5.3 炉子热工特性及燃料节约——第二类工作制度炉子热工特性在线视频

接下来 我们学习第三小节

第二类工作制度炉子的热工特性

我们采用理论法

对第二类工作制度炉子的热工特性

进行研究

主要的研究思路为

针对具体的研究对象建立物理模型

如炉子的类型 主要结构尺寸

在此基础上

建立描述其热工过程的数学模型

主要包括微分方程组或代数方程组

如炉膛热平衡方程和热交换方程

边界条件 初始条件等

进一步求解方程组

获得所需要的热工特性方程式

如炉子热效率方程

出炉膛废气温度方程等

第二类工作制度的炉子

其供热量的分配是可变的

对于逆流加热的炉子

其热工操作特点为

生产率升高时

应依次从出料端往进料端

逐渐开启烧嘴

生产率下降时

应依次从进料端往出料端

逐渐关闭烧嘴

供入热量的方式有两种

一是均匀供热

也就是说

各供热段供入的热量相同

只改变供热段的数量

二是非均匀供热

也就是说

在保证前段为最大允许供热量的

条件下

改变下一段的供热量

不同的供热方式

有不同的数学模型

需分别进行建模

下面 以一座连续式加热炉为例

研究其热工特性

该连续式加热炉的物理模型

如图所示

物料从左侧进入炉内

由左向右在炉内运行

燃料为焦炉煤气

排烟口位于炉子左端

烟气由右向左流动

物料宽度为1米

沿炉长方向铺满整个炉底

不考虑物料内部的温差

炉子有效长度为10米

净高为1米 净宽为1.4米

右侧为炉头 左侧为炉尾

由于供热量可变

需将炉子划分为若干小段进行分析

划分的段数越多

得到的结果越准确

同样的计算量也就越大

这里将炉子从炉头到炉尾分为十段

每段均可供入热量

为了减小计算量

同时 不歪曲问题的本质

我们做以下假设

一 各段相互之间的辐射传热

忽略不计

二 炉气与炉料之间的对流传热

忽略不计

三 各段供入的燃料均在该段内

燃烧完毕

四 热交换计算所用的

各段炉气温度

均用该段两端炉气温度的

算术平均值来代表

对于均匀供热炉子

我们有十种供热情况

一段供热 其它九段不供热

二段供热 其它八段不供热

三段供热 其它七段不供热等等

一直到十段全部供热

简明起见

我们只研究二 四 六 八 十段供热

这五种情况

现以十段均匀供热为例

说明建模的过程

设x为温度值

物料进出炉温度分别为20摄氏度

和1200摄氏度

以第一段为研究对象

其热平衡方程式e1为

1/10QDbP+0-1/10bPVnC1x2

-c2P（1200-x12）-Q1=0

其中 等号左侧第一项

为供入该段燃料的热量

第二项为上一段炉气代入该段热量

第三项为该段炉气带往下一段热量

第四项为该段内物料升温所需热量

第五项为该段的热损失项

同理 可列出2至10段的

热平衡方程式

e2一直到e10

第一段内

热交换方程式e11如下

C乘以小括号1/2 （x1+x2）

加上273小括号的4次方

乘以10的-8次方

减去C小括号1/2 1200+x12+273

小括号的4次方

乘以10的-8次方

减去C2乘以P再乘以小括号

1200减去x12等于0

方程中

第一项与第二项之差

为物料获得的总辐射换热量

第三项为物料热焓增加量

同理 可列出2至10段的

热交换方程式 e12至e20

由此我们得到了20个方程

假定每段的热损失已知

生产率P值人为给定

则有b x1 x2 一直到x20

共21个未知量

我们假定第一段和第二段内

炉气呈线性分布

当炉子的分段足够小时

这个条件是可以满足的

就可以得到方程

X1-X2=X2-X3

这样就有21个方程

使得方程组封闭

进一步假定每一供热量分配情况下

生产率P都有2100公斤每小时

按700公斤每小时的增加量

增加到15400公斤每小时

则可获得每一P值下的温度值

和单位燃耗b值

如果是八段供热

只需将e1至e10中的1/10改为1/8

e9和e10两式第一项改为0

供热段更少时可同理类推

对于均匀供热的炉子

有计算得到的单位热耗

与产量之间的关系 如图所示

可知 对于单条曲线

低产时单耗高

产量增加单耗下降

降至最低点后

单耗又逐渐增加

该规律与我们前面用经验法

得到的规律类似

即存在炉子的经济操作区

再看统一产量下

供热段数目越多 单耗越高

因此 为节约燃料

在满足工艺条件下

应尽量减少供热段数目

当产量较低时

采用两段式供热 单耗较低

只有当炉子产量高到两段式供热

不能满足要求时

才改为四段供热

产量更高时增加供热段数目

较合理的供热量分配

为如图所示的跃迁式折线

这样可以在生产率大幅度变动时

单耗不发生很大的变化

始终在经济区附近

也就是说

低产量时少供热段

高产量时多供热段

这样的操作能耗较低 较经济

当产量具体增加或减小到什么程度

才进行供热点数目的变化

这取决于具体的炉子结构

与操作条件

假设每段最大供热能力已知

则可根据同类炉子效率

和物料热平衡估算供热段数

与最大产量之间的关系

对于均匀供热的炉子

求得的热负荷与炉子产量之间关系

如图所示

可见 五条热负荷与产量关系曲线

均呈指数关系

与单耗经济操作线相对应的

热负荷操作线如图中的实线所示

当产量在2100至4700公斤每小时时

采用两段供热

此时热负荷从4.6升到8.4GJ/h

产量在4700到8040公斤每小时时

采用四段供热

此时 热负荷从8.4升到16.3GJ/h

产量在8040至10000公斤每小时时

采用六段供热

此时 热负荷从16.3

升到25.1GJ/h

连续炉的温度制度是指

炉气温度沿炉长的分布

其他条件一定时

供热量的分配和热负荷大小

是影响炉子温度制度的两大因素

现以炉子产量为4900公斤每小时的

情况为例

如图所示

纵坐标为温度 横坐标为距离

这里我们设物料入口处为原点

可以看出

一 供热段越多

炉气温度的分布越均匀

炉尾废气温度相差较大

十段供热比四段供热

废气温度高出430摄氏度

因此 加强了炉尾部分的传热

使物料升温提前

坐标5m处 物料温度相交于四段

高出300摄氏度左右

二 供热量分配和热负荷的变动

会很灵敏的反映到炉子温度制度上

在生产上

可以通过安装在炉子各段内的热电偶

测量的温度值为依据

来控制热负荷和调整供热量分配

要注意的是

炉温曲线在供热段与不供热段的

交接处不平滑

这不符合物理现象

且原因是由于忽略了各段之间的

辐射换热

下面讨论一下非均匀供热炉子的

热工特性

对于非均匀供热的炉子

假定各段的最大允许煤气量

均为Y立方米每小时

实际煤气量为nY立方米每小时

这里的n值大于等于0 小于等于1

则 各段的热平衡方程式如下

方程中 各项物理含义

与均匀供热的热平衡方程相同

即等号左侧第一项为

供入该段燃料的热量

第二项为上一段炉气带入该段热量

第三项为该段炉气带往下一段热量

第四项为该段内物料升温所需热量

第五项为该段的热损失项

每一段内的热交换方程式如下

式中n1 n2等等一直到n10

分别为第一段 第二段等等

到第十段的实际供热量等级数

计算中 各段的n值均分为五个等级

也就是说 n取0 0.25 0.5

0.75和1.0五个值

求解时 规定Y值和n值

即给定供入炉内的燃料消耗量

可求得P值和x2 x3一直到x20

共20个参数

设Y等于250立方米每小时

n取值分别如下

共21种情况

对这21种情况的计算结果进行分析

如图所示

为单位热耗与产量之间的关系图

其中 折线上的数字为供热段数目

可见

产量变化在3000至7000kg/h时

单耗在1834至2052kJ/kg

差值仅为218kJ/kg

热负荷与产量之间的关系

如图所示

是一条向上翘起的曲线

曲线的斜率逐渐变大

意味着产量较大时 进一步增产

会使得热量利用效率降低

我们以第七种和第十二种情况的

计算结果来分析温度制度

第七种情况的P等于5450kg/h

热负荷为10.4GJ/h

第十二种情况是P等于7460kg/h

热负荷为15.6GJ/h 如图所示

在高温区域 两种情况下温度接近

但在低温区

第十二种情况的炉气温度

较第七种情况的高了200摄氏度

相应的 第十二种情况下

物料升温提前

在距炉尾5米处

物料温度较第七种情况高约

100摄氏度

可见 可利用温度

监控供热量分配变化

来适应生产率的变化

从均匀供热和非均匀供热

两种情况的对比可见

采用非均匀供热更为合理

能节约更多的燃料

热负荷相同时

热料在炉内的利用效率

非均匀供热较高

今天的课程就到这里

谢谢大家