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1、工业炉概论,中南大学能源科学与工程学院张全,工业炉的发展,欧美日本俄罗斯中国,第一章 概述,1.1 工业炉概念定义：在工业生产过程中，为使原料按预期生成产品和材料的加热装置。特点：1）加热装置 2）使原料发生物理的、化学的变化；或兼而有之。,第一章 概述,1.2 工业炉的分类 1）按工业炉的热源分类 燃料炉 电炉 自热炉,第一章 概述,1.2 工业炉的分类 2）按工艺分类 熔炼 焙烧 干燥 加热 热处理 熔铸,第一章 概述,1.2 工业炉的分类 3）按作业方式分类 连续 间歇（周期）,第一章 概述,1.2 工业炉的分类4） 按布置方式 立式 卧式 井式,第一章 概述,1.2 工业炉的分类 5）
2、按 炉形状 室状 圆形 环形,第一章 概述,1.2 工业炉的分类6）按温度分类 低温 中温 高温,第一章 概述,1.2 工业炉的分类7）按加热方式分类 直热 间接,第一章 概述,1.2 工业炉的分类8）按物料运动方式 静止 重力 机械,第一章 概述,1.3 工业炉的基本要求 1）满足产品的产量和质量要求 2）满足低能源消耗的要求 3）建设与运行费用低4）寿命长5）工作条件好6）排放符合国家要求,第一章 概述,1.4工业炉理论的发展历史,第二章 工业炉基本原理,2.1 工业炉的系统构成（火焰炉）1）燃料系统 燃料供应系统：预处理、压力、分配、调节、保护 供风系统：压力、分配、调节,第二章 工业炉
3、基本原理,2.1 工业炉的系统构成（火焰炉）2）炉墙结构 炉墙、炉顶、炉底、炉门 炉子耐火结构 炉子保温结构 炉子承载结构,第二章 工业炉基本原理,2.1 工业炉的系统构成（火焰炉）3）炉子物流系统 加料系统 出料系统 排渣系统,第二章 工业炉基本原理,2.1 工业炉的系统构成（火焰炉） 4）炉子排烟系统 排烟口 烟道结构 余热利用系统 环保系统 负压系统（排烟机、烟囱）,第二章 工业炉基本原理,2.2 工业炉内传热1）炉内辐射传热 辐射温度 辐射系数 有效射线长度 角系数,第二章 工业炉基本原理,2.2 工业炉内传热2）炉内对流传热 对流温度 流动速度 炉气对物料的作用,第二章 工业炉基本原
4、理,2.3 炉子热工制度1）加热工艺制度 物料温度 加热的均匀性 加热速度 加热时间,第二章 工业炉基本原理,2.3 炉子热工制度2）温度制度 炉膛温度分布 物料温度分布 连续与间歇的区别,第二章 工业炉基本原理,2.3 炉子热工制度3）供热制度 燃料分配 风分配 燃烧分配的 预期 火焰长度,第二章 工业炉基本原理,案例1 熔铝炉的传热机理,铝工业加热过程的传热机理研究,26,主要内容,2,前言,烟气温度的影响,铝加工的传热形式,熔化方式,炉膛的空间尺寸,结论,3,一 背景,铝加工业现状,铝工业炉窑,我国是目前世界最大的铝材生产国，其中铝挤压材产量世界第一；板带材产量居世界第三，仅次于美国和德
5、国；箔材产量仅次于美国，居全球第二 。,苏州新长光、松江电炉、河南中色赛尔,4,二 烟气温度的影响,提高烟气温度,4,辐射传热公式,由上述公式可知：提高烟气温度(T1)，将增强辐射换热，加热效率随之提高。,5,吸收辐射热流密度随加热温度变化趋势,钢锭,项目,铝锭,黑度,0.8,0.2,铝锭和钢锭传热过程数值模拟结果对比,导热系数,48 W/(mK),164 W/(mK),0,30,60,90,120,0,50%,100%,150%,200%,氧化量增长百分数,17,温度增加值,熔炼温度一般控制在750左右，过高的温度会导致氧化烧损过高,熔铝过程是在高温环境下进行，辐射传热占主导地位，烟气的对流
6、换热可以忽略不计。,3,三 铝加工的传热形式,传热形式,采用高速烧嘴,可强化炉内传热;但采用高速烧嘴的同时，会导致氧化烧损的增加 。,3,四 熔化方式,装料,软化下榻,炉料化平,全部熔化,熔炼过程,铝熔体上下温差大 ，熔化缓慢 。,电磁搅拌技术实际生产表明： 缩短生产周期30%，提高生产率20%,3,五 炉膛的空间尺寸,基于辐射换热原理设计,基于对流换热原理设计,高温加热炉一般都基于辐射换热原理设计，由于炉膛内辐射换热占90%；实际上提高温度对铝的传热效果并不明显，因而熔铝炉基于辐射换热原理设计是不合适的。,必须使用高速喷嘴强化对流换热，但目前的熔铝炉空间尺寸限制了高速喷嘴的使用 。,3,六
7、结论,国际先进水平的 熔铝炉,节能,余热综合利用,废弃再循环,低氧弥散燃烧技术,高效,搅拌技术,适应性强,指标先进,案例2,基于计算机仿真的窑炉综合节能技术,基于计算机仿真的窑炉综合节能技术,据国家发改委统计我国工业窑炉每年消耗原煤约3亿多吨,窑炉 种类 台数 年耗煤(万吨) 能效比国外先进水平低水泥窑约 7800 16000 20%墙体材料窑炉 10万 6400 30%钢铁工业窑炉 6600 球团回转窑 20 50石灰炉 350 10%耐火材料窑 1900 10%20%。,国家节能中长期专项规划中指出:,我国在用中小锅炉约50万台实际运行效率65%左右, 年消耗煤炭3.5-4亿吨节煤潜力约7
8、000万吨“十一五”期间通过技术改造燃煤工业锅炉效率提高5个百分点，节煤2500万吨燃煤窑炉效率提高2个百分点，节煤1000万吨,窑炉能效低,单位产品能耗(2000年)(节能中长期专项规划),电力、钢铁、有色等8个行业主要产品单位能耗平均比国际先进水平高40%火电供电煤耗高22.5%大中型钢铁企业吨钢可比能耗高21.4%铜冶炼综合能耗高65%水泥综合能耗高45.3%，,国家发改委和科技部指出:工业炉窑存在的主要问题是装备陈旧落后，能耗高，操作水平低，缺乏节能技术国家发改委和科技部实施的“十一五”十大重点节能工程，第一项就是工业窑炉和锅炉的改造工程国家发改委和科技部强调:加快窑炉节能技术开发,基
9、于计算机仿真的工业窑炉综合优化节能技术,是提高窑炉能效的高科技关键技术是一种应用范围广泛的共性技术是产学研长期结合开发出来的比较成熟的节能技术,技术核心:窑炉节能计算机分析,对炉内的燃料燃烧(电热转换)，气体流动，热量传递等过程建立模型对炉内的温度场、流场、浓度场或电、磁、力场耦合计算机仿真以节能为目标进行优化设计新型节能窑炉改进现有窑炉优化控制操作过程有效地降低能耗,提高能源利用率,创新点提炼了工业窑炉的全息仿真和全息监测两个原创性的窑炉研究的技术路线发展了窑炉仿真节能理论和技术主要目标为我国工业窑炉的节能提供一条投资省、见效快的技术改造新路改造后的工业炉窑能耗降低530%,中南大学已经开发
10、出多场仿真节能软件有:铝电解槽、矿热电炉、贫化电炉、闪速炉、石灰炉、环式焙烧炉、熟料窑、蒸馏炉、锅炉等近二十种窑炉应用于:金川有色金属公司、江西铜业公司，韶关冶炼厂，沈阳冶炼场、葫芦岛锌厂、中国铝业公司河南分公司、山西分公司、贵州分公司、广西分公司、柳州钢铁公司、漣源钢铁公司等二十多个大型企业,全息仿真的主要步骤,工业窑炉的主要节能技术,高风温燃烧技术关键节能技术,高温空气燃烧实验炉不同条件时温度数值计算结果,高温空气燃烧实验炉不同条件时火焰特性实验结果,四通道燃烧器窑内煤粉燃烧过程的仿真,实测工况下窑内温度分布云图和等温线图,R0.4，n2.0，d86.4m，=30,四角切圆煤粉锅炉膜富氧局
11、部助燃技术,多个横截面温度分布,二次风口处横截面速度分布,炉膛内燃烧器区域温度降低，温度分布较为均匀，有利于降低NOx的排放浓度；减轻了火焰偏析现象，有利于防止结焦和水冷壁磨损事故的发生。,煤粉在炉膛中心混合后不同直径颗粒分布,不同直径颗粒轨迹,塔盘式锌精馏炉物理模型,模型结构示意图,喷口煤气、空气流量分布不均，煤气延时燃烧。是造成燃烧室空间温度分布不均,一次煤气,一次空气,二次空气,二次煤气,三次空气,Y方向不同截面温度分布,Y=0.915m,Y=0.305m,Y=0.305m,Y=0.915m,Y方向不同截面空气质量分数云图,Y=0.915m（南）,Y=0.305m,Y=0.305m,Y=
12、0.915m（北）,Y方向不同截面燃料质量分数云图,Y=0.915m(南),Y=0.305m,Y=0.305m,Y=0.915m（北）,炼铜闪速炉关键节能技术,颗粒轨迹与温度分布,闪速炉结构示意图,颗粒轨迹及烟尘率分析,反应塔内形仿真及挂渣分析,四角切圆煤粉锅炉,(a) 正宝塔配风,(b)腰鼓配风,(c) 均等配风,三种不同配风工况下纵截面的温度分布,旋风分离器,普通旋风分离器中不同截面的速度分布,优化后的旋风分离器中不同截面的速度分布,连铸中间包,中间包非等温流的水模实验结果(a)、(b)分别为热、冷流体注入中间包,中间包非等温流的仿真计算结果(a)、(b)分别为热、冷流体注入中间包,(a)
13、,(b),(b),(a),阳极焙烧炉,挡块优化前的冷态流场,火道内热态流场分布,挡块优化后的冷态流场,火道内温度分布,氧化铝管道化溶出系统,高温熔盐段管道横截面速度分布,高温熔盐段管道横截面温度分布,高温矿浆与石灰乳混合的数值模拟,铝电解槽槽膛内形的动态仿真,铝电解槽的槽膛内形动态显示,铝电解槽多物理场的仿真与优化关键节能技术,铝电解槽的母线结构与网格,铝液中部的电位与电流密度分布,y,By,x,换极后铝液中部磁场,母线优化后的铝液中部流场,母线优化后的铝液界面,熔盐炉不同燃烧方式下纵截面速度、温度分布图,烟气余热利用:高效换热器,石灰炉工艺流程图,石灰炉炉况诊断及多模型集成智能控制系统主控界面,炉壁散热的利用,炉壁散热的利用,谢谢!,人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。,
