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冶金炉热平衡

　　　　　　冶金炉热平衡　　1、热平衡原则　　　　⑴热平衡是以热力学第一定律为基础,遵守能量守衡原则,研究体系的能量进、出平衡关系，反映能量消耗和有效利用、能量损失之间的平衡　　⑵冶金热平衡是指冶金炉体系热量收、支平衡，能量消耗和有效利用、能量损失之间的平衡关系。

是冶金炉热工常用的分析方法。

。

⑶热平衡结果，可用热平衡方程、热平衡表及热流图表示。

　　2、冶金炉热平衡计算的目的：

（1）通过现场测试，编制热平衡表，分析炉子的热工作，判断热量的利用是否合理，找出提高热效率的途径；　　　　在设计炉子时，通过计算编制热平衡表，热平衡关系中找出燃料消耗量等未知量。

把热收入及热支出各项与现有炉子进行比较，帮助设计者判断设计方案的优缺点。

　　3、冶金炉热平衡主要内容　　热平衡区域划定　　　　热平衡计算中热量收、支的项目是随选取的热平体系所决定的，所以必须首先划定热平衡体系区域，把进入该区域的热量作为热收人．反之为热支出。

　　热平衡区域的划分视需要而定，通常有炉膛区域、预热区域及全炉区域。

有时，可将炉子某一特定区域作为热平衡计算所划定的区域，例如可以将炉膛沿炉长方向划定几个区域分别作区域热平衡计算。

　　划定的区域不同，热收入及热支出项就有所不同。

　　例如：

某炉炉膛及空气换热器两部分组成，如图所示。

　　　　　　图热平衡区域的划分　　　　图全炉子热平衡模型　　炉膛区域热平衡式为：

　　　　QDw+Qα=Qs+QCP+Qω　　其中热量收入项QDw---燃料的燃烧热　　Qα---空气预热所带入的物理热　　热量支出项Qs---加热炉料的有效热　　QCP---烟气所带走的热Qω---炉膛内各项热损失　　换热器域热平衡式为：

　　　　QCP=QP+Qα+QCω　　其中热量收入项QCP---炉堂烟气所带入的热　　热量支出项QP---空气预热的物理热　　Qα---换热器各项热损失　　　　QCω---烟气所带走的热全炉热平衡式为：

　　　　QDw=Qs+QP+　　　　其中：

---全炉热损失项　　　　不难看出炉膛热平衡与全炉热平衡的差别。

于区域不同，对炉膛来说Qα是热收入；但对全炉来说，热收入不包括Qα，是其内部的循环热量，因为供给炉子的是冷空气，Qα是来自换热器从炉膛烟气回收的热，而不是另外供给的热。

全炉子热平衡模型如图示意。

　　3．2热平衡中热量的表示方法　　　　热平衡中热量的表示方法常有几种不同情况：

　　1）连续工作的炉子，通常以单位时间为基准进行计算，　　热量单位:

为kJ／h。

　　2）周期工作的炉子则以周期为基准进行计算3）用单位产品的质量为基准进行计算。

　　无论基准如何选定，在同一个热平衡计算中，各项热收入及热支出的单位应一致。

　　热平衡计算中的基准温度　　　　热平衡计算中的基准温度通常有多种取法。

如0℃、25℃大气温度和环境温度。

我国热工设备能量平衡通则国家标准规定采用环境温度作为基准温度。

　　环境温度是指在环境温度下的干球温度，可直接测得。

采用环境温度比较符合实际，并且计算较为简单，因为通常工质、燃料物料等都处于环境温度。

　　物料平衡　　物料平衡是热平衡的前提。

在进行热平衡时，首先应进行物料平衡。

物料平衡一般与冶金炉生产的产品以及产品工艺有关。

　　　　3．5冶金炉热平衡计算结果表示1）热平衡表2）热流图　　3）冶金炉生产热工技术指标　　如：

单位能耗量；冶金炉热效率　　单位助燃空气量；单位位排烟量；单位冷却水量　　提出节能降耗措施：

　　[实例]　　加热炉炉膛热平衡计算一、收人项计算　　1.燃料燃烧的化学热QC　　QC=BQkJ/h　　式中B——燃料消耗量，kg／h；　　QC——燃料低发热量，kJ／kg；　　2.燃料预热带入的物理热Q　　　　　　Qf=BCtf=B　　Kj/H　　式中Qf——燃料的平均比热，KJ/h；　　tf----燃料的预热温度℃　　if一燃料的热含量，kJ／m。

　　于气体燃料各组分的比热不同，应采用下式计算燃料预热的物理热　　Qf?

p1c1?

p2c2?

tf　　（）　　式中　　p1,p2?

—气体燃料各组分的体积百分比；　　c1,c2?

—各组分的平均比热。

　　3.空气预热代入的物理热Qa　　Qa?

BnL0cata?

BLnia?

kJ/h?

　　　　式中　　n—空气消耗系数；L0—理论空气消耗量，m3/kg（m3）；　　Ln—实际空气消耗量，m3/kg（m3）；ta—空气预热温度，℃；　　ia—空气热含量，kJ/m3。

　　4.钢料在入炉时代入的物理热Qm　　钢料在热装时应计入此项热收入，常温入炉时则不计　　Qm?

Gcmtm?

kJ/h?

　　　　式中　　G—炉子生产率，kg/h；cm—钢料的比热，kJ/（kg℃）;　　tm—钢料入炉温度，℃。

　　5.金属氧化所放出之热Q0　　Q0?

5652Ga?

kJ/h?

　　　　式中　　a—金属烧损率，一般加热炉中a?

~，若小于则可不计；　　5652—每千克铁氧化时所放出的热量，单位是kJ/kg。

　　#6.雾化用蒸汽带入的物理热QH　　用油作燃料时，油本身的物理热不计入收入项，用空气做雾化剂时，空气的物理热也不计入热收入项，但用蒸汽做雾化剂时，则蒸汽所带入的物理热应计入，并按下式计算　　QH?

Bn’cHtH?

Bn’iH?

kJ/h?

　　　　式中　　n’—每千克燃油雾化用蒸汽量，kg/kg；cH—蒸汽的比热，kJ/（kg℃）；　　tH—蒸汽的温度，℃；iH—蒸汽热含量，kJ/kg。

　　二、热支出项计算　　1.钢料加热所需的热—有效热Qs　　Qs?

Gcmtm?

kJ/h?

　　式中　　tm—钢料出炉时的平均温度。

　　若钢料为热装，则按下式计算　　Qs?

tm,2cm,2?

tm,1cm,1?

kJ/h?

　　　　式中　　tm,2,tm,1—钢料出炉及入炉温度，℃；　　cm,2,cm,1—相应温度的平均比热，kJ/（kg℃）。

　　2.烟气带走的热Qcp　　Qcp?

BVnccptcp?

kJ/h?

　　　　　　式中　　Vn—燃烧产物量，m/kg（m）；tcp—出炉烟气温度，℃；　　ccp—tcp下烟气的平均比热，kJ/（m3℃）。

　　3.燃料化学不完全燃烧的热损失Qtd　　pH2O?

pCO?

BVn?

QCO?

QH?

kJ/h　　　　100100?

2O33　　Qtd式中　　QCO,QH　　pCO,pH?

—CO、H2O…等可燃成分的发热量；　　2O?

—CO、H2O…等可燃成分在烟气中的体积百分含量。

　　一般情况下，可以认为烟气中每含1％的CO，就会同时含有5％的H2。

这种混合气体折算成1m3CO时的发热量为18046kJ，所以此项热损失也可见单用下式计算　　Qtd?

18046VnpCO100?

kJ/h?

　　　　4.燃料机械不完全燃烧的热损失　　对烧固体燃料的炉子，此项损失是指炉栅的漏失及清灰渣时夹带而损失的燃料。

对燃油及煤气的炉子，则指泄漏损失。

　　Qi?

KQD?

kJ/h?

　　　　式中　　K—机械不完全燃烧损失的百分数，可参考下列数据　　固体燃料　　K?

~；　　液体燃料　　K?

；气体燃料　　K?

~。

　　5.炉壁的散热损失Q?

　　连续工作的炉子，经过炉壁的散热损失可视为稳定导热过程，按下式计算　　Q?

t1?

t2AkJ/h　　　　?

n式中　　A—炉壁面积，m2；　　t1—炉壁内表面温度，℃；　　t2—周围大气温度，℃；　　?

1,?

n—炉壁各层材料的厚度，m；　　?

1,?

2,?

n—各层材料的导热系数，kJ/（mh℃）。

　　其中为假设炉壁对空气的总换热系数?

等于71kJ/（mh℃）时，炉壁外表面与空气间的热阻?

。

71?

于炉顶、炉底、炉墙的砌筑厚度、层数及温度均不一样，所以应分别计算热然后相　　加。

　　6.炉门、开孔辐射热损失QR　　当炉门或窥孔打开时，炉内向炉外高温辐射造成的热损失用下式计算　　?

QR?

kJ/h　　?

100?

4式中　　T—炉门或窥孔处炉气温度，K；　　?

—综合角度系数，附图查出。

一般而言大炉子?

~，中炉子；?

~　　?

—炉门或窥孔的开启时间，h。

　　7.炉门、开孔溢气热损失Qg　　一般炉子底面为零压，故炉膛处于正压，当打开炉门或窥孔时，高温气体将溢出炉外，同时炉子缝隙之处也将有高温气体溢出，从而造成热损失，此项热损失用下式计算。

　　Qg?

V0tgcg?

kJ/h　　　　式中　　tg—炉气温度，℃；

　　　　　　cg—炉气在tg下的平均比热，kJ/（m℃）；　　3　　V0—在标准下从炉内溢出的气体量，m/h，按下式计算　　3　　因为　　V0?

Vt1?

t3600?

m/h?

　　3气体溢出体积按下式计算　　Vt?

23?

Hb2gH?

m/s?

　　　　g式中　　?

—流量系数，薄壁?

；厚壁?

；　　H—炉门开启高度，m；b=炉门宽，m；　　?

g—炉气在tg下的密度，kg/m3；?

a—空气在ta下的密度，.kg/m3。

　　若炉膛为负压，则无此项热损失，但冷空气被吸入炉内造成炉温降低、烟气量增大、金属烧损增加，一般不希望呈现这种情况。

　　8.炉子冷却水带走的热损失Qcd　　炉子冷却部件中冷却水带走的热量占热支出很大的比例，例如大型连续加热炉此项热损失可达20％，一般用下式计算　　Qcd?

Gc?

cctc?

c’ct’c?

Gc?

ic?

i’c?

kJ/h　　　　式中　　Gc—冷却水消耗量，kg/h；　　tc,t’c—冷却水出、进口温度，℃；　　cc,c’c—冷却出、进口温度下的比热，一般取cc?

c’c?

，kJ/kg℃；　　ic,i’c—冷却水出、进口温度下的热焓，kJ/kg；　　当采用汽化冷却时，此项热损失用下式计算　　Qcd?

G’c?

ic,g?

ic?

kJ/h　　　　式中　　G’c—蒸汽产量及补给水量，kg/h；　　ic,g—蒸汽热含量，kJ/kg；ic—补给水热含量，kJ/kg。

　　9.其它热损失　　包括炉体蓄热、加热各种支架、链条、炉辊等所需的热量。

这些热量有时可以计算，有时很难计算，它所占的比例一般来说不算太大，所以除非特殊情况，一般不进行计算。

有时将氧化铁皮带走的热量也计入此项热损失之中。

　　　　三、热平衡表的编制及燃料消耗量的确定　　根据能量平衡定律，热收入项总和等于热支出项总和，列出热平衡方程式为　　?

Qin?

Qout　　表　　连续式加热炉热平衡表　　　　四、加热炉生产热工技术指标　　1）加热炉单位能燃料耗量　　b?

BQDGkJ/kgb?

1000BQDGkJ/t　　G---炉子生产率kJ/h2）加热炉炉底强度　　d?

BQDAkJ/mh22d?

1000BQDAkJ/mh2　　A---炉底面积m3）加热炉热效率　　是指金属加热所需热量占燃料燃烧的热量　　?

金属加热所需热量Q1，燃料燃烧的化学热Q1?

100%　　五、提高炉子热效率的措施　　1）减少烟气带走的热损失　　2）回收烟气余热预热空、煤气　　4）减少冷却水带走的热损失　　5）减少炉体散热　　6）使燃料燃烧充分，减少不完全燃烧　　7）加强炉子的热工管理和操作　　电弧炉冶炼碳素结构钢物料平衡　　收入项目废钢生铁石灰萤石炉衬耐火材料氧气空气电极铁合金质量75025070102023923014251001425100%　　项目钢水炉渣炉气铁挥发烟尘支出质量10001201251010%　　电弧炉冶炼碳素结构钢热平衡　　表2-3碳素结构钢热平衡　　收入项目物理热氧化热和成渣热其中：

C氧化si氧化Mn氧气p氧化Al氧化Fe氧化SiO2成渣P2O5成渣电能热量/kj343058520137509330900140600297903340670183220245170100245170100%　　项目钢水物理热炉渣物理热反应吸热炉气物理热烟尘物理热冷却水热变压器系统热其它损失热支出热量139120244307830167802750200901472019450%　　注：

1）热平衡以100kg废钢和生铁为基础计算；　　2）计算的单位耗电量为：

/t钢

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