才显著。Q₃=B*Ln*Ca*ta(kJ/h)------------------------Ln—实际空气量(m³/kg或m³/m³);ta一空气的预热温度(℃)。此项是回收余热、提高炉温的关键。如雾化蒸汽、物料氧化反应放热等，根据具体情况计算。Qin=Q₁+Q₂+Q₃+Q₄----------------------------物料加热到工艺要求所消耗的热量。这是炉子的目的热。对于加热炉/热处理炉：Q₅=G*(c₂*t₂-C₁*t₁)(kJ/h)------------------------第19页共44页式中：G—炉子生产能力(kg/h);C₁,C₂—物料入、出炉时的平均比热容；t₁,t₂—物料入、出炉温度(℃)。对于熔炼炉：Q₅=G*[cs*(tm-t₁)+△hm+C₁*(t₂-tm)]---------------式中：tm—熔化温度；△hm—熔化潜热；Cs,c₁—固、液态平均比热容。Q₆=B*Vn*Cflue*tfue(kJ/h)---------------------------式中：Vn—实际烟气量(m³/kg或m³/m³);Ctue—烟气的平均比热容；这是最大的一项热损失。通过炉墙、炉顶、炉门向外散失的热量。Q₇=(A₁*qi)(kJ/h)---------------------------------式中：A₁—第i部分炉体的外表面积(m²);qi—第i部分炉体的散热流密度(kJ/(m²·h)),根据稳定态传热公式计算。仅对间歇式作业炉。炉体本身从冷态升温到工作温度所吸收储存的热量。Q₈=(M;*ci*△t;)/T(kJ/h)----------------------式中：第20页共44页完全燃烧热损失(Q₉3),炉体不严密处5.2.2.6.总热支出：Qout=Q₅+Q₆+Q₇+Q₈+Q---------------------------5.3.热平衡计算与燃料消耗量的确定根据热平衡方程Qin=Qout,将B*(Qnet+Cr*te+Ln*ca*ta-VB=(Q₅+Q₇+Q₈+Q₉)/(Qnet+Ce*te+Ln*ca*ta-Vn*Cflue*tf物质备注随温度升高而增大，查手册确定空气~1.30标准状态下发生炉煤气标准状态下烟气~1.40t为平均温度(℃)第21页共44页5.4.炉子热效率(η)炉子热效率是衡量炉子能量利用水平的终极指标，定义为有效热占总供入热的百分比。η=(Q₅/Qin)*100%=[Q₅/(B*Qnet)]*100%------------------(先进连续式加热炉的热效率可达50%~70%。提高热效率的主要途径是：减少各项热损失(尤其是Q₆和Q₇/Q₈)和增加热回收(预热空气和煤气，即增加Q₃)。5.5.单位热耗(q)单位热耗是评价炉子能耗水平的直接指标，指加热单位重量物料所消耗的热量。q=(B*Qnet)/G(kJ/kg)--------------------------------它与热效率的关系为：q=Q₅/η。可见，在工艺(Q₅)确定的情况下，提高热效率η是降低单位热耗q的唯一途径。表5-2某些工业炉的单位热耗概略范围*炉型单位热耗q(kJ/kg)备注连续加热炉加热钢坯至1200℃台车式热处理炉热处理至900℃室式加热炉效率低，波动大锻造加热炉铝合金熔化炉含熔化潜热5.6.计算实例例1:一台台车式热处理炉，生产能力G=500kg/h,将钢材从20℃加热至900℃。钢材在900℃时的平均比热C₂=0.68kJ/(kg·℃)。使用天然气Qnet=35500kJ/m³。空气系数α=1.1,理论空气量L₀=9.5m³/m³,理论烟气量V₀=10.6m³/m³。空气预热温度ta=300℃,烟气离炉温度tAue=850℃。炉体散热第22页共44页损失Q₇=350,000kJ/h,其他损失Q₉=100,000kJ/h。不计燃料物理热和蓄热损失。求：燃料消耗量B(m³/h)。炉子热效率η。单位热耗q(kJ/kg)。计算有效热Q₅:(注：因t₁=20℃很低，其热量可忽略)计算实际烟气量Vn:Vn=V₀+(α-1)*L₀=10.6+(1.1-1)*9.5=11.5确定比热容(查表或估算):代入热平衡方程求B:收入项：Qin=B*Qnet+B*Ln*ca*ta=B*35500+B*(1.1*9.5)*1.32*300=B*35500+B*4144.支出项：Qout=Q₅+B*Vn*celue*tqlue+Q₇+Qg=306000+B*11.55*1.44*8令Qin=Qout:B*39644.2=756000+B*B*(39644.2-14137.2)=计算热效率η:η=(Q₅/(B*Qnet))*100%=(306000/(29.64*35500))*100%≈(306000/第23页共44页q=(B*Qnet)/G=(29.64*35500)/5(或q=Q₅/η=306000/0.291≈1051500kJ/t=1051.5kJ/kg,计算误差由中间步骤四舍五入引起)分析：该台车炉热效率仅29.1%,主要热损失为烟气带走热(B*Vn*Cnue*tfue=29.64*14137.2≈419,000kJ/h)和炉体散热。节能改造方向：进一步降低烟气离炉温度(如采用更高效的预热器)和加强炉体保温(如采用陶瓷通过本章，设计师可以掌握如何根据炉子工艺要求和能源条件，选择合适即预热器设计。燃烧装置(烧嘴/燃烧器)是将燃料和助燃空气按一定比例、一定方式混合，并组织燃烧，形成具有一定形状、长度、刚度的火焰的装置。按燃料分：燃气烧嘴、油嘴、煤粉燃烧器、复合燃料烧嘴。按空气供给方式分：自然通风式：空气靠炉膛负压吸入，结构简单，但调节比小，控制精度强制通风式：空气由风机强制送入，燃烧稳定，易于控制，应用最广。按混合方式分：预混式：燃料与空气在喷出前已充分混合(如无焰烧嘴),燃烧速度快，火焰短，温度高。外混式(扩散式):燃料与空气在炉膛内边混合边燃烧(如长焰烧嘴),火焰较结构原理：空气以切线方向进入烧嘴壳体，产生强烈旋转。煤气则沿轴向特点：空气、煤气均在低压下工作(<5kPa),需配套鼓风机。火焰长度可型号适用炉型调室式炉，台车炉调中型台车炉等)将助燃空气按比例吸入，并在混合管内实现充分混合。混特点：空气系数小(α=3~5),燃烧温度高，热效率高。结构紧凑，无需鼓第25页共44页以高速(通常>80m/s)从喷口射出。特点：应用：广泛应用于各种热处理炉、玻璃钢化炉、熔化炉等。结构原理：利用强烈的旋转气流(通常是空气)和附壁效应(CoandaEffect),使火焰沿炉壁或特定曲面铺展成圆盘形状。特点：效率高。被预热至1000℃以上，然后在B烧嘴燃烧；特点：极限节能：空气预热温度极高，排烟温度可降至150℃以下，理论热效第26页共44页率>80%。低NOx:高温空气与燃料混合燃烧属于低氧扩散燃烧，能有效抑制热力型NOx生成。应用：是当今高性能加热炉和热处理炉的主流配置。(图示：蓄热式烧嘴系统工作流程示意图，展示一对烧嘴、换向阀、蓄热体、交替燃烧和排烟的过程)6.3.油嘴(燃油燃烧器)6.3.1.油嘴的组成与要求一个完整的油嘴系统包括：雾化器：核心部件，将油破碎成细小的液滴，增大表面积，以利于蒸发和配风器：供给空气，并形成合理的空气流动场(旋流、直流),使之与油雾充分混合。点火装置：通常采用高压电火花点火。火焰监测装置：通常采用紫外线火焰探测器。6.3.2.机械雾化式油嘴(转杯式油嘴)原理：油送入高速旋转(3000~5000rpm)的转杯内，在离心力作用下沿杯口甩出，形成薄油膜，进而被粉碎成油雾。一次风由转杯后的风机供给。特点：雾化效果好，对油质要求相对较低，调节比较大，燃烧稳定。广泛应用于中小型工业炉。6.3.3.介质雾化式油嘴(高压/低压空气雾化、蒸汽雾化)原理：利用高速喷射的雾化介质(空气或蒸汽)的动能冲击和撕裂油流，使其雾化。低压空气雾化：空气压力低(<10kPa),耗气量大，但噪声小，适用于小型高压空气雾化：空气压力高(~100kPa),耗气量小，雾化效果好，调节比大，需配套压缩空气系统。第27页共44页6.4.燃烧装置的选型计算根据炉型、尺寸、温度均匀性要求确定。通常为保证炉温均匀，需布置多室式炉：1~4个。连续炉：沿炉长分区布置，各区间独立控温。烧嘴总功率与炉膛容积的比值应在经验范围内，避基于第4章原理，本章具体介绍在烧嘴中实现低氮的技术手段。烟气再循环(FGR):在烧嘴结构上开设FGR通道，将部分烟气吸回至燃烧燃料分级：大部分燃料在主燃烧区燃烧(a>1),少量燃料从特定喷口送入，第28页共44页形成还原区，将生成的NOx还原。空气分级：部分空气(一次风)与燃料混合形成富燃料区(a<1),抑制NOx生剩余空气(二次风)在后续区域送入，使燃烧完全。表面燃烧：采用金属纤维毡、多孔陶瓷板等作为燃烧面，火焰极短，燃烧温度均匀且峰值温度低，有效抑制热力型NOx。现代高性能烧嘴往往是多种低氮技术的集成体。7.1.预热器的用途与分类预热器的主要作用是回收炉膛排出的高温烟气余热，用以加热助燃空气或气体燃料。其效益体现在：节约燃料：将烟气带走的热量重新带回炉内，直接减少燃料消耗量。预热温度越高，节能率越大。提高理论燃烧温度：预热空气或煤气为其带来了巨大的物理热，是燃用低热值燃料时达到所需炉温的必要手段。强化燃烧过程：提高助燃空气温度可加速燃烧反应，提高燃烧速度和燃烧稳定性。按传热方式分：换热式：烟气与空气/煤气通过壁面连续进行热交换。是应用最广的形式。蓄热式：烟气与空气/煤气交替流过蓄热体，通过蓄热体的蓄、放热进行间接热交换。按材质分：金属预热器：用金属材料(碳钢、耐热钢、铸铁)做传热面。承压能力强，气密性好，结构紧凑，但耐温性有限。陶瓷预热器：用耐火粘土、碳化硅等陶瓷材料做传热面。耐高温，抗腐第29页共44页蚀，但体积庞大，气密性差，易漏风。烟气入口温度(t'1):由炉型和工作温度决定，是设计的初始参数。空气预热温度(t'2):设计目标值。根据节能要求或工艺要求(如保证燃烧温烟气出口温度(t"1):经济性参数。降低t"1可提高余热回收率，但会导致预热器体积和投资急剧增加，且需避开烟气露点(防止低温腐蚀)。通常金属预热空气入口温度(t'2):通常是环境温度。漏风率：指烟气侧向空气侧的泄漏量。金属预热器可控制在<5%,陶瓷预热器则高得多。漏风会降低预热效果并增加风机负荷。积灰与腐蚀：烟气中的灰尘和腐蚀性成分(如S)会恶化传热、堵塞通道、腐蚀壁面。设计时必须考虑清灰措施(如吹扫装置)和材料选择。间壁式预热器的设计核心是传热计算，目的是确定所需的传热面积(F)。传热方程式：Q=K*F*△tm(kJ/h或W)------------F—所需的传热面积(m²)。△tm—烟气与空气之间的平均温差(℃)。热平衡方程式：≈η*Vlue*(Chue*thue-Cfue*t"ue)-----------------第30页共44页η为保温系数，通常取0.95~0.98,考虑散热损失。烟气与空气的流动布置方式不同，平均温差也不同。逆流：两种流体平行且反向流动。可获得最大的平均温差，传热效率最顺流：两种流体平行且同向流动。平均温差较小，但壁面工作温度较低，更安全。叉流：两种流体流动方向互相垂直。平均温差介于逆流和顺流之间，是实际中最常见的布置方式。对数平均温差(LMTD)适用于逆流和顺流：对于叉流等多种流动方式，需在逆流LMTD的基础上乘以修正系数ψ(ψ<1),ψ值需查专门的线算图确定。总传热系数综合了烟气对壁面的对流辐射换热、壁面本身的导热、以及壁面对空气的对流换热。α₁—烟气对壁面的综合换热系数[W/(m².℃)]。α₂—壁面对空气的对流换热系数[W/(m².℃)]。α₁=αconv+αrad-----------------------------------------(7-5)对流部分α_conv:与烟气流速、温度、通道当量直径、烟气物性有关，需用第3章的准则方程式(如Nu=0.023*Re⁰.8*Pr⁰.4)计算。辐射部分αrad:与烟气温度、黑度、壁面温度有关第31页共44页α₂的计算：主要考虑对流，与空气流速、温度、通道特性有关。表7-1常见预热器总传热系数K的经验范围*预热器类型总传热系数K[W/(m².℃)]备注管式(烟气在管内)管式(烟气在管外)针状/片状管喷流式高速气流冲击，传热极强陶瓷式7.4.主要间壁式预热器的结构与设计结构：最普通的形式，由一束管子组成。烟气走管程(管内),空气走壳程(管外),或反之。设计要点：合理选择管径、管长、管间距和流向(逆流、顺流、叉流)。计算流速、阻力，确定管束排列和壳程折流板布置。7.4.2.喷流式预热器结构：空气通过许多小孔，以高速(30-80m/s)垂直喷射到受热面上，极大地破坏了边界层，传热系数非常高。特点：结构紧凑，传热效率极高，特别适用于中低温烟气余热回收。但阻力损失较大。设计核心：确定喷孔直径、喷孔间距、喷流距受热面的距离。7.4.3.片状/针状管预热器结构：在普通管子的外壁或内壁轧制或焊接上扩展表面(翅片、针片),显著增大空气侧的传热面积。特点：有效平衡了烟气和空气两侧的换热能力，使结构更紧凑。是现代金属预热器的主流形式。设计核心：翅片效率计算，翅片型式、高度、间距的优化。原理：如第6章蓄热式烧嘴所述，通过蓄热体(传统为格子砖，现代为陶瓷球或蜂窝体)的交替蓄热和放热来实现热交换。优点：可承受极高烟气温度，可将空气预热到800℃以上，余热回收率极缺点：系统庞大，需要复杂的换向阀和控制系统，存在周期性的温度波动和气体混合。现代应用：主要与蓄热式烧嘴(RAB)集成，作为其核心部件，不再以独立的蓄热室形式出现于中小型工业炉上。7.6.预热器设计计算实例例题7-1:为一台天然气加热炉设计一台管式空气预热器。烟气量Vue=6000m³/h,烟气入口温度t'′₁=700℃。空气量Vair=5500m³/h,要求空气预热温度t"2=400℃,空气入口温度经验估算烟气侧综合换热系数α₁=50W/(m².℃),空气侧对流换热系数预热器换热量Q。烟气出口温度t"1。平均温差△t_m。总传热系数K。所需传热面积F。计算换热量Q:取400℃空气平均比热c_a≈1.34kJ/(m³.≈5500*1.34*380≈2,800,600kJ/h≈7计算烟气出口温度t"1:取700℃烟气平均比热chue≈1.52kJ/(m³.℃),假设t"1=450℃时由热平衡：Q=Vrue*(Chlue*thue-Chue*t"ue)2800600=6000*(1.52*700-1.求解得：t"1≈463℃(与假设接近，无需重新迭代)冷端温差△tmin=t"lue-tair=463-20=443℃(逆流时可能出现冷端温差大于热端的情况)计算总传热系数K:计算传热面积F:F=Q/(K*△tm)=777.9*1000W/(23.66W结论：该预热器需要约90平方米的传热面积。接下来需进行结构设计，确定管子根数、管径、管长等。本章提供了预热器设计的完整理论框架和计算流程。在实际工程中，预热器多为标准产品，设计师的主要工作是选型：即根据计算出的Q、t'1、t"2等参数，结合烟气成分和现场条件，从制造商提供的产品样本中选择合适的型号，并校核其阻力损失是否与现有风机匹配。8.筑炉材料与炉衬设计8.1.耐火材料的性能指标选择耐火材料不能只看其耐火度，必须综合考虑一系列物理化学性能。耐火度：材料在无荷重时抵抗高温作用而不熔化的温度。并非最高使用温荷重软化温度：材料在恒定荷重(通常为0.2MPa)和高温共同作用下，产生一定变形量的温度。这决定了材料的最高使用温度，比耐火度更重要。高温体积稳定性(重烧线变化):材料在高温下长期使用时，体积发生不可逆膨胀或收缩的性能。要求变化率越小越好。抗热震性：材料抵抗温度急剧变化而不破坏的能力。对间歇式作业炉至关抗渗性：抵抗炉内物料(如熔渣、铁氧化物、碱性气氛)化学侵蚀的能力。常温耐压强度：反映材料抵抗机械作用力的能力，影响砌体结构强度。体积密度和真气孔率：影响材料的蓄热量和导热性能。轻质材料密度小、气孔率高，隔热性好但强度低。热导率：决定材料隔热能力的关键参数。8.2.常用耐火制品8.2.1.定形耐火制品(耐火砖)耐火粘土砖：Al₂O₃含量30%~48%,价格低廉，应用最广。耐火度1580~1750℃,荷软开始点1300~1400℃。是大多数中低温炉窑的主要材料。高铝砖：Al₂O₃含量>48%。更高的荷软点(>1420℃)和耐火度，更好的抗渗性和强度。用于高温区、燃烧室、炉顶等关键部位。硅砖：SiO₂含量>93%。高温强度大，荷重软化温度高(~1650℃),但抗热震性差。主要用于焦炉、玻璃熔窑等高温、恒温设备。镁砖：Mg0含量>80%。碱性耐火材料，耐碱性渣侵蚀，但抗热震性差。主要用于炼钢炉、有色金属熔炼炉。碳化硅砖：SiC含量高。高热导率、高强度、极好的耐磨性和抗热震性。用于马弗罐、辐射板、炉底板等。无需烧成，直接浇注、捣打或喷射成型，整体性好，无接缝，施工方便。耐火浇注料：由骨料、粉料、结合剂和外加剂组成，加水搅拌后浇筑。是当今炉衬的主流材料。高铝质浇注料：用于中高温区域。刚玉质浇注料：用于超高温、耐侵蚀区域。低水泥/超低水泥浇注料：用水量少，密度大，强度高，性能优异。自流浇注料：无需振动，依靠自重流淌填实，用于复杂结构。耐火可塑料：呈泥坯状，具有可塑性。可用于炉顶等复杂部位的捣打施耐火捣打料：呈干或半干状，用风镐捣实。用于感应炉炉衬、冲天炉炉缸耐火喷涂料：通过喷射机施工，用于炉衬的快速修补或整体喷涂成型。作用是减少炉体散热损失，降低炉外壁温度，改善工作环境。硅藻土砖：工作温度<900℃,导热系数低，价格便宜。膨胀蛭石制品：工作温度<1000℃。岩棉/矿渣棉：纤维状，通常制成毡或板。使用温度600~700℃,优良的隔热和吸声性能。陶瓷纤维：革命性材料。主要成分为Al₂O₃和SiO₂。标准型：使用温度~1000℃。高纯型：使用温度~1100℃。高铝型：使用温度~1200℃。含锆型：使用温度~1350℃。优点：密度极小(~200kg/m³),热导率极低，热容量极小(升降温快),抗热震性极佳，柔软易安装。形态：棉、毯、毡、模块、板、纸、异形件等。纳米微孔隔热板：目前最高效的隔热材料，由纳米SiO₂粉体压制而成，其导热系数在常温下甚至低于静止空气。用于对保温空间要求极高的场合。表8-1常用隔热材料性能对比*材料名称使用温度体积密度特点砖廉价，强度低陶瓷纤维毯方面优异~0.022(常温)炉衬设计需满足耐热、隔热、结构强度三大要求，通常采用复合结构：内层(热面)为耐火层，外层(冷面)为隔热层。重质砖砌结构：全部采用致密耐火砖。优点：坚固耐用，抗机械冲击和化学侵蚀能力强。缺点：蓄热损失和散热损失大，升温慢。适用于熔炼炉、燃烧室等高温、易侵蚀区域。轻质砖砌结构：耐火层采用轻质耐火砖，外层再加隔热砖。优点：比重质结构节能。缺点：强度较低，抗侵蚀性较差。适用于热处理炉等。全纤维炉衬结构：炉衬全部由陶瓷纤维模块或叠铺毯组成。优点：节能效果极其显著(升降温快，散热少),重量轻，抗热震。缺点：抗气流冲刷和机械碰撞能力弱，不能直接承载重物。广泛应用于各类热处理炉、加热炉的炉顶和复合结构(主流):砖砌复合结构：耐火层(重质砖或浇注料)+隔热层(轻质砖或纤维板)。第37页共44页浇注料复合结构：耐火浇注料(工作层)+陶瓷纤维板/毯(保温层)。整体性强，密封性好，是现代工业炉的主流结构形式。“背衬毯”结构：在耐火砖或浇注料层与炉壳钢板之间铺设一层陶瓷纤维毯，可有效补偿热膨胀，提高隔热效果。炉衬厚度的确定是一个热工计算和经验校核相结合的过程。热工计算：目标：保证炉壳外表面温度t_s在安全范围内(通常要求≤60~80℃,避免烫方法：根据第3章的多层平壁稳定态导热公式进行迭代计算。已知炉膛温度t_1、环境温度t_a、各层材料及其热导率λ,设定一个炉衬总厚度，计算外表面温度t_s,直至t_s满足要求。简化：对于砖砌炉衬，其散热流密度q和t_s可参考表1-17的经验数据。经验校核：耐火层厚度需保证其结构稳定性和使用寿命，通常不小于113mm(半砖隔热层厚度通常为114mm或230mm(一块砖厚)。全纤维炉衬的厚度根据使用温度和经验确定，一般为200~300mm。散热损失Q₇:按稳定态导热计算，Q₇=q*A。蓄热损失Q₈:仅对间歇式炉。全纤维炉衬的蓄热量M*c*△T远小于砖衬，这是其节能的关键。设计条件：台车式热处理炉，炉膛温度950℃,要求炉外壳温度t₅≤70℃。环境温度25℃。方案选择：采用复合结构。耐火层：114mm厚(半砖)密度为2200kg/m³的耐火粘土砖。第38页共44页温度~800℃)。假设纤维层厚度δ_2=200mm。计算热流密度q:(其中αa为空气对流换热系数，取10W/(m²·K))校验外壳温度t_s:不满足要求。调整：增加纤维层厚度至δ_2=250mm。基本满足要求。结论：该炉墙设计为：114mm耐火粘土砖+270mm陶瓷纤维模块。总厚度384mm。8.5.特种炉衬应用可控气氛炉：需选用抗渗碳