工業(yè)窯爐設(shè)計(jì)與節(jié)能技術(shù)1.工業(yè)爐概述 41.1.工業(yè)爐的分類與用途 5 51.1.2.按工藝用途分類 5 51.2.工業(yè)爐的組成 61.3.工業(yè)爐的性能指標(biāo) 71.4.工業(yè)爐的發(fā)展趨勢(shì)與節(jié)能要求 72.設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與原始資料 72.1.設(shè)計(jì)原則與標(biāo)準(zhǔn) 72.2.設(shè)計(jì)流程與內(nèi)容 82.3.原始資料收集與分析 8 93.1.傳熱的基本方式 93.2.穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱計(jì)算 93.2.1.通過平壁的導(dǎo)熱 3.2.2.通過圓筒壁的導(dǎo)熱 3.3.對(duì)流換熱計(jì)算 3.4.輻射換熱計(jì)算 13.4.1.基本定律 13.4.3.兩表面間的輻射換熱 13.4.4.氣體輻射 13.5.綜合傳熱 4.燃料與燃燒計(jì)算 4.1.燃料的種類與特性 4.1.3.氣體燃料 4.2.1.燃燒反應(yīng)方程式 4.2.4.煙氣生成量(V) 4.2.5.燃燒溫度計(jì)算 4.3.空氣系數(shù)與節(jié)能、環(huán)保的關(guān)系 4.4.低氮氧化物(NOx)燃燒技術(shù)簡(jiǎn)介 4.5.計(jì)算實(shí)例 5.爐膛熱平衡與燃料消耗量計(jì)算 5.1.熱平衡的意義與目的 5.2.熱平衡方程 5.3.熱平衡計(jì)算與燃料消耗量的確定 205.4.爐子熱效率(H) 215.5.單位熱耗(Q) 215.6.計(jì)算實(shí)例 6.燃燒裝置設(shè)計(jì) 23 6.2.燃?xì)鉄?6.2.1.低壓渦流式燒嘴(DR型) 24 6.2.4.平焰燒嘴 256.3.油嘴(燃油燃燒器) 6.3.1.油嘴的組成與要求 266.3.3.介質(zhì)霧化式油嘴(高壓/低壓空氣霧化、蒸汽霧化) 6.4.燃燒裝置的選型計(jì)算 276.5.低氮氧化物(Low-NOx)燃燒技術(shù)詳解 27 7.1.預(yù)熱器的用途與分類 287.1.1.用途 7.1.2.分類 7.2.預(yù)熱器設(shè)計(jì)的基本問題 297.3.間壁式預(yù)熱器的熱工計(jì)算 297.3.1.基本計(jì)算公式 7.3.2.平均溫差△t_m的計(jì)算 7.3.3.總傳熱系數(shù)K的計(jì)算 7.4.主要間壁式預(yù)熱器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì) 7.4.1.管式預(yù)熱器 7.4.2.噴流式預(yù)熱器 31 7.6.預(yù)熱器設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例 8.筑爐材料與爐襯設(shè)計(jì) 38.1.耐火材料的性能指標(biāo) 8.2.常用耐火制品 8.2.1.定形耐火制品(耐火磚) 8.2.2.不定形耐火材料 8.3.隔熱材料 8.4.爐襯設(shè)計(jì) 8.4.1.爐襯結(jié)構(gòu)類型 8.4.2.爐襯厚度計(jì)算 8.4.3.熱損失與蓄熱損失計(jì)算 8.4.4.爐襯設(shè)計(jì)示例 8.5.特種爐襯應(yīng)用 9.爐前管道設(shè)計(jì) 9.1.爐前管道設(shè)計(jì)范圍 9.2.燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì) 409.2.1.管道材質(zhì)與附件 409.2.2.流速與管徑確定 409.2.3.安全措施 9.2.4.阻力計(jì)算 9.3.空氣管道設(shè)計(jì) 429.3.1.設(shè)計(jì)要點(diǎn) 429.3.2.風(fēng)機(jī)選型 429.4.燃油管道設(shè)計(jì) 429.4.1.系統(tǒng)組成 429.4.2.設(shè)計(jì)要點(diǎn) 9.4.3.流速與管徑 9.5.冷卻水管道設(shè)計(jì) 43 439.5.2.設(shè)計(jì)要點(diǎn) 9.6.管道布置與施工 41.工業(yè)爐概述1.1.工業(yè)爐的分類與用途工業(yè)爐是工業(yè)生產(chǎn)中利用燃料燃燒產(chǎn)生的熱量或電能轉(zhuǎn)換的熱量，對(duì)工件或物料進(jìn)行加熱、熔煉、熱處理、干燥等熱加工過程的熱工設(shè)備。燃料爐：以煤、燃料油、煤氣、天然氣等燃料的化學(xué)能為熱源。電爐：以電能作為熱源，包括電阻爐、電弧爐、感應(yīng)爐、電子束爐等。1.1.2.按工藝用途分類加熱爐：用于鍛壓前鋼錠或鋼坯的加熱，如推鋼式連續(xù)加熱爐、步進(jìn)式爐、室式爐、臺(tái)車式爐等。爐溫一般在1200~1350℃。熱處理爐：用于改善工件力學(xué)性能，如退火、正火、淬火、回火等。爐溫范圍較寬(650~1150℃),對(duì)爐溫均勻性要求高。如井式爐、罩式爐、輥底式熔煉爐：用于熔化金屬，如沖天爐(鑄鐵)、平爐、電弧爐、感應(yīng)爐(鑄鋼、有色金屬)、坩堝爐等。干燥爐：用于烘干砂型、砂芯、油漆膜或木材等，如室式干燥爐、隧道窯。爐溫較低(100~500℃)。焙燒爐：用于焙燒礦石、石灰石、耐火材料等，如石灰窯、回轉(zhuǎn)窯。1.1.3.按工作制度分類間歇式作業(yè)爐：物料分批裝入、加熱、再出爐，如室式爐、臺(tái)車式爐。爐溫隨時(shí)間變化。連續(xù)式作業(yè)爐：物料連續(xù)不斷地進(jìn)出爐膛，如推鋼式爐、步進(jìn)式爐、環(huán)形爐、振底式爐。生產(chǎn)穩(wěn)定，熱效率高。表1-1常用工業(yè)爐型分類及特點(diǎn)簡(jiǎn)表*爐型典型爐溫/℃結(jié)構(gòu)特點(diǎn)熱源室式加熱爐室狀爐膛，開閉式爐門小批量鍛坯加熱電臺(tái)車式爐活動(dòng)爐底(臺(tái)車)大件熱處理、第6頁共44頁爐型典型爐溫/℃結(jié)構(gòu)特點(diǎn)熱源加熱電井式爐圓形井狀爐膛，爐蓋升降長(zhǎng)軸類零件熱電加熱爐爐底為滑軌，分預(yù)熱、加熱、均熱段軋鋼前鋼坯加熱步進(jìn)式爐步進(jìn)梁作矩形運(yùn)動(dòng)輸送工件軋鋼前鋼坯加熱罩式爐爐罩移動(dòng)，底座固定火電沖天爐焦炭電弧爐熔煉合金鋼電電阻爐電阻發(fā)熱體輻射加熱電一臺(tái)現(xiàn)代化的工業(yè)爐通常由以下幾個(gè)系統(tǒng)組成：爐襯系統(tǒng)：構(gòu)成爐膛空間，由耐火材料和保溫材料砌筑或澆筑而成，承受高溫、隔絕熱流。爐架系統(tǒng)：由型鋼和鋼板組成的鋼結(jié)構(gòu)，用于支撐和固定爐襯，承受爐子自重和工藝載荷。供熱系統(tǒng)：包括燃燒裝置(燒嘴、噴嘴)或電熱元件(電阻絲、硅碳棒),以及相應(yīng)的燃料供應(yīng)管道、閥門、電控系統(tǒng)等。排煙系統(tǒng)：包括煙道、煙囪、引風(fēng)機(jī)或噴射器，用于排出燃燒產(chǎn)物，保證爐內(nèi)正常燃燒和壓力制度。預(yù)熱回收系統(tǒng)：如預(yù)熱器，利用煙氣余熱預(yù)熱助燃空氣或煤氣，顯著提高熱效率。爐用機(jī)械系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)爐門升降、臺(tái)車行走、工件輸送、料盤推進(jìn)等機(jī)械化第7頁共44頁檢測(cè)與控制系統(tǒng)：包括溫度、壓力、流量等檢測(cè)1.3.工業(yè)爐的性能指標(biāo)3)單位熱耗(q):加熱單位重量物料所消耗的熱量(kJ/kg)。是衡量能耗的核4)爐底熱強(qiáng)度：?jiǎn)挝粻t底面積在單位時(shí)間內(nèi)消耗的熱量1.4.工業(yè)爐的發(fā)展趨勢(shì)與節(jié)能要求4)智能化與自動(dòng)化：廣泛應(yīng)用PLC、DCS、FCS控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)爐況在線監(jiān)2.設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與原始資料2.1.設(shè)計(jì)原則與標(biāo)準(zhǔn)第8頁共44頁3)安全可靠性：確保結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、密封性、耐熱性，設(shè)置必要的防爆、泄壓、報(bào)警裝置。4)節(jié)能環(huán)保性：貫徹國家能源和環(huán)保政策，選用高效節(jié)能設(shè)備，滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。5)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范性：設(shè)計(jì)應(yīng)符合最新的國家標(biāo)準(zhǔn)(GB)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JB/YB)及相關(guān)安全技術(shù)規(guī)范。工業(yè)爐設(shè)計(jì)通常分為初步設(shè)計(jì)(方案設(shè)計(jì))和施工圖設(shè)計(jì)兩個(gè)階段。1)初步設(shè)計(jì)：1.1)確定爐型、結(jié)構(gòu)形式、主要尺寸。1.2)進(jìn)行熱工計(jì)算，確定燃料消耗量、空氣量、煙氣量等。1.3)選定主要設(shè)備(燃燒裝置、預(yù)熱器、風(fēng)機(jī)、泵等)的類型和規(guī)格。1.4)繪制爐子總圖、剖面圖，編制初步設(shè)計(jì)說明書和設(shè)備明細(xì)表。1.5)進(jìn)行概算。2)施工圖設(shè)計(jì)：2.1)繪制詳細(xì)的爐體砌磚圖、鋼結(jié)構(gòu)圖、管道系統(tǒng)圖、機(jī)械傳動(dòng)圖、電氣控制系統(tǒng)圖等。2.2)編制所有部件和零件的制造、安裝圖紙。2.3)編制材料表、設(shè)計(jì)計(jì)算書和施工說明。設(shè)計(jì)委托方需提供以下原始資料：1)工藝資料：1.1)物料名稱、材質(zhì)、形狀、尺寸、單重。1.2)加熱工藝曲線(升溫、保溫、冷卻各階段的溫度和時(shí)間)。1.3)爐子生產(chǎn)能力或最大裝載量。1.4)裝出料方式(人工、機(jī)械手、輸送機(jī)等)。2)燃料資料：2.1)燃料種類、成分分析、發(fā)熱量、壓力、溫度。第9頁共44頁2.2)例如：煤的工業(yè)分析；2.3)油的粘度、閃點(diǎn)、凝點(diǎn)；2.4)煤氣的成分、密度、含塵量。3)公用條件資料：3.1)電源電壓、頻率、容量。3.2)水源壓力、水質(zhì)要求。3.3)壓縮空氣壓力、耗量。4)場(chǎng)地與環(huán)境資料：4.1)車間布置圖、爐子位置、地下障礙物。4.2)當(dāng)?shù)貧庀髼l件(氣溫、風(fēng)向、大氣壓力)。4.3)地質(zhì)水文資料(土攘耐壓力、地下水位)。5)其它要求：5.1)自動(dòng)化水平、控制方式、環(huán)保要求(噪聲、排放標(biāo)準(zhǔn))。5.2)電力、水、燃?xì)鈨r(jià)格。熱量傳遞有三種基本方式：傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射。工業(yè)爐中的傳熱往往是三種方式共同作用的綜合傳熱：1)導(dǎo)熱(Conduction):物體內(nèi)部或直接接觸的物體之間，由于溫度梯度引起的熱能傳遞。如爐墻內(nèi)的熱傳遞。2)對(duì)流(Convection):流體(氣體或液體)與固體表面之間，由于流體宏觀運(yùn)動(dòng)而引起的熱傳遞。如爐氣對(duì)工件表面的加熱。3)輻射(Radiation):物體通過電磁波傳遞能量的方式。無需介質(zhì)，真空中也能進(jìn)行。高溫爐窯中，輻射是主要的傳熱方式，如火焰、爐壁對(duì)物料的輻射加熱。當(dāng)物體內(nèi)各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間變化時(shí)，稱為穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱。第10頁共44頁單層平壁：------------------------------------------式中：q—熱流密度(W/m2);t?,t?—平壁兩側(cè)表面溫度(℃)。多層平壁：----------------------單層圓筒壁：式中：Q一每米管長(zhǎng)的熱流量(W/m);L—圓筒長(zhǎng)度(m);-----------------------------d?,d?—圓筒內(nèi)外直徑(m)。溫度/℃熱導(dǎo)率λ耐火纖維氈(注：為平均溫度)3.3.對(duì)流換熱計(jì)算第11頁共44頁對(duì)流換熱的基本計(jì)算采用牛頓冷卻公式：Q=α*A*(tf-tw)-----------------------------A—換熱面積(m2);te—流體溫度(℃);tw—壁面溫度(℃)。α的值與流體性質(zhì)、流速、流動(dòng)狀態(tài)(層流/湍流)、表面形狀等因素有關(guān)，通常由經(jīng)驗(yàn)公式確定，這些公式多以相似準(zhǔn)則數(shù)(努塞爾數(shù)Nu、雷諾數(shù)Re、普朗特?cái)?shù)Pr)關(guān)聯(lián)。強(qiáng)制對(duì)流(如爐內(nèi)氣流沖刷工件):α較大，與流速的0.8次方左右成正比。自然對(duì)流(如爐外壁向空氣散熱):α較小，與溫差有關(guān)。斯蒂芬-玻爾茲曼定律：黑體的輻射力Eb=Ob*T--------------------------------------E=ε*ob*T-----------------------------------------(3-6)兩個(gè)無限大平行平壁間的輻射換熱量：其中C為導(dǎo)來輻射系數(shù)第12頁共44頁CO?和H?O等三原子氣體具有輻射能力。其輻射不僅與溫度有關(guān)，還與氣體分壓p和輻射層有效厚度s有關(guān)。工程計(jì)算中通常使用氣體黑度εg圖表(如霍特爾圖表)來求解。爐氣對(duì)爐壁或工件的加熱同時(shí)包含對(duì)流和輻射。4.燃料與燃燒計(jì)算通過本章的學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)者可以掌握燃料特性的評(píng)價(jià)方法，并能進(jìn)行完整的燃燒計(jì)算，為后續(xù)的爐膛熱平衡、燃燒裝置選型及節(jié)能優(yōu)化提供核心輸入?yún)?shù)。接下來的第五章將基于本章的燃燒計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行整個(gè)爐膛的能量收支平衡計(jì)算。4.1.燃料的種類與特性工業(yè)爐常用的燃料可分為三大類：固體燃料、液體燃料和氣體燃料。煤：應(yīng)用最廣泛的固體燃料。其成分分析是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。工業(yè)分析：測(cè)定水分(M)、灰分(A)、揮發(fā)分(V)、固定碳(FC)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。四項(xiàng)之和為100%。元素分析：測(cè)定碳(C)、氫(H)、氧(0)、氮(N)、硫(S)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，用于精確計(jì)算。發(fā)熱量(Q):單位質(zhì)量的燃料完全燃燒所放出的熱量，分為高位發(fā)熱量(Qqr)和低位發(fā)熱量(Qnet)。燃燒計(jì)算中使用低位發(fā)熱量。灰熔點(diǎn)：影響燃燒室運(yùn)行安全，防止結(jié)渣。焦炭：主要用于沖天爐，固定碳含量高，發(fā)熱量高，機(jī)械強(qiáng)度大。表4-1常用煤種分類及特性*第13頁共44頁煤種揮發(fā)分Vaaf(%)發(fā)熱量Qnet,ar(kJ/kg)無煙煤介于無煙煤與煙煤之間結(jié)焦性強(qiáng)，是煉焦和動(dòng)力主要用煤水分高，揮發(fā)分離，易風(fēng)化，發(fā)熱量低1)重油：1.1)石油煉制殘余物，是燃料爐常用的液體燃料。1.3.1)粘度大，需預(yù)熱才能輸送和霧化；1.3.2)閃點(diǎn)高，安全性較好；1.3.3)含硫量是重要環(huán)保指標(biāo)。2)柴油：輕質(zhì)油，粘度小，霧化性好，無需預(yù)熱，但價(jià)格昂貴，多用于點(diǎn)火或小型工業(yè)爐。1)天然氣：主要成分為甲烷(CH?),發(fā)熱量高(~36000kJ/m3),潔凈環(huán)保，是理想燃料。2)發(fā)生爐煤氣：煤在煤氣發(fā)生爐中氣化所得，主要成分為CO、H?、N?,發(fā)熱量較低(5000-6000kJ/m3),需配套煤氣站。3)焦?fàn)t煤氣：煉焦副產(chǎn)品，含H?、CH?較多，發(fā)熱量較高4)液化石油氣(LPG):丙烷、丁烷的混合物，易液化，運(yùn)輸方便，常用于沒有管道氣源的場(chǎng)合。表4-2常用氣體燃料特性*氣體種類天然氣發(fā)生爐煤氣~1.5需凈化氣氫含量高，火焰短，易燃高爐煤氣與焦?fàn)t煤氣混用4.2.燃燒計(jì)算燃燒計(jì)算的核心是依據(jù)物質(zhì)守恒和能量守恒定律，確定燃燒所需的空氣4.2.1.燃燒反應(yīng)方程式氫燃燒：2H?+0?=2H?O一氧化碳燃燒：2CO+0?=2CO?4.2.2.理論空氣需要量(L?)L?=0.0889(C+0.375S)+0.265H-0.03330-------------于煙煤)L?=0.02381*(CO+H?)+0.04762*CH?+0.07143*H?S第15頁共44頁CH;-0.04762*O?-------------------------------4.2.3.實(shí)際空氣需要量(Ln)與空氣系數(shù)(α)實(shí)際燃燒時(shí)，為保證燃料完全燃燒，供給的空氣量通常大于理論空氣量。Ln=α*Lo--------------------------------------------(4-3)α稱為空氣系數(shù)(或稱過量空氣系數(shù)),是燃燒控制的關(guān)鍵參數(shù)。α過小，燃燒不完全；α過大，降低爐溫，增加煙氣熱損失。4.2.4.煙氣生成量(V)理論煙氣量(V?):α=1時(shí)，燃料完全燃燒生成的煙氣量。實(shí)際煙氣量(V):V=V?+(α-1)*Lo----------------------------------------4.2.5.燃燒溫度計(jì)算理論燃燒溫度(theory):在絕熱條件下，燃料完全燃燒時(shí)煙氣所能達(dá)到的最高溫度。Qnet—燃料低位發(fā)熱量；Qa—空氣物理熱；c—煙氣在theory下的平均比熱容。實(shí)際燃燒溫度(tactual):由于爐子散熱、不完全燃燒等，實(shí)際溫度低于理論tactual=η*ttheor------------------------------η稱為爐溫系數(shù)或高溫系數(shù)，一般取0.65~0.85。間歇式爐取低值，連續(xù)式爐取高值。第16頁共44頁4.3.空氣系數(shù)與節(jié)能、環(huán)保的關(guān)系α是連接燃燒、節(jié)能和環(huán)保的核心參數(shù)。控制與測(cè)量：通過測(cè)量煙氣中的O?含量可反推α值：現(xiàn)代工業(yè)爐均配備氧化鋯氧量分析儀，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控和優(yōu)化空燃比。4.4.低氮氧化物(NOx)燃燒技術(shù)簡(jiǎn)介煙氣再循環(huán)(FGR):將部分低溫?zé)煔饣烊胫伎諝?，降低燃燒區(qū)的氧濃度和低氮燒嘴：將上述原理集成設(shè)計(jì)的專用燒嘴，是例題4-1:某加熱爐使用某煙煤，其收到基低位發(fā)熱量Qnet,V=8.2m3/kg。測(cè)得煙氣中氧含量O?%=5%。求：實(shí)際空氣系數(shù)α。理論煙氣量V?。煙氣溫度900℃,煙氣比熱容c_flue=1.4kJ/m3)。第17頁共44頁V?=V-(α-1)L?=8.2-(1.3125-1)*6.5=8.2-2.03125≈6.1當(dāng)α=1.1時(shí)，其煙氣量V1.1=V?+(1.1-1)L?=6.17+0.1*6.5=6.82m3/kg多產(chǎn)生的煙氣量△V=V-V?.1=8.2-6.82=1.38m3/kg每小時(shí)多損失熱量△Q=100kg/h*1.38m3/kg*1.4kJ/m3*900℃=174,結(jié)論：空氣系數(shù)控制不當(dāng)，造成了巨大的能量浪費(fèi)。通過熱平衡計(jì)算，設(shè)計(jì)師可以定量地確定爐子的能耗，并精準(zhǔn)地定位熱損失環(huán)節(jié)，從而為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供無可爭(zhēng)議的數(shù)據(jù)支持。熱平衡是能量守恒定律在工業(yè)爐上的具體應(yīng)用。其目的在于：1)確定燃料消耗量(B):這是熱平衡計(jì)算的最終目標(biāo)，是設(shè)計(jì)燃燒系統(tǒng)、供料系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)的基礎(chǔ)。2)分析爐子熱能利用情況：找出熱損失的主要環(huán)節(jié)，為改進(jìn)爐子結(jié)構(gòu)、操作制度和節(jié)能改造提供定量依據(jù)。3)評(píng)價(jià)爐子熱工性能：計(jì)算爐子熱效率，是衡量爐子先進(jìn)性與合理性的核心指標(biāo)。4)熱平衡計(jì)算通常以單位時(shí)間(1小時(shí))為基準(zhǔn)，對(duì)爐膛區(qū)域進(jìn)行核算。爐膛的熱量收支遵循以下平衡方程：熱收入項(xiàng)總和(Qin)=熱支出項(xiàng)總和(Qout)------------------(5-1)Q?=B*Qnet(kJ/h)--------------------------------Qnet—燃料低位發(fā)熱量(kJ/kg或kJ/m3)。這是最主要的收入項(xiàng)。Q2=B*Cf*tf(kJ/h)------------------------C—燃料的比熱容；當(dāng)燃料經(jīng)過預(yù)熱時(shí)此項(xiàng)才顯著。Q?=B*Ln*Ca*ta(kJ/h)------------------------Ln—實(shí)際空氣量(m3/kg或m3/m3);ta一空氣的預(yù)熱溫度(℃)。此項(xiàng)是回收余熱、提高爐溫的關(guān)鍵。如霧化蒸汽、物料氧化反應(yīng)放熱等，根據(jù)具體情況計(jì)算。Qin=Q?+Q?+Q?+Q?----------------------------物料加熱到工藝要求所消耗的熱量。這是爐子的目的熱。對(duì)于加熱爐/熱處理爐：Q?=G*(c?*t?-C?*t?)(kJ/h)------------------------第19頁共44頁式中：G—爐子生產(chǎn)能力(kg/h);C?,C?—物料入、出爐時(shí)的平均比熱容；t?,t?—物料入、出爐溫度(℃)。對(duì)于熔煉爐：Q?=G*[cs*(tm-t?)+△hm+C?*(t?-tm)]---------------式中：tm—熔化溫度；△hm—熔化潛熱；Cs,c?—固、液態(tài)平均比熱容。Q?=B*Vn*Cflue*tfue(kJ/h)---------------------------式中：Vn—實(shí)際煙氣量(m3/kg或m3/m3);Ctue—煙氣的平均比熱容；這是最大的一項(xiàng)熱損失。通過爐墻、爐頂、爐門向外散失的熱量。Q?=(A?*qi)(kJ/h)---------------------------------式中：A?—第i部分爐體的外表面積(m2);qi—第i部分爐體的散熱流密度(kJ/(m2·h)),根據(jù)穩(wěn)定態(tài)傳熱公式計(jì)算。僅對(duì)間歇式作業(yè)爐。爐體本身從冷態(tài)升溫到工作溫度所吸收儲(chǔ)存的熱量。Q?=(M;*ci*△t;)/T(kJ/h)----------------------式中：第20頁共44頁完全燃燒熱損失(Q?3),爐體不嚴(yán)密處5.2.2.6.總熱支出：Qout=Q?+Q?+Q?+Q?+Q---------------------------5.3.熱平衡計(jì)算與燃料消耗量的確定根據(jù)熱平衡方程Qin=Qout,將B*(Qnet+Cr*te+Ln*ca*ta-VB=(Q?+Q?+Q?+Q?)/(Qnet+Ce*te+Ln*ca*ta-Vn*Cflue*tf物質(zhì)備注隨溫度升高而增大，查手冊(cè)確定空氣~1.30標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下發(fā)生爐煤氣標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下煙氣~1.40t為平均溫度(℃)第21頁共44頁5.4.爐子熱效率(η)爐子熱效率是衡量爐子能量利用水平的終極指標(biāo)，定義為有效熱占總供入熱的百分比。η=(Q?/Qin)*100%=[Q?/(B*Qnet)]*100%------------------(先進(jìn)連續(xù)式加熱爐的熱效率可達(dá)50%~70%。提高熱效率的主要途徑是：減少各項(xiàng)熱損失(尤其是Q?和Q?/Q?)和增加熱回收(預(yù)熱空氣和煤氣，即增加Q?)。5.5.單位熱耗(q)單位熱耗是評(píng)價(jià)爐子能耗水平的直接指標(biāo)，指加熱單位重量物料所消耗的熱量。q=(B*Qnet)/G(kJ/kg)--------------------------------它與熱效率的關(guān)系為：q=Q?/η?？梢?，在工藝(Q?)確定的情況下，提高熱效率η是降低單位熱耗q的唯一途徑。表5-2某些工業(yè)爐的單位熱耗概略范圍*爐型單位熱耗q(kJ/kg)備注連續(xù)加熱爐加熱鋼坯至1200℃臺(tái)車式熱處理爐熱處理至900℃室式加熱爐效率低，波動(dòng)大鍛造加熱爐鋁合金熔化爐含熔化潛熱5.6.計(jì)算實(shí)例例1:一臺(tái)臺(tái)車式熱處理爐，生產(chǎn)能力G=500kg/h,將鋼材從20℃加熱至900℃。鋼材在900℃時(shí)的平均比熱C?=0.68kJ/(kg·℃)。使用天然氣Qnet=35500kJ/m3?？諝庀禂?shù)α=1.1,理論空氣量L?=9.5m3/m3,理論煙氣量V?=10.6m3/m3?？諝忸A(yù)熱溫度ta=300℃,煙氣離爐溫度tAue=850℃。爐體散熱第22頁共44頁損失Q?=350,000kJ/h,其他損失Q?=100,000kJ/h。不計(jì)燃料物理熱和蓄熱損失。求：燃料消耗量B(m3/h)。爐子熱效率η。單位熱耗q(kJ/kg)。計(jì)算有效熱Q?:(注：因t?=20℃很低，其熱量可忽略)計(jì)算實(shí)際煙氣量Vn:Vn=V?+(α-1)*L?=10.6+(1.1-1)*9.5=11.5確定比熱容(查表或估算):代入熱平衡方程求B:收入項(xiàng)：Qin=B*Qnet+B*Ln*ca*ta=B*35500+B*(1.1*9.5)*1.32*300=B*35500+B*4144.支出項(xiàng)：Qout=Q?+B*Vn*celue*tqlue+Q?+Qg=306000+B*11.55*1.44*8令Qin=Qout:B*39644.2=756000+B*B*(39644.2-14137.2)=計(jì)算熱效率η:η=(Q?/(B*Qnet))*100%=(306000/(29.64*35500))*100%≈(306000/第23頁共44頁q=(B*Qnet)/G=(29.64*35500)/5(或q=Q?/η=306000/0.291≈1051500kJ/t=1051.5kJ/kg,計(jì)算誤差由中間步驟四舍五入引起)分析：該臺(tái)車爐熱效率僅29.1%,主要熱損失為煙氣帶走熱(B*Vn*Cnue*tfue=29.64*14137.2≈419,000kJ/h)和爐體散熱。節(jié)能改造方向：進(jìn)一步降低煙氣離爐溫度(如采用更高效的預(yù)熱器)和加強(qiáng)爐體保溫(如采用陶瓷通過本章，設(shè)計(jì)師可以掌握如何根據(jù)爐子工藝要求和能源條件，選擇合適即預(yù)熱器設(shè)計(jì)。燃燒裝置(燒嘴/燃燒器)是將燃料和助燃空氣按一定比例、一定方式混合，并組織燃燒，形成具有一定形狀、長(zhǎng)度、剛度的火焰的裝置。按燃料分：燃?xì)鉄?、油嘴、煤粉燃燒器、?fù)合燃料燒嘴。按空氣供給方式分：自然通風(fēng)式：空氣靠爐膛負(fù)壓吸入，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但調(diào)節(jié)比小，控制精度強(qiáng)制通風(fēng)式：空氣由風(fēng)機(jī)強(qiáng)制送入，燃燒穩(wěn)定，易于控制，應(yīng)用最廣。按混合方式分：預(yù)混式：燃料與空氣在噴出前已充分混合(如無焰燒嘴),燃燒速度快，火焰短，溫度高。外混式(擴(kuò)散式):燃料與空氣在爐膛內(nèi)邊混合邊燃燒(如長(zhǎng)焰燒嘴),火焰較結(jié)構(gòu)原理：空氣以切線方向進(jìn)入燒嘴殼體，產(chǎn)生強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)。煤氣則沿軸向特點(diǎn)：空氣、煤氣均在低壓下工作(<5kPa),需配套鼓風(fēng)機(jī)?；鹧骈L(zhǎng)度可型號(hào)適用爐型調(diào)室式爐，臺(tái)車爐調(diào)中型臺(tái)車爐等)將助燃空氣按比例吸入，并在混合管內(nèi)實(shí)現(xiàn)充分混合?；焯攸c(diǎn)：空氣系數(shù)小(α=3~5),燃燒溫度高，熱效率高。結(jié)構(gòu)緊湊，無需鼓第25頁共44頁以高速(通常>80m/s)從噴口射出。特點(diǎn)：應(yīng)用：廣泛應(yīng)用于各種熱處理爐、玻璃鋼化爐、熔化爐等。結(jié)構(gòu)原理：利用強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)氣流(通常是空氣)和附壁效應(yīng)(CoandaEffect),使火焰沿爐壁或特定曲面鋪展成圓盤形狀。特點(diǎn)：效率高。被預(yù)熱至1000℃以上，然后在B燒嘴燃燒；特點(diǎn)：極限節(jié)能：空氣預(yù)熱溫度極高，排煙溫度可降至150℃以下，理論熱效第26頁共44頁率>80%。低NOx:高溫空氣與燃料混合燃燒屬于低氧擴(kuò)散燃燒，能有效抑制熱力型NOx生成。應(yīng)用：是當(dāng)今高性能加熱爐和熱處理爐的主流配置。(圖示：蓄熱式燒嘴系統(tǒng)工作流程示意圖，展示一對(duì)燒嘴、換向閥、蓄熱體、交替燃燒和排煙的過程)6.3.油嘴(燃油燃燒器)6.3.1.油嘴的組成與要求一個(gè)完整的油嘴系統(tǒng)包括：霧化器：核心部件，將油破碎成細(xì)小的液滴，增大表面積，以利于蒸發(fā)和配風(fēng)器：供給空氣，并形成合理的空氣流動(dòng)場(chǎng)(旋流、直流),使之與油霧充分混合。點(diǎn)火裝置：通常采用高壓電火花點(diǎn)火?；鹧姹O(jiān)測(cè)裝置：通常采用紫外線火焰探測(cè)器。6.3.2.機(jī)械霧化式油嘴(轉(zhuǎn)杯式油嘴)原理：油送入高速旋轉(zhuǎn)(3000~5000rpm)的轉(zhuǎn)杯內(nèi)，在離心力作用下沿杯口甩出，形成薄油膜，進(jìn)而被粉碎成油霧。一次風(fēng)由轉(zhuǎn)杯后的風(fēng)機(jī)供給。特點(diǎn)：霧化效果好，對(duì)油質(zhì)要求相對(duì)較低，調(diào)節(jié)比較大，燃燒穩(wěn)定。廣泛應(yīng)用于中小型工業(yè)爐。6.3.3.介質(zhì)霧化式油嘴(高壓/低壓空氣霧化、蒸汽霧化)原理：利用高速噴射的霧化介質(zhì)(空氣或蒸汽)的動(dòng)能沖擊和撕裂油流，使其霧化。低壓空氣霧化：空氣壓力低(<10kPa),耗氣量大，但噪聲小，適用于小型高壓空氣霧化：空氣壓力高(~100kPa),耗氣量小，霧化效果好，調(diào)節(jié)比大，需配套壓縮空氣系統(tǒng)。第27頁共44頁6.4.燃燒裝置的選型計(jì)算根據(jù)爐型、尺寸、溫度均勻性要求確定。通常為保證爐溫均勻，需布置多室式爐：1~4個(gè)。連續(xù)爐：沿爐長(zhǎng)分區(qū)布置，各區(qū)間獨(dú)立控溫。燒嘴總功率與爐膛容積的比值應(yīng)在經(jīng)驗(yàn)范圍內(nèi)，避基于第4章原理，本章具體介紹在燒嘴中實(shí)現(xiàn)低氮的技術(shù)手段。煙氣再循環(huán)(FGR):在燒嘴結(jié)構(gòu)上開設(shè)FGR通道，將部分煙氣吸回至燃燒燃料分級(jí)：大部分燃料在主燃燒區(qū)燃燒(a>1),少量燃料從特定噴口送入，第28頁共44頁形成還原區(qū)，將生成的NOx還原?？諝夥旨?jí)：部分空氣(一次風(fēng))與燃料混合形成富燃料區(qū)(a<1),抑制NOx生剩余空氣(二次風(fēng))在后續(xù)區(qū)域送入，使燃燒完全。表面燃燒：采用金屬纖維氈、多孔陶瓷板等作為燃燒面，火焰極短，燃燒溫度均勻且峰值溫度低，有效抑制熱力型NOx?，F(xiàn)代高性能燒嘴往往是多種低氮技術(shù)的集成體。7.1.預(yù)熱器的用途與分類預(yù)熱器的主要作用是回收爐膛排出的高溫?zé)煔庥酂幔靡约訜嶂伎諝饣驓怏w燃料。其效益體現(xiàn)在：節(jié)約燃料：將煙氣帶走的熱量重新帶回爐內(nèi)，直接減少燃料消耗量。預(yù)熱溫度越高，節(jié)能率越大。提高理論燃燒溫度：預(yù)熱空氣或煤氣為其帶來了巨大的物理熱，是燃用低熱值燃料時(shí)達(dá)到所需爐溫的必要手段。強(qiáng)化燃燒過程：提高助燃空氣溫度可加速燃燒反應(yīng)，提高燃燒速度和燃燒穩(wěn)定性。按傳熱方式分：換熱式：煙氣與空氣/煤氣通過壁面連續(xù)進(jìn)行熱交換。是應(yīng)用最廣的形式。蓄熱式：煙氣與空氣/煤氣交替流過蓄熱體，通過蓄熱體的蓄、放熱進(jìn)行間接熱交換。按材質(zhì)分：金屬預(yù)熱器：用金屬材料(碳鋼、耐熱鋼、鑄鐵)做傳熱面。承壓能力強(qiáng)，氣密性好，結(jié)構(gòu)緊湊，但耐溫性有限。陶瓷預(yù)熱器：用耐火粘土、碳化硅等陶瓷材料做傳熱面。耐高溫，抗腐第29頁共44頁蝕，但體積龐大，氣密性差，易漏風(fēng)。煙氣入口溫度(t'1):由爐型和工作溫度決定，是設(shè)計(jì)的初始參數(shù)?？諝忸A(yù)熱溫度(t'2):設(shè)計(jì)目標(biāo)值。根據(jù)節(jié)能要求或工藝要求(如保證燃燒溫?zé)煔獬隹跍囟?t"1):經(jīng)濟(jì)性參數(shù)。降低t"1可提高余熱回收率，但會(huì)導(dǎo)致預(yù)熱器體積和投資急劇增加，且需避開煙氣露點(diǎn)(防止低溫腐蝕)。通常金屬預(yù)熱空氣入口溫度(t'2):通常是環(huán)境溫度。漏風(fēng)率：指煙氣側(cè)向空氣側(cè)的泄漏量。金屬預(yù)熱器可控制在<5%,陶瓷預(yù)熱器則高得多。漏風(fēng)會(huì)降低預(yù)熱效果并增加風(fēng)機(jī)負(fù)荷。積灰與腐蝕：煙氣中的灰塵和腐蝕性成分(如S)會(huì)惡化傳熱、堵塞通道、腐蝕壁面。設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮清灰措施(如吹掃裝置)和材料選擇。間壁式預(yù)熱器的設(shè)計(jì)核心是傳熱計(jì)算，目的是確定所需的傳熱面積(F)。傳熱方程式：Q=K*F*△tm(kJ/h或W)------------F—所需的傳熱面積(m2)?！鱰m—煙氣與空氣之間的平均溫差(℃)。熱平衡方程式：≈η*Vlue*(Chue*thue-Cfue*t"ue)-----------------第30頁共44頁η為保溫系數(shù)，通常取0.95~0.98,考慮散熱損失。煙氣與空氣的流動(dòng)布置方式不同，平均溫差也不同。逆流：兩種流體平行且反向流動(dòng)?？色@得最大的平均溫差，傳熱效率最順流：兩種流體平行且同向流動(dòng)。平均溫差較小，但壁面工作溫度較低，更安全。叉流：兩種流體流動(dòng)方向互相垂直。平均溫差介于逆流和順流之間，是實(shí)際中最常見的布置方式。對(duì)數(shù)平均溫差(LMTD)適用于逆流和順流：對(duì)于叉流等多種流動(dòng)方式，需在逆流LMTD的基礎(chǔ)上乘以修正系數(shù)ψ(ψ<1),ψ值需查專門的線算圖確定?？倐鳠嵯禂?shù)綜合了煙氣對(duì)壁面的對(duì)流輻射換熱、壁面本身的導(dǎo)熱、以及壁面對(duì)空氣的對(duì)流換熱。α?—煙氣對(duì)壁面的綜合換熱系數(shù)[W/(m2.℃)]。α?—壁面對(duì)空氣的對(duì)流換熱系數(shù)[W/(m2.℃)]。α?=αconv+αrad-----------------------------------------(7-5)對(duì)流部分α_conv:與煙氣流速、溫度、通道當(dāng)量直徑、煙氣物性有關(guān)，需用第3章的準(zhǔn)則方程式(如Nu=0.023*Re?.8*Pr?.4)計(jì)算。輻射部分αrad:與煙氣溫度、黑度、壁面溫度有關(guān)第31頁共44頁α?的計(jì)算：主要考慮對(duì)流，與空氣流速、溫度、通道特性有關(guān)。表7-1常見預(yù)熱器總傳熱系數(shù)K的經(jīng)驗(yàn)范圍*預(yù)熱器類型總傳熱系數(shù)K[W/(m2.℃)]備注管式(煙氣在管內(nèi))管式(煙氣在管外)針狀/片狀管噴流式高速氣流沖擊，傳熱極強(qiáng)陶瓷式7.4.主要間壁式預(yù)熱器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)：最普通的形式，由一束管子組成。煙氣走管程(管內(nèi)),空氣走殼程(管外),或反之。設(shè)計(jì)要點(diǎn)：合理選擇管徑、管長(zhǎng)、管間距和流向(逆流、順流、叉流)。計(jì)算流速、阻力，確定管束排列和殼程折流板布置。7.4.2.噴流式預(yù)熱器結(jié)構(gòu)：空氣通過許多小孔，以高速(30-80m/s)垂直噴射到受熱面上，極大地破壞了邊界層，傳熱系數(shù)非常高。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效率極高，特別適用于中低溫?zé)煔庥酂峄厥铡５枇p失較大。設(shè)計(jì)核心：確定噴孔直徑、噴孔間距、噴流距受熱面的距離。7.4.3.片狀/針狀管預(yù)熱器結(jié)構(gòu)：在普通管子的外壁或內(nèi)壁軋制或焊接上擴(kuò)展表面(翅片、針片),顯著增大空氣側(cè)的傳熱面積。特點(diǎn)：有效平衡了煙氣和空氣兩側(cè)的換熱能力，使結(jié)構(gòu)更緊湊。是現(xiàn)代金屬預(yù)熱器的主流形式。設(shè)計(jì)核心：翅片效率計(jì)算，翅片型式、高度、間距的優(yōu)化。原理：如第6章蓄熱式燒嘴所述，通過蓄熱體(傳統(tǒng)為格子磚，現(xiàn)代為陶瓷球或蜂窩體)的交替蓄熱和放熱來實(shí)現(xiàn)熱交換。優(yōu)點(diǎn)：可承受極高煙氣溫度，可將空氣預(yù)熱到800℃以上，余熱回收率極缺點(diǎn)：系統(tǒng)龐大，需要復(fù)雜的換向閥和控制系統(tǒng)，存在周期性的溫度波動(dòng)和氣體混合。現(xiàn)代應(yīng)用：主要與蓄熱式燒嘴(RAB)集成，作為其核心部件，不再以獨(dú)立的蓄熱室形式出現(xiàn)于中小型工業(yè)爐上。7.6.預(yù)熱器設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例例題7-1:為一臺(tái)天然氣加熱爐設(shè)計(jì)一臺(tái)管式空氣預(yù)熱器。煙氣量Vue=6000m3/h,煙氣入口溫度t'′?=700℃?？諝饬縑air=5500m3/h,要求空氣預(yù)熱溫度t"2=400℃,空氣入口溫度經(jīng)驗(yàn)估算煙氣側(cè)綜合換熱系數(shù)α?=50W/(m2.℃),空氣側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)預(yù)熱器換熱量Q。煙氣出口溫度t"1。平均溫差△t_m?？倐鳠嵯禂?shù)K。所需傳熱面積F。計(jì)算換熱量Q:取400℃空氣平均比熱c_a≈1.34kJ/(m3.≈5500*1.34*380≈2,800,600kJ/h≈7計(jì)算煙氣出口溫度t"1:取700℃煙氣平均比熱chue≈1.52kJ/(m3.℃),假設(shè)t"1=450℃時(shí)由熱平衡：Q=Vrue*(Chlue*thue-Chue*t"ue)2800600=6000*(1.52*700-1.求解得：t"1≈463℃(與假設(shè)接近，無需重新迭代)冷端溫差△tmin=t"lue-tair=463-20=443℃(逆流時(shí)可能出現(xiàn)冷端溫差大于熱端的情況)計(jì)算總傳熱系數(shù)K:計(jì)算傳熱面積F:F=Q/(K*△tm)=777.9*1000W/(23.66W結(jié)論：該預(yù)熱器需要約90平方米的傳熱面積。接下來需進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定管子根數(shù)、管徑、管長(zhǎng)等。本章提供了預(yù)熱器設(shè)計(jì)的完整理論框架和計(jì)算流程。在實(shí)際工程中，預(yù)熱器多為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，設(shè)計(jì)師的主要工作是選型：即根據(jù)計(jì)算出的Q、t'1、t"2等參數(shù)，結(jié)合煙氣成分和現(xiàn)場(chǎng)條件，從制造商提供的產(chǎn)品樣本中選擇合適的型號(hào)，并校核其阻力損失是否與現(xiàn)有風(fēng)機(jī)匹配。8.筑爐材料與爐襯設(shè)計(jì)8.1.耐火材料的性能指標(biāo)選擇耐火材料不能只看其耐火度，必須綜合考慮一系列物理化學(xué)性能。耐火度：材料在無荷重時(shí)抵抗高溫作用而不熔化的溫度。并非最高使用溫荷重軟化溫度：材料在恒定荷重(通常為0.2MPa)和高溫共同作用下，產(chǎn)生一定變形量的溫度。這決定了材料的最高使用溫度，比耐火度更重要。高溫體積穩(wěn)定性(重?zé)€變化):材料在高溫下長(zhǎng)期使用時(shí)，體積發(fā)生不可逆膨脹或收縮的性能。要求變化率越小越好?？篃嵴鹦裕翰牧系挚箿囟燃眲∽兓黄茐牡哪芰?。對(duì)間歇式作業(yè)爐至關(guān)抗?jié)B性：抵抗?fàn)t內(nèi)物料(如熔渣、鐵氧化物、堿性氣氛)化學(xué)侵蝕的能力。常溫耐壓強(qiáng)度：反映材料抵抗機(jī)械作用力的能力，影響砌體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。體積密度和真氣孔率：影響材料的蓄熱量和導(dǎo)熱性能。輕質(zhì)材料密度小、氣孔率高，隔熱性好但強(qiáng)度低。熱導(dǎo)率：決定材料隔熱能力的關(guān)鍵參數(shù)。8.2.常用耐火制品8.2.1.定形耐火制品(耐火磚)耐火粘土磚：Al?O?含量30%~48%,價(jià)格低廉，應(yīng)用最廣。耐火度1580~1750℃,荷軟開始點(diǎn)1300~1400℃。是大多數(shù)中低溫爐窯的主要材料。高鋁磚：Al?O?含量>48%。更高的荷軟點(diǎn)(>1420℃)和耐火度，更好的抗?jié)B性和強(qiáng)度。用于高溫區(qū)、燃燒室、爐頂?shù)汝P(guān)鍵部位。硅磚：SiO?含量>93%。高溫強(qiáng)度大，荷重軟化溫度高(~1650℃),但抗熱震性差。主要用于焦?fàn)t、玻璃熔窯等高溫、恒溫設(shè)備。鎂磚：Mg0含量>80%。堿性耐火材料，耐堿性渣侵蝕，但抗熱震性差。主要用于煉鋼爐、有色金屬熔煉爐。碳化硅磚：SiC含量高。高熱導(dǎo)率、高強(qiáng)度、極好的耐磨性和抗熱震性。用于馬弗罐、輻射板、爐底板等。無需燒成，直接澆注、搗打或噴射成型，整體性好，無接縫，施工方便。耐火澆注料：由骨料、粉料、結(jié)合劑和外加劑組成，加水?dāng)嚢韬鬂仓?。是?dāng)今爐襯的主流材料。高鋁質(zhì)澆注料：用于中高溫區(qū)域。剛玉質(zhì)澆注料：用于超高溫、耐侵蝕區(qū)域。低水泥/超低水泥澆注料：用水量少，密度大，強(qiáng)度高，性能優(yōu)異。自流澆注料：無需振動(dòng)，依靠自重流淌填實(shí)，用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)。耐火可塑料：呈泥坯狀，具有可塑性。可用于爐頂?shù)葟?fù)雜部位的搗打施耐火搗打料：呈干或半干狀，用風(fēng)鎬搗實(shí)。用于感應(yīng)爐爐襯、沖天爐爐缸耐火噴涂料：通過噴射機(jī)施工，用于爐襯的快速修補(bǔ)或整體噴涂成型。作用是減少爐體散熱損失，降低爐外壁溫度，改善工作環(huán)境。硅藻土磚：工作溫度<900℃,導(dǎo)熱系數(shù)低，價(jià)格便宜。膨脹蛭石制品：工作溫度<1000℃。巖棉/礦渣棉：纖維狀，通常制成氈或板。使用溫度600~700℃,優(yōu)良的隔熱和吸聲性能。陶瓷纖維：革命性材料。主要成分為Al?O?和SiO?。標(biāo)準(zhǔn)型：使用溫度~1000℃。高純型：使用溫度~1100℃。高鋁型：使用溫度~1200℃。含鋯型：使用溫度~1350℃。優(yōu)點(diǎn)：密度極小(~200kg/m3),熱導(dǎo)率極低，熱容量極小(升降溫快),抗熱震性極佳，柔軟易安裝。形態(tài)：棉、毯、氈、模塊、板、紙、異形件等。納米微孔隔熱板：目前最高效的隔熱材料，由納米SiO?粉體壓制而成，其導(dǎo)熱系數(shù)在常溫下甚至低于靜止空氣。用于對(duì)保溫空間要求極高的場(chǎng)合。表8-1常用隔熱材料性能對(duì)比*材料名稱使用溫度體積密度特點(diǎn)磚廉價(jià)，強(qiáng)度低陶瓷纖維毯方面優(yōu)異~0.022(常溫)爐襯設(shè)計(jì)需滿足耐熱、隔熱、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度三大要求，通常采用復(fù)合結(jié)構(gòu)：內(nèi)層(熱面)為耐火層，外層(冷面)為隔熱層。重質(zhì)磚砌結(jié)構(gòu)：全部采用致密耐火磚。優(yōu)點(diǎn)：堅(jiān)固耐用，抗機(jī)械沖擊和化學(xué)侵蝕能力強(qiáng)。缺點(diǎn)：蓄熱損失和散熱損失大，升溫慢。適用于熔煉爐、燃燒室等高溫、易侵蝕區(qū)域。輕質(zhì)磚砌結(jié)構(gòu)：耐火層采用輕質(zhì)耐火磚，外層再加隔熱磚。優(yōu)點(diǎn)：比重質(zhì)結(jié)構(gòu)節(jié)能。缺點(diǎn)：強(qiáng)度較低，抗侵蝕性較差。適用于熱處理爐等。全纖維爐襯結(jié)構(gòu)：爐襯全部由陶瓷纖維模塊或疊鋪毯組成。優(yōu)點(diǎn)：節(jié)能效果極其顯著(升降溫快，散熱少),重量輕，抗熱震。缺點(diǎn)：抗氣流沖刷和機(jī)械碰撞能力弱，不能直接承載重物。廣泛應(yīng)用于各類熱處理爐、加熱爐的爐頂和復(fù)合結(jié)構(gòu)(主流):磚砌復(fù)合結(jié)構(gòu)：耐火層(重質(zhì)磚或澆注料)+隔熱層(輕質(zhì)磚或纖維板)。第37頁共44頁澆注料復(fù)合結(jié)構(gòu)：耐火澆注料(工作層)+陶瓷纖維板/毯(保溫層)。整體性強(qiáng)，密封性好，是現(xiàn)代工業(yè)爐的主流結(jié)構(gòu)形式。“背襯毯”結(jié)構(gòu)：在耐火磚或澆注料層與爐殼鋼板之間鋪設(shè)一層陶瓷纖維毯，可有效補(bǔ)償熱膨脹，提高隔熱效果。爐襯厚度的確定是一個(gè)熱工計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)校核相結(jié)合的過程。熱工計(jì)算：目標(biāo)：保證爐殼外表面溫度t_s在安全范圍內(nèi)(通常要求≤60~80℃,避免燙方法：根據(jù)第3章的多層平壁穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱公式進(jìn)行迭代計(jì)算。已知爐膛溫度t_1、環(huán)境溫度t_a、各層材料及其熱導(dǎo)率λ,設(shè)定一個(gè)爐襯總厚度，計(jì)算外表面溫度t_s,直至t_s滿足要求。簡(jiǎn)化：對(duì)于磚砌爐襯，其散熱流密度q和t_s可參考表1-17的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。經(jīng)驗(yàn)校核：耐火層厚度需保證其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和使用壽命，通常不小于113mm(半磚隔熱層厚度通常為114mm或230mm(一塊磚厚)。全纖維爐襯的厚度根據(jù)使用溫度和經(jīng)驗(yàn)確定，一般為200~300mm。散熱損失Q?:按穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱計(jì)算，Q?=q*A。蓄熱損失Q?:僅對(duì)間歇式爐。全纖維爐襯的蓄熱量M*c*△T遠(yuǎn)小于磚襯，這是其節(jié)能的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)條件：臺(tái)車式熱處理爐，爐膛溫度950℃,要求爐外殼溫度t?≤70℃。環(huán)境溫度25℃。方案選擇：采用復(fù)合結(jié)構(gòu)。耐火層：114mm厚(半磚)密度為2200kg/m3的耐火粘土磚。第38頁共44頁溫度~800℃)。假設(shè)纖維層厚度δ_2=200mm。計(jì)算熱流密度q:(其中αa為空氣對(duì)流換熱系數(shù)，取10W/(m2·K))校驗(yàn)外殼溫度t_s:不滿足要求。調(diào)整：增加纖維層厚度至δ_2=250mm?；緷M足要求。結(jié)論：該爐墻設(shè)計(jì)為：114mm耐火粘土磚+270mm陶瓷纖維模塊?？偤穸?84mm。8.5.特種爐襯應(yīng)用可控氣氛爐：需選用抗?jié)B碳