天津理工大学 热工设备与节能技术 第一章

李俊瑞热工设备与节能技术前言一、课程性质二、课程目的和要求1.该课程是能源动力专业选修课；2.该课程是能源动力学科专业知识结构中不可缺少的重要内容。1.了解热工设备在生产中的地位和作用；2.熟悉热工设备的种类、特点和基本结构组成；3.掌握热工设备的工作原理和热工特性，熟悉热工过程和热工计算方法；4.通过本课程学习，初步具有运用所学基础理论进行热工设备能量利用分析，以及经济运行和科学管理等方面的基本能力。三、主要讲授内容第一章绪论第二章热工设备基本结构组成第三章气体力学及其应用第四章炉子的热工特性第五章热平衡和能量利用分析第六章筑炉材料四、相关专业知识1.流体力学（气体力学）；2.工程热力学、传热学、燃料及燃烧学等。六、课程学习要求1.学习中，注意论联系实际，运用所学专业基础理论，认识和分析实际问题；2.加强自主学习，扩大专业知识面，增强工程意识。3.注意学习方法，认真做好笔记，提高课堂学习效率和学习质量。4.最终学习成绩，按平时成绩和考试成绩来计算。五、参考教材（1）陆钟武编《火焰炉》冶金工业出版社1998年第二版（2）张永照编《炉子热工与设备》东南大学出版社，2005年，第一版（3）刘人达主编，《冶金炉热工基础》冶金工业出版社，1998年，第二版（4）孙晋涛等编，《硅酸盐工业热工过程及设备》建筑工业出版社，2000年，第三版（5）蔡乔方主编，《加热炉》冶金工业出版社，1998年，第二版第一章绪论一、概述所谓工业炉窑是指为达到某些工艺目的，有的为了改变固体或液体材料的性质、形状，有的为了取得新材料或新材料制品而设置的直接使用燃料或电能的热工设备。以消耗能源获取热量，以热能的形式进行工作，完成某种工艺过程的生产设备，称为热工设备。目前热工设备主要是指工业炉和工业窑炉，通称“工业炉窑”，按照行业习惯称呼，“炉”多用于冶金和机械行业；“窑”则多用于硅酸盐工业系统。1.热工设备定义：热力设备一般是指通过一次能源（燃料）消耗获取热能，生产蒸汽或动力介质（二次能源），实现能源转换的设备，主要指锅炉和燃气轮机等。（2）两者的区别：1）锅炉是将燃料的化学能转换成蒸汽或热水的能源转换设备；2）工业窑炉是为完成工艺过程，实现工艺要求而设置的热工设备。（1）两者的共同点：它们都是通过消耗能源产生热能，完成工作过程。锅炉和工业炉窑有很多共同点，但是由于应用行业不同、生产性质不同，又有区别，是两类性质不同的设备。2.热工设备与热力设备的异同点：3.热工设备在国民经济中的地位和作用加热是生产中不可缺少的工艺过程，热工设备则是完成此项工艺的主要设备。（1）热工设备是国民经济生产中不可缺少的设备。热工设备应用范围十分广泛，它涉及冶金、机械、建材、化工、陶瓷等许多工业部门，遍及各个行业，尤其是在冶金钢铁行业，热工设备占50%以上，具有十分重要的地位。（2）热工设备对生产有着直接的影响。热工设备的装备水平与技术性能的好坏，直接关系到生产规模与生产水平（产品的产量与质量）。（3）热工设备在节能工作中具有重要的地位和作用。1）我国大型工业炉窑总数约为12万台，其能源消耗约占全国能耗总量的25％。例如：钢铁行业，高炉的容量和装备水平直接关系钢铁的产量和质量。机械制造中的金属热处理，热处理炉的好坏，直接影响金属元件的质量和使用寿命。玻璃制造中，玻璃熔窑的大小和技术水平，直接影响玻璃的产量和质量。陶瓷行业，陶瓷烧成窑装备水平，直接关系到产品合格率。2）各种工业炉窑每年要消耗掉大量的电、煤气、燃油、焦炭等优质能源和燃料。（4）热工设备在环境保护工作中具有重要影响。各种热工设备每年在消耗大量能源的同时，还排放大量二氧化碳、氧化氮、氧化硫等有害气体，是大气环境的主要污染源之一。热工设备是节能工作的重点对象。热工设备也是环境污染治理的重点对象。因此，热工设备在国民经济中具有重要的地位和作用。二、热工设备类型热工设备种类很多，一般按工艺用途、使用热源、结构形式以及热工操作进行分类。1.按工艺用途分类1）熔炼炉类：将炉料加热到足够的温度，使其熔化并在液态下完成工艺过程而得到液态物质的炉子，统称为熔炼炉。①由矿石提取金属的熔炼炉；②金属在液态下进行化学反应以精炼成分的精炼炉；③为下一道工序提供液态炉料的熔化炉。通常包括以下三类：①通过加热，改变其机械性能和组织结构，提高可塑性，便于加工的金属加热炉；2）加热炉类：用于材料或制品的加热，炉中物料只改变机械性能或物理化学性质而不改变其物态的炉子，统称为加热炉。②通过加热或冷却来改变金属内部组织及机械性能而获得更高性能材料的金属热处理炉；③物料通过加热，在高温下发生某些化学变化或相变，以获得新材料或制品的培烧类加热炉；④通过加热来排除物料或制品中的湿分，干燥类加热炉。包括以下类型：3）环境保护用炉：用于工业或生活垃圾处理的炉子。主要是焚烧固体、液体或气体废物的炉子，生产蒸汽、热水或发电。2.按热能来源分类：1）燃料炉类：用各种燃料（煤、油、气）的燃烧放热作为热源的工业炉窑。在燃料炉中以火焰炉最为常见，使用最普遍。炉料不充满炉膛，燃料在炉膛空间内进行燃烧，燃烧放出的热量以辐射和对流方式传给炉料或工件的炉子。火焰炉定义：3.按结构形式分类：有推料式连续加热炉、室式炉、台车式炉、缝隙炉、井式炉、步进式炉、环形炉等。2）电炉类：由电能转换而获得热能进行工作的炉子。例如：电弧炉、电阻炉、感应加热炉等。4.按热工操作制度分类：有连续作业炉、间歇式炉、分段变温炉、恒温炉等。1）连续作业炉：①炉内各点温度不随时间变化，而沿炉长方向分布；②物料在炉内有节奏的连续运动，由一端进，另一端出。2）间歇作业炉：①炉内温度相同，随时间变化；②物料成批装、出，在炉内静止不动。一般大规模、连续化生产的企业，使用连续作业炉。生产规模较小、产品规格较多的场合一般采用间歇作业炉。三、热工设备举例中频熔炼炉1.熔炼炉、溶化炉中频无心感应熔炼（保温）炉，主要适用于钢、铸铁以及铜、铝等有色金属及其合金的熔炼和保温，具有铸铝、纯铝或不锈钢、钢架磁扼等多种炉体结构，倾炉可以采用手动、减速箱、液压等方式。铝合金熔炼炉一种不需外加热源，主要以液态生铁为原料的炼钢方法。转炉炼钢法的主要特点是：靠转炉内液态生铁的物理热和生铁内各组分（如碳、锰、硅、磷等）与送入炉内的氧进行化学反应所产生的热量，使金属达到出钢要求的成分和温度。炉料主要为铁水和造渣料（如石灰、石英、萤石等），为调整温度，可加入废钢以及少量的冷生铁块和矿石等。（1）转炉炼钢convertersteelmaking1.转炉按炉衬的耐火材料性质分为碱性（用镁砂或白云石为内衬）和酸性（用硅质材料为内衬）;2.按气体吹入炉内的部位分为底吹、顶吹和侧吹;3.按吹炼采用的气体，分为空气转炉和氧气转炉。1952年氧气顶吹转炉问世，逐渐取代空气吹炼的转炉和平炉，现在已经成为世界上主要炼钢方法。转炉类型：鞍钢250t炼钢转炉利用电能通过石墨制的电极与金属炉料之间产生电弧所生成的热量进行熔化炉料。（2）电弧炉电弧炉炼钢炉高炉外景将铁矿石或人造富矿连续炼成生铁的鼓风竖炉称为高炉。（3）炼铁高炉原料从贮矿槽经称量后由高炉机械的料斗或带式输送机送到炉顶，分批均匀地置入炉内。经热风炉预热的空气由风口鼓入炉内，使燃料燃烧加热炉料并使之分解和还原，从而得到生铁。等离子体冶金用等离子体熔化和精炼金属的技术。这种技术是从60年代初期开始发展起来的，现已进入工业生产阶段。应用最广的等离子体电弧熔炼炉（如图2所示）。（4）玻璃窑炉用于熔制玻璃配合料的热工设备。将按玻璃成分配好的粉料和掺加的熟料（碎玻璃）在窑内高温熔化、澄清并形成符合成型要求的玻璃液。玻璃熔窑有坩埚窑和池窑两大类。耀华玻璃厂浮法300吨玻璃熔窑煤气化玻璃坩埚窑玻璃熔制的各阶段（熔化、澄清、均化、冷却）在同一坩埚中随时间推移依次进行，窑内温度制度随时间推移变动。窑膛内放置单只或多只坩埚。坩埚窑适用于熔制产量小、品种多或经常更换料种的玻璃。玻璃熔窑外视图2.加热炉加热炉是将物料或工件加热的设备。包括燃料加热炉、电阻加热炉、感应加热炉、微波加热炉等。应用遍及石油、化工、冶金、机械、热处理、表面处理、建材、电子、材料、轻工、日化、制药等诸多行业领域。连续加热炉广义来说，包括推钢式炉、步进式炉、转底式炉、分室式炉等连续加热炉。连续加热炉多数用于轧制前加热金属料坯，少数用于锻造和热处理。在冶金工业中，加热炉习惯上是指把金属加热到轧制成锻造温度的工业炉，包括有连续加热炉和室式加热炉等。此外，加热炉也包括均热炉和热处理炉。（1）箱式电阻炉（2）燃煤室式加热炉加热炉图例（3）燃气台车加热炉（4）锻造加热炉（5）隧道窑（6）微晶玻璃复合板辊道窑隧道窑车间（7）辊底式加热炉（8）网带式加热炉（9）推杆式式加热炉（10）石油炼制工业加热炉（11）大型环型加热炉（12）铝卷、铝铂退火炉（13）水泥窑水泥立窑水泥窑目前主要有三大类，一类是窑筒体卧置（略带斜度），并能作回转运动的称为回转窑（也称旋窑）；另一类窑筒体是立置不转动的称为立窑；第三类是新型干法悬窑，最近几年新上大型水泥项目均采用此类窑。回转窑按生料制备的方法可分为干法生产和湿法生产，与生产方法相适应的回转窑分为干法回转窑和湿发回转窑两类。（14）热处理炉井式热处理炉多用箱式热处理炉罩式热处理炉真空热处理炉台车式热处理炉步进底式热处理炉超大型热处理炉医疗废物热解气化焚烧炉（三）热工设备（炉子）的发展状况1.热工设备的整体水平应体现在以下四个方面；（1）基础理论；（2）设计及制造技术；（3）筑炉材料及技术；（4）运行管理水平。2.热工设备基础理论的发展1）19世纪初，格日迈洛提出“炉气自然流动的倒河床理论”。2）19世纪30年代，塞米金等提出“能量原理”，炉了生产率随能量增加而提高，强调向炉内供应充足的燃料。可概括为以下四个发展阶段：3）19世纪50年代，思林、格林科夫等人较全面地研究了炉内热工过程，提出了“炉子的一般原理”。他把炉子的工作按传热方式分为：辐射制度、对流制度和层状制度，从热交换出发对燃料的选择、燃烧过程、气流组织提出相应的要求。4）随着科学技术的发展和人们对事物认识的不断深入，炉子热式理论不断得到充实和完善，尤其是计算机科学技术的发展普及（数学模型、优化设计与操作），促进了对炉子热工理论更深入的研究，将其提高到了一个新的水平。3.目前我国的基本状况：我国工业热工设备历史悠久，但发展相对滞后，与发达国家相比较，有较大的差距，总体水平落后二三十年。（1）生产规模较小，以中小型设备为主；（2）专业技术落后，装备水平低；（3）热效率低，能源消耗高；（4）生产条件较差，对环境污染严重；（5）重视不够，缺乏专业技术人员。4.目前存在的主要问题：（四）对热工设备（炉子）的基本要求1.作为热工设备，首先要在炉型结构和热工制度方面满足加热工艺要求；2.在满足工艺要求的前提下，应有下列要求：（1）有较高的生产率；（2）保证良好的产品质量；（3）燃料及其它能源消耗少，热效率高；（4）炉子砌筑、维修方便，材料消耗少，使用寿命长；（5）自动化程度高，劳动条件好；（6）对环境污染小，符合环境保护要求。