冶金炉热平衡
1、热平衡原则
⑴ 热平衡是以热力学第一定律为基础,遵守能量守衡原则, 研究体系的能量进、出平衡关系，反映能量消耗和有效利用、能量损失之间的平衡
⑵冶金热平衡是指冶金炉体系热量收、支平衡，能量消耗和有效利用、能量损失之间的平衡关系。是冶金炉热工常用的分析方法。。 ⑶热平衡结果，可用热平衡方程、热平衡表及热流图表示。
2、冶金炉热平衡计算的目的：
(1)通过现场测试，编制热平衡表，分析炉子的热工作，判断热量的利用是否合理，找出提高热效率的途径；
（2）在设计炉子时，通过计算编制热平衡表，由热平衡关系中找出燃料消耗量等未知量。把热收入及热支出各项与现有炉子进行比较，帮助设计者判断设计方案的优缺点。 3、冶金炉热平衡主要内容
3.1 热平衡区域划定
热平衡计算中热量收、支的项目是随选取的热平体系所决定的，所以必须首先划定热平衡体系区域，把进入该区域的热量作为热收人．反之为热支出。
热平衡区域的划分视需要而定，通常有炉膛区域、预热区域及全炉区域。有时，可将炉子某一特定区域作为热平衡计算所划定的区域，例如可以将炉膛沿炉长方向划定几个区域分别作区域热平衡计算。
划定的区域不同，热收入及热支出项就有所不同。
例如：某炉由炉膛及空气换热器两部分组成，如图 所示。
图13.17热平衡区域的划分 图13.18全炉子热平衡模型
炉膛区域热平衡式为：
QDw+ Qα= Qs+ QCP+ Qω
其中 热量收入项 QDw---燃料的燃烧热
Qα---空气预热所带入的物理热
热量支出项 Qs ---加热炉料的有效热
QCP ---烟气所带走的热 Qω---炉膛内各项热损失
换热器域热平衡式为：
QCP= QP+ Qα+ QCω
其中 热量收入项 QCP ---炉堂烟气所带入的热
热量支出项 QP ---空气预热的物理热
Qα---换热器各项热损失
QCω---烟气所带走的热 全炉热平衡式为：
QDw= Qs+ QP +（ Qω+ QCω）
其中：（ Qω+ QCω）---全炉热损失项
不难看出炉膛热平衡与全炉热平衡的差别。由于区域不同，对炉膛来说Qα是热收入；但对全炉来说，热收入不包括Qα，是其内部的循环热量，因为供给炉子的是冷空气，Qα是来自换热器从炉膛烟气回收的热，而不是另外供给的热。 全炉子热平衡模型如图13.18示意。
3．2 热平衡中热量的表示方法
热平衡中热量的表示方法常有几种不同情况：
1）连续工作的炉子，通常以单位时间（如lh）为基准进行计算，
热量单位:为kJ／h。
2) 周期工作的炉子则以周期为基准进行计算 3)用单位产品的质量为基准进行计算。
无论基准如何选定，在同一个热平衡计算中，各项热收入及热支出的单位应一致。
3.3热平衡计算中的基准温度
热平衡计算中的基准温度通常有多种取法。如0℃、25℃大气温度和环境温度。 我国热工 设备能量平衡通则国家标准规定采用环境温度作为基准温度。
环境温度是指在环境温度下的干球温度，可直接测得。采用环境温度比较符合实际，并且计算较为简单，因为通常工质、燃料物料等都处于环境温度。 3.4物料平衡
物料平衡是热平衡的前提。在进行热平衡时，首先应进行物料平衡。 物料平衡一般与冶金炉生产的产品以及产品工艺有关。
3．5冶金炉热平衡计算结果表示 1）热平衡表 2）热流图
3）冶金炉生产热工技术指标
如：单位能（燃料、电）耗量；冶金炉热效率
单位助燃空气量；单位位排烟量；单位冷却水量
提出节能降耗措施：（提高炉子热效率，降低燃耗的措施）
[实例]
加热炉炉膛热平衡计算 一、收人项计算
1.燃料燃烧的化学热QC
QC = BQ kJ/h
式中B——燃料消耗量，kg（m）／h；
QC——燃料低发热量，kJ／kg（m）；
2.燃料预热带入的物理热Q
Qf= B C tf= B Kj/H
式中 Qf——燃料的平均比热，KJ/h； tf----燃料的预热温度 ℃
if一燃料的热含量，kJ／m 。
由于气体燃料各组分的比热不同，应采用下式计算燃料预热的物理热
Qf?B?p1c1?p2c2???tf ()
式中 p1,p2?—气体燃料各组分的体积百分比； c1,c2?—各组分的平均比热。
3. 空气预热代入的物理热Qa
Qa?BnL0cata?BLnia?kJ/h? （）
式中 n—空气消耗系数；L0—理论空气消耗量，m3/kg(m3)； Ln—实际空气消耗量，m3/kg(m3)；ta—空气预热温度，℃； ia—空气热含量，kJ/m3。
4.钢料在入炉时代入的物理热Qm
钢料在热装时应计入此项热收入，常温入炉时则不计
Qm?Gcmtm?kJ/h? （）
式中 G—炉子生产率，kg/h；cm—钢料的比热，kJ/(kg℃); tm—钢料入炉温度，℃。
5.金属氧化所放出之热Q0
Q0?5652Ga?kJ/h? （）
式中 a—金属烧损率，一般加热炉中a?0.01~0.03，若小于0.01则可不计； 5652—每千克铁氧化时所放出的热量，单位是kJ/kg。
# 6.雾化用蒸汽带入的物理热QH
用油作燃料时，油本身的物理热不计入收入项，用空气做雾化剂时，空气的物理热也不计入热收入项，但用蒸汽做雾化剂时，则蒸汽所带入的物理热应计入，并按下式计算
QH?Bn'cHtH?Bn'iH?kJ/h? （）
式中 n'—每千克燃油雾化用蒸汽量，kg/kg；cH—蒸汽的比热，kJ/(kg℃)；
tH—蒸汽的温度，℃； iH—蒸汽热含量，kJ/kg。
二、热支出项计算
1. 钢料加热所需的热—有效热Qs
Qs?Gcmtm?kJ/h?
式中 tm—钢料出炉时的平均温度。
若钢料为热装，则按下式计算
Qs?G?tm,2cm,2?tm,1cm,1??G?i?kJ/h? （）
式中 tm,2,tm,1—钢料出炉及入炉温度，℃； cm,2,cm,1—相应温度的平均比热，kJ/(kg℃)。
2. 烟气带走的热Qcp
Qcp?BVnccptcp?kJ/h? （）
式中 Vn—燃烧产物量，m/kg(m)；tcp—出炉烟气温度，℃； ccp—tcp下烟气的平均比热，kJ/(m3℃)。
3. 燃料化学不完全燃烧的热损失Qtd
pH2O??pCO?BVn?QCO?QH???kJ/h （）
100100??2O33
Qtd式中 QCO,QH pCO,pH?—CO、H2O…等可燃成分的发热量；
2O?—CO、H2O…等可燃成分在烟气中的体积百分含量。
一般情况下，可以认为烟气中每含1％的CO，就会同时含有5％的H2。这种混合气体折算成1m 3CO时的发热量为18046kJ，所以此项热损失也可见单用下式计算
Qtd?18046VnpCO100?kJ/h? （）
4. 燃料机械不完全燃烧的热损失
对烧固体燃料的炉子，此项损失是指炉栅的漏失及清灰渣时夹带而损失的燃料。对燃油及煤气的炉子，则指泄漏损失。
Qi?KQD??kJ/h? （）
式中 K—机械不完全燃烧损失的百分数，可参考下列数据
固体燃料 K?0.03~0.05；
液体燃料 K?0.01； 气体燃料 K?0.02~0.03。
5. 炉壁的散热损失Q?
连续工作的炉子，经过炉壁的散热损失可视为稳定导热过程，按下式计算
Q??t1?t2A kJ/h （）
?0.014?1?1??2?2????n?n式中 A—炉壁面积，m2； t1—炉壁内表面温度，℃； t2—周围大气温度，℃；
?1,?2??n—炉壁各层材料的厚度，m；
?1,?2,??n—各层材料的导热系数，kJ/(mh℃)。
其中0.014为假设炉壁对空气的总换热系数?等于71 kJ/(mh℃)时，炉壁外表面与空气间的热阻??1??。 71??由于炉顶、炉底、炉墙的砌筑厚度、层数及温度均不一样，所以应分别计算热然后相
加。
6. 炉门、开孔辐射热损失QR
当炉门或窥孔打开时，由炉内向炉外高温辐射造成的热损失用下式计算
?T?QR?5.67???A? kJ/h
?100?4式中 T—炉门或窥孔处炉气温度，K；
?—综合角度系数，由附图查出。一般而言大炉子??0.7~0.8，中炉子； ??0.2~0.5 ?—炉门或窥孔的开启时间，h。
7. 炉门、开孔溢气热损失Qg
一般炉子底面为零压，故炉膛处于正压，当打开炉门或窥孔时，高温气体将溢出炉外，同时炉子缝隙之处也将有高温气体溢出，从而造成热损失，此项热损失用下式计算。
Qg?V0tgcg? kJ/h （）
式中 tg—炉气温度，℃；