工业炉窑热工作的指导原则.doc

工业炉窑热工作的指导原则
工业矿窑是指在工业生产中的一种封闭式的热工设备，视体系内受热物料（原材料、半成品、成品）完成工艺过程的不同可分为冶金、化工、机械、玻璃、陶瓷、建材等用炉。评价炉窑工作的主要指标是：生产率高，产品质量到达工艺要求；热利用率高，单位产品能耗低；使用寿命长，砌筑材料消耗少；机械化、自动化程度高；基建投资少、布局合理；环境污染少。
工业炉窑的发展是同人类利用金属的文明联系在一起的。早在中国商代，就能利用地炉冶炼出大型青铜器。18世纪以来，西欧（英、葡、西班牙、荷兰）国家随着航海、机械以及贸易业的发展，冶金工业的热工设备——冶金炉也就相应得到发展。到20世纪中叶，冶金炉朝着大容量、组合连续式、高质量和高效率的方向迈进。
工业炉形成系统的热工理论始于本世纪初。它的理论基础是一般的气体力学、燃烧学和传热学。1911年格日迈洛（）提出了炉子的水力学原理。50年代初，思体（N.W.Thring）、格林科夫（M.A..HKoB）、季奥米多夫斯基等人，较全面地研究了炉内燃烧、气体流动和传热等过程。1959年，格林科夫提出了炉子的一般原理。他把炉子的工作制度分为三类：辐射制度、对流制度和层状制度。1956年，季奥米多斯基提出在近代有色冶金的炉膛中进行的主要过程包括：物料和产物的物理化学变化，燃烧热或电热的产生，流体介质的运动，气、固、液相中发生的内部及外部的热交换。
我们在吸收国外先进科技理论思想的同时，通过近40年的科研与教学工作，总结并提出了“工业炉窑综合热工理论及优化设计原则”。
1.工业炉窑热工基本过程与原理
炉（窑）膛内热工作通常包括五个过程：
1.1燃料燃烧或电热转换过程
气、固、液态燃料或混合燃料与氧化剂（空气、富氧空气或纯氧）充分混合后在稳定的反应区进行燃烧放热，燃烧区温度的高低取决于单位燃烧空间或单位体积可燃混合物内所含热量总值多少，燃烧供热的能力取决于燃烧消耗量，燃料与氧化剂混合速率以及着火前沿面的大小与温度高低。电能转换成人是借电流通过电阻元件发热，电流通过炉料本身发热，电弧发热，电阻电弧发热，感应发热，等离子体或电子束轰击被家人表明发热。
1.2炉内气体（或炉体）流动过程
炉气通常是载热体或反应剂，其流动的路线与速度大小对传热、传值和燃烧反应速度（率）都有重要影响。炉气流动类型有管流、渗滤流、喷射流、循环（搅混）流等。在简单条件下，其流场可按动量传递原理，汇成源的强度以及边值条件用数值方法求解纳维-斯托克斯方程，麦克斯方程（对电磁流动）。对流，还应附加描述流粘度的若干补充方程（如单方程模型，K-e双方程模型）。
1.3炉料机械运动过程
炉料运动的原动力有四种：重力或浮升力（如竖炉内物料下降运动及熔炼炉池的自然对流运动）；外加机械力（如转动、把动、推动、步进跳动等）以及电磁力（如感应炉的熔融金属的搅拌效应,铝电解槽内熔体循环流与液面的波动等）。组合适当的炉料运动是强化传热与传质、加速化学反应所必须的动力学调节之一，否则将加速炉衬的破坏，缩短炉体寿命，不利于炉渣贫化，降低炉窑技术经济指标。固体炉运动特性可用相似模型或现场测试等手段进行观察。熔融物料的运动用流体力学或电磁流体力学数值计算方法作近似描述。
1.4炉内传热及传质过程
载热体通过传导、对流、辐射或三者综合方式传热给炉料，与此同时，热量也以同样方式被传给炉墙、炉顶或炉底，继而向炉体周围空间散失。可用经（或实）验公式或数值计算方法求得温度发布与传热速率。传质过程虽不存在辐射方式，但其他两种方式即传导（分子传递）与对流（流体微团传递）作用与传热中是类同的，数学表达式也基本相同。
1.5炉（窑）料物理—化学变化过程
又称炉窑内的工艺过程，如干燥、焙烧、烧结、熔炼、精炼及高纯提炼等是炉窑各种热工过程效果的综合体现。归根到底，炉窑的结构设计、热工控制与生产操作等都是围绕着强化工艺过程，并创造最佳热力学与动力学条件，使之实现“高产、优质、低耗、长寿、易控、省资、无污染”的目标。
炉窑内各种热工过程之间的关系也可用网络图给予描述：

图1 工业炉优化设计网络图
网络图的核心是工艺过程，它是炉窑内各种热工过程的交织点，彼此之间有机协调、相互制约，最终达到综合强化工艺过程之最佳效果。
2工业炉窑优化设计原则
通常所谓的工业炉窑设计是指用文字和图纸来表达人们对新炉型构思与旧炉型改造的具体表现形式。
传统的设计方法在很大程度上带有经验性，习惯于采用类比与仿形的格式，按经验公式进行计算；考虑问题多从静态、单一参数与局部的环节上着想，缺乏动态、宏观、多变量的整体概念；在实践——实验——逐步放大的办法进行探索，故速度慢、效率低、缺乏宏观指导性。
随着科学技术的进步，工业炉窑的设计已逐步走向现代化、科学化、理论化，形成所谓“四论”的特点，即：设计基础是依据信息论，广泛查询（如用联机检索）收集文献资料与现场数据：设计前提必须有系统的方法（观点）论，从而使目的性明确，全局（整体）观念强，选择的设计参数既有可属性又有反馈性，而且是在动态下进行工作；设计核心应体现出智能论的观点，要用计算机去进行辅助设计（CAD）与计算机辅助制造（CAM）；欲要达到自动控制的目的，必须在控制论的观念下，积极建立动态数学模型，依托信息，及时反馈。
从系统设计的角度出发，应着手考虑综合平衡问题，具体表现在：
2.1平衡性原则—设计的基础
为使炉窑生产正常、稳定，可从五种平衡过程给予保证，即：（1）物料平衡——å投入料=å产出料。从工艺设计入手，正确进行配料，控制入炉料的几何尺寸，有效地进行加排料操作；做到布料均匀，炉况顺行，反应充分，转化率高。（2）热量平衡——å热收入=å热支出。根据需要可能， 将炉窑区分为炉膛、换热器（或蓄热室）及燃烧室等分支系统进行热平衡计算（含烟平衡），要求热量利用系数和热量有效利用系数（热效率）高，单位产品能耗低。（3）氧平衡——å收入=å支出。根据炉内工艺过程及对气氛的要求，必须使炉内理化反应充分，合理控制“氧势”，正确进行燃烧反应计算；控制空气消耗系数，提高空燃接触率。对熔炼炉富氧鼓风与纯氧的利用是发展趋势。（4）压头平衡——å供入压力能=å阻力损失。欲使炉况稳定，必须控制炉压，保证炉内气氛适度，做到供风、排气顺利流畅。通过炉窑体系的阻力计算，正确、合理选择动力装置，实现经济运转。（5）力平衡——作用力=反作用力。根据加排料的操作及炉料在炉内运行情况，应正确进行炉窑体系的金属构架时间与结构强度计算。为使炉基牢靠，要求单位体积负荷均匀，做到炉体设计坚实、稳固、安全。
2.2强化原则—设计的核心
从热力学与动力学的观点出发，通过研究炉窑体系的供排热、加排料、供排气、传热与隔热以及加速工艺过程进行的系统规律，以求保证产品质量的前提下，尽最大可能提高生产率。（1）提高传递速率。依据传输过程原理，努力提高温度场（T）、浓度场（、压力场（P）。可采取富氧、纯氧、预热、富聚、浓缩、高温、高真空等新技术。（2）提高接触面积。在二（多）相流体系内，提高接触面积（F），必然会加速反应的进程。如在固定床中，改炉料单面受热为双面受热或多面受热，使空（炉）气在炉内强制循环；在散料层中预先对炉料进行造快、制团，变单排风口为双排风口；在回转床内，利用炉料的回转及气固两相顺流或逆流的方式，创造更多的接触、混合机会；在流化床内，对炉膛横断面及分布板与风帽的合理设计，使流化更加均匀、稳定。在旋涡（风）床内，改料、气同向顺流的入炉方式为正交（切向）顺流或逆流方式入炉，或料、气多股（段）正交（切向）入炉，以增加接触机会，保证反应时间充分。（3）提高相对速度。提高两相流的相对速度（U）即是提高接触、混合机会，以加速反应（燃烧、传热及工艺）的进程，如采用强制对流传热、射流（特别是旋流）的混合以及组织气流循环等措施。（4）缩短传递时间，即是提高传递速率。如快速定向传热、浸渍式燃烧传热，浸渍式直接供氧（提高氧势）等技术可加速反应进行。转炉中的顶吹、侧吹、底吹以及混合吹的技术应用就属于此。
所以，在二相流中强化反应过程的实质就是提高传热、传质及传动量的速率。这是炉窑设计（或改造）的内涵、核心。
2.3经济性原则—高效率的归宿
（1）节约能源。在满足工艺要求的前提下，要求以劣（低）质能源代替能源，最大限度地减少一次与二次能源的消耗，合理组织燃烧，提高燃烧效率；降低离炉烟气温度；减少炉体向外散热损失；充分利用烟气、产品及废渣的余热等。（2）节约原材料。完善工艺过程，正确合理地进行配料与操作；减少渣（气）量及金属烧损，提高转化率（即高产出率、高品位及低的残留率、低的渣合金属量）；延长炉体寿命，从加强筑炉技术、加强隔热与保温、加强筑炉材料的运输保管、定期维护（修）炉体等着手考虑；在保证炉体寿命的前提下，认真进行金属构架设计，修旧利废，不断开发利用新材料。（3）节约劳动力。提高工程技术人员、管理人员及操作员的思想与技术素质，改进生产组织管理、施行机械化与自动化操作、实现微机在线监控，不断提高企业全员劳动生产率。
2.4环保性原则—社会效益的尺度
从生产技术的发展及人类社会文明的进步出发，务必使环境污染将到最低限度。为此，要求考虑：（1）减少废气、废渣及废水的危害；（2）减少燃烧污染物（粉尘、细尘、炭、SOx与NOx）的产生；（3）降低热损失、减少热污染；（4）加强防护，减少磁污染、发射污染及噪音污染。
总之，按国家环保要求着手设计，做到环保不达标，设备不投运。
2.5自控制原则—社会文明的标准
在炉窑设计中，必须考虑炉料投入与产出比、空（气）——燃（料）比、温度、压力、流量、流速、浓度、距离（高度）、PH值即物性参数等的检测与控制（调节）问题，要求工艺与热工操作必须采用机械传动、电气制动、机械手及微机控制等手段，努力提高炉窑的装备水平，增强在国际市场的竞争能力。