硅酸盐工业热工基础.ppt

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1、硅酸盐工业热工基础,1.绪 论,本课程主要内容,1.绪论,本章主要内容 1.1 硅酸盐材料的定义和分类1.2 硅酸盐材料的共性和特点1.3 能源利用与硅酸盐工业节能1.4 热工基础的研究内容和学习要求,1.绪论,1.1 硅酸盐材料的定义和分类在人类发展的历史长河中，材料起着举足轻重的作用，材料是人类社会赖以生存和发展、征服自然和改造自然的物质基础。因此，材料是社会进步的物质基础和先导，是人类社会进步的里程碑。人类对材料的应用一直是社会文明进程的里程碑。纵观人类发展和材料发展的历史，可以清楚地看到，每一种重要新材料的发现和利用都会把人类支配和改造自然的能力提高到一个新的水平。,1.绪论,古代的石

2、器、青铜器、铁器等的兴起和广泛利用，极大地改变了人们的生活和生产方式，对社会进步起到了关键性的推动作用，这些具体的材料(石器、青铜器、铁器)被历史学家作为划分某一个时代的重要标志，即石器时代、青铜器时代、铁器时代等。人类社会可分为以下几个时代：,1.绪论,(一)石器时代 Stone Age：以石头制造工具。旧石器时代早在100万年以前，人类开始以石头做工具。,1.绪论,新石器时代1万年前，人类对石头进行加工金坛三星村新石器时代遗址孟津妯娌新石器时代聚落遗址,1.绪论,燧石：神奇的石头，这种容易制成工具的石头，开始了制陶业的发展，约在八千年前。陶器第一种人造材料,(二)陶器时代 Pottery

3、Age：新石器后期，人类发明了用粘土成型，再火烧固化而制成陶器，从而进入陶器时代。,1.绪论,目前考古发现的陶器，在亚洲有中国江西省万年县大源乡仙人洞的陶器和日本最早的绳纹陶(公元前8000年左右)；在欧洲，在希腊半岛发现的陶瓷约在公元前6000至5000年；在美洲大陆，已发现的陶器约在公元前6000年前左右。陶器时代是人类文明史上的重要飞跃，陶器的发明不仅成为这一阶段的最重要的物质文明的创造，同时也成为这一时期最重要的生产工具。,1.绪论,1.绪论,(三)青铜器时代 Bronze Age：人类大量制造和使用第二种人造材料“红铜”和“青铜”。烧制陶器过程中还原出金属铜和锡，创造了炼铜技术，生产

4、出各种青铜器物，进入了青铜器时代。古希腊大约在公元前3000年以前，埃及是公元前2500年前，中国是夏代(公元前2000年左右)，欧洲是公元前1800年前后进入青铜器时代。这是人类大量利用金属的开始，是人类文明发展的重要里程碑。,1.绪论,1.绪论,(三)铁器时代 Iron Age：人们开始使用铁来制造工具和武器的时代。人类制造和使用的第三种人造材料铸铁，此后是钢铁工业的迅猛发展，成为18世纪产业革命的重要内容和物质基础。冶炼青铜的基础上逐渐掌握了冶炼铁的技术之后，铁器时代就到来了。世界上最早使用铁器是小亚细亚的赫梯人在公元前1400年左右，古希腊和古罗马开始普遍使用在公元前1000年。中国最

5、早在春秋战国晋国(大致公元前700年)，铁器的广泛使用，使人类的工具制造进入了一个全新的领域，生产力得到极大的提高。,1.绪论,铁器的使用，导致了世界上一些民族从原始社会发展到奴隶社会，也推动了一些民族脱离了奴隶制的枷锁而进入了封建社会。,1.绪论,(三)新材料时代 New Material Age人类社会发展到20世纪中叶以来，科学技术突飞猛进，日新月异，新材料研制异常活跃，出现了称之为聚合物时代、半导体时代、先进陶瓷时代和复合材料时代等种种提法。,高分子时代20世纪初，人工合成高分子材料问世，如1909年的酚醛树脂(胶木)，1925年的聚苯乙烯，以及1941年的尼龙等，并发展十分迅速。如今

6、，世界年产量已超过钢。,1.绪论,陶瓷时代20世纪50年代后，通过一些特殊制备方法，制造出一系列先进陶瓷，由于其资源丰富、比重小、耐高温、耐磨等优点，很有发展前途，用途在不断扩展。复合材料时代 最具有发展前途的是复合材料，因为这类材料具有每种单质材料所不具备的性能。,1.绪论,当今，材料的种类及其繁多，各种新材料不断涌现，很难用一种材料来代表当今时代的特征。所以称之为新材料时代。20世纪下半叶开始，人类历史进入新技术革命时代，材料、能源、信息一道被公认为现代文明的三大基础支持。材料是全球新技术革命的四大标志之一(新材料技术、新能源技术、信息技术、生物工程技术)。材料科学的发展不仅是科技进步、社

7、会发展的物质基础，同时也改变着人们在社会活动中的实践方式和思维方式，由此极大地推动社会进步。,1.绪论,新材料的特点、趋势：特点：1.特殊性(超强度、超塑性、超导性等)2.制备和生产和新技术、新工艺紧密相关。3.更新换代快，式样多变。4.发展和理论的关系比传统材料更密切。趋势：1.从均质材料到复合材料2.由结构材料到功能材料，多功能材料并重3.材料结构的尺度向越来越小的方向发展.4.由被动性材料到具有主动性的智能材料5.通过仿生途径来发展新材料,1.绪论,1.1.1 定义什么是材料？What is Material?材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。材料是物质，但不

8、是所有物质都可以称为材料。燃料和化学原料、工业化学品、食物和药物，一般都不算是材料。材料总是和一定的用场相联系，可由一种或若干种物质构成。简而言之，材料是具有指定工作条件下使用要求的形态和物理状态的物质；或者说，材料是一种具有某种使用价值的物质，一般是固体状，也可能是液体或气体。,1.绪论,什么是硅酸盐材料？硅酸盐材料或硅酸盐制品是指以天然的硅酸盐矿物为主要原料，经高温处理制成的材料或制品，生产这种材料或制品的工业称硅酸盐工业。传统的硅酸盐材料是无机非金属材料的主要构成部分。硅酸盐材料属无机非金属材料。“硅酸盐”一词，从化学角度出发，它是由SiO2和金属氧化物所形成的盐类。实际工作中除化学概念

9、所涉及的领域外，还包括用不含Si的氧化物(单一氧化物如Al2O3或复合氧化物如BeOTiO2)、氮化物、碳化物、硼化物、卤化物和碳素材料(如石墨)以及其他非金属单质(如硒Se)等原料经高温处理制成的材料和制品。,1.绪论,虽然它们的成分不是硅酸盐，但因制备方法与人造硅酸盐相同，在中国也把这些材料概括在广义的硅酸盐材料范畴之内，和国际上广义的“陶瓷ceramics”以及日本的“窑业”具有同一涵义。直到20世纪初期，水泥、玻璃、陶瓷、耐火材料四大家族在无机非金属材料王国中一直占有绝对的统治地位，被统称为硅酸盐材料。近几十年来，由于工业的需要和科学技术的飞跃发展，新型的无机材料不断出现。硅酸盐材料组

10、成范围广，结构多种多样，具有各种优异性能，因此在工业生产和科学研究中发挥着越来越大的作用。,1.绪论,1.1.2 分 类材料的特性和用途：结构材料、功能材料结构材料：利用力学性能承受载荷功能材料：利用特殊的物理性能(电、热、磁等)材料的组成：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料材料尺寸：一维、二维、三维材料内部原子排布：晶态与非晶态材料热力学状态：稳态与亚稳态,1.绪论,硅酸盐材料主要是指由SiO2及其硅酸盐化合物为主要成分制成的材料，包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。1、陶瓷中国是世界著名的陶瓷古国，早在八千年前的新石器时代，我国的先民就已经会制造和使用陶瓷了。陶瓷一般是由黏土

11、、长石、石英或其他原料经粉碎、混合、成型、干燥、烧制而成的制品的统称。日用陶瓷：碗、盘、盆、缸、砂锅等建筑陶瓷：瓷砖、卫生洁具(中国产量约占世界1/4)等高温陶瓷：坩埚、发热体、热交换器、热保护套管等耐蚀陶瓷：酸碱的储槽、容器、反应器、化工填料等耐磨陶瓷：砂轮、砂纸、油石、磨料等电工陶瓷：绝缘、耐压部件、电瓷等,1.绪论,1.绪论,2、水泥水泥是当前工业建设中用量最大的材料，高楼大厦、公路、桥梁、隧道、机场、机床的基座等无不是用水堆积而成，目前全世界的水泥年产量达20多亿吨，中国水泥年产量列世界第一(连续二十多年)，约占总产量的一半。最常用的硅酸盐水泥是由石灰石、黏土和铁矿石为原料，按一定的比

12、例混合并磨细形成所谓生料，经1450的高温煅烧成为熟料，然后加入一定量的石膏后再次磨细即为水泥。“两磨一烧”,1.绪论,硅酸盐水泥熟料的成分一般为：3CaOSiO237-60%;2CaOSiO215-37%;3CaOAl2O37-15%;4CaOAl2O3Fe2O310-18%;及少量MgO。从化学组成看，水泥是以硅酸钙为主的无机材料，水泥加水形成胶体，静置一段时间后可自动凝固形成坚硬的固体，所以也称为胶凝材料。,水泥和砂子、石子混合即构成耐压强度极高的混凝土，如用钢筋加强即为钢筋混凝土。,1.绪论,3、耐火材料耐火材料是能够满足高温条件下使用要求的无机非金属材料。即高温使用时不熔解、不分解、

13、不氧化变质，并具有一定的牢固性，通常规定其耐火度在1580以上，主要用于高温冶炼、煅烧、熔制、加热等工业炉的内衬、墙体、窗口等，在冶金工业中有突出重要的地位。耐火材料品种繁多，按其化学-矿物组成可分为：1、硅质制品硅砖(silica brick)主要由鳞石英、方石英以及少量残余石英和玻璃相组成的酸性耐火材料。以天然硅石为原料，外加适量矿化剂，以促进坯体中的石英转化为磷石英。在还原气氛下经1350-1430缓慢烧成。SiO2含量93以上。真密度2.38g/cm3。具有抗酸性渣侵蚀性能。较高的高温强度。荷重软化开始温度1620-1670。在高温下长期使用不变形。,1.绪论,石英制品主要是指众多以石

14、英玻璃材料做成的产品。主要包括石英玻璃管、石英玻璃棒、熔凝石英玻璃管(炉芯管)、熔凝石英玻璃棒、石英玻璃舟、石英玻璃坩埚等。其原材料取自SiO2纯度在99.5%以上的精制石英砂,精选优质矿石进行复杂加工而成。,1.绪论,2、硅酸铝质制品半硅砖(semisilica brick)含氧化铝15%-30%、SiO2含量大于65%的硅酸铝质耐火材料。采用的主要原料有叶蜡石、硅质黏土、高岭土、泡沙石和白泥等。经成型、烧成而制得。高温体积稳定。体积变化较小。耐热震性优良。用于玻璃熔窑、盛钢水桶、加热炉、化铁炉、炼钢平炉蓄热室等。,1.绪论,黏土砖普通黏土砖：具有规整形状的黏土耐火材料的总称。主要化学成分为

15、氧化铝和二氧化硅，还含有起熔剂作用的三氧化二铁、氧化钙、氧化钾、氧化钠、二氧化钛等。分为普通黏土砖、多熟料黏土砖、全生料黏土砖、高硅质黏土砖等。具有高温性能好、耐热震性较好等特性，以硬质黏土熟料(全生料黏土砖为生料)为原料、加入适量可塑性黏土，经可塑成型或半干法成型，再经烧结而成。高级黏土砖：耐火度不低于1699的黏土质耐火砖。有普通的、耐崩裂的、耐渣蚀的三种。,1.绪论,高铝砖(high-alumina brick)氧化铝含量在48%以上的一种中性耐火材料。由矾土或其他氧化铝含量较高的原料经成型和煅烧而成。热稳定性高，耐火度在1770以上。抗渣性较好。a、耐火度高铝砖的耐火度比粘土砖和半硅砖

16、的耐火度都要高，达17501790，属于高级耐火材料。b、荷重软化温度因为高铝制品中Al2O3高，杂质量少，形成易熔的玻璃体少，所以荷重软化温度比粘土砖高，但因莫来石结晶未形成网状组织，故荷重软化温度仍没有硅砖高。c、抗渣性高铝砖中Al2O3较多，接近于中性耐火材料，能抵抗酸性渣和碱性渣的侵蚀，由于其中含有SiO2，所以抗碱性渣的能力比抗酸性渣的能力弱些。,1.绪论,刚玉砖(corundum brick)Al2O3的含量90、以刚玉为主晶相的耐火材料制品。很高的常温耐压强度(可达340MPa)。高的荷重软化开始温度(1700)。很好的化学稳定性，对酸性或碱性渣、金属以及玻璃液等均有较强的抵抗能

17、力。热震稳定性与其组织结构有关，致密制品的耐侵蚀性能良好，但热震稳定性较差。分为烧结刚玉砖和电熔刚玉砖两种。可分别用烧结氧化铝和电熔刚玉作原料或Al2O3/SiO2比高的矾土熟料与烧结氧化铝配合，采用烧结法制成。也可用磷酸或其他黏结剂制成不烧刚玉砖。主要用于炼铁高炉和高炉热风炉、炼钢炉外精炼炉、滑动水器、玻璃熔窑以及石油化工工业炉等。,1.绪论,3、镁质和白云石质制品镁砖(magnesite brick)MgO含量在90%以上、以方镁石为主晶相的碱性耐火材料。一般可分为烧结镁砖(又称烧成镁砖)和化学结合镁砖(又称不烧镁砖)两大类。纯度和烧成温度高的镁砖，由于方镁石晶粒直接接触，称为直接结合镁砖

18、；用电熔镁砂为原料制成的砖称为电熔再结合镁砖。镁砖有较高的耐火度，很好的耐碱性渣性能，荷重软化开始温度高，但抗热震性能差。烧结镁砖以制砖镁砖为原料，经粉碎、配料、混练、成型后，在1550-1600的高温下烧成，高纯制品的烧成温度在1750以上。不烧镁砖是在镁砂中加入适当的化学结合剂，经混炼、成型、干燥而制成。,1.绪论,镁铝砖(magnesia-alumina brick)用镁砂和少量工业氧化铝或矾土为原料烧制而成的一种碱性耐火材料。热稳定性比镁砖好，耐火度在1580以上。能耐碱性熔渣的侵蚀。制品中MgO含量为85%左右，氧化铝含量为5%-10%，以方镁石为主晶相、镁铝尖晶石为次晶相(作为主要

19、结合相)的碱性耐火材料。显气孔率一般为15-18%。热膨胀系数为10.610-6/。抗热震性比相应的镁砖好。由于基质中分布有熔点较高的镁铝尖晶石，其高温强度较高，荷重软化开始温度在1580以上。抗渣性也较好。一般以优质烧结镁砂为粒状料，加入按一定比例配合的镁砂同生矾土或轻烧矾土熟料或工业氧化铝组成的细粉，经混炼、成型和烧成而制得。,1.绪论,镁铬砖以MgO和Cr2O3)为主要成分，方镁石和尖晶石为主要矿物组分的耐火材料制品。这类砖耐火度高，高温强度大，抗碱性渣侵蚀性强，热稳定性优良，对酸性渣也有一定的适应性。,制造镁铬砖的主要原料是烧结镁砂和铬铁矿。镁砂原料的纯度要尽可能高，铬铁矿化学成分的要

20、求为：Cr2O330-45，CaO不大于。,1.绪论,白云石砖(dolomite brick)由煅烧过的白云石砂制成的耐火材料制品。通常含CaO40以上，MgO35以上，还含有少量的SiO2、Al2O3、Fe2O3等杂质。天然白云石的CaO/MgO比波动较大，若砖中的CaO/MgO比小于1.39，则称为镁质白云石砖。白云石砖按生产工艺可分为：焦油(沥青)结合不烧砖、轻烧油浸砖和烧成油浸砖。白云石砖含游离CaO，在空气中易于水化崩裂，不宜长期存放。原料白云石是碳酸钙和碳酸镁的复盐，分子式为CaCO3MgCO3，六方晶系，比重2.802.99，莫氏硬度3.54.5，理论组成为 CaO30.41、M

21、gO21.87、CO247.72，CaO/MgO比为1.39。,1.绪论,4、碳质制品炭砖(carbon refractory)由焦炭或热处理过的无烟煤与煤焦油等在还原焰中烧成的一种中性耐火材料。含碳约88%-90%。具有高的热稳定性、耐火度、导热性和导电性。能抗熔融金属和熔渣的侵蚀，但易被氧化。主要用于熔融金属与炉的砌筑体接触的地方。,1.绪论,石墨黏土制品石墨耐火材料graphite refractory以石墨为主要成分的耐火材料。有的也将以石墨和黏土为主要原料而制成的耐火制品列入此类，按黏土和石墨的含量分别称为黏土石墨制品(石墨含量多)和石墨黏土制品(黏土含量多)。石墨制品也可以用碳质耐

22、火材料在电阻炉中经25002800保温，使之石墨化而制成。石墨制品可用作化学工业的反应槽和高压釜内衬。石墨块在电解金属镁、镍等工业中可用作电极材料。还大量用于制作耐腐蚀热交换器及砌筑高温炉。黏土石墨制品，可用作坩埚、塞头和水口砖等。,1.绪论,5、锆质制品锆英石(Zircon Products，ZrSiO4)用于耐火材料(称为锆酸盐火砖、如锆钢玉砖等)，铸型用砂(精型用砂(精密铸件砂型)，陶瓷及搪瓷器具，此外也用于金属(海绵锆)、合金、玻璃以及化合物(二氧化锆、氯氧化锆、锆酸钠、氟锆酸钾、硫酸锆等)。锆英砂(锆英石)多与钛铁矿、金红石、独居石、磷钇矿等共生于海滨砂中，经水选、电选、磁选等选矿工

23、艺分选后而得到。纯净的锆英砂为无色透明的晶体，常因产地不同、含杂质的种类与数量不同而染成黄、橙、红、褐等色，硬度7.8，比重，折射率，熔点为2550。,1.绪论,锆英石用于耐火材料(称锆质耐火材料，如锆刚玉砖，锆质耐火纤维)，铸造行业铸型用砂(精密铸件型砂)，精密搪瓷器具，此外也用于玻璃、金属(海绵锆)以及锆化合物(二氧化锆、氯氧化锆、锆酸钠、氟锆酸钾、硫酸锆等)的生产中。锆英石特征：一般晶形较好，成正方形短柱状，少数呈长柱状晶体、双锥晶体，也有简单的柱状及复杂的柱状和不规则之粒状等，颜色为白色、淡黄色、黄色、粉红色，以白色透明居多，条痕无色、金属光泽，半透明，大部分在荧光灯下发黄光，部分不发

24、光。仿钻,1.绪论,4、玻璃玻璃是硅酸盐家族中的又一个古老而辉煌的成员。早在3500年前，古埃及人就创造了玻璃，这是西方古代文明的象征之一。中国平板玻璃产量占世界产量约1/4。平板玻璃产量已经连续近二十年位居世界第一。玻璃的定义：一种较为透明的液体物质，在熔融时形成连续网络结构，冷却过程中粘度逐渐增大并硬化而不结晶的硅酸盐类非金属材料。广义：凡熔融体通过一定方式冷却而成的无定形体，因粘度的不断增加而具有固体的机械性质和一定结构特征者，不管其化学组成和固化温度范围如何，都称为玻璃,1.绪论,玻璃的历史玻璃最初由火山喷出的酸性岩凝固而得。约公元前3700年前，古埃及人已制出玻璃装饰品和简单玻璃器皿

25、，当时只有有色玻璃，约公元前1000 年前，中国制造出无色玻璃。公元12世纪，出现了商品玻璃，并开始成为工业材料。18世纪，为适应研制望远镜的需要，制出光学玻璃。1873年，比利时首先制出平板玻璃。1906年，美国制出平板玻璃引上机。此后，随着玻璃生产的工业化和规模化，各种用途和各种性能的玻璃相继问世。现代，玻璃已成为日常生活、生产和科学技术领域的重要材料。,1.绪论,3000多年前，一艘欧洲腓尼基人的商船，满载着晶体矿物“天然苏打”，航行在地中海沿岸的贝鲁斯河上。由于海水落潮，商船搁浅，船员便登上沙滩，抬来大锅，搬来木柴，并用几块“天然苏打”作为大锅的支架，在沙滩上做起饭来。吃完饭，开始涨潮

26、了。他们正准备收拾一下继续航行时，突然有人发现锅下面的沙地上有一些晶莹明亮、闪闪发光的东西！这些闪光的东西，是天然苏打，在火焰的作用下，与沙滩上的石英砂发生化学反应而产生的晶体，这就是最早的玻璃。后来腓尼基人把石英砂和天然苏打和在一起，然后用一种特制的炉子熔化，制成玻璃球，使腓尼基人发了一笔大财。,1.绪论,大约在4世纪，罗马人开始把玻璃应用在门窗上。到1291年，意大利的玻璃制造技术已经非常发达。“我国的玻璃制造技术决不能泄漏出去，把所有的制造玻璃的工匠都集中在一起生产玻璃！”就这样，意大利的玻璃工匠都被送到一个与世隔绝的孤岛上生产玻璃，他们在一生当中不准离开这座孤岛。1688年，一名叫纳夫

27、的人发明了制作大块玻璃的工艺，从此，玻璃成了普通的物品。我们现在使用的玻璃是由石英砂、纯碱、长石及石灰石等为原料，经混和、高温熔融、匀化后，加工成形，再经退火而得。,1.绪论,玻璃也属于硅酸盐系列，普通玻璃化学氧化物的组成为：Na2OCaO6SiO2，主要成份是SiO2，如常用的平板玻璃的成分为SiO2约72%，Na2O约13%，CaO约11%，MgO约3%，也是以SiO2为主体的多种氧化物复合体。你可能看到过，玻璃工人把一玻璃管放在火上烧，逐渐地变红、变软，然后把一头封死，从另一头向内吹气，于是一根玻璃管变成了一个烧瓶用相似的方法可以把玻璃做成各种精美的制品。,1.绪论,玻璃不是化合物，没有

28、一定的化学分子式，其化学成分是可以改变的。玻璃是无定形体，不是晶体，是经过冷却的液体，融化时没有一个固定的温度，即没有熔点。玻璃具有优良的光学性能和化学稳定性，可以通过化学组成的调整和各种处理工艺来大幅度地改变其物理和化学性能，以适应多种不同的实用要求。可以用吹、压、拉、铸等多种方法，制成空心、薄壁或实心的各种制品，还可以实现器件之间的焊接。在建筑、化工、光学仪器、化学分析仪器、轻工、医疗器械、电子真空系统均有广泛而重要的用途，还可做成精美的工艺美术作品。,1.绪论,1.2 硅酸盐材料的共性和特点1.2.1 硅酸盐材料的共性硅酸盐材料虽然分为四大类，但各类硅酸盐材料在其微观结构、宏观性能和生产

29、工艺方面有共同点。a、微观结构一般硅酸盐材料是由晶体、玻璃体和气体组成的复杂系统，其中晶体和玻璃体可能是单晶、多晶、完全玻璃体或晶体和玻璃体的复合物。传统硅酸盐材料的结构虽然变化很多，但它们的基本结构单元均为硅氧四面体SiO44-,1.绪论,b、宏观性能由于硅氧化学键强很高，结合牢固，硅酸盐材料或制品一般都具有良好的力学性能、较强的化学稳定性和耐高温性能。但由于材料中原子或离子排列的方式不同，各类硅酸盐材料的性能如热传导、光学性能、扩散、形变、劈裂、介电性和磁性均有不同。c、制作工艺各种硅酸盐材料制作的工艺的主要共同点是高温处理(烧结或烧融)，不同点是原料组成和工艺流程存在着显著的差别，工艺流

30、程包括原料处理、原料组成、成型过程、烧成温度和冷却速度等环节。,1.绪论,1.2.2 硅酸盐工业的特点主要特点：运输量大、污染较大、能耗大、需水量大a、运输量大由于硅酸盐工业是以天然的硅酸盐矿物为主要原料，且产品体积大，所以进入工厂、工厂内部生产车间及产品出厂的运输量都非常大。b、污染较大由于燃烧产生大量气态、固体污染物及生产中产生大量粉尘，所以污染较大。,1.绪论,c、耗能大由于硅酸盐工业是对天然的硅酸盐矿物进行热加工，且要求部分熔融或全部熔融，加之对天然矿物的粉碎，所以需要消耗大量的热能和电能。硅酸盐工业是仅次于电力、冶金、化工的第四大能耗部门。d、需水量大主要是生产直接用水和生产过程中的

31、冷却水用量较大。,1.绪论,1.3 能源利用与硅酸盐工业节能翻开人类的发展史，不难看到人类社会的发展与人类对能源的开发、利用息息相关。能源的开发和利用水平是衡量社会生产力和社会物质文明的重要标志，而且关系着社会可持续发展和社会的精神文明建设及和谐社会的建立。掌握和了解能源的基本知识，不但对材料工程技术类专业人才是必需的，而且对于机械、电子自动化、建筑、工业企业管理等专业人才培养和未来发展也是不可缺少的。尤其是历史已进入21世纪，为培养和造就具有创新精神的复合型高职人才和全面提高各类人才的科学素质，掌握能源知识是十分必要的。,1.绪论,1.3.1 能源及其分类所谓能源：是指可能为人类提供各种能量

32、和动力的物质资源。迄今为止，由自然界提供的能源有太阳能、风能、水力能、地热能、燃料的化学能、原子核能、海洋能以及其他一些形式的能量。人们从不同角度对能源进行了多种多样的分类。能源可以根据来源、形成条件、利用技术状况、污染程度以及性质等进行分类。,1.绪论,a、按来源分大致可分为三类1.来自地球以外的太阳辐射能。除了直接的太阳能外，煤、石油、天然气以及生物能、水力能、风能和海洋能也都间接地来源于太阳能。2.来自地球本身的能量。一种是以热能形式储存于地球内部的地热能(如地下蒸汽、热水、和干热岩体)另一种是地球上的铀、钍等核燃料所具有的能量，即原子核能。3.来自月球和太阳等天体对地球的引力，而以月球

33、引力为主，如海洋的潮汐能。,1.绪论,b、按形成条件分两大类：一次能源和二次能源。一次能源也就是天然能源，是指自然界中现成存在、可直接取得而不改变其基本形态的能源，如原煤、原油、植物秸秆、天然气、水力能、风能、海洋能和地热能等。一次能源中又可分为：可再生能源和非可再生能源。可再生能源：指可以连续再生，不会因使用而逐渐减少的能源。这类能源大都直接或间接来自太阳能，如太阳能、水力能、风能、地热能等；非可再生能源：指不能循环再生的能源，它们会随着人类不断地使用而逐渐减少，如煤、石油、天然气和核燃料等二次能源也就是人工能源，是指由一次能源经过加工转换成另一形态的能源，如煤气、焦炭、汽油、柴油、电、沼气

34、、氢气、高温蒸汽等。,1.绪论,c、按技术利用状况分在不同历史时期和不同科技水平条件下，能源使用的技术状况不同，从而可将能源分为：常规能源和新能源常规能源：在现有技术条件下，人们已经大规模生产和广泛使用的能源，如煤、石油、天然气和水力能等新能源：目前科技水平条件下尚未大规模利用或尚在研究开发阶段的能源，如太阳能、地热能、潮汐能、生物能、风能和原子核能等。常规能源和新能源的分类是相对的，如，原子核能在中国属于新能源，但在发达的西方国家和俄罗斯应用核裂变作为动力和发电已经成为成熟技术，并得到广泛应用，因此核能即将或已成为常规能源。,1.绪论,然而，如果考虑和平利用核能聚变作为能源，则无论在中国还是

35、在发达国家都有大量技术问题要解决，从这个意义上讲，核能仍被视为新能源。即使是一般意义上的常规能源，当研究利用新的技术进行开发时又可被视为新能源。如磁体发电，利用的燃料仍然是常规的煤、石油和天然气等，和常规的火电厂不同的是将气体加热成高温等离子体通过强磁场而直接发电，此时的常规燃料又是新能源。又如风能和沼气亦是如此。,1.绪论,d、按污染程度分分为：清洁能源和非清洁能源清洁能源无污染或污染很小的能源，如太阳能、风能、水力能、氢能和海洋能等。非清洁能源对环境污染大的能源，如煤、石油e、按性质分分为：含能体能源和过程性能源。含能体能源指集中储存能量的含能物质，如煤、石油、天然气和核燃料等。过程性能源

36、指物质运动过程中产生和提供的能量，此种能量无法储存并随着物质运动过程结束而消失，如水力能、风能和潮汐能等。,1.绪论,能源分类的方法很多，除了以上几种还有其他的一些分类方法。但对于现阶段而言，更多的是采用一次能源和二次能源的概念，着眼于一次能源的开发和利用，并按常规能源和新能源进行研究。这样的分类如表1-1。,1.绪论,1.3.2 能源与可持续发展经济的发展、社会的进步和人类物质文明、精神文明及生活水平的提高，都离不开能源。然而，作为人类赖以生存基础的能源，在其开采、输送、加工、转换、利用和消费过程中，都必然对生态系统产生各种影响，成为环境污染的主要根源。1.温室效应与热污染空气是氮气、氧气、

37、氢气、二氧化碳和水蒸汽等气体的混合物。由气体辐射理论可知，氮气、氧气和氢气等双原子气体对红外线具有辐射和吸收能力，它们能使太阳的可见光短波射线自由通过，却吸收地面上发出的红外热射线。,1.绪论,随着能源消耗量的不断增加，向空气中排放的二氧化碳等气体量不断增加，破坏了原来自然环境中二氧化碳量的自然平衡。过多的二氧化碳，不阻碍太阳辐射中的可见光(短波)，任其自由通过达到地面，但却较多地吸收地面红外辐射(长波)，减少了地球表面散失到宇宙的热量，导致地球表面上气温升高，造成所谓“温室效应”。据统计，第一次工业革命(18世纪，产业革命)到1959年，大气CO2浓度增加了13%(体积分数)，1959199

38、7年，CO2浓度又增加了13%，导致全球气候变暖趋势加快。现在全球平均温度与100年前比较，提高了0.61。,1.绪论,计算机预测表明，当CO2浓度增加为目前的两倍时，地面平均温度将上升1.54.5。这将引起南极冰山融化，导致海平面升高和淹没大片陆地，同时破坏生态平衡。由温室效应引起的全球气候变暖问题已引起全世界的关注。节能减排、低碳经济如果说“温室效应”使大气温度逐渐上升是一种“热污染”，那么在能源消耗和能量转换过程中由冷却水排热造成的是另一种“热污染”。用江河、湖泊水作冷源的火力发电厂和核电厂，冷却水吸收汽轮机放出的热量后，温度上升69。然后再返回到江河、湖泊中。,1.绪论,于是大量的热量

39、(300MW的火电厂每小时排放约1.4 1012 J的热量)被排放到自然水域中，使电厂附近的水域温度升高，从而导致水中含氧量降低，影响水生生物的生存，同时使水中藻类大量繁殖，破坏自然水域的生态平衡。除了这种热污染外，采用冷却塔的火电厂和核电厂，会使周围空气温度升高，湿度增大，这种温度较高的湿空气对电厂周围建筑、设备均有强烈的腐蚀作用。这种热污染不仅仅来自电厂的冷却水排热，原则上一切能量转换和能源消耗过程都不可避免地伴随着热损失，这些热损失最终都将以低温热能的形式传给环境，而造成污染。如工业锅炉、工业窑炉、工业用各种冷却设备等均不可避免地造成热污染。,1.绪论,2.酸雨化石燃料，尤其是煤，燃烧后

40、会产生大量的SO2和NOx，这些气体排放到大气后，会产生pH值低于正常值的酸雨(pH5.6)。酸雨的下降使土壤的酸度上升，影响树木、农作物健康生长。例如，德国巴伐利亚山区的某森林区的树木有1/4因酸雨死亡。酸雨使得湖泊水酸度增加，水生生态系统被破坏，某些鱼群和水生物绝迹；酸雨造成建筑、桥梁、水坝、工业设备、名胜古迹和旅游设施的腐蚀；酸雨还造成地下水和江河水酸度增加，直接影响人类和牲畜饮用水的质量，影响人畜健康。,1.绪论,20世纪70年代酸雨造成的污染在世界上仅是局部性问题，进入80年代后，酸雨危害日趋严重并扩展到世界范畴，成为全球面临的严重环境问题之一。世界各国都在采取切实有效的措施控制SO

41、2和NOx的排放，其中最重要的方法是洁净煤技术的开发与推广。3.臭氧层的破坏臭氧(O3)是氧的同素异形体，它存在于距地面35km左右的大气平流层中，形成臭氧层。臭氧层能吸收太阳射线中对人类和动植物有害的紫外线的大部分，是地球防止紫外线辐射的屏障。,1.绪论,但是，由于工业革命以来能源消费的不断增加，人类过多地使用氟氯烃类物质作为制冷剂和作为其他用途，以及燃料燃烧产生的N2O，造成臭氧层中臭氧被大量循环反应消耗而迅速减少，形成所谓臭氧层空洞，导致臭氧层破坏。近年研究表明，自1984年英国科学家首先发现南极上空出现臭氧层空洞以来，臭氧层空洞正迅速扩大。这将导致地球上人类及动植物免受有害紫外线辐射的

42、屏障受到破坏，使人类皮肤癌等疾病增加，危及人类健康和生存；同时使地球上的动植物受到危害，导致生态平衡的破坏。,1.绪论,为了保护臭氧层，1978年的蒙特利尔条约提出了对氟氯烃类物质限制使用和最后禁止使用的期限。对能源利用而言，发展低NOx燃烧技术及烟气、尾气的脱硝是减少N2O排放的关键。4.放射性污染核电站的核燃料在开采、运输和核废料的处理中若发生失误，或电站核反应堆发生核泄漏，会给环境造成严重污染。从污染源对人和动植物的危害程度看，它所产生的污染比其他污染更为严重。除核燃料存在核污染问题外，烧煤电站也存在。常规火电站除了非放射性污染外，烟囱排放物中也存在放射性物质，主要是氡222。,1.绪论

43、,5.其他污染粉尘、烟雾、SO2、NOx和H2S等大气污染物；排放物中的重金属污染物；镍、铬等致癌物质，烟尘中吸附的环芳烃是强致癌物质。随着经济的不断增长，出现了能源危机，提出了可持续发展。,1.绪论,1.3.3 热能的合理利用1.热能的利用回顾人类利用能源的各个时期和目前世界各国的能源构成，人类利用的主要能源有水力能、风能、地热能、太阳能、燃料的化学能和原子核能。在这些能源中，除水力能和风能是机械能外，其余都是直接或间接向人类提供热能形式的能量，例如太阳能和地热能是直接的热能，燃料的化学能，包括固态的煤、液态的石油或气态的天然气，都是通过燃烧将化学能释放变为热能供人类利用。烧分子烧原子，都是

44、最终转变为热,1.绪论,统计表明，以热能形式提供的能量占了能源相当大的比例。我国的发电仍以火电为主，占全国总发电量的80%。因此从某种意义上讲，能源的开发和利用就是热能的开发和利用。表1-2 世界一次能源消费结构 P7,1.绪论,2.热能的利用形式热能的利用可分为：直接利用和间接利用。直接利用是指直接用热能加热物体，热能的形式不发生变化，如取暖、烘干、冶炼、煅烧以及化工过程利用热能进行分解或化合等，以满足人类生产和生活的需要。间接利用是指把热能转换为机械能，或进而在转变为电能，以满足人类生产和生活对动力的需要，如火力发电、交通运输、石油运输、石油化工、机械制造和其他各种工程中的蒸汽动力装置。在

45、热能的间接利用中，热能的能量形式发生了转换。,1.绪论,1.3.4 硅酸盐工业的节能1.中国的能源与能源工业面临的问题(1)中国的能源工业特点储量丰富且品种齐全煤可采储量为1.1451011 t，居世界第3位；石油可采储量为3.3109t，居世界第11位；已探明的天然气储量迅速增长；水力资源比较丰富；铀矿储量可供4107kW核电站运行30年。多种能源生产结构能源工业已成单一的煤结构发展成已煤为主的多种能源结构。现在中国已建成了一个部门基本齐全、具有相当规模、布局比较合理的独立的能源工业体系。,1.绪论,(2)中国能源工业面临的问题能源资源绝对数量丰富，但人均占有量很低(表1-3 P9)能源利用

46、率低下(表1-4 P9)环境污染严重二氧化碳排放量位居世界第二，现在已经超过美国位居第一；每年酸雨造成的农业减产损失达400亿元；空气污染对人体健康和生产造成的损失估计每年超过1600亿元。据初步估计，中国的节能潜力约为5060%。,1.绪论,(3)硅酸盐工业的节能大力开发新能源和清洁能源是解决能源危机及可持续发展的一条途径，作为解决能源问题的另一战略措施是节约能源，即节能。它已成为各国政府和能源专家所关注的解决能源问题和实现可持续发展的重要途径。所谓节能就是采用技术上可行、经济上合理以及环境和社会可以接受的措施、减少从能源生产到能源消费中各个环节的损失和浪费，以便更有效、更合理地利用能源，提

47、高能源利用率和能源利用的经济效益。,1.绪论,节能的本意不是简单的能源消费数量的减少，更不应该影响社会活力，降低生产和生活水平，而是要充分发挥能源利用的效率，力求以最少的能源消耗，获得最大的经济效益，为社会创造更多可供消费的财富，从而达到发展生产、改善生活之目的。目前中国每万元GDP的能源消耗是发达国家的几倍、十几倍乃至几十倍，因此，在节能方面中国还有很大潜力可以挖掘。相对于开发能源(开源)而言，节能是一种不要资源的“开源”，由于它能从提高能源利用率中获得能源，因此是最好的开源和保护资源的方法。因此能源界有人将节能与煤、石油及天然气、水力和核能相提并论，称为“第五能源”。节能是减少环境污染的一

48、个重要方面，一方面排污减少，另外利用率提高也减少了污染。,1.绪论,2.硅酸盐工业能源消耗高的主要原因硅酸盐工业能源消耗高主要原因.管理水平低，能源管理机构不健全，基础工作薄弱，缺少必要的计量测试手段，忽视计量统计工作。.生产工艺和技术落后。.工业结构和产品结构不合理。.设备(窑炉)材质差。,1.绪论,硅酸盐工业节能途径.加强能源的科学管理，对老企业进行节能技术改造，提高能源利用率，降低单位产品或产值的能源消耗量。.通过调整企业结构和产品结构，加强节能监测，降低原、燃材料消耗，提高产品品质，提高劳动生产率达到少用能源的目的。.加强余热的回收和利用。,1.绪论,1.4 热工基础的研究内容和学习要

49、求1.4.1 研究内容在热能的直接利用和其他领域的热工设计及热工控制问题中，为了增强或削弱热量的传递，人们提出了一系列的问题：热量是如何传递的，热量传递遵循怎样的规律；如何通过传热机理的研究，提高热能直接利用的经济性，以及如何有效地解决有关设备的热工设计和热工控制问题等。,1.绪论,上述问题就是本学科所要研究解决的问题，也即“热工基础”是研究热能利用的基本原理和规律，以提高热能利用经济性为主要目的的一门学科。硅酸盐工业热工基础，主要围绕硅酸盐生产过程的窑炉，来研究热能直接利用中的燃料燃烧、流体的流动和热能传递方式及效率问题。热工理论基础的研究在不断深入，所涉及的内容随着科学技术的发展不断拓宽，应用领域也不断扩展。为了增强学生的工程实践观点和创新精神，以及扩大他们的视野，本教材在可能的范围和篇幅内将更多地介绍一些新的应用领域。,1.绪论,1.4.2 学习要求在硅酸盐材料生产中，热工过程是最重要的生产环节。通过本课程的学习，应掌握热工过程的有关理论、规律以及相关的工艺过程及燃烧设备。考虑到教学改革过程中课程设置的调整，本课程主要内容为：流体力学基础及应用、燃料及燃烧过程、传热过程、干燥过程等。注重理论与实际相结合。考核：闭卷；期末总成绩：平时30%，期末考试70%,Thank You!,