硅酸盐热工基础.
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硅酸盐热工基础燃料及其燃烧
第二章燃料及其燃烧
第一节 概述
硅酸盐产品在烧成过程中需要消耗大量的 热量。热量的来源有两种：一种是由燃料 燃烧产生，系利用化学能转变为热能的形 式；一种是以电为热源，系使电能转变为 热能的形式。前者资源丰富，价格低廉； 后者热利用率高，利于提高产品质量，操 作条件好，但资源有局限性，成本高。故 目前硅酸盐工业窑炉的热源仍以燃料为主。10来自2 固体和液体燃料的性质
C 主要的可燃元素 H 主要的可燃元素，有益，二种形态可燃氢、化合氢 O 有害元素 N 惰性元素，有害、污染 S 可燃元素，污染，三种形态有机硫、黄铁矿硫和硫
酸盐硫
11
A 有害成分，①直接关系到焦碳的灰分从 而影响冶炼的技术经济指标。②降低煤 的发热量。③灰分结渣，容易造成不完 全燃烧，给设备的维护和操作带来困难。
人造固体燃料主要是煤和木材经加工后制得 的焦碳和木炭。
工业应用中主要是煤和焦碳。
5
煤的种类 1、根据古代植物埋藏于地下的年代和碳化程 度划分为：泥煤，褐煤，烟煤和无烟煤四大类。 2、动力用煤根据煤的挥发分高低，并参考其 水分与灰分含量，把煤分为石煤，褐煤，烟煤 （包括贫煤和劣质烟煤）和无烟煤四大类，将 无烟煤、烟煤和石煤各再分为三类。 3、冶金工业根据煤的结焦性强弱和挥发分高 低进行分类，对烟煤进一步分类为：长焰煤、 气煤、弱还原煤、半炼焦煤、焦煤、肥煤、瘦 煤和贫煤等。
1
1 燃料的定义：是在空气中容易燃烧，并 能够比较经济地利用其燃烧热的物质的 总称。燃料的供给应该比较容易，价格 低廉，储存、运输和使用等即便利又安 全。按其状态可分为：气体燃料、液体 燃料和固体燃料。
2 燃烧的定义：是通过燃料和氧化剂在一定 条件下，所进行的具有发光和发热特点的剧 烈的氧化反应。
第一节 概述
硅酸盐产品在烧成过程中需要消耗大量的 热量。热量的来源有两种：一种是由燃料 燃烧产生，系利用化学能转变为热能的形 式；一种是以电为热源，系使电能转变为 热能的形式。前者资源丰富，价格低廉； 后者热利用率高，利于提高产品质量，操 作条件好，但资源有局限性，成本高。故 目前硅酸盐工业窑炉的热源仍以燃料为主。10来自2 固体和液体燃料的性质
C 主要的可燃元素 H 主要的可燃元素，有益，二种形态可燃氢、化合氢 O 有害元素 N 惰性元素，有害、污染 S 可燃元素，污染，三种形态有机硫、黄铁矿硫和硫
酸盐硫
11
A 有害成分，①直接关系到焦碳的灰分从 而影响冶炼的技术经济指标。②降低煤 的发热量。③灰分结渣，容易造成不完 全燃烧，给设备的维护和操作带来困难。
人造固体燃料主要是煤和木材经加工后制得 的焦碳和木炭。
工业应用中主要是煤和焦碳。
5
煤的种类 1、根据古代植物埋藏于地下的年代和碳化程 度划分为：泥煤，褐煤，烟煤和无烟煤四大类。 2、动力用煤根据煤的挥发分高低，并参考其 水分与灰分含量，把煤分为石煤，褐煤，烟煤 （包括贫煤和劣质烟煤）和无烟煤四大类，将 无烟煤、烟煤和石煤各再分为三类。 3、冶金工业根据煤的结焦性强弱和挥发分高 低进行分类，对烟煤进一步分类为：长焰煤、 气煤、弱还原煤、半炼焦煤、焦煤、肥煤、瘦 煤和贫煤等。
1
1 燃料的定义：是在空气中容易燃烧，并 能够比较经济地利用其燃烧热的物质的 总称。燃料的供给应该比较容易，价格 低廉，储存、运输和使用等即便利又安 全。按其状态可分为：气体燃料、液体 燃料和固体燃料。
2 燃烧的定义：是通过燃料和氧化剂在一定 条件下，所进行的具有发光和发热特点的剧 烈的氧化反应。
4.1 硅酸盐工业热工基础-概述
总 之
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热工基础—4 传热过程
4.1.4.2 等温面与等温线 等温面：同一时刻，温度场中所有温度相同的点所构成的面 等温线：不同等温面与同一个平面相交的交线。
等温面
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等温线 返回
热工基础—4 传热过程
4.1.4.3 温度梯度 温度梯度：表示温度场内某一点等温面法线方向的温度变化率。
对流传热根据流动原因不同：
① 自然对流传热：如暖气片附近空气
② 强制对流传热：外界机械作用引起对流
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热工基础—4 传热过程
4.1.1.3 辐射传热 定义：是一种以电磁波的形式来传递能量的过程。 特点：传递过程不需要任何介质。
例如：火焰的炙烤，太阳的照射。 例如：火焰的炙烤，太阳的照射。
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热工基础—4 传热过程
4.1.1.2 对流传热 定义：流体各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程。 特点：流体内部发生相对移动。
在硅酸盐工业中对流传热指：由流体传到固体壁面或相反的过程。 ① 在硅酸盐工业中对流传热指：由流体传到固体壁面或相反的过程。 多数情况下对流传热与热传导并存。 ② 多数情况下对流传热与热传导并存。
△t —冷热物体的温度差 ， ℃；
K —传热系数 ， W/(m2·℃)； ℃
热流量：单位时间通过单位面积所传的热量
Q q = = K ∆t F
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……(4-2)
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热工基础—4 传热过程
4.1.3 热阻
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硅酸盐工业热工基础第一章
a b
ta tb
hg 2,a hg 2,b hg 2,a hg 2,b
Va Vb
则使：t a , t b
hg 2,a gz2 ( 空 气 a ) hg 2,b gz2 ( 空 气 b )
几何压头为阻力
☺1
①冷气体自下而上流动时：
②冷气体自上而下流动时：
w1 w0 0, P0 0, z0 0, z1 0.5m,
T0 273 0 1.32 0.2831kg / m 3 T 273 1000 T0 273 a a 0 1.29 1.2047kg / m 3 T 273 20
窑底与z间的伯努利方程为：
hgz hsz
dV z Bdz z B 2 zg ( a )
2 g( a )
z dz
1 2
热工过程与设备
第一章
z2
V z B
z1
2 g( a )
z dz
1 2
把 z 近似看作常数 ，作为平均流量系数，则
二、可压缩气体的流动
伯努利方程的适用气体： 不可压缩气体、稳态、等温（e=0）流动
可压缩气体怎样做能量的换算？
可压缩气体能量方程：
w w h1 h2 2 2
2 1
2 2
可压缩气体是否有伯努利方程？
热工过程与设备
第一章
可压缩气体绝热流动的伯努利方程：
w C 1 2
第一章
3 1 H 2 3 z z H z0 [ 1 ( ) ] H z0 2 96 z0 2
2 g( a ) 3 2 V B H z0 3 2
硅酸盐热工基础---3.1燃料性质
我国规定的重油质量标准
项目
代号 恩氏粘度（0E）80℃≤ 恩氏粘度（0E） 100℃≤ 闪点（开口）（℃）≥ 凝固点（℃） 灰分（％） 水分（％） 含硫量（％） ≤ ≤ ≤ ≤
质量标准
20号 RZ-20 5.0 15 80 0.3 1.0 1.0 1.5 60号 RZ-60 11.0 20 100 0.3 1.5 1.5 2.0 100号 RZ-100 15.0 25 120 0.3 2.0 2.0 2.5 5.5-9.5 36 130 0.3 2.0 3.0 2.5 25 45 200号 RZ-200 250号 RZ-250
重油的体积膨胀系数β 值与密度的关系
密度 （t/m3） 0.93～0.9399 0.94～0.9499 0.95～0.9599 0.96～0.9699 0.97～0.9799 β 值（1/℃） 0.000635 0.000615 0.000594 0.000574 0.000555 密度（t/m3） 0.98～0.9899 0.99～0.9999 1.0～1.0099 1.01～1.0199 1.02～1.0299 β 值（1/℃） 0.000536 0.000518 0.000499 0.000482 0.000464
3 ．标准燃料
标准煤：Qnet，ar=29300kJ/kg 标准油：Qnet=41820kJ/kg 标准气：Qnet=41820kJ/kJ
便于产品的燃料消 耗的比较
换算：
标准燃料量 某燃料量 某燃料发热量 标准燃料发热量
【例】某厂使用煤的工业分析为： Mad 2.71 Mar 10.05 Aad 23.20 Vad 26.41
燃料组成的换算系数 所换算的“基” 已知“基” 收到基 收到基 分析基 干燥基
4.3_硅酸盐工业热工基础_对流换热
由于换热是在内管内表面，所以定性尺寸选内管内径 d = 25mm-2×2.5mm = 20mm = 0.02m
所以
Re
dw
0.02 997 0.4 90.27 105
8836
过渡流
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= 997kg/m3 25mm 89mm
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热工基础—4 传热过程
校正系数
Prf Prw
0.11
修正系数。
……(4-55)
适用条件： 2300 Re f 104;
1.5 Prf 500,
0.05 Prf 20 Prw
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热工基础—4 传热过程
(4) 流体掠过平板湍流流动
计算公式为：
Num
(0.037
Re
0.8 m
0.023 d
wd
0.8
cp 0.4
… …
※(4-50)
※
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热工基础—4 传热过程
0.023
d
wd
0.8
cp
0.4
…… ※(4-49) ※
定性条件：定性温度为流体平均温度，定性尺寸为管子内径。
适用条件：
① 湍流区 Ref > 104 。 过渡区需乘以校正系数 f
13 :
2030
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不适合长管
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热工基础—4 传热过程
(3) 流体在圆管内过渡流流动 ① 对气体
计算公式为：
Nu f
0.0214(Re0f.8
所以
Re
dw
0.02 997 0.4 90.27 105
8836
过渡流
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= 997kg/m3 25mm 89mm
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热工基础—4 传热过程
校正系数
Prf Prw
0.11
修正系数。
……(4-55)
适用条件： 2300 Re f 104;
1.5 Prf 500,
0.05 Prf 20 Prw
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(4) 流体掠过平板湍流流动
计算公式为：
Num
(0.037
Re
0.8 m
0.023 d
wd
0.8
cp 0.4
… …
※(4-50)
※
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热工基础—4 传热过程
0.023
d
wd
0.8
cp
0.4
…… ※(4-49) ※
定性条件：定性温度为流体平均温度，定性尺寸为管子内径。
适用条件：
① 湍流区 Ref > 104 。 过渡区需乘以校正系数 f
13 :
2030
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不适合长管
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热工基础—4 传热过程
(3) 流体在圆管内过渡流流动 ① 对气体
计算公式为：
Nu f
0.0214(Re0f.8
4.4 硅酸盐工业热工基础- 辐射传热
1200 K
1400 K
λ
0
1
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4
5
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6
(µm)
热工基础—4 传热过程
对 λ ~ Eλ 曲线的讨论： (1) 某一波长的单色辐射能力随温度升高而增大；
(2) 在某一温度下，其辐射能力随波长而变化： λ＝0，Eλ，0＝0；λ↑，Eλ，0↑； 达到最高值后，λ↑，Eλ，0↓。 (3) 温度愈高，最大辐射强度的波长愈短
A0 , E0 , T0
E0(1-A1) E0(1-A1)
E0A1
对于任意物体，发射与吸收的能力差额为
q = E1 − A1 E0
当两壁的辐射达到平衡时，物体吸收与发射的能量相等
E1 = A1 E0
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E1 = E0 A1
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E1 Ⅱ 返回
E1 Ⅰ
热工基础—4 传热过程
克希霍夫定律：
区 分辐射 能力 E 与单色辐射能力 El0，以及 4.4.2.3 斯蒂芬—波尔兹曼定律 (四次方定律) 数学表达式：
T 4 E0 = C0 ( ) ……(4-69) 100
(W/m2)
C0 = 5.669W /(m2·K4)
物理意义：说明黑体的辐射能力与其绝对温度的四次方成正比 。 上一内容 下一内容 回主目录
② 完整性
完整性
Q11 + Q12 + Q13 + ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ + Q1n = Q1 Q1n Q11 Q12 Q13 + + + ⋅⋅⋅⋅⋅⋅ + =1 Q1 Q1 Q1 Q1
ϕ11 + ϕ12 + ϕ13 + ⋅⋅⋅⋅⋅⋅ +ϕ1n = 1
2.4 综合传热-硅酸盐热工基础
(1) 传统窑炉（非中空窑）： tw1 tm（tm是物料温度，由工艺制度规定） 属于第一类边界条件（温度已知）。
(2) 现代窑（如梭式窑、辊道窑、中空窑等）： tf>tw1>tm，属于第二类边界条件（q = const）
• • 关于外壁面散热
已知tw2，属于第三类边界条件。
Q 综2 tw2 t f 2 Fw
值计算；
(b) 修改数学模型。
2.5
• 其中自由对流不仅取决于流体的物性和过程 强度，还取决于空间的形状和大小，对流换 热系数包括有两个壁面上的对流换热以及空 气层的导热。
• 隔热作用评价标准：
(1) RQ
(2) t
(3) t w2
• 因为高温区辐射很强，所以在高温区不能利 用空气夹层来隔热。
• • 由内壁面温度tw1计算散热
Qnet,
fm
fmC0
Tf 100
4
Tm 100
4
Fm
其中火焰至物料系统导来黑度：
fm
f
f m[1 wm (1 f )] wm (1 f )[m f (1 m )]
式中 wm
Fm Fw
若考虑火焰对物料的对流换热，则净热量：
(3) 窑墙外表面向外界大气的对流和辐射传热。
其热—电模拟电路：
R对1
R对2
tf1 •
•tw1
tw2•
• tf2
R辐1
R导
R辐2
Q
三个子过程：
(1) 流体1壁面w1
Q 综1 t f 1 tw1 Fw
[W]
其中： 综1 对1 辐1
(2) 现代窑（如梭式窑、辊道窑、中空窑等）： tf>tw1>tm，属于第二类边界条件（q = const）
• • 关于外壁面散热
已知tw2，属于第三类边界条件。
Q 综2 tw2 t f 2 Fw
值计算；
(b) 修改数学模型。
2.5
• 其中自由对流不仅取决于流体的物性和过程 强度，还取决于空间的形状和大小，对流换 热系数包括有两个壁面上的对流换热以及空 气层的导热。
• 隔热作用评价标准：
(1) RQ
(2) t
(3) t w2
• 因为高温区辐射很强，所以在高温区不能利 用空气夹层来隔热。
• • 由内壁面温度tw1计算散热
Qnet,
fm
fmC0
Tf 100
4
Tm 100
4
Fm
其中火焰至物料系统导来黑度：
fm
f
f m[1 wm (1 f )] wm (1 f )[m f (1 m )]
式中 wm
Fm Fw
若考虑火焰对物料的对流换热，则净热量：
(3) 窑墙外表面向外界大气的对流和辐射传热。
其热—电模拟电路：
R对1
R对2
tf1 •
•tw1
tw2•
• tf2
R辐1
R导
R辐2
Q
三个子过程：
(1) 流体1壁面w1
Q 综1 t f 1 tw1 Fw
[W]
其中： 综1 对1 辐1
硅酸盐热工基础与设备01 窑炉气体力学
1.3
1000℃时烟气的粘度为：
273 C T 0 T C 273
5 32
273 173 1273 2 1.587 10 ( )( ) 4.9 10 5 ( Pa s ) 1273 173 273
3
当量直径：
水利半径 RH
F S
流体在管道截面上的速度分布
层流
紊流
流体在管道截面上的速 度呈抛物线规律分布
紊流 区
过渡 区
层流 底层
层流底层厚度：
62
d Re
7 8
气体运动过程中的阻力损失
一、摩擦阻力 气体在管道内流动，由于管壁的摩擦作用以及 气体内部的摩擦作用，形成了管道对气体的摩擦阻力。 摩擦阻力的计算式： hlm = lλ/d·(ρu2/2) Pa 式中λ:摩擦阻力系数； l :管道长度，m； d :管道直径，对非圆形管道取当量直径de； ρu2/2 ：气体动压头，Pa
解：Vt=V0Tt /T0=1000×523/273=1916 m3
ρt=ρ0T0 /Tt=1.293×273/523 =0.67 kg/m3
由此可知，空气经过加热后体积明显增加， 密度明显下降，因此在窑炉的热工计算中，不 能忽略气体体积和气体密度随温度的 变化。
注：气体的标准状态（温度0 压强为 1.01*105 Pa的状态即一个大气压）
×F
V
×ρ
M
M=V ρ = uF ρ
F：截面积 ρ ：密度
流速、流量与温度和压强的关系:
液体：膨胀性、压缩性很小，V，u与P、T无关。 气体：膨胀性、压缩性很大，V，u与P、T有关。 气体 V、w变化规律: 状态1 P1、V1、T1、u1