加热炉及加热工艺

加热炉及加热工艺对加热炉的要求是：(1)生产率高在保证质量的前提下，物料加热速度越快越好，这样可以提高加热炉的生产率，减少炉子座数或缩小炉子尺寸。快速加热还能降低金属的烧损和单位燃料消耗，节约维护费用。一般用单位生产率即炉底强度的高低来评价一座炉子工作的优劣。(2)加热质量好金属的轧制质量与金属加热质量有密切的关系。加热时物料出炉温度应符合工艺要求，断面上温度分布均匀，金属烧损率低。防止过烧和表层的脱碳现象。(3)燃料消耗低轧钢厂能量消耗的10％一15％用于加热炉上，节省燃料对降低成本和节约能源都有重大意义。一般用单位燃料消耗量来评价炉子的工作，如每kg钢消耗的燃料量(kg)或热量(kJ)。(4)炉子寿命长由于高温作用和机械磨损．炉子不可避免会有损坏，必须定期进行检修。应尽可能延长炉子的使用寿命，降低修炉的费用。(5)劳动条件好要求炉子的机械化及自动化程度高，操作条件好，安全卫生，对环境无污染。燃料的一般性质一、燃料的化学组成自然界中的固体燃料和液体燃料，都是由有机物和无机物两部分所组成。有机物是由碳、氢、氧及少量的氮、硫等构成。这些复杂的有机化合物，分析十分因难，所以一般只测定碳、氢、氧、氮、硫的百分含量，与燃料的其他特性配合起来。帮助我们判断燃料的性质和进行燃烧计算，燃料的无机物部分主要是水分和矿物质——灰分。气体燃料由CO、H2、CH4、C2H4、CnHm、CO2、N2、O2、H2S、H2O等简单的化合物或单质混合组成，其中主要的可燃成分是CO、H2、CH4、C2H4、CnHm等。CO2、H2O、N2、O2等是不可燃成分。固体燃料和液体燃科的元素组成用质量百分数表示，如C％、H％、O％、N％、S％等。燃料中的水分和灰分分别以符号W％及A％表示。1．碳碳是固体燃料和液体燃料中员主要的热能来源。碳在燃烧时与空气中的氧化合生成CO2，同时放出大量的热C十O2＝CO2十33915(kJ/kg)燃料不完全燃烧时，碳与氧生成CO。C十1/2O2＝CO十10258(kJ/kg)2．氢氢也是燃料中重要的可燃成分。氢燃烧时生成水蒸汽，同时放出大量的热。H2十1/2O2＝H2O(汽)十119915(kJ/kg)固体燃料和液体燃料中的氢与碳、氧、硫结合成各种化合物状态存在，与碳、硫结合的氢可以燃烧；与氧结合的氢形成了燃料内的水分，不仅降低了燃料可燃成分的比例，而且蒸发时还要消耗热量。这种水分在干燥时不能除去，只有高温下分解时才能被除掉。3．氧氧是燃料中有害的组成部分，因为在固体燃料及液体燃料中，它与碳、氢等可燃成分结合呈化合物状态存在。所以作为燃料使用时，它不仅不参与燃烧，反而约束了一部分可燃成分。4．氮氮是惰性物质，燃烧时一般不参加反应而进入烟气中。在温度高和含氮量高的情况下，特产生较多的NOx，造成大气污染。5．硫硫是燃料中有害的杂质。燃料中有机硫和黄铁矿硫在空气中燃烧都能生成二氧化硫。呈硫酸盐状态存在的硫不能燃烧，燃烧时进入灰分。有机硫及黄铁矿硫燃烧时虽然能够产生一定热量(10468kJ/kg)，但SO2腐蚀金属设备，会使钢材表而烧损增加，严重影响钢的加热质量，并且污染环境造成公害。所以冶金燃料中的硫含量一般均有限制，在选用时必须加以考虑。6．水分燃料中的水分是有害的成分。它的存在降低了可燃成分的比例热而蒸发，而且对燃料的运输和加工都不利。原始煤中水分含量比较高是由于煤在开采、洗选、运输、贮存过程中，表面吸附了大量水分。这些水分在空气中风干时即可以除去，称为外部水分。其余水分吸肘在煤的小毛细管中，并以物理化学方式与煤质相连接，需要加热到102—105℃才能除去，称为内在水分。此外煤的矿物质中还常有少量结晶水，只有在更高温度下才能除去。7．灰分，煤中的灰分高，相对可燃成分的比例就减少，而燃烧时灰分本身的加热和分解还要吸收热量；灰分高的煤往往容易夹杂烧不透的可燃物，造成燃料的损失；清灰也是很繁重的劳动。所以灰分的多少是衡量燃料经济价值的重要指标。除了灰分的含量之外，在衡量固体燃料的质量时，还必须考虑灰分的熔点。灰分熔点太低时，容易在炉栅上结成大块，影响通风，清灰除渣也困难。所以一般要求灰分的软化温度不低于1200℃。燃料组成的表示方法固体燃料和液体燃料的分析结果表示为各组成的质量百分数，由于燃料中水分和灰分含量波动很大，同一种煤由于取样时条件不同，如采用的分析基准不同，表示的结果也不相同。所以固体燃料和液体燃科的元素分析值必须标明所采用的基准。冶金燃料基于不同的分所基准常用的成分表达方式有三种：应用成分、干煤成分和可燃成分。应用成分反映了燃料在实际应用时的组成，包括全部C、H、O、N、S和灰分(A)、水分(W)。以上述组成的总和为100％，即C用+H用+O用+N用+S用+A用+W用=100%燃科中的水分受外界条件影内很大。因此应用成分常常不能正确反映燃料的本性。为了便于比较，常以C、H、O、N、S、A六个组分的总和为100％．即水分不计在内，这样各成分所占的质量百分数称为燃料的干煤成分，即C干+H干+O干+N干+S干+A干=100%灰分往往受到运输和储存条件的影响而被动。为了更确切地反映燃料的性质，有时还采用无水无灰的基准，以这种方式表达的质量百分组成。称为燃料的可燃成分，即C燃+H燃+O燃+N燃+S燃=100%三、燃科的发热量单位质量或体积的燃料完全燃烧后所放出的热量称为燃料的发热量。单位：kJ／kg（固、液）,kJ／m3（气体）由于燃科中含有水分，燃料中的氢及碳氢化合物燃烧后也会生成水，发热量的值也有所不同。当燃烧产物的温度冷却到使其中的水蒸汽冷凝成为0℃的水时，所放出的热量称为燃料的高发热量，用Q高表示。当燃烧产物中的水分不是呈液态，而是呈20℃的水蒸汽存在时。由于扣除了水分的汽化热而使发热量降低，这时得到的热量称为燃料的低发热量，用Q低表示。在实际燃烧过程中，低发热量比较有意义。高发热量与低发热量之间的换算关系如下；水在恒压下由0℃的水变为20℃蒸汽的汽化热近似地为2512kJ／kg，设每100kg燃料中的氢为Hkg，水为Wkg，则燃烧后总的水质量为9H十Wkg，故高发热量与低发热量之间的差额为2512(9H十W)(kJ／100kg)＝25.12(9H十W)(kJ/kg)Q高＝Q低十25.12(9H十W／)(kJ/kg)Q低＝Q高一25.12(9H十W／)(kJ/kg)燃料的发热量可以用热量计直接测定，也可以根据燃料的元素分析值或工业分析值用计算来确定。常用的利用元素分析值计算发热量的公式，如门捷列夫公式：Q低＝339.1C用十l256H用—108.9(O用—S用)—25.12(9H用十W用)(kJ/kg)利用燃料的工业分析值计算发热量的公式很多，大都是利用统计方法得出的经验公式，这类公式常常带有地区性。气体燃料是一些独立存在的可燃成分所组成，每种可燃成分的发热量可以精确测定。所以只需把各可燃成分的发热量加起来即可，其计算公式为Q低＝12.7CO湿十107.6H2湿十358.8CH4湿十599.6C2H4湿十……(kJ/m3)各种燃料的发热量差别很大．如果要比较各炉子的能耗，单讲质量是不确切的。为了便于比较，人为地规定了一个“标准燃料”的慨念。每1kg标准燃料的发热量定为29270kJ(相当于7000kcal)，这样就可以把各种燃料折算为标准燃料。加热炉常用燃料常用于加热炉的燃料：煤、重油、天然气、高炉煤气及焦炉煤气、发生炉煤气等。三、天然气天然气是直接由地下开采出来的可燃气体，是一种工业经济价值很高的气体燃料。它的主要成分是甲烷(CH4)，及少量重碳氢化合物和H2、CO等可燃气体，发热量很高，大多都在33500一46000kJ／m3。天然气是一种无色、稍带腐烂臭味的气体，密度约0.73一0.80kg／m3，比空气轻。天然气容易着火，着火温度范围在640一850℃之间，与空气温合到一定比例(容积比为4～15％)，遇到明火会立即着火或爆炸。天然气燃烧时所需的空气量很大，每m3天然气需9～14m3空气。四、高炉煤气和焦炉煤气1、高炉煤气高炉煤气是高炉炼铁的副产物。高炉每消耗一吨焦炭可以得到3800一4000m3的高炉煤气。高炉煤气含有大量的N2和CO2所以发热量比较低，通常只有3350一4200kJ／m3。高炉煤气由于发热量低。燃烧温度也较低。火焰的辐射能力弱，在加热炉上单独使用困难，往往是与焦炉煤气温合使用，或在燃烧前将煤气与空气预热。高炉煤气是钢铁联合企业内数量很大的副产品，所以被作为一项重要的能源。高炉煤气的成分(干成分)大致如下：COH2CH422％—31％2％—3％0.3％—0.5％CO2N210％—19％57％—58％现代高炉往往采用富氧鼓风和高压炉顶技术，采用富氧鼓风时，高炉煤气的CO和H2升高，而N2含量降低，所以煤气的发热量相应提高。采用高压炉顶技术时，随着炉顶压力的升高，煤气中CO略有降低，而CO2相应升高，所以煤气的发热量也稍有下降。高炉出来的煤气含有大量水分和灰尘，含水量50一80g／m3，含尘量60一80g／m3。这种煤气在运输与使用上都很不便，必须进行认真的脱水与除尘。2．焦炉煤气焦炉煤气是炼焦的副产物。每炼制一吨焦炭可得400～450m3焦炉煤气。焦炉煤气的主要可燃成分是H2、CH4、CO、C2H4等，焦炉煤气的成分(干成分)大致如下(％)：H2CH4CnHmCOCO255—6024—282—46—82—4O2N20.4—0.84—7由于焦炉煤气内的主要可燃成分是高发热量的H2和CH4，所以焦炉煤气的发热量为16000一18800kJ／m3。如果煤的挥发分高，焦炉煤气中CH4等的含量将增高，煤气的发热量也将增高。焦炉煤气由于含H2高，所以黑度小，较难预热。同时密度只有0.4～0.5kg／m3比其他煤气轻，火焰的刚性差，往上飘。3．高炉—焦炉混合煤气在钢铁联合企业里，焦炉煤气与高炉煤气产量的比值大约为1：10，单独使用焦炉煤气从能量分配看是不合理的。所以可以利用不同比例的高炉煤气和焦炉煤气配成各种发热量的混合煤气，其发热量为5900～9200kJ／m3，供各种冶金炉作为燃料。设焦炉煤气在混合煤气中的百分比为x，则高炉煤气的百分比为(1-x)，Q混＝xQ焦十(1一x)Q高五、发生炉煤气发生炉煤气是以固体燃料为原料，在煤气发生炉中制得的煤气，这个热化学过程叫固体燃料的气化。根据工艺过程的不同，发生炉煤气可以分为：空气煤气、空气—蒸汽煤气、水煤气等。作为加热炉燃料的主要是空气—蒸汽煤气，通常泛指的发生炉煤气就是指这一种。图1—2是在发生炉中制造煤气的原理示意图。原料自上方连续加入发生炉内，空气与蒸汽从下部送入。空气与蒸汽通过灰渣层被预热后继续上升，空气中的氧与炽热的焦炭在氧化层发生燃挠反应，并放出大量的热。C+O2＝CO2+406900(J/mol)当气体上升时，生成的CO2在还原层又被炽热的焦炭还原为C0，CO2+C＝2CO-160700(J/mol)总的来看，以上两个反应式可以表达为2C+O2=2CO+246200(J/mol)这是放热反应，因此发生炉的温度将不断升高。为了在生产中控制反应温度，所以鼓风中同时效入蒸汽，蒸汽在炉内与炽热焦炭相遇时，发生还原反应。H2O+C＝H2+CO-118720(J/mol)2H2O+C＝CO2+2H2-75240(J/mol)CO+H2O＝CO2+H2-43580(J/mol)由于这几个反应都是吸热反应。因此降低了空气鼓风时过高的炉温，而且生成可燃气体CO2和H2。增加了煤气的发热量。燃烧计算为了合理利用燃料，需要掌握燃料燃烧的若干热工参数和进行燃烧计算。燃烧计算包括空气需要量和燃烧产物量的计算，燃烧产物成分和密度的计算，燃烧温度的计算等。燃烧过程是很复杂的，为了使计算简化，在燃烧计算中作如下几项假定：(1)气体的体积都按标准状态(0℃和105Pa)计算，一切气体在标准状下每kmol的体积都是22.4m：；(2)在计算中不考虑热分解的产物；(3)空气的组成只考虑O2和N2。1、完全燃烧和不完全燃烧燃料中的可燃物质和氧进行了充分的燃烧反应，燃烧产物中巳不存在可