第6章 热处理燃料炉Word格式文档下载.docx
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排烟口是炉子废气的排出口，其位置和大小可限定炉气在炉膛内的流动方向和流量。
因此、它对炉气在炉膛内的分布和炉温均匀性有重大影响。
排烟口的位置和大小应与进火口适当配合。
在炉膛内的垂直方向，排烟口应设在炉底处，以保证炉气充满炉膛。
对小型箱式炉，排烟口常设在炉门洞壁的两侧，以防止冷空气侵入炉内，保证炉前区温度。
对较大的炉子，在炉后区和中区也应设排烟口。
燃料炉常借改变排烟口的位置和大小来调节炉温均匀性。
烟道是废气排出的通道，其应能保证适当密封（清灰口和闸门等处）、防水和保温，以减少废气在烟道中降温，保证烟囱有足够的抽力。
烟道的结构应尽可能减少转弯和截面突然变化，截面积要适当，以减少废气在烟道内的阻力。
烟道闸门用以控制炉气流量和炉膛压力。
减少闸门开启程度，会降低废气流量，提高炉气静压，增大局部阻力损失，减小烟囱的有效抽力。
炉架是固定炉子砌体的钢结构。
燃料炉炉体常较重，气体热胀冷缩和相变引起的体积变化相当大、所以炉架需相当坚固，以防炉膛开裂，甚至炉顶倒塌。
例如，底燃式燃油（气）室式热处理炉其烧嘴交错布置在坑道式燃烧室的侧墙上，燃料在燃烧室内基本燃烧完毕后，火焰分别从两侧进火口进入炉膛，以利于温度均匀。
挡火墙迫使火焰上升一定高度后再改变方向流入炉膛，加上炉底可保持高温状态，所以炉温比较均匀，有利于均匀迅速加热工件。
火焰流动方向不但决定于挡火墙高度，还受进火口和排烟口位置和大小的影响。
排烟口位于炉门洞两侧壁上，可使火焰纵贯整个炉膛。
从炉门吸入的空气也将被吸入排烟口，不致进入炉膛。
为增大火焰对流换热系数和调节炉子工作温度防止工件过热，还迫使部分炉气通过再循环口重新进入燃烧室进行再循环。
再循环口开在烧嘴同一侧壁上，为一垂直通道，与燃烧室相通。
此炉子的排烟口截面积相当大，可减少气流的阻力。
废气经炉壁内的上排烟道排出。
6.2燃料燃烧计算
一、常用燃料分类
天然固体燃料是煤，一般由碳、氢、硫、氧、氮、灰分和水分等组成。
因地质年代、压力和温度不同，煤的存在状态有很大差异，按发热值大小顺序有无烟煤、褐煤和泥煤。
人造固体燃料是焦碳。
天然液体燃料是石油，它是各种碳氢化合物的混合物。
石油可蒸馏出汽油、煤油、柴油、机油、重油、石蜡和沥清等产品。
作为工业燃料的产品主要是重油和柴油。
石油制品虽是良好的燃料，但它是主要动力资源，且价格较高，一般不推荐采用。
重油是密度大于煤油的石油制品，发热值很高，粘度大，需经预热处理才能使用。
天然气体燃料是天然气。
人造气体燃料常用的有以下几种：
（1）发生炉煤气是使空气通过很厚的炽热煤层而得到的煤气，主要成分是CO和N2。
（2）水煤气是将水蒸气通入温度在970C以上的碳质物质层所产生的煤气，主要成分是CO和H2。
（3）混合发生炉煤气是将空气和水蒸气的混合气通入炽热煤层所产生的煤气，主要成分是CO、H2和N2。
（4）城市煤气这类煤气包括干馏煤气（煤在甑内加热，分解蒸馏而得的煤气）和增碳水煤气（高温水煤气经裂化油增碳所得煤气），其主要成分是H2、CO和CH4等。
（5）高炉煤气是炼铁的副产品，主要成分是CO和H2。
（6）焦炉煤气是炼焦的副产品，由烟煤在高温下蒸馏而得，主要成分是H2和CH4。
（7）液化石油气是在石油开采或提炼过程中产生的气体，再在高压下将其液化，主要成分是丙烷和丁烷。
现将各种常用燃料的化学成分列入表6-1中。
二、燃烧发热量计算
燃料发热量是衡量燃料使用价值的重要指标，它是单位重量或单位体积（对于气体燃料）的燃料，在完全燃烧的情况下所能放出的热量，单位为kJ/kg（或kJ/m3。
根据燃烧产物的状态不同，可将燃料的发热量分为高发热量和低发热量。
1．高发热量Q高
表6-1常用燃料的化学成分及发热值
燃料名称
燃料成分（重量分数）
挥发分
%
发热量Q低
kJ/kg（或m3）
C100
H100
O100
N100
S100
A100
W100
固体
燃料
褐煤
48.1
3.4
11.7
1.2
1.0
15.6
19
41
约18170
烟煤
70
4.4
8.3
2.0
8
6
35
约27210
无烟煤
84
3
2
1
4
5
7
约31400
液体
重油
85
12.5
0.2
1.5
0.3
39360~41670
（体积分数）
CO100
H2O100
CH4100
CmHm100
O2100
N2100
（CO2+H2S）
100
气体燃料
天然煤气
-
0~2
85~97
0.1~4
1.2~4
0.1~2
35170~38520
焦炉煤气
4~8
53~60
19~25
1.6~2.3
0.7~1.2
7~13
2~3
14650~16750
高炉煤气
23~31
10~15
0.1~2.0
48~60
8~14
3770~4400
发生炉煤气
32~33
0.5~0.9
64~66
0.5~1.5
5025~6280
水煤气
35~40
47~52
0.3~0.6
0.1~0.2
2~6
5~7
8370~10470
城市煤气
14~22
54~58
16~20
0.5~0.7
0.2~0.3
2~4
13400~15910
C3H3
C2H6
C4H10
C3H6
C4H8
C2H2
液化石油气*
50~90
0~5.75
2~10
1~22
0~17
0~6.52
35590~37680
*液化石油气的成分随各化工厂而不同，差别很大。
当燃烧产物冷却到燃烧物质的原始温度，而且燃烧产物中的水蒸气冷凝成0C的水时，单位燃料完全燃烧所放出的热量叫做燃料的高发热量。
2．低发热量Q低
当燃烧产物冷却到燃烧物质的原始温度，而且燃烧产物中的水蒸气冷却成20C的水蒸气时，单位燃料完全燃烧所放出的热量，叫做燃料的低发热量。
由此可见，高、低发热量之间在数值上存在差值，它是由燃烧产物中水分的存在状态不同所造成的。
高发热量表示单位燃料可能产生的全部热量，低发热量则是在高发热量中减去燃烧产物中水蒸气的汽化热。
高发热量常作为实验室内鉴定燃料的指标，而在实际应用中通常采用使用状态燃料的低发热量，常以
表示，本书则简写为Q低。
燃料的发热量可以用实验的方法求得；
也可以根据燃料中各可燃元素燃烧反应时的反应热进行理论计算。
现就气体燃料说明发热量的计算方法。
Q高＝12620（CO）+12800（H2）+40070（CH4）+69500（C2H6）+64480（C2H4）
+67200（C2H2）+94200（C3H8）
同理
Q低＝12620（CO）+10790（H2）+36090（CH4）＋62510（C2H6）+64480（C2H4）
+56350（C2H2）+90730（C3H8）
式中CO，H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、C3H8为气体燃料中的一氧化碳、氢、甲烷，乙烷、乙烯，乙炔、丙烷的体积分数。
式中的数字为相应成分在标准状态下每1m3该气体的发热量（kJ/m3）。
三、燃烧计算
燃烧计算主要计算燃料燃烧时所需的空气量和燃烧产物量以及燃料燃烧时可能达到的燃烧温度。
所得到的这些数据可为燃烧装置、烟道和烟囱等的设计提供依据。
1.理论空气需要量和理论燃烧产物量
按燃料燃烧反应式计算出来的单位燃料完全燃烧所需的最小空气量称为理论空气需要量，以L0表示，单位为m3/kg燃料或m3/m3燃料。
其计算方法是分别计算燃料中各可燃成分的理论空气需要量，再加在一起，得其总和。
表6-2列出单位重量碳理论空气需要量的求法和数值。
对其它可燃成分可用相似的方法求得。
表6-2碳燃烧的理论空气需要量和燃烧产物量C+O2=CO2
碳量
空气需要量
燃烧产物量
O2
N2
CO2
12g
22.4dm3
22.4dm3
1kg
1.87m3
7.03m3
1.87m3
8.90m3
8.90m3
单位燃料按理论空气需要量完全燃烧后所产生的全部燃烧气体称为理论燃烧产物量，以V0表示，单位为m3/kg燃料或m3/m3燃料。
在实际设计中常采用近似计算式计算单位重量（或标准状态下的体积）燃料的空气需要量和燃烧产物量，如表6-3所示。
表6-3单位燃料的空气需要量和燃烧产物的经验式
发热值Q低
空气过剩系数
理论空气需要量L0
理论燃烧产物量V0
煤
18170-31400
1.3-1.7
（0.241Q低/1000）+0.5
（0.213Q低/1000）+1.65
39360-41868
1.1-1.15
（0.203Q低/1000）+2.0
（0.265Q低/1000）
5025-6280
1.05-1.1
（0.209Q低/1000）
（0.173Q低/1000）+1.0
13400-15610
（0.260Q低/1000）-0.25
（0.272Q低/1000）+0.25
天然气
35170-38520
（0.264Q低/1000）+0.02
（0.282Q低/1000）+0.4
8370-10470
（0.258Q低/1000）
3370-4400
（0.191Q低/1000）
（0.074Q低/1000）+1.30
14650-16750
（0.251Q低/1000）-0.11
（0.239Q低/1000）+0.83
2.空气过剩系数
在燃料燃烧时，燃料与空气的混合难于达到十分完全的程度，为保证燃料完全燃烧，实际供应的空气应超过理论空气需要量。
超过的空气量称过剩空气量，实际供应的空气量与理论空气需要量的比值，称空气过剩系数，以表示，即：
值的大小常与以下因素有关：
（1）燃料种类各种燃料与空气混合的难易程度不同，所以常采用不同的值，一般范围为：
煤气＝1.02-1.2，油＝1.1-1.3，块煤＝1.3-1.7，粉煤＝1.2-1.25。
（2）燃烧装置的结构燃料燃烧装置种类和结构会影响燃料与空气的混合程度，例如：
油喷嘴结构若能把油雾化得很细时，将会提高油与空气的混合程度，就可取下限低值。
（3）燃料的加工和制备燃料在燃烧前的加工、粉碎，对所采用的值也有影响。
例如，采用粉煤燃烧可改善燃料煤与空气的混合状况，可取较低值。
过剩空气量对炉子操作十分重要为保证燃料完全燃烧，必须供应一定量的过剩空。
但若过剩空气过多，又会降低炉温，减小炉气黑度，增大废气带走的热量，降低炉子热效率，也易使工件发生氧化，还增加废气中有害气体氮氧化物NOx的浓度，因此必须很好地加以控制。
3.实际空气量与实际燃烧产物量
计算出理论空气量L0和理论燃烧产物量V0并确定空气过剩系数后，实际空气量Ln和实际燃烧产物量Vn可由下式计算：
Ln＝L0
Vn＝V0+（-1）L0
4.理论燃烧温度计算
燃料燃烧后燃烧产物所能达到的理论燃烧温度tn可依热平衡进行计算。
假定空气预热到ta，燃料不预热，则：
热量收入：
Q＝Q低+Lncata
热量支出：
Q＝VnCntn＝VCO2CCO2tn+VN2cN2tn+……
Q＝Q，则燃烧产物温度ta为：
式中，Ln为单位燃料所需空气量（m3/kg或m3/m3）Vn为单位燃料生成的燃烧产物量（m3/kg或m3/m3）；
Ca、Cn、CCO2、CN2……分别为空气、燃烧产物及其组成CO2和N2等的比热容[kJ/（kgC）]；
VCO2、VN2……分别为燃烧产物组成气体CO2、N2……的体积（m3/kg或m3/m3）。
因，CCO2、CN2……为tn的函数，对上式求解非常麻烦，因此通常都采用试求法。
先假设tn，再查表求得CCO2、CN2……等，验算Q低值，然后修正tn值，重复计算。
一般计算两次即可解决，最后用插入法决定差值。
6.3燃料消耗量计算
燃料炉的燃料消耗量指炉子每小时所消耗的燃料量，可通过热平衡法或经验统计数据进行计算。
一、热平衡计算法
燃料炉的热平衡计算法与电阻炉基本相同仅计算项目有所差别。
以下着重叙述有关燃料炉的特殊计算项目，与电阻炉相同的项目参见电阻炉功率计算一节。
1.热量收入项
1）燃料燃烧的化学热Q烧
Q烧＝BQ低
式中，B为燃料的消耗量（kg/h或m3/h）。
2）预热空气和燃料带入的物理热Q空、Q燃
Q空＝BL0t空c空
Q燃＝Bt燃c燃
式中，为空气过剩系数，L0为理论空气需要量（m3/kg或m3/m3），t空、t燃为空气、燃料预热温度（C），c空、c燃为空气，燃料由0C至t空、t燃的平均比热容[kJ/（kgC）或kJ/（m3C））。
2.热量支出项
1）加热工件的有效热量Q件
2）加热辅助件所需的热量Q辅。
3）加热可控气氛所需的热量Q控
4）通过炉衬的散热损失Q散。
5）通过开启炉门的辐射损失Q辅。
6）通过开启炉门或炉墙缝隙的溢气热损失Q溢。
燃料炉中，若炉膛内炉气静压高于大气压，必然有炉气外溢，导致热损失。
但若外溢炉气已流经工件进行了热交换，实际与烟囱排出的废气相同，则不应再计入该项损失。
若燃料炉炉膛处于负压状态，则应计入加热吸入冷空气的热损失。
7）砌体的蓄热损失Q蓄，以炉子升温过程中每小时平均热损失计算。
8）通过外伸构件的传热损失Q传，以加热过程中每小时平均热损失计算。
9）废气带走的热量Q废；
Q废＝BVnt废c废
式中，t废为出炉废气的温度（C），对热处理生产，一般高于工件加热温度，但应不超过工件终了温度的5％，c废为出炉废气的平均比热容[kJ/（m3C）]（见附表4）。
10）燃料漏失引起的热损失Q漏：
Q漏＝BKQ低
式中，K为燃料漏失的百分数，对于固体燃料，指炉栅漏煤和炉渣带走的煤，取K＝3~5％；
对于气体燃料，指经储油器和油管漏油，取K＝1％。
11）燃料不完全燃烧的热损失Q不
在无焰燃烧的情况下，可认为燃料燃烧完全，无此项热损失，但在有焰燃烧炉的废气中通常含有0.5~3％的未燃烧可燃气（CO十H2），假设CO与H2的体积比是2:
1，那么该混合气的发热量为12142kJ/m3，则不完全燃烧的热损失为，
Q不＝12142BVnb
式中，b为未燃烧可燃气的百分数。
12）其它热损失Q它。
根据热量的收支平衡便可列出如下平衡方程式，并可从中求出每小时的平均燃烧消耗量B。
Q烧+Q控+Q燃＝Q件+Q辅+Q控+Q散+Q辐+Q传+Q溢+Q蓄+Q废+Q漏+Q不+Q它
炉子的最大消耗量则等于（1.3~1.5）B。
炉子的燃料消耗量是炉子的重要技术指标，为便于进行评价和比较，常将其表示成标准燃料消耗量，即加热单位重量金属所消耗的标准燃料。
按规定，标准燃料（标准煤）的发热量Q低＝29310kJ/kg（7000kcal/kg）。
因此，加热1kg钢件所需的标准燃料消耗量（B0）可用下式换算，其数值方程为
式中，p为炉子生产率，[p]为（kg/h）；
[B0]为kg/（kg钢件）。
一般热处理炉的标准燃料消耗量常在0.1-0.5kg/kg钢件范围内。
二、燃料炉的热效率
燃料炉的热效率可表示为:
根据热平衡，
Q件＝Q烧+Q控+Q燃-Q废-Q失
式中，Q失为除废气热损失以外各项热损失的总和。
故炉子的热效率可写成
通常不回收废气热量的周期作业燃料炉的实际热效率在5-25％范围内，其中中温炉较高，高、低温炉较低，这是由于废气带走的热量随温度升高而增大，而低温炉热效率也较低的原因是在低温炉中高温燃烧产物与工件接触之前必须先行在隔离的燃烧室内降温或通入过量冷空气、以降低到工件温度，避免工件过热或局部烧坏。
由上式可知，要想进一步提高燃料炉的热效率需减少或回收利用废气的热量和减少炉子的各种热损失。
而炉子热损失又与炉子结构尺寸、燃料种类、装炉状况，工艺操作方法等因素有关。
三、经验统计数据计算法
1.根据单位热耗指标计算燃料消耗量
热处理炉的单位热耗q指加热1kg工件炉子所消耗的总热量，其值也等于1kg工件加热到要求温度所需的有效热q效除以炉子的热效率，即：
因此炉子所需的热量Q和燃料消耗量B等于：
式中，p为生产率（kg/h），p0为炉子单位面积的生产率[kg/（m2h）]；
A为有效炉底面积（m2）；
Q低为所采用燃料的低发热量（kJ/kg或kJ/m3）。
如上所述，炉子的热效率受多种因素影响，故生产中统计的单位热耗数据是有条件的，表5-4和5-5为几种常用热处理炉的单位热耗的概略指标，它仅适用于表中指出的工艺、燃料种类和生产率等具体条件。
2.根据炉底热强度指标计，算燃料消耗量
炉子的炉底热强度E为单位有效炉底面积每小时的耗热量即：
上式表明，炉底热强度E也是一个与炉子单位热耗，单位炉底面积生产率和热效率等有关的指标，单位为（kJ/（m2h））。
因此，计算炉子的燃料消耗量为：
这种方法常用于箱室式热处理燃料炉。
图6-2为台车式炉的炉底热强度指标，与之相应的炉子生产率p＝150-200kg/（m2h）。
按炉底热强度指标求得的数值为炉子最大燃料消耗量，平均消耗量为其70％。
从图中可以看出，炉底面积越大，炉底热强度越小，这显然与炉子的热效率有关。
该图的数据适用于重质粘土砖砌造的炉子，当改用轻质砖时，炉子的燃料消耗量约可减少15％。
6.4热处理燃料炉的燃烧装置
煤炉的燃烧室，气体燃料炉的烧嘴和液体燃料炉的喷嘴，统称为燃料炉的燃烧装置，其作用是：
提供燃料燃烧的场所，产生炉子所需的热量，使空气与燃料充分混合，保证燃烧完全，节约燃料，使火焰具有一定方向、外形和温度，以保证炉子良好的传热效果和满足炉温均匀等工艺要求。
一、燃料燃烧过程
燃料燃烧过程包括混合，活化和燃烧三阶段。
可燃气体与空气中的氧适当混合是燃烧的前提，而且混合速度一般较慢，燃料燃烧速度主要取决于混合速度。
对可燃混合物的活化是指将其加热到着火温度，混合物活化后才可能顺利燃烧。
在燃烧阶段气体混合物中的可燃成分急剧与氧反应形成火焰放出大量热量和强烈的光。
燃料的着火温度是燃料和空气的可燃混合物可进行正常燃烧的最低温度。
不论是自行着火燃烧还是点火燃烧，都必须把燃料加热到着火温度以上，燃烧方能进行。
着火浓度是指在可进行燃烧的混合气体中可燃成分的浓度范围。
也就是说，在可燃气与空气的混合物中，可燃气的浓度若超出或不到这个范围（太浓或太稀）就不能着火燃烧。
但一旦着火后，燃烧就不再受着火浓度的限制，直至可燃物或氧气消耗完为止。
某些燃料和可燃成分的着火温度和浓度范围如表6-4和表6-5所示。
表6-4某些液体和固体燃料的着火温度
着火温度（C）
530
石油
260～367
250～450
500
400～500
600～700
汽油
390～685
焦炭
700
煤油
250～609
表6-5可然气成分的燃烧
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