工業爐知識講解

工業爐是在工業生產中，利用燃料燃燒或電能轉化的熱量，將物料或工件加熱的熱工設備。工業爐的主要組成部分有：工業爐砌體、工業爐排煙系統、工業爐預熱器和工業爐燃燒裝置等。

工業爐砌體

砌體的作用是使工業爐在加熱或熔煉過程中承受高溫負荷，減少熱量損失，抵抗化學侵蝕并具有一定的結構強度，以保證爐內熱交換過程的進行。

砌體由耐火層和絕熱層組成。為了保證砌體的強度和氣密性，在砌體外圍還用鋼結構（稱為爐架）將砌體緊固（如上圖）。耐火層直接承受高溫負荷和機械沖擊，同時承受爐氣或熔液的化學侵蝕，多用具有規定尺寸的標準型耐火磚砌成。

砌體的磚縫一般要相互錯開，在一定間距內留出適當大小的膨脹縫。砌磚用耐火泥的化學成分和熱性能，要與耐火磚相適應，并具有合適的稠度和可塑性等，以滿足施工要求。

耐火層的外部是絕熱層，用以對耐火層進行保溫，以減少爐壁散熱損失和降低爐壁外表面溫度，多用密度小、熱導率低的標準型絕熱磚或棉、氈等纖維材料組成。

工業爐排煙系統

工業爐排煙系統是利用煙囪或機械裝置將工業爐爐膛內的煙氣排出爐外的系統。保證排煙通暢是工業爐正常使用的重要條件，排煙不通暢時，爐膛壓力升高，從爐膛四周的縫隙會逸出大量煙氣而增加爐子的熱損失，影響爐內氣流的均勻分布，降低爐溫均勻性，惡化操作環境。

排煙系統是由產生抽力的排煙裝置和排送煙氣的煙道所組成。常用的排煙裝置有煙囪（圖1 煙囪排煙裝置）、引風機或噴射管（圖2 機械排煙裝置）等。

煙囪排煙是靠流入煙囪內熱煙氣密度小于煙囪外空氣密度所產生的浮力，以克服煙道的阻力。利用引風機也可將煙氣排出，或在排煙系統中某一部位裝設一個噴射管，用高速噴射氣體所產生的負壓排出煙氣。煙囪排煙不消耗動力，排煙溫度不受限制。當排煙阻力很大而工業爐又間斷運行時，可用引風機或噴射管排煙。噴射管適用于排除高溫煙氣；引風機適用于排除低溫煙氣。

煙囪分為磚砌煙囪、混凝土煙囪和鋼板煙囪。煙道有地下煙道和架空煙道兩種。地下煙道多用磚砌，架空煙道宜采用襯有耐火材料的鋼板制成。

為了減少煙氣對環境的污染，或因節能需要而在煙道內設置預熱器時，都需要盡量提高煙囪高度并增加煙囪出口處的煙氣流速，使之大于當地最大風速或至少不低于3米/秒,以避免煙氣中的有害氣體和煙塵向地面擴散。

工業爐預熱器

利用工業爐排出的煙氣余熱對助燃空氣和氣體燃料加熱的裝置。在工業爐上裝設預熱器以后，由于回收了熱量，可以節約燃料并易于提高爐溫以加快升溫速度。工業爐預熱器分換熱式和蓄熱式兩類。

換熱式預熱器

換熱式預熱器分為金屬預熱器和陶瓷預熱器兩類。它們都是利用爐子排出的煙氣余熱通過輻射換熱和對流換熱方式將預熱器壁加熱，再對流經器壁另一側的空氣或煤氣以同樣方式進行加熱，即預熱。

金屬預熱器的器壁熱導率大，器壁可以很薄，密封性好，可將空氣預熱到600℃左右，是廣泛使用的預熱器。陶瓷預熱器的器壁熱導率較小，但能承受較高的煙氣溫度，也能將空氣預熱到600℃左右。

20年代初，工業爐多采用鑄鐵管狀或針狀預熱器，40年代以后才較多地使用鋼材制造的管狀預熱器（圖1a）、圓筒輻射預熱器（圖1b）、噴流預熱器（圖1c）和鑄鐵塊內埋有鋼管的塊狀預熱器等。

煙氣與空氣在預熱器內的流動方式分順流、逆流和錯流3種。從提高傳熱性能的角度來說，采用逆流方式好，可獲得較高的預熱溫度；從降低壁溫、提高預熱器使用壽命的角度來說，采用順流方式好；錯流方式介于順流和逆流之間。噴流預熱器具有獨特的流動方式，被預熱氣體由內管上密布的小孔中高速噴出，沖刷外管熱交換面，使流體邊界層具有紊流性質，從而產生強烈的熱交換。

蓄熱式預熱器

蓄熱式預熱器即蓄熱室（上圖）， 是用耐火磚砌成的格子磚體。為了使空氣能連續預熱，一臺爐子需要設有兩個蓄熱室，分別處于蓄熱或預熱工作狀態。

其傳熱過程是：煙氣引入蓄熱室，煙氣的部分熱量為格子磚所吸收（蓄熱），經10～30分鐘后，通過換向裝置自動切斷煙氣，改將空氣引入，用磚體的蓄熱加熱空氣（預熱）；同樣經10～30分鐘后，切斷空氣，再將煙氣引入，這就是一個換向周期。加熱爐用的蓄熱室可將空氣預熱到600～700℃，使用壽命長。

工業爐燃燒裝置

在以燃料為熱源的工業爐內用以實現燃料燃燒過程的裝置。根據火焰爐加熱要求,各種燃燒裝置應保證：

1. 在規定的熱負荷條件下保證燃料的完全燃燒；

2. 燃燒過程穩定，能向爐子連續供熱；

3. 火焰的方向、外形、剛性和鋪展性符合爐型及加熱工藝的要求;

4. 結構簡單,使用維修方便。

各種燃料的燃燒過程不同，因而燃燒裝置的結構也各不相同。燃燒裝置可分為氣體、液體、固體燃料的幾類。

1、氣體燃料燃燒裝置

通常稱燒嘴，它的主要作用是按一定比例和一定的混合條件將煤氣和空氣送到爐內燃燒（也有在燒嘴內部燃燒的），并滿足爐內加熱過程對火焰的要求。根據煤氣和空氣在燒嘴內的混合情況，分為有焰和無焰燒嘴。

有焰燒嘴的特點是：煤氣和空氣在燒嘴內不進行混合或僅部分混合，噴到爐內后再邊混合邊燃燒，因而火焰較長并有明顯的輪廓。采用有焰燒嘴時，強化燃燒和組織火焰的主要手段是改變煤氣和空氣的混合條件，如將煤氣和空氣分成許多細流，使煤氣流和空氣流按一定角度相交，或利用旋流裝置促使氣流加速混合等。圖1就是一種帶單管式煤氣燒嘴。

圖1 單管式煤氣燒嘴

無焰燒嘴的特點是：煤氣和空氣在燒嘴內部即達到均勻混合，噴出燒嘴后能立即著火燃燒，火焰很短，沒有明顯的火焰輪廓。工業爐中常用的無焰燒嘴是噴射式燒嘴（圖2）, 它是靠煤氣的噴射作用直接從大氣中按比例吸入所需要的助燃空氣，在混合管內混合均勻后再在耐火材料制成的燃燒道中完成燃燒反應。

60年代開始，為了適應新的加熱工藝的需要，先后出現了氣體出口速度達100米／秒以上的高速燒嘴、火焰形狀成圓盤形的平焰燒嘴和燒嘴與預熱器、排煙裝置組成一個整體的自身預熱燒嘴。為了減少有害氣體NOX對環境的污染，還研制出低氧化氮燒嘴等各種新型燃燒裝置。

2、液體燃料燃燒裝置

通常稱油嘴，或噴嘴。燃料油需要經過霧化后再燃燒，因此油嘴除具有一般燃燒裝置的基本性能外，還應具有良好的霧化能力，以保證燃料的完全燃燒。根據霧化方法，油嘴可分為低壓油嘴、高壓油嘴、機械油嘴和轉杯油嘴，其中低壓油嘴和高壓油嘴應用較廣。

低壓油嘴是用全部助燃空氣作為霧化介質，靠氣流的動量將油霧化，霧化粒徑80～100微米,空氣壓力一般為2940～7840帕，燃燒時的火焰一般為 600～1400毫米。

高壓油嘴是用蒸汽或壓縮空氣作霧化介質，壓力一般高達(3～12)×105帕，由于霧化介質壓力高，噴出速度能達到或超過聲速，所以高壓油嘴的霧化能力比低壓油嘴強，霧化粒徑可達20～30微米，但需要附加一條輸送助燃空氣用的通道和相應的氣流導向設施。

3、固體燃料燃燒裝置

使用固體燃料的工業爐，常用塊煤層狀燃燒法和粉煤噴流燃燒法。采用塊煤層狀燃燒法的燃燒裝置簡稱燃燒室，分為人工加煤燃燒室和機械加煤燃燒室。塊煤靠人工或機械裝置堆放在爐排上，助燃空氣從爐排下部自下而上地穿過煤層，完成燃燒反應。圖3是往復爐排的機械加煤燃燒室。

圖3 往復爐排的機械加煤燃燒室

圖4 常用的簡易煤粉燒嘴示意圖

煤粉噴流燃燒法是將煤粉破碎到50～60微米的粒度，用空氣噴到爐內，在運動過程中通過煤粉燒嘴完成燃燒反應，形成具有一定形狀的火焰。圖4為常用的簡易煤粉燒嘴示意圖。