天津理工大学 热工设备及节能技术 第一章

1、前前 言言一、课程性质一、课程性质二、课程目的和要求二、课程目的和要求1.该课程是能源动力专业选修课；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。内容。 1.了解热工设备在生产中的地位和作用；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；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；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通过本课

2、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。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、主要讲授内容三、主要讲授内容 第一章第一章 绪论绪论 第二章第二章 热工设备基本结构组成热工设备基本结构组成 第三章第三章 气体力学及其应用气体力学及其应用 第四章第四章 炉子的热工特性炉子的热工特性 第五章第五章 热平衡和能量利用分析热平衡和能量利用分析 第六章第六章 筑炉材料筑炉材料四、相关专业知识四、相关专业知识 1. 流体力学（气体力学）；流体力学（气体力学）； 2. 工程热力学、传热学、燃料及燃烧学等。工程热力学、传热学、燃料

3、及燃烧学等。六、课程学习要求六、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；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。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。习质量。 4.最终学习成绩，按平时成绩和考试成绩来计算。最终学习成绩，按平时成绩和考试成绩来计算。五、参考教材五、参考教材 （1）陆钟武编）陆钟武编 火焰炉火焰炉冶金工业出版社冶金工业出版社 1998年年 第二第二

4、版版 （2）张永照编）张永照编 炉子热工与设备炉子热工与设备东南大学出版社，东南大学出版社，2005年，年，第一版第一版 （3）刘人达主编，）刘人达主编，冶金炉热工基础冶金炉热工基础冶金工业出版社，冶金工业出版社，1998年，第二版年，第二版 （4）孙晋涛等编，）孙晋涛等编，硅酸盐工业热工过程及设备硅酸盐工业热工过程及设备建筑工业建筑工业出版社，出版社，2000年，第三版年，第三版 （5）蔡乔方主编，）蔡乔方主编，加热炉加热炉冶金工业出版社，冶金工业出版社，1998年，第年，第二版二版 第一章第一章 绪论绪论一、概述一、概述 所谓所谓工业炉窑工业炉窑是指为达到某些工艺目的，有的为了改变固是指为

5、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。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。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目前热工设备主要是指工业炉和工业窑炉，通称工业炉和工业窑炉，通称“工业炉工业炉窑窑”，按照行业习惯，按照行业习惯称呼称呼，“炉炉”多用于冶金和机械行业；多用于冶金和机械行业；“窑窑”则多用

6、于硅酸盐工业系统。则多用于硅酸盐工业系统。1. 热工设备定义：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，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。要指锅炉和燃气轮机等。 （2）两者的区别：）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；）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）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。备。（1

7、）两者的共同点：）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。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、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。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：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。项工艺的主要设备。 （1）热

8、工设备是国民经济生产中不可缺少的设备。）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，热工设备占业，热工设备占50%以上，具有十分重要的地位。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）。模与生产

9、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。）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）我国大型工业炉窑总数约为12万台，其能源消耗约占万台，其能源消耗约占全国能耗总量的全国能耗总量的25。例如：例如： u 钢铁行业，高炉的容量和装备水平直接关系钢铁的产量和钢铁行业，高炉的容量和装备水平直接关系钢铁的产量和质量。质量。u 机械制造中的金属热处理，热处理炉的好坏，直接影响金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。属元件的质量和使用寿命。u 玻璃制造中，玻璃熔窑的大小和技术水平，直接影响玻璃玻璃制造中

10、，玻璃熔窑的大小和技术水平，直接影响玻璃的产量和质量。的产量和质量。u 陶瓷行业，陶瓷烧成窑装备水平，直接关系到产品合格率。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、）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。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。）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氧化碳、氧化氮、氧化硫等有害气体，是大

11、气环境的主要污染源之一。源之一。 热工设备是节能工作的重点对象。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。热工设备也是环境污染治理的重点对象。 二、热工设备类型二、热工设备类型 热工设备热工设备种类很多，一般按工艺用途、使用热源、结构形式种类很多，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。以及热工操作进行分类。 1.按工艺用途分类按工艺用途分类 1）： 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。而得到液态物质的炉子，统称为熔炼炉。由矿石提取金属的熔炼炉；

12、由矿石提取金属的熔炼炉；金属在液态下进行化学反应以精炼成分的精炼炉；金属在液态下进行化学反应以精炼成分的精炼炉；为下一道工序提供液态炉料的熔化炉为下一道工序提供液态炉料的熔化炉。通常包括以下三类：通常包括以下三类： 通过加热，改变其机械性能和组织结构，提高可塑性，便于通过加热，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；加工的金属加热炉； 2）： 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。学性质而不改变其物态的炉子，统称为加热炉。 通过加热或冷却来改变金属内部组织及机械性能而

13、获得更高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；性能材料的金属热处理炉； 物料通过加热，在高温下发生某些化学变化或相变，以获物料通过加热，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；得新材料或制品的培烧类加热炉；通过加热来排除物料或制品中的湿分，干燥类加热炉。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：包括以下类型： 3）环境保护用炉）环境保护用炉：用于工业或生活垃圾处理的炉子。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

14、电。或发电。 2.按热能来源分类：按热能来源分类： 1）燃料炉类：）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。用各种燃料（煤、油、气）的燃烧放热作为热源的工业炉窑。在燃料炉中以在燃料炉中以火焰炉火焰炉最为常见，使用最普遍。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。量以辐射和对流方式传给炉料或工件的炉子。 火焰炉定义：火焰炉定义： 3.按结构形式分类：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、井式有推料式连续加热炉、室式炉

15、、台车式炉、缝隙炉、井式炉、步进式炉、环形炉等。炉、步进式炉、环形炉等。 2）电炉类：）电炉类： 由电能转换而获得热能进行工作的炉子。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。例如：电弧炉、电阻炉、感应加热炉等。 4.按热工操作制度分类：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。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：）连续作业炉： 炉内各点温度不随时间变化，而沿炉长方向分布；炉内各点温度不随时间变化，而沿炉长方向分布； 物料在炉内有节奏的连续运动，由一端进，另一端出。物料在炉内有节奏的连续运动，由一端进，另一端出

16、。 2）间歇作业炉：）间歇作业炉： 炉内温度相同，随时间变化；炉内温度相同，随时间变化； 物料成批装、出，在炉内静止不动。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。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。生产规模较小、产品规格较多的场合一般采用间歇作业炉。中频熔炼炉中频熔炼炉1.熔炼炉、溶化炉熔炼炉、溶化炉 中频无心感应熔炼中频无心感应熔炼（保温）炉，主要适用（保温）炉，主要适用于钢、铸铁以及铜、铝于钢、铸铁以及铜、铝等有色金属及其合金的等有色金属及其合金的熔炼和保温，具有铸铝、熔炼和保温，具有铸

17、铝、纯铝或不锈钢、钢架磁纯铝或不锈钢、钢架磁扼等多种炉体结构，倾扼等多种炉体结构，倾炉可以采用手动、减速炉可以采用手动、减速箱、液压等方式。箱、液压等方式。 铝合金熔炼炉铝合金熔炼炉 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、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

18、（如石灰、石英、萤石等），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。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）转炉炼钢 converter steelmaking 1.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）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）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。按吹炼采用的气体，分为空气转炉和

19、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。在已经成为世界上主要炼钢方法。转炉类型：转炉类型：鞍钢鞍钢250t炼钢转炉炼钢转炉 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）电弧炉电弧炉炼钢炉电弧炉炼钢炉 高炉外景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。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）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，分原料从贮矿槽经称量后由高炉机械的料斗或

20、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。热炉料并使之分解和还原，从而得到生铁。 等离子体冶金等离子体冶金 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（如图离子体电弧熔炼炉（如图 2所示）。所示）。 （4）玻璃窑炉）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

21、的粉料和掺加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。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。玻璃熔窑有坩埚窑和池窑两大类。 耀华玻璃厂浮法耀华玻璃厂浮法300吨玻璃熔窑吨玻璃熔窑 煤气化玻璃坩埚窑煤气化玻璃坩埚窑 玻璃熔制的玻璃熔制的各阶段（熔化、各阶段（熔化、澄清、均化、冷澄清、均化、冷却）在同一坩埚却）在同一坩埚中随时间推移依中随时间推移依次进行，窑内温次进行，窑内温度制度随时间推度制度随时间推移变动。移变动。 窑膛内放置单只窑膛内放置单只或多只坩埚。或

22、多只坩埚。 坩埚窑适用于熔坩埚窑适用于熔制产量小、品种多或制产量小、品种多或经常更换料种的玻璃。经常更换料种的玻璃。 玻璃熔窑外视图玻璃熔窑外视图2. 加热炉加热炉 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、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。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、连续加

23、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。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，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。加热炉也包括均热炉和热处理炉。（1）箱式电阻炉）箱式电阻炉 （2）燃煤室式加热炉）燃煤室式加热炉加热炉图例加热炉图例（3）燃气台车加热炉）燃气台车加

24、热炉（4）锻造加热炉）锻造加热炉（5）隧道窑）隧道窑（6）微晶玻璃复合板辊道窑）微晶玻璃复合板辊道窑 隧道窑车间隧道窑车间（7）辊底式加热炉）辊底式加热炉（8）网带式加热炉）网带式加热炉（9）推杆式式加热炉）推杆式式加热炉（10）石油炼制工业加热炉加热炉（11）大型环型加热炉）大型环型加热炉（12）铝卷、铝铂退火炉）铝卷、铝铂退火炉 （13）水泥窑）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

25、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）热处理炉井式热处理炉 多用箱式热处理炉热处理炉罩式热处理炉热处理炉 真空热处理炉热处理炉 台车式热处理炉热处理炉 步进底式热处理炉 超大型热处理炉超大型热处理炉医疗废物热解气化焚烧炉焚烧炉 （三）热工设备（炉子）的发展状况（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；热工设备的整体水平应体现在以下四个方面； （1）基础理论；）基础理论； （2）设计及制造技术；）设计及制造技术； （3）筑炉材料及技术；）筑炉材料及技术； （4）运行管理水平。）运行管理水平。 2.热工设备基础理论

26、的发展热工设备基础理论的发展 1）19世纪初，格日迈洛提出世纪初，格日迈洛提出“炉气自然流动的倒河床理炉气自然流动的倒河床理论论”。 2）19世纪世纪30年代，塞米金等提出年代，塞米金等提出“能量原理能量原理”，炉了生产，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。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：可概括为以下四个发展阶段： 3）19世纪世纪50年代，思林、格林科夫等人较全面地研究了年代，思林、格林科夫等人较全面地研究了炉内热工过程，提出了炉内热工过程，提出了“炉子的一般原理炉子的一般原理”。他把炉子的工作按。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。