火法冶金设备 西安建筑科技大学冶金工程研究所.pptx

1、火法冶金设备,西安建筑科技大学冶金工程研究所 洪 涛,目 录,传热学基础热量传输概论 导热 对流换热 辐射换热 火法冶金设备工程基础 耐火及保温材料 燃料与燃烧 气固分离设备 焙烧及干燥设备 干燥设备基础 回转窑 多膛炉 烧结设备 其他设备 熔炼设备 竖炉 熔池熔炼设备 塔式熔炼设备 转炉 熔盐电解槽 铝电解槽 镁电解槽 稀土金属电解槽,传热学基础,传热学基础,传热学基础 导热 对流换热 辐射换热,传热学基础,导热,耐火及保温材料,耐火及保温材料,1.1 概述 1.2 耐火材料的分类、组成及性质 1.3 常用耐火材料极其特性 1.4 耐火材料的外形尺寸 1.5 水冷与挂渣保护 1.6 绝热材料

2、,耐火材料在冶金中的地位及作用 定义：耐火材料是指耐火度1580的无机非金属材料，它在一定程度上可以抵抗温度骤变和炉渣侵蚀，并能承受高温荷重。 作用：耐火材料主要用于工业生产中的高温热工设备和各种窑炉，在冶金工业（钢铁与有色金属）中所消耗的耐火材料占整个耐火材料消耗量的6070%。而冶金炉是高温设备、是大量优质耐火材料的主要消耗者。因此，耐火材料在冶金工业占有重要的地位。,1.1 概述,例如,砌一座1513m3高炉需耐火材料3000t；砌一座42m3沸腾炉约需耐火材料150t；砌一座210m3炼铜反射炉需耐火材料1500t。由此可见耐火材料费用在冶炼生产中占有重要的比例，一吨粗铜需消耗25kg

3、镁砖（而镁砖是较昂贵的材料） 因此，降低耐火材料单位消耗指标，可降低冶炼生产成本。措施：提高耐火材料的质量，合理选择使用耐火材料，改善冶炼工艺条件。,耐火度高：10001800 高温结构强度大：高温下荷重不变形 热稳定性好：高温下抵抗温度骤变引起破坏的能力。 抗渣侵蚀能力：抵抗炉内高温下熔融炉渣、金属和炉气等的化学腐蚀。 高温体积稳定：高温下使用，其内部由于晶型转变会产生不可恢复的体积收缩或膨胀，而造成炉体破坏。 外形尺寸规整、公差小：筑炉时砌体要规整、砖缝小，不能有大的扭曲、缺损、熔洞和裂缝等；尺寸公差合乎规定要求,冶金炉对耐火材料的要求,1.2.1 耐火材料的分类 耐火材料的分类有多种方式

4、。如有按耐火材料的化学矿物组成、耐火材料的外型尺寸以及耐火材料制造方法等分类；而根据耐火材料的耐火度高低可分为：普通耐火材料 耐火度为15801770；高级耐火材料 耐火度为17702000；特级耐火材料 耐火度为2000以上。,1.2 耐火材料的分类、组成及性质,耐火材料的化学矿物组成是决定耐火材料物理性质和工作性质的基本因素。 1.2.2.1 化学组成：耐火材料的化学成分按含量的多少及其作用不同可分为主成分和副成分。 主成分是耐火材料的主体，是影响耐火材料的基本因素。除碳质耐火材料以外，普通耐火材料的主成分都是氧化物，例如硅砖中的SiO2，粘土质耐火材料中的SiO2和Al2O3，镁砖中的M

5、gO。副成分包括杂质和添加物，其化学成分也是氧化物，如Fe2O3、K2O、Na2O等，它使耐火材料的性能降低，有的具有溶剂作用，即在耐火砖的烧成过程中产生液相实现烧结。,1.2.2 耐火材料的一般化学矿物组成,1.2.2.2 矿物组成主晶相：主晶相是耐火材料中的主体，是熔点较高的结晶体，它在很大程度上决定耐火材料的性能，可以是一种，也可以是两种。例如，高铝砖中的莫来石和刚玉，镁砖中的方镁石，都是主晶相。基 质：是填充在主晶相之间的其他不同成分的结晶矿物和非结晶玻璃相，它的熔点低，起着溶剂作用，例如，镁铝砖的基质是一种称为尖晶石MgOAl2O3的结晶成分，依靠它将砖紧紧粘结成整体，因此也称结合相

6、。基质的数量虽少，但它对耐火材料的性能影响很大，在耐火材料的使用过程中，往往首先从基质部分开始损坏。,1.2.2 耐火材料的一般化学矿物组成,1.2.3.1 致密性：用气孔率、吸水率、体积密度、真密度和透气率表示 （1）气孔率：气孔总体积与耐火材料总体积V的比值总气孔率：,1.2.3 耐火材料的物理性质,式中： V、V1、V2、V3分别为试样总体积、闭口 气孔、开口气孔和贯通气孔的体积，m3。,显气孔体积与耐火材料总体积的比值显气孔率：,包括：致密性、热电性、力学性质和外形尺寸,1 -闭口气孔；2 -开口气孔；3 -贯通气孔,图1-1-1 耐火制品中气孔类型,3,式中：G耐火材料烘干质量，kg

7、; G1耐火材料吸水后质量，kg。耐火制品的透气性是指耐火材料对一定压力的气体的透过程度，用透气率表示，即在单位压力差的空气作用下，在单位时间内，通过单位厚度和单位面积制品的空气量。耐火材料的透气性与制品内连通气孔的数量及气体压力有关，一般要求透气性愈小愈好。,1.2.3 耐火材料的物理性质,（2）吸水率和透气性：耐火材料制品中显气孔吸水重量与耐火材料制品重量的比值，即,式中：m耐火材料的质量，kg。 （4）真密度：它是指耐火材料除去全部气孔后，单位体积的质量，用符号“ ”表示 。,1.2.3 耐火材料的物理性质,（3）体积密度： 它是单位体积（含气体体积）耐火材料的质量，用符号“”表示。,1

8、.2.3.2 力学性质： （1）常温耐压强度：在常温下单位面积耐火材料所能承受的压力，Ncm-2 ；普通耐火材料10001500 Ncm-2 高级耐火材料25003000 Ncm-2 （2）高温耐压强度：在高温下单位面积耐火材料所能承受的压力，Ncm-2 。 （3）耐磨性：抵抗摩擦、冲击作用的能力。 （4）抗折强度：耐火材料的常温抗折强度与耐压强度有关，通常常温耐压较高制品，其常温抗折性能也较好，高温抗折能力强的制品，在高温条件下，对于物料的撞击、磨损、液态渣的冲刷等，均有较好的抵抗能力。,1.2.3 耐火材料的物理性质,图1-1-2高温抗折曲线图,（5）弹性模量耐火材料的弹性模量是表征制品抵

9、抗受力变形的能力。耐火制品在弹性极限内，外力作用产生的应力与应变之比称为弹性模量，即,1.2.3 耐火材料的物理性质,式中 E弹性模量，N-2制品所承受的应力，N-2L/L制品相对长度的变化，即弹性变量。,1.2.3.3 热、电性质：热膨胀性、导热性、导电性和热容性 （1）热膨胀性：热胀冷缩的可逆变化的性质，其大小用线膨胀率“m”表示；,1.2.3 耐火材料的物理性质,式中：t0 、t试样试验开始与终止温度，；L0、L1试样分别在t0 、t的长度，m；m 制品的平均线膨胀率， -1,（2）导热性：即耐火材料传导热量的能力，用导热系数表示。影响其导热能力的主要因素是化学矿物组成、气孔率及温度。一

10、般晶体的导热能力大于非晶体的玻璃质；气孔率大导热能力低；大部分耐火材料（例如粘土砖和硅砖等）的导热性随温度升高而增加，而镁砖、碳化硅的导热性随温度升高而降低。 （3）比热容：常压下加热1kg样品使之升温1所需的热量称之为耐火材料的比热容，用“CP”表示。CP与矿物组成、气孔率及温度有关。表1-1-2列出了几种耐火材料的平均比热容。,1.2.3 耐火材料的物理性质,表1-1-2 耐火材料的平均比热容（kJkg-1K-1 ）,（2）导电性：低温下，碳质、石墨粘土质、碳化硅质等耐火材料导电性好；其它耐火材料均是电的绝缘体，但高温下其导电性增加。,1.2.3 耐火材料的物理性质,1.2.4.1 耐火度

11、：耐火材料在无荷重时抵抗高温而不熔化的能力。通常用温度表示。 1.2.4.2 荷重软化温度：耐火材料在高温时抵抗荷重的能力，通常耐火材料在高温下其耐火度就显著下降。荷重软化温度受多种因素影响，提高耐火材料的致密度，烧成温度和原料纯度，可以提高荷重软化温度。 1.2.4.3 抗渣性 耐火材料在高温下抵抗熔渣侵蚀的能力称为抗渣性。,1.2.4 耐火材料的工作性能,影响抗渣性的因素有： （1）耐火材料与熔渣的化学成分（高温下酸碱会生成盐类）； （2）炉内温度（化学反应随炉温的升高而加剧，800900时渣侵不明显；当12001400时渣侵反应加剧，同时物理溶解和机械冲刷作用也加强）； （3）耐火材料的

12、透气（显气孔越多则越易侵蚀）。 1.2.4.4 耐急热急冷性：抵抗温度急变而不被破坏的能力。,1.2.4 耐火材料的工作性能,1.2.4.5 高温体积稳定性：耐火材料在高温下长期使用，其外形体积保持稳定不发生非可逆变化的能力。（材料体积的热胀冷缩变化都是可逆） （1）耐火材料在高温下发生非可逆膨胀，称残存膨胀。 （2）耐火材料在高温下发生非可逆收缩，称残存收缩。,1.2.4 耐火材料的工作性能,1.3.1 硅酸铝质耐火材料 主成分：SiO2、Al2O3。 副成分：Fe2O3、K2O、Na2O、TiO2、CaO。按Al2O3的含量可分为半硅砖、高铝砖和粘土砖三类。,1.3 常用耐火材料及其特性,

13、根据Al2O3SiO2二元系相图，随着t的变化找到两个共晶点（1540和1810）和三个平衡固相（方石英、莫来石、刚玉），从而分析硅酸铝制耐火材料的热工特性。,t,共晶点,三个平 衡固相,1.3.2 硅砖（氧化硅质）：SiO293%,原料：硅石； 结合剂：石灰乳、铁磷、纸浆废液、矿化 剂等。 SiO2的同质异性体，硅砖的主要成分是SiO2 。 硅砖的性质和应用。,表1-3-2 SiO2有三类晶型七种变体及石英玻璃体,表1-3-3 硅砖的性能,硅砖的应用,因需酸性耐火材料、荷重软化温度高、热震稳定性差；适用于高温和荷重大的地方，如平炉和反射炉的炉顶，炼焦炉炉体等处；在使用时应尽量减少和防止温度（

14、尤其600以下）的变化和避免碱性炉渣的侵蚀。,MgO80%，以方镁石为主晶相。 原料：冶金镁砂，冶金镁砂从菱镁矿（MgCO3）或海水中提取的Mg(OH)2经高温焙烧而得。 产品：冶金镁砂，镁砖，镁铝砖，镁铬砖，镁硅砖等。 普通镁砖的性能： 耐火度：2000；荷重软化温度：15001550，不能砌筑炉顶；热震稳定性（水冷）：23次；高温体积稳定性：热膨胀系数大，要留膨胀逢；抗渣性：碱性；导热性：很好，筑炉时要加隔热层以防散热。,1.3.3 镁质耐火材料,碳砖、石墨粘土制品、碳化硅制品等，如表1-3-4 为碳制耐火材料的特性。 表1-3-4 碳质耐火砖的特性,1.3.4 含碳耐火材料,耐火混泥土、

15、可塑料、耐火泥、补炉料、喷涂料等 （1）耐火混泥土：耐火骨料、掺合料、胶结料及水按一定的比例混合，成型和硬化后得到的制品；耐火度可达到1700。 优点：与耐火制品比，制造工艺简单、可任意成型、产品成品率高、能耗低，便于筑炉及机械化施工，可进行炉子整体浇灌、减少砖缝。 缺点：荷重软化温度低、收缩较大、烘烤时间长。 （2）耐火泥：由粉状物料和结合剂组成，供调制泥浆用的不定形耐火材料。 用途：填充砖缝以防渗漏。,1.3.5 不定形耐火材料,表1-3-5 常用耐火砖使用的耐火泥浆,通用耐火砖形状尺寸（GB299282）。 例如：砖号为Ts-65、代号为S3075k，ba/a1c=30075/55225

16、，表示通用竖楔形错缝宽砖，其高、上下宽及长分别为300mm、75mm、55mm和225mm。各种形状砖的砖号、规格尺寸参见有关手册。,1.4 耐火材料的尺寸,在火法冶金生产过程中，许多的冶金炉如鼓风炉、烟化炉、闪速炉以及转炉和电炉等都有金属质水套或水箱作为其水冷保护层，有些金属构件在水冷的同时进行挂渣保护，还有一些转炉（窑）的耐火砖内衬，进行热挂渣保护。这些措施均可延长炉衬的使用寿命。,1.5 水冷与挂渣保护,1.5.1 水冷挂渣机理,高温冶金炉内耐火材料炉衬和熔融物之间的接触表面温度愈低，耐火砖的损失愈慢。当接触表面的温度低于某一临界点时，熔融物便凝结，因而炉衬被固态渣覆盖而被保护。由于炉衬

17、外表面温度因水冷而保持恒定，温度梯度最大，因而热传导最强。局部热损失也最大，但导热率低的熔融物来不及将这些热量传导到衬砖最薄处，此处熔融物温度迅速降低，如果低于熔渣软化温度，则在衬砖表面形成起保护作用的一层致密固渣层，侵蚀即停止。,1.5.2 水套,水套或水箱是高温冶金炉内产生水冷挂渣必不可少的装置。水套装置通常有水冷水套和汽冷水套两种。根据不同的炉子有不同材质的水套，如鼓风炉水套内衬常用锅炉钢板焊接制作，用水冷却时，水套也有用普通钢板制造的；而闪速炉反应塔外部则采用铜制水套实行强制冷却。,1.5.3 热挂渣保护,与水冷挂渣不同，在冶金炉内人为地将熔渣粘挂到炉壁上，以保护衬砖不被迅速损坏的方法

18、称之为热挂渣保护。热挂渣保护一般可分为挂渣护炉和溅渣护炉两类。,1.6.1 概述绝热材料的分类 （1） 低温绝热材料：使用温度 900，如硅藻土、石棉、水淬渣和矿石棉等制品。 （2）中温绝热材料：使用温度 9001200，如蛭石，轻质粘土砖等制品。 （3）高温绝热材料：使用温度 1200，如轻质硅砖、轻质高铝砖、轻质镁砖，氧化铝空心球和耐火纤维等。,1.6 绝热材料,绝热材料的特性 气孔率高(50%)，体积密度小 ， 5001000kg/m3；热容量和导热系数小（0.3W.m-1.-1）；机械强度和抗渣性差。 绝热材料的应用用于炉体绝热，不仅减少通过炉体的热损失、提高燃料的利用率，而且有利于提

19、高炉温、强化生产，改善炉子周围环境的劳动条件。实践证明：采用优质轻质砖代替耐火砖，可节能4060%，并使窑炉重量减轻，施工费用减少。,绝热材料特性及应用,隔热砖常用的隔热砖主要有粘土质、高铝质及硅藻土质的隔热耐火砖或制品，这些制品隔热性能好但耐压强度低，因此近期有的工厂已研究开发出了相应的轻质高强隔热砖，保持了低的导热系数，提高了制品的耐压强度和耐火度，不仅可作隔热砖使用，在某些条件下可直接用于砌筑炉衬。 中低温绝热材料（蛭石、硅藻土、石棉、矿渣棉等）制品，它们的主要性能见相关手册。 其它绝热材料,1.6.2 常用绝热材料,表1-6-1 常用轻质砖的主要性能,燃料与燃烧,2.1 概述 2.2

20、燃料 2.3 燃烧计算 2.4 燃料的燃烧与燃烧器,实现冶金过程需要能源。用作冶金能源主要是燃料和电力，其中碳质燃料消耗达到30%。因此冶金生产过程中，正确地选择和使用燃料，对提高炉子生产、降低生产成本，改善劳动条件，都具有特别重要意义,我国冶金工业消耗的能源约占全国总能耗的1214%，是能耗的大户。能源的种类很多，有燃料、电力、太阳能、水能、风能、潮汐能、地热能和原子能等。冶金工业的能源主要是碳质燃料。,2.1 概述,自2002年起，我国十种有色金属产量居世界第一，2004年十种有色金属产量为1400万吨，2005年产量达到1635万吨， 2006年产量达到1917万吨。十种有色金属产量 万

21、吨,2.1.1 燃料的定义及种类,燃料的定义 凡是在燃烧时能够放出大量的热，并且此热量能够经济地被利用在工业和其他方面的物质统称为燃料。燃料的分类,表1-2-1 燃料的一般分类,（1）气体燃料：各种简单气体的混合物,可燃成分：CO、H2、CH4、CnHm等碳氢化合物，以及H2S； 不可燃成分：N2、CO2、SO2、O2、H2O等，微量的粉尘。 （2）固、液体燃料：碳、碳氢、氧、氮、硫等可燃化合物 可燃成分：C、H、CnHm、H2S等，以及硫化物MeS； 不可燃成分：N、O、硫酸盐、灰分和水分等。,2.1.2 组织燃烧过程和炉子工作关系,使用燃料的炉子中，燃烧装置是炉子的重要组成部分，而燃料的燃

22、烧过程是炉子热工过程的重要内容。所以，燃烧过程不仅影响炉子的产量和质量，而且还影响炉子的使用寿命、车间的劳动生产条件和操作环境等；同时还在很大程度上决定产品的成本。在炉子设计与生产中考虑如何合理地选用燃料，如何选择和计算燃烧装置，以及如何保证冶炼所需的高温等是非常重要的，因此必须很好地组织炉内的燃烧过程，掌握燃料的特性及其燃烧过程的规律和燃烧计算，合理地设计燃烧器。,2.2 燃 料,作为工业燃料应满足以下要求： 燃烧时能放出大量的热量，能满足生产工艺对热量的需要； 燃烧过程便于控制和调节； 燃烧产物主要是气体，且对人、动物和设备没有危害； 蕴藏量大，便于开采和运输，成本底。,2.2.1 燃料的

23、组成与换算,2.2.1.1 气体燃料的化学组成与换算 化学组成：通常是以体积百分含量表示。 干成分：不含水分的体积百分含量（%），例如：COg+H2g+N2g=100% 湿成分：包括水分在内的体积百分含量（%），例如：COs+H2s+N2s+H2Os=100%,实际使用的燃料都有水分，故湿成分即为实用成分；因为1m3标的干燃气能吸收的饱和水蒸汽量为g克，其水蒸汽的体积为(g/18)22.4 10-3 = 0.00124g m3标此时湿燃气的体积为(1+0.00124g) m3标, 气体燃料组成的表示方法和换算,在不同的温度下干燃气能吸收的饱和水蒸汽量g值是不同的，燃气干、湿成分的换算如下：以M

24、S表示某组分的湿成分，Mg表示该组分的干成分；则,式中： gGH2O每标米立方干燃气在一定的温度下所吸收的饱和水蒸气量，gNm-3，根据温度由有关手册查得。,2.1.1.2 固体和液体燃料的化学组成与换算, 化学成分固、液燃料的化学元素共有七种：C、H、O、N、S、灰分和水分。 表示方法及换算其成分常用各化学组成的质量百分含量表示： 实用成分、干燥成分、可燃成分、有机成分,碳（C）：C在固、液体燃料中以化合物状态存在，C能燃烧，它是固、液体燃料中的主要可燃成分。 氢（H）：H在固、液体燃料中以两种形式存在：一种是与C、S化合的氢，称可燃氢或有机氢，能燃烧且放出大量的热（是碳的3.5倍）；另一种

25、是与O化合的氢，不能燃烧。 氧（O）：固、液体燃料中O与C、H等元素化合后，既不能燃烧、又不能助燃。 氮（N）：固、液体燃料中的N是惰性物质，不能燃烧；它的存在，使燃料中的可燃质减少，降低燃料的质量。 硫（S）： S在固、液体燃料中以三种形式存在：有机硫，与C、H化合的S，能燃烧；黄铁矿硫，与铁化合为FeS2，能燃烧；硫酸盐硫，存在与各种硫酸盐中，如CaSO4、FeSO4中的硫，不能燃烧。 灰分（A）：燃料中不能燃烧的矿物质，其主要成分有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO等。 水分（W）：水分（A）是有害物质成分，不仅降低燃料的质量；而且在燃烧过程，由于水的蒸发消耗热量，使燃烧温度降低。

26、,Cy+Hy+Oy+Ny+Sy+Ay+Wy=100% 干燥成分：不含水分 Cg+Hg+Og+Ng+Sg+Ag=100%分析基 可燃成分：不含水分和灰分 Cr+Hr+Or+Nr+Sr=100% 有机成分：除去水分、灰分和硫 Cj+Hj+Oj+Nj=100%换算的前提是：各化学组成的质量绝对值不变。,实用成分：包括水分和灰分,例2-1：已知烟煤的成分为：Cr81.5%，Hr5.00%，Sr1.5%，Or1.00%，Nr2.00%，Ag12.00%，Wy15.00%；求该煤的实用成分。 解：以C为例，先求灰分的实用成分 干燥成分与实用成分：, Cy=0.748Cr=0.74881.5%=60.96%

27、Hy=0.748Hr=0.7485.00%=3.74%Oy=0.748Or=0.74810.00%=7.48%Ny=0.748Nr=0.7482.00%=1.5%Sy=0.748Sr=0.7481.5%=1.12% 则: Cy+Hy+Oy+Ny+Sy+Ay+Wy =60.96%+3.74%+7.48%+1.5%+1.12%+10.20%+15.00% =100%,实用成分与可燃成分之间的换算关系有：,2.2.2 燃料发热量及计算,燃料发热量及标准燃料的概念:单位质量（或单位体积）燃料在完全燃烧时放出的热量，用“Q”表示，单位是“kJ/m3” 或“kJ/kg” 。 高发热量：单位质量（或单位体积

28、）燃料在完全燃烧后，燃烧产物冷却至20，产物中的水则冷凝为0时，所放出的热量；用“QGW” 表示。 低发热量：单位质量（或单位体积）燃料在完全燃烧后，燃烧产物冷却至20，产物中的水也为20时，所放出的热量；用“QDW” 表示。 QGW与QDW的关系： QGW= QDW+25.12（Wy+9Hy）,标准燃料的概念,标准燃料：规定发热量为29309kJkg-1 的燃料为公斤标准燃料。例如发热量为QDW=24201 kJkg-1的烟煤，其公斤标准燃料为：,（1）气体燃料：kJm-3（标准状态）QDW=128COS+108H2S+360CH4S+599C2H4S+231H2SS （2）固、液体燃料：k

29、Jkg-1 ，门捷列夫公式： QDW=339Cy+1030Hy109（OySy）25Wy,发热量的计算,多少大卡？,2.2.3 常用燃料,燃气 冶金生产常用的燃气有高炉煤气、焦炉煤气、发生炉煤气、重油裂化气和天然气等。钢铁联合企业广泛采用高炉煤气和焦炉煤气；有色冶金企业往往使用发生炉煤气或石油裂化气。 液体燃料用于冶金的液体燃料主要有重油、重柴油和轻柴油。 固体燃料冶金生产使用的固体燃料主要是煤及其加工产品焦炭和粉煤。,2.3 燃烧计算,2.3.1 概述燃料燃烧计算是根据燃料在燃烧过程中的物质平衡的原理进行的。它是炉子热工计算的重要组成部分。燃料燃烧计算的内容有：燃烧需要的空气量、燃烧产物的生

30、成量，成分和密度以及燃烧的温度。,燃料燃烧计算过程的假设条件,气体的体积按标准状态（0，101325Pa）下的体积计算。在标准状态下，1kmol的任何气体其体积为22.4m3； 燃料的化学成分，按实际使用状态时成分计算，即固体（液体）燃料为应用成分，气体燃料为湿成分； 燃料完全燃烧，当温度不高于2100时，不计热分解消耗的热量和分解的产物； 燃料燃烧需要的氧气来自空气。空气的成分由O2和N2组成，不计其他气体。按体积，空气中O2的含量为21，N2的含量为79%。如果需要按湿空气计算时，则取饱和水蒸汽的含量。 计算结果通常只取小数点以后的两位。,2.3.2 空气消耗量、燃烧产物量及其成分,燃气燃

31、烧空气需要量的计算 理论空气需要量的计算：L0（燃料中可燃成分完全燃烧反应的需氧量） 煤气中可燃成分（CO、H2、CnHm、H2S）的燃烧反应：CO + O2 = CO2 体积（标准状态下的m3）： 1 1H2 + O2 = H2O 体积（标准状态下的m3）： 1 1,CnHm +（n +m/4）O2 = nCO2 + m/2 H2O 体积： 1 n + m/4 n m/2H2S + O2 = H2O + SO2 体积： 1 3/2 1 1则：燃烧1m3（标）的煤气所需要的氧气量为 O2 = (COS + H2S) +(n + m/4 )CnHmS +3/2H2SS O2S(m3) 空气需要量

32、为（m3）L0 = 4.762 O2=4.7621/2（COS + H2S ）+ （n + m/4 ） CnHmS + 3/2 H2SS- O2S,实际空气需要量的计算：Ln,Ln = nL0式中n为空气消耗系数:煤气有焰燃烧 n = 1.031.05煤气无焰燃烧 n = 1.051.20,固液体燃料燃烧空气需要量的计算,理论空气需要量的计算：L0 实际空气需要量的计算：Ln 燃烧产物的计算：燃烧产物量的计算：Vn燃烧产物成分的计算：M燃烧产物密度的计算：0,理论空气需要量的计算：L0,固液体燃料中的可燃成分有C、H、S，且完全燃烧，燃烧反应如下： C的完全燃烧反应： 反应 C + O2 =

33、CO2 质量 12 32 44 mol数 1 1 1 则燃料中含碳为Cy（%），1kg燃料中碳的质量为Cy /100（kg），mol数为：,根据以上反应1mol的C，需要1mol的O2；同时产生1mol的CO2。,H的完全燃烧反应,反应 H2 + 1/2 O2 = H2O mol质量 2 16 18 mol数 1 1/2 1 则燃料中含氢为Hy（%），1kg燃料中氢的质量为Hy /100（kg），mol数为：,根据以上反应1mol的H，需要1/2 mol的O2；同时产生1mol的H2O。,反应 S + O2 = SO2 mol质量 32 32 64 mol数 1 1 1则燃料中含硫为Sy（%）

34、，1kg燃料中硫的质量为Sy /100（kg），mol数为：,S的完全燃烧反应,根据以上反应1mol的S，需要1mol的O2；同时产生1mol的SO2。,固、液体燃料中的可燃成分C、H、S完全燃烧所需的氧量为：,标态下，1kmol质量物质的体积为22.4m3，而1m3的氧气相当于4.762m3的空气； 固、液体燃料完全燃烧所需的空气量为：, 实际空气需要量的计算：Ln,Ln=nL0 m3/kg人工层状燃烧n=1.21.5机械层状燃烧n=1.21.3 固体 n为空气消耗系数 粉煤燃烧 n=1.151.25重油低压烧嘴燃烧n=1.101.15重油高压烧嘴燃烧n=1.201.25,2.3.2.3 燃

35、料燃烧产物的计算,根据燃烧反应的物质平衡原理，燃料燃烧产物的计算内容有：气态产物的生成量、气态产物的成分和密度。 （1）燃烧产物生成量的计算碳质燃料燃烧生成的气态产物主要有CO2、H2O（g）、SO2、N2和O2，它们是由燃料中的可燃物燃烧生成或非可燃物（除灰分）转入的，以及助燃空气带入的。标准状态下1m3的湿燃气完全燃烧时生成的产物量Vn为各成分生成量之和，即：,燃烧产物的计算,燃烧产物量的计算：Vn,(2)燃烧产物成分的计算：M,（3）燃烧产物密度的计算：0,燃烧产物密度是指标准状态下1m3燃烧产物所具有的质量，用0表示，单位是kgm-3。,对气体燃料：,对固体、液体燃料用此式计算：,2.

36、3.3 燃烧温度的计算,炉内温度的高低是保证炉子工作的重要条件。以燃料供热的炉子，炉温的高低主要取决于燃料燃烧产物的温度。 由于燃烧条件不同，燃烧温度有理论温度和实际温度。,理论燃烧温度tth,指在绝热的条件下，燃料完全燃烧时达到的温度tth，该温度可根据燃料燃烧过程的热平衡关系求得：按单位燃料燃烧计算，燃烧过程有热收入、热支出。,热收入： 燃料完全燃烧放出的热量 QDW 燃料带入的物理热Qf 空气带入的物理热Qa,热支出： 燃烧产物吸收的热量QC.P 燃烧产物高温下热分解消耗的热量Qt.d 燃料不完全燃烧而损失的热量Qi 由燃烧产物传给周围物体的热量Qt.c,由以上关系燃料燃烧的实际燃烧温度

37、的计算式为,式中 tc.p实际燃烧温度，Qc.p=VnCc.ptth QDWQfQaVnCc.ptth,由于燃烧产物的平均比热Cc.p是理论燃烧温度tth的函数。为了计算简便，工程上往往利用It图图解法近似计算。It图如图1-2-1所示，即tth=f（I，VL%） 式中： I=Cc.ptth燃烧产物在理论燃烧温度时的热含量，kJm-3 VL%=(Ln-Lo)/Vn过剩空气在燃烧产物中的体积百分数，% 根据已知的I和VL%，便可从图1-2-1中查得理论燃烧温度tth。,图1-2-1 I-t图,燃料在实际燃烧过程所达到的温度称为实际燃烧温度，用tc.p表示。实际燃烧温度tc.p比理论燃烧温度tth

38、低。其原因是燃料不完全燃烧以及燃烧过程散热等因素造成的热损失。由于无法准确计算，所以目前工程上多按以下经验公式近似计算：tc.p=tth 式中为炉温系数，是经验值，可由表1-2-11查得。,2.3.3.2 实际燃烧温度,表1-2-11 某些炉子的炉温系数,2.4 燃料的燃烧与燃烧器,燃料的燃烧过程是急剧氧化的过程,并伴随着放热和发光。燃料燃烧的必要条件是供给足够的助燃空气和加热到着火温度。着火温度是指燃料与空气的混合物进行化学反应自动加速而达到自燃着火的最低温度。,2.4.1 气体燃料的燃烧及烧嘴,2.4.1.1 燃气燃烧过程：分为三个过程 燃气与空气混合物的混合：即二者是互相扩散掺混的过程

39、燃气和空气混合气物的加热与着火（自然着火和强迫着火） 燃烧反应：燃烧反应机理为支链反应,一个氢原子可产生三个氢原子，再燃烧时可产生九个氢原子，如此下去，从尔大大加速氢气的燃烧速度,2.4.1.2 燃气的燃烧方法,有焰燃烧：燃气与助燃空气不预先混合，从燃烧器喷出后，边混合边燃烧的过程；属扩散燃烧。有焰燃烧可用于要求火焰长、炉温均匀的火焰炉。 无焰燃烧：燃气与助燃空气混合后从燃烧器喷出燃烧的过程。无焰燃烧可用于中小型的火焰炉。 概念：火焰传播速度、回火、灭（脱）火,2.4.1.4 燃气燃烧器烧嘴,有焰烧嘴 有焰燃烧所用的燃烧器称为有焰烧嘴。常用的有焰烧嘴有套管式烧嘴、低压涡流式烧嘴、扁缝涡流式烧嘴

40、、环缝涡流式烧嘴等同。 无焰烧嘴 目前工业上应用的无焰烧嘴多为喷射式烧嘴。它是以燃气作为喷射介质，按比例吸入助燃所需的空气，并在混合管道内充分混合，而后喷射燃烧。其结构示意图如图1-2-5所示。,2.4.2 液体燃料的燃烧与烧嘴,工业生产使用的液体燃料主要是重油 重油燃烧过程：雾化、油雾与空气混合、混合物燃烧及燃烧反应四个过程。 重油烧嘴 低压烧嘴：通常用鼓风机供给的空气作雾化剂（风压0.30.7104Pa），因风压低、雾化差，适用于中小型火焰炉。 中压烧嘴：重油压力15 104Pa，雾化剂压力3105Pa。 高压烧嘴：重油压力13 105Pa，24105Pa；没有雾化剂,2.4.3 固体燃料

41、的燃烧,根据固体燃料在燃烧过程中的运动方式不同，固体燃料燃烧的方法有层状燃烧、喷流燃烧、旋转燃烧和流态化燃烧。,块煤的层状燃烧是指在燃烧室的炉栅上具有一定厚度的块煤层，与由下部鼓入的空气进行燃烧的过程如图1-2-6所示。高炉、鼓风炉和煤气发生炉内焦炭或块煤的燃烧，亦属于层状燃烧。,块煤的燃烧过程,2.4.4 粉煤喷流燃烧,粉煤的喷流燃烧是将粒度为0.020.07mm(+170目12%)的粉煤用空气喷到炉内，使其在运动的过程中进行燃烧，它与煤气的燃烧相似，具有明显轮廓的火焰。喷吹粉煤的空气称为一次空气，一般为粉煤燃烧需要空气总量的1550（含挥发物多的煤可多些），其余的为二次空气。二次空气允许预

42、热的温度较高。 粉煤的燃烧过程可分为混合、着火和燃烧。,粒度是指原料颗粒的尺寸，一般以颗粒的最大长度来表示。粒级是指物料不同粒度的组成情况，常以若干个级别所占的百分数来表示。例如某种特料中2-0.5mm的占10%，即这一级别范围的物料最大粒度为2mm，最小粒度为0.5mm，这一粒级物料的含量占整个物料的10% 。网目是表示标准筛的筛孔尺寸的大小。在泰勒标准筛中，所谓网目就是2.54厘米（1英寸）长度中的筛孔数目，并简称为目。例如，200目的筛子，是指这种筛子每2.54厘米长度的筛网有200个筛孔，其筛孔尺寸为0.074毫米（网目越少，筛孔尺寸越大）。细度为-200目占70%，即表示小于0.07

43、4毫米的粒级含量占70%。,筛网筛孔的m/网目数对照表(粒径目数换算表)筛网的目数是：在2.54厘米的长度内有多少孔就叫多少目。,火法冶金设备,第3章气固分离设备,第3章 气固分离设备,3.1 概述 3.2 重力收尘与惯性收尘 3.3 旋风收尘器 3.4 过滤式收尘器 3.5 电收尘器 3.6 湿式收尘器,3.1 概述,3.1.1 收尘的基本概念收尘：气体微粒（固体或液体）的多相混合物的分离操作；多相混合物（非均相物系）：凡物系内部有隔开两相的界面存在，而界面两侧物料性质截然不同的物系。分散物质（相）：在多相混合物系中处于分散状态的物质（尘粒、微粒）；分散介质（相）：在多相混合物系中包围分散相

44、的另一种物质（气体、液体），即连续相；除尘粒经：1000.1m；收尘的意义,(1)大气污染物综合排放标准GB16297-1996； (2)工业炉窑大气污染物排放标准GB9078-1996； 粉尘排放浓度要求120 mg/Nm3。 (3)工业企业厂界噪声标准GB12348-90; 厂界噪声值：昼65分贝，夜55分贝。,相关国家标准,收尘方案：,重力收尘或 惯性收尘,旋风收尘,电收尘或 布袋收尘,烟尘,烟气排空,预先收尘 收尘效率4060%,进一步收尘 收尘效率8096%,净化收尘 收尘效率99%以上,3.1.2 收尘器的性能与类型,性能:流量、压强降和收尘效率 流量：通过收尘设备含尘气体体积流量

45、；Q（m3 /s）。 压强降：含尘气体通过收尘设备的阻力除尘效率与通过率 总收尘效率：c1：除尘器进口气体的含尘浓度，g.m-3. c2：除尘器出口气体的含尘浓度，g.m-3. 通过率:比较各收尘器净化气体的含尘率: P=1-0,收尘器的类型,收尘器通常有三种分类法： 按收尘效率分 按收尘机理分类 按捕集烟尘的干湿情况分类,3.1.3 尘粒的物理性质,1. 颗粒的粒径及粒度分布 粒径:以颗粒的直径表示(m)。 粒度分布: （1）各粒径范围内的颗粒个数或百分数； （2）各粒径范围内的质量百分数。,2.颗粒的形状,非球形片状、纤维状和圆柱形等；常用球形系数来表示其与球体的偏离程度。球形系数：用S表

46、示例如：正方体的体积为a3；而等体积的球体体积为d3/6,3.尘粒的密度,真密度真:单位真实体积颗粒所具有的质量；kgm-3。 堆积密度假:单位体积颗粒所具有的质量；kgm-3。 4.尘粒的凝聚性 当尘粒能被水（或其它液体）湿润的现象为湿润性，被湿润的粉尘凝聚成团的现象即为凝聚性。 5.尘粒的荷电性与比电阻 荷电性：当尘粒激烈撞击、尘粒间的磨擦、放射线照射以及电晕放电等作用而荷电(带电); 比电阻：是烟尘导电性能的标志，它与烟尘的成分、烟气的温度和烟气的成分有关，烟尘的比电阻对电收尘器的性能影响极大。 6.粉尘的磨擦角 内磨擦角和外磨擦角（烟尘的磨擦角对设计收尘灰斗角度影响很大）。,3.2 重

47、力收尘器,重力收尘是依靠重力、惯性力或离心力，利用流体与固体的密度差，使它们发生相对运动而分离的操作。特点：结构简单、阻力小、操作方便。一般用于分离较大颗粒。对微细颗粒除尘效率低，作为预收尘器。,3.2.1 重力收尘器 沉降速度 在静止流体球形颗粒的自由沉降。颗粒的受力为： 向下的重力：Fg=mg=(/6)d3sg 向上的浮力：Fb=mgg=(/6)d3gg 相对运动的阻力：Fd= (/4) d2 ( gu2/2) 由牛顿第二定理可知：Fg-Fb-Fd=ma,颗粒开始沉降时,u=0,Fd=0;则a有最大值amax. 随着沉降的不断进行,u值逐渐增大,使a=0,则:,即：,L uHut hl,沉降室（除尘室）,含尘气体通过长度为l的沉降室的时间为,颗粒从高度为H的沉降室顶部沉至室底的时间为t，则要使颗粒被收集下来，必须保持： t ，即：式中：QS为单位时间内除尘室处理的烟气量，显然QS与H无关，只与沉降面积A=bl、沉降终速ut有关。所以在设计沉降室时，H不宜过高，为了增大沉降面积，可设计多层沉降室，即H=Hn，n为层数，H为每层的高度。,根据两相流的概念：,