工业炉设计 4章(44-50)

44 第四章 炉子热平衡和燃料消耗量的计算 炉子热平衡是分析和评价炉子的热工作和炉子设计时的热工指标先进与否的重要依据之一。另外，通过炉子热平衡可以算出炉子燃料消耗量（炉子设计生产率时），燃料有效利用率以及热量消耗的分配情况。在已知Ln和Vn情况下，可以算出助燃空气消耗量，废气总生成量，可以依据此数据设计计算供风系统和排烟系统。 炉子热平衡的计算对于连续工作的炉子，通常是以单位时间（小时）为基准计算热平衡，其热量单位是千焦/小时。对于周期工作的炉子，通常是以一个工作周期为基准编制热平衡，其热量单位是千焦/周期。 炉子热平衡可以是炉子整个系统各部分热平衡的总和，也可以是某一部分，如换热器、燃烧室、炉膛等。对于工业炉而言，炉膛热平衡是主要的，是计算的中心。本章所述的热平衡即指炉膛热平衡，基准温度是车间的环境温度。

4.1 连续加热炉炉膛热平衡 4.1.1炉膛总的热平衡 （1）热收入项 ① 燃料燃烧的化学热（完全燃烧） Q烧=BQ低 kJ/h （4-1） 式中：B—燃料消耗量，kg/h或标m3/h； Q低—燃料的低发热量值，kJ/kg或kJ/标m3。 ② 预热空气带入的物理热 )(环空空空空tCtCBLQn kJ/h （4-2）

式中：Ln—空气消耗系数为n时的实际空气需要量，标m3/kg或标m3/标m3； t空、t环—分别为进入烧嘴时的空气预热温度和环境温度，℃；

空空、CC—分别为空气在0～t空℃和0～t环℃的平均比热，kJ/(标m3·℃)，见表1-5。

③ 预热燃料带入的物理热 )(环燃燃燃燃tCtCBQ kJ/h （4-3）

式中：t燃、t环—分别为进入烧嘴时的燃料预热温度和环境温度，℃；

燃燃、CC—分别为燃料在0～t燃℃和0～t环℃的平均比热，kJ/(kg·℃)或kJ/(标m3·℃)，

见表1-6。 ④ 铁氧化放热 Q放=5588P·a kJ/h （4-4） 式中：5588—1千克铁氧化时的放热量，kJ/kg； P—炉子的生产率，kg/h； a—铁在炉中的氧化烧损率，kg/kg，一般取a=0.01～0.02。 所以：Q入= Q烧+Q空+Q燃+Q放 （2）热支出项 ① 产品带出的物理热（有效热） Q产=P（C产t产-C料t料） kJ/h （4-5） 式中：P—炉子的生产率，kg/h； t产、t料—分别为产品出炉和物料入炉的平均温度，℃； C产、C料—分别为产品在0～t产℃和物料在0～t料℃的平均比热，kJ/(kg·℃)，见表3-3或表3-4。 45

② 出炉膛废气带出的物理热损失 )(环废膛废膛废膛废膛tCtCBVQn kJ/h （4-6）

式中：Vn—空气消耗系数为n时，燃料燃烧产物实际生成量，标m3/标m3(kg) t废膛—出炉膛的废气温度（设计时由工艺决定），℃；

废膛废膛、CC—分别为废气在0～t废膛℃和0～t环℃的平均比热，kJ/(标m3·℃)，见表1-5。

③ 炉内水冷件的冷却水带出的物理热损失 在设计炉子的热工计算中，炉内水冷件的冷却水带出的物理热应在水冷件无绝热的条件下计算。通过此数据计算出的炉子燃料消耗量可以保证水冷件绝热包扎完全脱落情况下实际生产要求。 (a) 理论计算法 Q水=KFΔt kJ/h （4-7） 式中：k—炉子与冷却水间的总传热系数，kJ/（m2·h·℃）； F—水冷却件的受热面积，m2； Δt—炉气与冷却水的温度差，℃。 Δt值的计算：

纵水管（逆流）： 水入废膛水出水入废膛水出tttttttttggln)()( ℃ （4-8）

式中：tg—炉内纵水管所处位置炉气的最高温度，℃； t废膛—出炉膛的废气温度（由工艺决定），℃； t水入—进水温度，℃，一般取30～40℃； t水出—出水温度，℃，一般取50～60℃。 横水管（含立柱水管等）： Δt=tg- (t水入+t水出)/2 ℃ （4-9） 式中：tg—横水管所处位置的炉气温度，℃。 k值的计算：

壁壁TTTTCkgg









44

100100 kJ/（m2·h·℃） （4-10）

式中：C—炉气向水冷却件表面的导来辐射系数，kJ/(m2·h·K4)，可按式（2-2）计算； Tg—炉气的平均温度，K； T壁—水冷却件壁的平均温度，K，一般取比冷却水平均温度值高50℃。 (b) 经验公式算法

加热段（含均热段）： 加加水FTQg410010 kJ/h （4-11）

式中：Tg加—加热段炉气平均温度，K； F加—加热段水管的表面积（含横水管和纵水管），米2。

预热段： 预预水FTQg54.310046 kJ/h （4-12）

式中：Tg预—预热段炉气的平均温度，K； F预—预热段水管表面积（含横水管和纵水管），米2。 按上述方法分别计算出的水冷损失，相加可得水冷总热损失。 ④ 燃料机械不完全燃烧热损失 机械不完全燃烧热损失主要是指使用固体燃料(块煤)时产生的，一般表现在灰渣中残余 46

未燃尽的碳分。其量值大小与燃烧方法、煤块的粒度等有关。 Q机=kBQ低 kJ/h （4-13） 式中：k—系数，一般取k=0.03～0.05； 注：燃气或燃油时，这一项热损失可以忽略不计。 ⑤ 炉壁导热损失

壁环壁壁FSttQ014.0

kJ/h （4-14）

式中：t壁—炉壁内表面温度，℃，可按式（2-41）或（2-42）计算； t环—炉子周围环境温度，℃； S—各层耐火材料砌筑厚度，m； λ—各层耐火材料的导热系数，kJ/(m2·h·℃)； 0.014—炉墙外表面向周围大气传热热阻，(m2·h·℃)/kJ； F壁—炉壁外表面积，m2。 炉子砌体通常由2～3层不同的耐火材料砌成。因此在按式（4-14）计算Q壁值时，关键的问题是正确地确定各层砌体的导热系数λ。因为λ值与各层砌体材质和平均温度有关。 由于各层砌体的平均温度是未知数，可采用渐近法求算。在第一次渐进求算中，各层的温度可采用下列各值： 设炉墙为两层，则：

两层交界处的温度：2环壁壁交ttt

内层的平均温度： 2壁交壁内均ttt 外层的平均温度：2环壁交外均ttt 根据假设的各层砌体的平均温度和所用的材料，计算各层导热系数，然后按式（4-14）求出Q壁值。则各层砌体的平均温度为：

内内壁壁壁内均

SFQtt2

）（外外内内壁壁壁外均SSFQtt22 将计算出的温度与所设各层砌体的平均温度进行比较，若误差>20%，则再根据计算出的温度重新计算，直至误差≤20%为止。 在连续加热炉中，由于炉内各段温度不同，同一段内炉顶、炉墙的耐火材料层数、材质、尺寸不同，所以Q壁不同。因此，必须先分别计算，然后相加，求出整个炉体的总导热损失。 ⑥ 经炉门的散热损失 连续加热炉的进出料炉门，在炉子正常生产时均开启，炉内的热量将以辐射和炉气溢出的形式造成热损失。 (a) 经炉门的辐射热损失

hkJFTQg/10043.204辐

（4-17）

式中：Tg—炉门处的炉气温度，K； F—炉门的开启面积，m2； —炉门在单位时间内的开启时间（≤1）；

（4-16） （4-15） 47

—炉门的遮蔽系数，一般取=0.5～0.8。

(b) 经开启炉门的溢出炉气热损失 )(0环气气气溢tCCtVQ kJ/h （4-18）

式中：V0—单位时间内的炉气溢出量，标m3/h； t气—溢出的炉气温度，℃；

气气、CC—分别为炉气在0～t气℃和0～t环℃的平均比热，kJ/(标m3·℃)，见表1-5。 V0的计算：

设炉门槛处为零压面（△p=0），则：

气气气空tghHbV13600)(23

2

0 标m3/h （4-19）

式中：H—炉门的开启高度，m； b—炉门的宽度，m； ρ空、ρ气—空气和炉气在各自温度下的密度，kg/标m3； μ—流量系数，μ=0.62～0.82； t气—溢出的炉气温度，℃； β—气体膨胀系数，β=1/273； g—重力加速度，g=9.81。 所以，经炉门的总热损失： Q门=Q辐+Q溢 kJ/h （4-20） ⑦ 其它热损失 包括炉底散热损失、炉子钢结构的散热损失等。这项热损失一般小于热收入量的5%，可直接取热收入量的2%～3%，即Q它=（2%～3%）Q入。 所以：Q出= Q产+ Q废膛+ Q水+ Q机+ Q壁+Q门+Q它 因此：炉膛热平衡方程式为： Q烧+Q空+Q燃+Q放

它门壁低水环废废膛废产

放环燃燃燃环空空空低QQQkBQQtCtCBVQQtCtCBtCtCBLBQnn)(

)()( （4-21）

4.1.2 燃料消耗量及主要热工指标值的计算 （1）燃料消耗量 由炉膛热平衡式（4-21），可得燃料消耗量：

)()()()1(环废废膛废环燃燃燃环空空空低放它门壁水产tCtCVtCtCtCtCLQkQQQQQQBnn （4-22）

为给炉子生产率的进一步提高留有余地，将式(4-22)计算得到的燃料消耗量再增加20%作为实际操作的燃料消耗量，即： B实=1.2B 标m3(kg)/h （4-23） B实为确定燃烧装置的数量、烟囱内径或引风机能力以及空气鼓风机能力的依据。 （2）单耗 ① 单位燃耗：

PBb1000 标m3（kg）/t （4-24）

② 单位热耗：

PBQb低1000 kJ/t （4-25）