5冶金炉热能的含理利用

1、5冶金炉热能的合理利用冶金炉是优质燃料及电能的大量消耗者。 在确定炉子供热方案和 组织炉子供热的过程中，如何尽可能地提高热能的利用率， 具有重大 的国民经济意义。探讨冶金炉热能的合理利用方案，必须从能源选择使用过程的节 约及充分利用余热等方面全面考虑，并从整个国民经济中能量资源的 综合利用观点出发，同时要以保证炉子最高的生产率为前提。因此， 在设计冶金炉时，应在首先满是生产工艺要求的基础上同时考虑以下 几方面的问题：炉子能源的合理选择；燃料的节约；二次能源(余热)的合理利用。其目的是最大限度地减少能量的无益损耗。5.1炉子能源的合理选择确定冶金炉能源时，应从以下原则出发：(1) 满足工艺过程技

2、术上的要求；(2) 从能源生产、输送及使用各个过程出发，保证最高的热利用率(称 为能量总利用率)；(3) 国家资源的综合利用；(4) 减轻劳动强度，便于操作的机械化和自动化。在炉子上燃烧重油或焦油是不合理的，因为后者都是各种机械用 润滑油的宝贵原料，同时重油裂化后，还可以再得到约 40%的汽油。 原煤直接燃烧，不仅由于燃烧很难完全、过剩空气多，故利用率不高， 而且应考虑到原煤是氨、苯、沥青、苯酚、萘、蒽等百种不同的化学 产品和人造油与煤气的原料。自然，将原煤直接燃烧时，这些物质都 将全部丧失。 将原煤加工成粉煤后燃烧， 在一定程度上提高了燃烧时 的热效率， 但从化学工业及整个国民经济的资源上来

3、说， 这仍然是一 种极大的损失。将原煤干馏后可同时获得焦炭、 煤气和煤焦油， 前两项产物乃是 冶金炉内的优质燃料，而煤焦油则是上述各种化学产品的基本原料。 电加热的炉子可以得到高温， 温度易于调整和控制， 没有废气带走的 热损失等优点，若该电能系利用燃料燃烧发电 （火电 ），考虑到能量转 换及输送中的损失，则燃料的总利用率还是很低的。从上表资料可以得出结论： 在工艺无特殊要求的情况下， 将原煤 干馏加工成煤气后使用，不仅可以获得提取数百种化学产品的原料， 而且燃料的总利用率也是最高的。在许多钢铁冶金企业中， 有足够的焦炉煤气和高炉煤气供给各车 间的燃料需要。生产规模较大，冶金炉较多的其他工厂，

4、需设煤气发 生站。生产规模很小的冶金炉，则多使用固体燃料。选择燃料时应注 意尽可能地使用企业附近的低级燃料，合乎就地取材减少运输的原 则。某些情况下，将两种气体燃料混合使用。高炉煤气的“富化”就 是一例。高炉煤气发热量低，单独作燃料不够合理。将高炉煤气与发 热量高的气体燃料按照某一比例配成混合煤气来使用较为合理。 为了 适应高炉生产的高风温要求，热风炉已采取混合煤气加热的措施。混合煤气配用比计算。配用比就是指配用燃料在混合煤气中所占的体积比例。 根据生产混要求，首先确定混合煤气的发热量 Q低。若以x代表配用比，则可由 下式求得：配高 混x Q低（1 x）Q低Q低式中：x配用燃料在混合煤气中所占

5、的体积；1 x高炉煤气在混合煤气中所占的体积；混Q低一一配用燃料的发热量；Q高一一高炉煤气的发热量；混Q 低 混合煤气的发热量。1、高炉燃料的选用高炉是炼铁生产的基本设备， 它的热能来自燃料。 为了保证高炉 生产顺行，在矿石原料中必须配比一定量的固体燃料。因此，采用固 体燃料做高炉生产的基本燃料是高炉生产的技术工艺所要求。高炉使用的固体燃料必须有一定的块度 （25125mm）和机械强度 （转鼓指数大于280320kg）。天然的固体燃料大都不符合上述要求， 而由人工制造的冶金焦能满足上述要求， 所以焦炭是当前高炉使用的 基本燃料。因为焦炭的化学成分合适，化学反应能力强，透气性好，块度均 匀和机械

6、强度大， 所以焦炭是当前高炉生产的理想燃料。 但由于焦炭 的来源有限， 故它又是一种贵重的燃料， 如何节约焦炭近来受到国内 外的广泛注意。在高炉风口处喷吹一些辅助燃料以降低焦比（kg/吨铁） 是当前国内外广泛采用的技术措施。喷吹燃料应具有下列特点：发热量较高，置换比 （如喷吹 1 kg 或1m3燃料能置换多少kg的焦炭）较大，不含和少含危害性杂质，设备简单，操作方便。 天然气、焦炉煤气、 重油和粉煤都可做为喷吹燃料。 天然气和重油的发热量高，置换比大，是较理想的喷吹燃料。但 就地选用焦炉煤气和粉煤也同样能取得较好的喷吹效果。 但目前国内 外多采用喷吹重油 （置换比为 1:2）或粉煤（置换比 1

7、:0.8）。 2、熔炼冰铜的反射炉燃料的选用冰铜反射炉是用来处理铜精矿生成冰铜（炼铜的中间产物 ）的炉子，其热能主要来源于燃料。在反射炉中要求物料进入炉内后，在炉 头处能迅速熔化， 进行反应， 为此要求反射炉所用燃料能在炉头处迅 速燃烧，形成短火焰。天然气、重油和粉煤皆能满足此要求。（ 1 ）天然气是反射炉的理想燃料，但它受产地的限制，只有建于天然 气产区附近的反射炉才使用。（2）重油由于它的发热量高，燃烧过程易于控制，燃烧设备简单，操 作方便，它亦是反射炉的理想燃料。（3）粉煤目前仍是我国一些炼铜反射炉尚在采用的燃料。这一方面受 过去历史条件的影响， 因当时建立反射炉时无法采用重油， 只好选

8、用 粉煤，这样就建立了一系列庞大复杂的粉煤制备系统， 为充分利用现 有设备，目前这些炉子还仍然继续使用粉煤做燃料。 另一方面考虑到 燃料的计划使用和就地取材、 减少运输的原则， 对一些工厂来讲使用 粉煤还是比使用重油更有利。 在使用粉煤做燃料时， 为保证工艺过程 的要求，粉煤应具备以下技术条件：a、发热量不低于25122kJ/kg,以保证所需之燃烧温度；b、挥发分含量不少于25%，以便粉煤进入炉膛后即能迅速燃烧 而形成高温集中区；c、灰分含量不大于1012%，且其熔点要高。因粉煤燃烧后的 灰分，落入熔池内，会增加熔炼产物的杂质，为造渣过程增加负担。 部分灰分进人烟道内，特别是当灰分熔点低时，易

9、粘附在烟道壁上， 将烟道堵塞而被迫停炉清渣， 从而直接影响了炉子的生产。 为此对粉 煤中的灰分含量及其熔点应有所限制。5.2 节约燃料的途径节约燃料不仅关系到生产的成本， 而且关系到国家资源的计划使 用。这个问题必须引起重视，而且应当长期坚持下去。下面从炉子热平衡的分析， 找出燃料消耗量的计算方法和节约燃 料的途径。1 、热平衡和燃料消耗热平衡在分析炉子热工问题时， 是不可缺少的， 这里主要是研究 运用热平衡以及炉子热效率等概念，找出节约燃料的途径。1.1、炉子热平衡炉子热平衡是热力学第一定律 （能量不灭 ）在炉子热工上的应用。 所谓炉子的热平衡即指炉子的热量收入必等于其热量支出。关于炉子的热

10、平衡有以下几点必须说明：(1) 在编制热平衡时，必须划定热平衡的区域。进入这一区域的热量 为热收入，离开这一区域的是热支出。热平衡区域的划分方法，随需 要而异。通常有以下几种情况：炉膛区域热平衡，预热装置区域热平 衡，整个炉子的热平衡。有必要时，还可以将炉子的某一组成部分划 分为若干区域，分别编制热平衡。(2) 热平衡中热量的表示方法可以有几种不同的情况。对于连续式工 作的炉子，通常以单位时间 (小时 )为基谁计算热平衡，其中热量的单 位是kJ/h。而周期工作的炉子，通常以一个工作周期为基准编制热平 衡，其中热量单位是kJ倜期。这个单位也相当于kJ/炉产量，因为周 期性工作的炉子在一周期内生产

11、一炉。 有些情况下， 还以单位重量产 品为基准编制热平衡。必须注意，无论热平衡的基准怎样选定，同一 热平衡中各项热量的单位必须是一致的。(3) 计算热量的起始温度，采用0C (绝对温度273K)较为方便。各项 物理热均由此计算起。 在发生化学反应的情况下， 由于反应物和反应 生成物的热焓均分别计算，化学反应的热效应，在热平衡中，应采用 0C时的热效应数值。(4) 物料平衡是热平衡的前提。为了做出热平衡，必须首先有物料平 衡。区域热平衡和全炉热平衡：a、炉膛热平衡式 把炉膛作为一个区域。凡进入这个区域的热量都是炉膛的热收 入，而离开的都是热支出 (参看图 51)。这样得到的热平衡，便是炉膛热平衡

12、，它是炉子备区域热平衡中最主要的一环。如果忽略物料在炉内的放热或吸热反应， 通常火焰炉炉膛热平衡包括以下各项:二 | r-p- *热收入：（1）物料入炉时带入的物理热 Q料;（2）燃料的燃烧热Q烧；（3）空气（煤气）的物理热Q空；热支出：（1）产品出炉时带走的物理热Q品（2）炉膛废气带走的物理热Q废膛；（3）炉膛废气中残余可燃体的化学热 Q化 ；（4）热损失Q失膛；包括：I）通过炉膛的砌体散热；II）冷却水带走热；皿）炉门等处潺气带走热；IV）炉门、窥孔等打开时向外辐射热。炉膛的热收入必等于热支出，所以Q料+Q烧+ Q空 = Q品+Q废膛+ Qft + Q失膛热收入 热支出这便是热平衡式。将此

13、式写成下列形式Q烧+Q空 =（ Q品 Q料）+ Q废膛+ Q化+Q失膛式中：Q品一Q料即为物料在炉内获得的热量，通常称之为有效热°效(如果物料在炉内有吸热或放热反应，则Q放Q品Q料Q吸Q放)，此外，如将Q化并到Q失膛项中，或因Q化微小而略去，则平衡式还可简化为：Q烧+ Q空 = Q效+ Q废膛+Q失膛上式概括地表达了炉膛热平衡的全貌。炉膛的热收入包括两项： 燃料的燃烧热、空气物理热。热支出包括三项：有效热、炉膛废气带 走的热，炉膛热损失。b、空气预热器的热平衡式在列出此预热器的热平衡时，作以下几点假设：(1) 预热器紧接炉膛废气出口；(2) 炉膛全部废气进入此预热器；(3) 预热空气

14、无漏损，同时也无外界空气吸入；(4) 进入预热器的空气为0C。作这些假设， 是为了使问题更加简单明了。 实际计算中应根据具 体情况列出热平衡。在以上各假设条件下， 预热器的热收入只有炉膛废气热一项， 而 热支出有三项：热空气的物理热、预热器的热损失、炉子废热 (预热 器末)。即：Q废膛Q空 qm Q失预 空气预热器的热平衡式式中：Q失预 预热器的散热损失；Q废一一炉子废气的物理热，如废气中还有化学不完全燃烧，则可 燃成分的燃烧热亦应估计在内。C、炉子的热平衡式炉子的热平衡式是其备区城热平衡式的总和 假如炉子只有炉膛和空气预热器两部分，则炉子的热平衡式为:Q烧+ Q空=Q效+Q废膛+） Q废膛Q

15、空 Q废Q失预Q烧Q效 Q废（Q废膛Q失预）或Q烧Q效。废Q失这便是炉子热平衡的概括形式，其中 Q失为全炉热损失：Q失 Q失膛 Q失预必须看到炉膛热平衡式与炉子热平衡式的差别。对于炉膛说来，热空气的物理热是它的收入，但是对于炉子说来，热收入中并不包括 Q空，因为供给炉子的是冷空气（前设为oc）,而不是热空气。热空气 的物理热来自预热器，是炉膛废热的回收，而不是另行供给的。d、热平衡图炉子的热平衡可以用图形表示出来（如图5 2）。该图的左侧为炉膛，其热的收入包括燃料的燃烧热、 空气的物理 热，热的支出包括有效热、炉膛热损失和炉膛废气带走的热。图的右侧是空气预热器，它的热 收入就是炉膛废气的热量，

16、热支出包 括空气的物理热、预热器的热损失和 炉手未尾排出废气的热。2、燃料的节约节约燃料的一些基本途径：即提高空气（及煤气）的预热温度，提 高燃料的发热量，改善燃料和传热条件以减少废气带走的热量， 减少 炉子的热损失，确定合理的热负荷等。A、余热回收炉尾废气带走的热量，一般占热平衡支出的 4050%，充分利用 这部分热量有巨大的潜力。首先应该用来预热空气或煤气（或炉料）将 这部分热量回收到炉内，其次才生产蒸汽或其它用途。（1）安装换热器或蓄热室预热空气（或煤气），可大大节约燃料，节约数 量的多少随燃料种类及预热温度而不同。 在炉子上安装预热装置，除 节约燃料外，还可以提高燃烧温度。空气预热设备

17、是现代热工设备上 广泛使用的设备。（2）安装余热锅炉，可利用离开换热器后的低温废气的物理热。近年来国外采用一种新技术，即利用低温的废气来加热一种低沸 点的溶液。B、减少冷却水带走的热量加热炉上的冷却部件，主要是炉底水管，若不包扎保温材料，冷却水带走的热量，一般都比较大，甚至可达整个热平衡中的 20%之多， 和金属吸收的热量差不多。 因此冷却水管必须采用保温材料包扎， 以 减少冷却水带走的热量， 从而节约燃料。 许多厂现已采用陶瓷纤维毡 和可塑料耐火材料包扎冷却水管，收到了良好的效果。C、减少炉体散热通过炉墙炉门向外散热，往往也占很大比重，现有不少炉子，甚 至炉墙都不加绝热砖，外壁温度达到 15

18、0C以上。这样，不仅恶化了 工作条件，不能靠近炉子，而且浪费了燃料。炉墙若有良好绝热，比只用单层粘土砖时可节约 80%的散失热 量。最近，国内外都推广一种陶瓷纤维的新材料。把它压成毡状后， 可以用不锈钢钉子直接钉在炉壁钢板上， 它有良好的耐火性能。 有些 高耐火的可用到1400C以上的高温炉内。用在间歇工作的炉子上， 因为它的热容量小，升温降温很快，绝热性能也好，可以大大减轻炉 体重量和炉体热损失。此外，炉子砌体应当严密，炉门应尽量关闭，防止通过砖缝和各 种孔、口的散热。热风管道也应绝热，总之应当尽量减少炉体的各种 散失热量，把热量点滴节省下来，就可汇成一个很可观的数量。D、提高燃料的发热量，

19、改善燃烧条件、传热条件这是减少炉膛废气带走的热量， 提高热效率， 节约燃料量的又一 重要措施。改善燃烧条件方面，首先是指空气消耗系数的调整。在 n>l 时， 应合理的降低n值。以提高燃烧温度，减少废气量。在n<1时，应增 加空气用量， 使燃料完全燃烧， 以提高燃烧温度和减少炉膛废气中可 燃成分；其次，改善燃烧条件还指改善燃料和空气的混合条件。在混 合不好的情况下，燃烧温度低，废气中残留许多可燃成分，造成燃料 的浪费。改善传热条件， 其中包括适当扩大装入量等措施， 可使炉气更好 地将热量传给被加热物体， 从而降低炉膛废气温度， 提高炉子的热效 率。E、确定合理的热负荷F、富氧空气燃烧

20、对于平炉、高炉及化铁炉等，利用氧气来强化燃烧过程，可以提 高设备的生产率，降低燃料消耗量。在富氧空气中燃烧， 空气消耗的控制更加重要， 否则将浪费大量 的氧气。G、安装测量和调节仪表测量和调节仪表， 是了解炉况和调节炉况， 加强科学管理不可缺 少的手段，凭经验观察和人工调节，要做到可靠和及时是很困难的。 先进的炉子， 一般都具备测量和调节的仪表。 今后随机械化和自动化 程度的提高，特别是计算机控制，调节仪表是绝对不可缺少的。H 、计算机控制随着固体化的小型电子计算机和微型处理机的出现， 更为实现炉 子工作的全盘自动化，提供了优良的工具。在炉子上，第一采取调节 炉膛温度、燃料量及空气和燃料的配比

21、等单因素。在此基础上，再把 炉子作为统一的对象进行控制，把炉子前后的工序联接起来 ,保持炉 子的最佳过程。I、加强管理节约燃料是各部门协同工作的结果。 加强对燃料的科学管理， 协 调燃料在生产、输配和使用管理方面的关系，提高设备的作业率，发 挥各项技术措施的作用。从热工设备来说，完善设备结构，改进燃烧系统，探讨合理的燃 烧器，严格操作规程等，也是节约燃料的有效措施。5.3 余热利用燃料在炉内燃烧所产生的热量， 有很大一部分包含在炉子排出的 废气之中。在高温炉中，废气带走的热量可占热负荷的 4555%。根 据综合利用的原则，这部分废热应该加以充分利用。利用炉子废气热量的方法， 通常有两种： 一种

22、是采用换热器或蓄 热室，用废气将燃烧所需要的空气或煤气预热； 另一种是采用余热锅 炉，用废气作为热源制造蒸汽。前一种方法，预热后的空气或煤气进 入炉内燃烧， 因而和炉子工作有密切关系。 后一种方法产生的蒸汽供 动力部门使用，与炉子没有直接关系。此外，在高温的炉子中 ,都有冷却部件，如炉门框、拱脚梁、滑 道等。过去都用水冷，近年来已广泛采用汽化冷却。汽化冷却法，用 水较少，而且不单独用燃料即可获得大量蒸汽，因此，具有很大的经 济意义。1、预热空气和煤气的作用利用炉膛排出的废气来预热空气或煤气， 不仅能节约燃料， 而且 还能提高燃烧温度，改善燃烧过程。(1)节约燃料(2) 提高燃烧温度(3) 影响

23、燃烧过程2、换热器换热器是用得最普遍的一种余热利用设备。 利用炉子中排除的废 气通过换热器来预热空气或煤气。 两侧气体的温度可视为不随时间而 变，所以换热器中的传热，可以看作是通过器壁的稳定态综合传热。 根据换热器内气体流动的特点， 换热器可分为三种形式： 顺流、逆流、 交叉流。顺流式是指换热器内废气与空气平行地向同一方向流动； 逆流式 是指废气与空气流动的方向相反； 如果两股气流互相垂直， 则称为交 叉流。除了这些基本形式以外，废气与空气的流动方式还很多，是这 三种基本形式的综合，如正交顺流式、正交逆流式等。生产中较多的是采取逆流方式，这样可以更充分地利用废气余 热。在器壁较薄的金属换热器内

24、，有时采用顺流式。在很多情况下， 是把几种流动方式结合起来。换热器的传热方式是传导、对流和辐射的综合。在废气一侧，废 气以对流和辐射两种方式把热量传给换热器壁， 在空气一侧， 空气流 过壁面时，以对流方式把热量带走。 由于空气对于辐射能基本不吸收， 所以在空气一侧要强化热交换，只有提高空气流速。 换热器根据其材质的不同，分为金属换热器和陶土 （耐火材料 ）换热器 两大类。3、蓄热室图 5 25 是一座蓄热室的纵剖面示意图。它的主要部分是用耐火砖堆砌成的砖格子。 在工作过程中， 废气 由上而下先通过砖格子把砖加热， 经过一段时间后， 利用换向设备关 闭废气通路， 使空气由相反的方向通过蓄热室，

25、这时空气从砖格子吸 取热量而被加热。由蓄热室工作过程可知：一个炉子至少应有两个蓄热室同时工 作，一个被加热 （通废气 ），而另一个被冷却 （通空气）。如果空气和煤 气都要预热则应该有两对蓄热室。蓄热室的外壳和内部的砖格子， 都是耐火材料砌成的， 所以它能 承受较高的温度。而且，废气和空气又不是同时通入。不是象换热器 那样管内走一种气体、管外走另一种气体，所以，不存在相互渗透的 漏气问题。因此蓄热室是将空气 （或煤气 ）进行高温预热的可靠设备， 可以实现10001200C以上的预热。高炉、平炉普遍使用蓄热室。有些均热炉和加热炉也用蓄热室。 这不仅趋为了节约燃料， 而且许多情况下更主要的是为了提高燃烧温 度，以满足工艺要求。蓄热室和换热器比较也存在着一些缺点： （ 1）设备庞大，并且需要复杂的换向设备；（2）预热温度波动（达100200C）; （3）操作复杂。由于这些缺点使它的使用受到了限制， 但是在特定的情况下还是必不 可少的一种预热设备。團5-25蓄热宝示意崔4、余热锅炉余热锅炉是利