工業(yè)爐熱工與設(shè)備第十單元

10豎爐及流態(tài)化爐熱工10.1豎爐

豎爐有別于火焰爐，在它的爐膛空間內(nèi)充滿著被加熱的散狀物料，而熾熱的爐氣自下而上地在整個爐膛空間內(nèi)和散料表面間進(jìn)行著復(fù)雜的熱交換過程。冶金爐范圍高爐化鐵爐、化渣爐冰銅冶煉爐其他焙燒爐煤氣發(fā)生爐菱鎂礦石灰石、耐火粘土、白云石、10.1.1豎爐內(nèi)物料運動及氣體力學(xué)——爐料的總重量，t——對應(yīng)的底面積，m2——小于1的有效重量系數(shù)向下收縮的爐身(<90°)

直筒形爐身向下擴(kuò)大的爐身(>90°)

還決定于料塊形狀和尺寸及其物理性質(zhì)，通常由實驗決定。高爐風(fēng)嘴面上爐料的有效重量為爐料總重量的18％(=0.18)，

逆向流動的氣流對于爐料的下降產(chǎn)生阻力即氣體的反壓力為阻力系數(shù)

為垂直于氣流軸線平面上料塊的投影面積

10.1.2豎爐熱交換基本原理假設(shè)1.料層在其橫斷面方向是均勻的2.物理量的變化僅在氣體和爐料運動方向發(fā)生變化的3.不考慮內(nèi)熱源存在4.按對流熱交換模式建立方程式簡化后得：式中、——散料層橫截面積，m2；——散料總受熱面積，m2；——散料層體積，m3——氣體流速及比熱，m／s及kJ／(m3℃)；——氣體及散料層顆粒的溫度，℃——散料層高度，m——顆粒半徑及坐標(biāo)變量，m——表面或體積傳熱系數(shù)，W／m2，W／(m3·℃)及及及及顆粒內(nèi)部導(dǎo)熱方程為時間條件邊界條件忽略爐墻散熱損失時——氣體及散料層的水當(dāng)量，kJ/(m3℃)，

——散料層的質(zhì)量平均溫度變化，℃

用于豎爐逆流熱交換的簡單計算公式——散料層料塊及氣體入口處的溫度，K

——料塊經(jīng)歷的加熱時間，h

——從氣體至料塊中心的傳熱系數(shù)

(1)(2)將式(2)代入式(1)可得簡化式式10—9中可按下列經(jīng)驗公式計算

決定于氣體沿料層橫截面的均勻分布的程度

=1.0理想料塊=0.5含20％細(xì)料=0.5充填于錐體形設(shè)備中的統(tǒng)配料氣體及料塊水當(dāng)量

10.1.3高爐內(nèi)熱交換一般情況10.1.4豎爐用燃料及其燃燒1).豎爐用燃料固體燃料有焦炭和無煙煤塊液體燃料有重油氣體燃料有高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、混合煤氣和天然氣固體燃料從爐頂和爐料一起分批加入爐內(nèi)，它和氣、液體燃料相比有如下優(yōu)點：(1)可以在料層斷面上合理地分布燃料，這時只要保證供入空氣分布均勻就可以在料層斷面上保證溫度均勻。(2)可以較好地利用從冷卻帶來的預(yù)熱空氣。(3)由于斷面上溫度分布容易均勻，因此可以將爐子直徑做得大一些，爐子生產(chǎn)率可以提高。(4)由于焦炭溫度高和爐料直接接觸，強化傳熱，促進(jìn)了爐料的燒結(jié)。(5)比較容易控制不同的燃燒制度即中性制度，還原性制度和氧化性制度。豎爐對于固體燃料有一定的要求:(a)焦炭或無煙煤要有一定的強度及抗摩擦的能力，以防破碎爐料透氣性變壞或被吹出爐外。無煙煤要求良好的熱穩(wěn)定性，即抗熱爆裂性能。(b)兼作還原劑的焦炭要求有良好的反應(yīng)性能。(c)要求含灰份少,對灰份有化學(xué)成份要求。燃料供入方式間接供入直接供入2).燃燒方法(燃燒制度

)中性的還原性氧化性（1）

中性制度供入空氣量接近完全燃燒可燃物所需的理論值如耐火原料、石灰石焙燒豎爐采用氣、液體燃料時，必須采用比固體燃料更高的空氣消耗系數(shù)，同時要做到：(1)用于冷卻燒成制品的空氣必須在料層中盡可能均勻分布；(2)燃料必須從許多個均勻布置的小燒嘴供入；(3)燃料直接供入最高溫度區(qū)；(4)采用燃料和部分空氣混合方式供入比較有利于混合。如圖10-4所示，燃料供入方式可以較好地實現(xiàn)上述要求即四角供入、中心供入、橫管供入等方式。但盡管有這些方式，煤氣豎爐尺寸不能太大，一般直徑以3.5m為限。

2.2還原性制度進(jìn)入豎爐中的空氣量小于碳完全燃燒理論需要量如高爐、煤氣發(fā)生爐2.3氧化性制度進(jìn)入豎爐中的空氣量大大超過可燃物(炭)完全燃燒的理論需要量如煉銅鼓風(fēng)爐10.2沸騰料層爐(裝置)10.2.1沸騰料層的形成空床速度表觀速度臨界流化速度流化數(shù)>1進(jìn)入沸騰狀態(tài)

≈2形成強烈攪拌的沸騰過程

=5~6沸騰料層的均一性結(jié)構(gòu)遭到破壞

臨界流化速度的確定氣體經(jīng)過料層的阻力損失開始流態(tài)化的瞬間，介質(zhì)沿通道運動的阻力與料層的重力相平衡12將(3)代入(1)，經(jīng)整理后得臨界流速為：3將上式兩邊乘以后得：4(4)式經(jīng)整理后得臨界流速為(層流制度)紊流制度下類似的關(guān)系引入形狀系數(shù)5在0.4～1之間波動將式(10—29)代入(10—20)就可以求出臨界流速簡化表達(dá)式：當(dāng)Ar<1000時：3顆粒在料層中的平均停留時間4沸騰料層中的傳熱4.1沸騰料層內(nèi)氣體與顆粒間的熱交換特點4.2料層與受熱表面或圍壁表面間的熱交換特點10.2.5沸騰料層爐(裝置)的應(yīng)用流態(tài)化焙燒爐成熟可靠，被廣泛應(yīng)用于鋅精礦、銅精礦、硫鐵礦的氧化焙燒、酸化焙燒，錫精礦的氧化焙燒，高鈦渣、含鈷渣的氯化焙燒等生產(chǎn)中。此外，還應(yīng)用于物料的干燥、煅燒、還原及燃燒過程。流態(tài)化焙燒爐的優(yōu)點是生產(chǎn)率高、操作簡單、產(chǎn)品質(zhì)量好、易實現(xiàn)自動化。缺點是煙塵率高；熱利用率較低，一般為15~20%，應(yīng)配置余熱利用裝置，提高熱利用率。

對于鐵精礦粉采用多級流化逆流換熱的目的是充分利用下層排出氣體的物理熱來提高整個還原爐的熱效率。10.3懸浮料層爐(裝置)流化數(shù)在50～100時

風(fēng)速>

（1）

懸浮料層的形成及其應(yīng)用

顆粒表面在懸浮狀態(tài)和氣流的反應(yīng)是最充分的，因此反應(yīng)速度很快，故懸浮料層在原材料干燥、分解、精礦粉的冶煉、直接煉鐵等工藝方面得到愈來愈多的應(yīng)用。顆粒運動的慣性力所受浮力離心力氣體和顆粒間的阻力損失（2）懸浮料層的模式

懸浮料層可以分為下列三種類型，即(1)氣力輸送模式；(2)火焰模式；(3)離心模式等。（3）懸浮料層的傳熱及傳質(zhì)10.4回轉(zhuǎn)窯回轉(zhuǎn)窯屬于旋轉(zhuǎn)式窯爐。它最先用于水泥熟料燃燒，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于水泥、耐火原料和冶金工業(yè)等。它一般由進(jìn)料端的集塵室、轉(zhuǎn)動很慢的窯體、出料端的窯頭小車、熱煙室和冷卻機(jī)等組成。煅燒黏土熟料用的回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)，如圖所示?；剞D(zhuǎn)窯窯體與水平面成3~5°交角，由電動機(jī)通過減速器帶動大齒輪旋轉(zhuǎn)。燃料與一次空氣由伸進(jìn)窯頭小車的燒嘴進(jìn)入窯內(nèi)，二次空氣經(jīng)冷卻機(jī)中的物料預(yù)熱后經(jīng)熱煙室入窯，燃燒產(chǎn)物流經(jīng)窯體、集塵室、除塵器，由排煙機(jī)送入煙囪排出。被煅燒的原料經(jīng)窯尾加料管入窯，靠傾斜窯體的轉(zhuǎn)動，使之向前運動，并與從窯頭迎面而來的燃燒產(chǎn)物相遇歷經(jīng)干燥、預(yù)熱、煅燒等過程，再從窯頭落入冷卻機(jī)。物料與氣流呈逆向運動。1)干燥帶：溫度為150℃左右，是自由水的蒸發(fā)過程。2)預(yù)熱帶：溫度為150~750℃，發(fā)生黏土礦物脫水與碳酸鎂開始分解。3)碳酸鹽分解帶：溫度750~800℃，燒失量明顯減少，碳酸鹽分解與固相反應(yīng)，由于吸熱反應(yīng)，故升溫速率緩慢。當(dāng)溫度升到1100℃，分解速率迅速增加。游離氧化鈣達(dá)到最大值。4)放熱反應(yīng)帶；固相反應(yīng)釋放大量熱量，物料上升了300℃，在1250~1300℃，氧化鈣射出光輝，使得分解帶物料黑暗。5)燒成帶：溫度1250~1450~1250℃。在1250~1280℃開始出現(xiàn)液相在1450℃，液相量增加，游離氧化鈣吸收，水泥熟料化合物形成。(6)冷卻帶：熟料繼續(xù)向前運動，與溫度較低的二次空氣相遇，熟料溫度下降。回轉(zhuǎn)窯支撐與傳動裝置由下列四部分組成(1)滾圈。在窯的筒體上安裝滾圈。窯體通過滾圈在窯基的托輪上轉(zhuǎn)動。托輪安裝在鋼筋混凝土基礎(chǔ)上。(2)托輪。數(shù)量隨窯的長度不同而異，但與滾圈的位置相應(yīng)，一般2~4對。托輪中心線須與窯體中心線平行。(3)擋輪。當(dāng)窯體正常運轉(zhuǎn)時，滾圈位于兩擋輪中間位置。

(4)傳動裝置。傳動裝置是窯的重要組成都分。對其基本要求是：能安全可靠地傳遞足夠的功率，在較大范圍內(nèi)實現(xiàn)平穩(wěn)準(zhǔn)確的無級調(diào)速，投資小，維護(hù)方便等。窯體借大齒輪帶動一起轉(zhuǎn)動，其中心線應(yīng)與窯體中心線重合。為使窯體受力均勻，大齒輪應(yīng)安裝在窯體中部。懸浮預(yù)熱器是用高速氣流使原來以堆積狀態(tài)的物料懸浮起來，這樣，生料粉與熱氣流充分接觸，氣、固相接觸面大，傳熱速度快，效率高，使物料預(yù)熱與碳酸鹽分解過程大大加快，提高了窯的產(chǎn)量，降低了熱耗。同時，它還具有運動部件少、附屬設(shè)備不多、維修較方便、占地面積小、投資省等優(yōu)點。圖中虛線表示物料流向，實線表示熱氣流方向。物料由輸送設(shè)備提升至懸浮預(yù)熱器最上部的連接管，喂入第II級旋風(fēng)簡的排風(fēng)管內(nèi)，物料由熱氣流帶入第I級旋風(fēng)筒(雙筒，以提高吸塵率)，物料與氣流分離；熱氣流經(jīng)吸塵后排出。被分離出的物料由I級旋風(fēng)筒下料管進(jìn)入III級旋風(fēng)筒排氣管內(nèi)，被熱氣流帶到II級旋風(fēng)筒，物料再次從熱氣流中分離出來。如此反復(fù)地進(jìn)行熱交換，物料最后由第IV級旋風(fēng)筒下料管進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯。物料在各級旋風(fēng)筒問的連接管內(nèi)與熱氣流做同向流動，因而屬于同流熱交換型懸浮預(yù)熱器。這種預(yù)熱器由于傳熱速率快、熱效率高，生料可在數(shù)秒至數(shù)十秒內(nèi)從常溫加熱到750℃以上。出預(yù)熱器的廢氣溫度可降至350~400℃，入窯生料，已部分完成碳酸鹽分解，從而大大減輕窯的預(yù)燒負(fù)擔(dān)。熟料離開筒體時溫度很高，水泥熟料可達(dá)1000~1200℃，耐火原料用熟料為1000~1300℃或更高。因此，它們必須經(jīng)過冷卻，才能便于運輸與儲存，而且這些余熱若不回收利用，將會浪費能源，增加成本。熟料冷卻裝置按其結(jié)構(gòu)不同，可分為筒式(分單筒與多筒)與箅式兩大類。

箅式冷卻機(jī)屬于驟冷式冷卻設(shè)備。冷卻風(fēng)由風(fēng)機(jī)供給，熟料以一定厚度鋪在箅子上隨之運動，冷空氣則垂直于熟料運動方向穿過料層，因而熟料冷卻效果好，熱交換效率較高。水平推動箅式冷卻機(jī)主要由箅床、高壓風(fēng)管、中壓風(fēng)室、煙囪、拉鏈機(jī)等組成。箅床是其主要部件，是由橫向一行一行間隔排列的固定與活動箅板所組成?；顒芋氚逶趥鲃友b置帶動下，做水平往復(fù)運動，將熟料向前推動。小型冷卻機(jī)可做成一段，較大型的則做成兩段，且安裝高度不同，后段低于前段，以便于物料翻動。高溫氣體以輻射和對流方式傳熱給物料上表面與暴露的襯磚表面，并對物料在運動中產(chǎn)生并懸浮在氣體中的粉塵加熱。襯磚接受的熱量則向三方面?zhèn)鬟f，暴露的襯磚表面直接對物料表面進(jìn)行熱輻射；上述襯磚轉(zhuǎn)到物料層下面時，以傳導(dǎo)方式傳給物料；又以綜合傳熱方式通過筒體向環(huán)境散熱。物料內(nèi)部則屬于散料層