苏州炬鼎熔炉核心技术天然气加热铝合金熔炉的燃烧反应原理

一、天然气燃烧的化学反应原理

• 化学反应式：
  CH4​+2O2​点燃​CO2​+2H2​O+热量
  每摩尔甲烷完全燃烧释放约 890 kJ 热量，产物为二氧化碳（CO₂）和水蒸气（H₂O）。

• 当氧气不足时，会发生不完全燃烧：
  CH4​+O2​点燃​CO+2H2​O（生成一氧化碳，CO）
  或 CH4​高温缺氧​C+2H2​（生成碳单质，可能导致炉内积碳）。
• 危害：不完全燃烧降低热效率（CO 燃烧热仅为 283 kJ/mol），且 CO 有毒，需通过控制空气供给量避免。

• 为保证完全燃烧，实际供氧量需高于理论值，引入 “过剩空气系数”（α）：
  • α=1 时为理论空气量，实际操作中 α=1.05~1.2（天然气燃烧时）。
  • 过量空气过少易生成 CO，过多则因烟气量增大带走热量，降低热效率。

二、热量传递与铝合金加热机制

• 热量来源：天然气燃烧释放的热能以火焰辐射、烟气对流和炉壁传导三种形式传递。
• 传递过程：
  1. 火焰高温（1800~2000℃）通过辐射直接加热炉内工件（铝合金）；
  2. 高温烟气（含 CO₂、H₂O、N₂等）通过对流换热将热量传递给炉壁和铝合金；
  3. 炉壁蓄热后通过热传导进一步加热附近材料。

• 铝合金熔点通常在 550~660℃（如 6061 铝合金熔点约 650℃），加热时需控制温度避免过烧（超过固相线温度会导致晶粒粗大或熔化）。
• 热传递效率影响因素：
  • 火焰与工件的距离、燃烧器布置（如侧烧、顶烧）；
  • 炉内烟气流速（对流强度）；
  • 炉壁材料的保温性能（减少散热损失）。

三、炉内气氛与铝合金的相互作用

• 水蒸气（H₂O）：高温下可能与铝合金中的镁（Mg）反应：
  2Mg+H2​O高温​2MgO+H2​
  导致镁元素烧损，影响合金性能，需通过控制炉内湿度或通入保护气体（如 N₂）抑制。
• 二氧化碳（CO₂）：与铝合金表面氧化膜（Al₂O₃）反应较弱，但过量 CO₂可能降低炉内氧分压，间接减少氧化。

• 铝合金加热时易生成疏松氧化膜（Al₂O₃），增加金属损耗。
• 优化方向：
  • 控制燃烧气氛为弱还原性（如微过量天然气，生成少量 CO），降低氧分压；
  • 采用惰性气体（如 Ar）或含氯保护剂（如六氯乙烷）覆盖液面，抑制氧化。

四、实际应用中的燃烧优化策略

• 预混燃烧与扩散燃烧：
  • 预混燃烧（天然气与空气提前混合）：火焰短、温度高，适合快速加热；
  • 扩散燃烧（天然气与空气边混合边燃烧）：火焰长、温度均匀，适合大面积加热。
• 参数调节：通过调节天然气与空气的流量比、燃烧器风门开度，控制火焰形状和温度分布。

• 余热回收：通过换热器利用烟气余热预热助燃空气或天然气，降低能耗；
• 炉体保温：采用耐火纤维、轻质耐火砖等材料减少散热；
• 自动控温系统：通过热电偶实时监测炉温，反馈调节燃烧量，避免温度波动。

五、典型工艺流程图解

六、安全与环保注意事项

• 防爆措施：天然气与空气混合浓度在 5%~15% 时易爆炸，需确保燃烧器密封性，炉内保持微正压；
• 废气处理：燃烧产物含少量 NOₓ（高温下 N₂与 O₂反应生成），需通过低氮燃烧器或脱硝装置降低排放；
• CO 监测：安装 CO 传感器，避免不完全燃烧导致的中毒风险。

总结