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炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 第八章第八章炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定第一节第一节 炼焦炉加热用煤气炼焦炉加热用煤气第二节第二节 煤气的燃烧煤气的燃烧第三节第三节 燃烧计算燃烧计算第四节第四节 焦炉的热平衡及热工评定焦炉的热平衡及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 第一节第一节 炼焦炉加热用煤气炼焦炉加热用煤气 一、几种煤气的组成一、几种煤气的组成 焦炉加热用的气体燃料主要是焦炉煤气和高炉煤气，某些厂也采用发生炉煤气。这些煤气的大致组成如表8-1。表8-1 几种煤气的组成名 称组 成(体积分数)/低发热值/kJm3H2CH4COCmHnC02N202其它焦炉煤气高炉煤气发生炉煤气55601.53.05923270.20.55826303233241.53.09120.51.537556064660.30.80.20.4灰灰灰17167188423810439641454313炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 国内在焦炉设计中，为统一热工计算数据，根据我国情况，焦炉煤气和高炉煤气的组成采用表8-2的数据，便于前后对照，本书也以表8-2中的数据作为讨论内容的实例。煤气中的H2、CH4、CO和不饱和烃(主要是C2H4)为可燃成分。由表列数据可知,焦炉煤气的可燃成分在90以上，主要是H2和CH4，高炉煤气和发生炉煤气中含有大量的N2，可燃成分仅占30左右，主要是CO。煤气组成是决定煤气燃烧特性的基本因素，各种煤气组成因原料的性质、设备和操作条件的不同而异。名 称组 成(体积分数)/低发热值/kJm3H2CH4COCmHnCON202焦炉煤气59.525.562.22.44.00.417920高炉煤气大型高炉中型高炉1.52.70.20.226.828.013.911.0 57.2 57.80.40.336433927表8-2 焦炉热工计算用煤气组成 炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 通常煤气中总含有一定量的饱和水蒸汽，故湿煤气的组成可按干煤气的组成和不同温度下煤气(空气)中饱和水蒸汽的含量用表8-3进行换算。如焦炉煤气的饱和温度为20，由表8-3查得1m3干煤气在20oC时的饱和水蒸汽含量为0.0235m3m3，则湿煤气中组分的含量以氢为例可换算如下：由此方法将表8-2干煤气组成换算成表8-4湿煤气组成。炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 表8-4 湿煤气组成 名 称 组 成 (体积分数)/饱和温度/OC H2 CH4 CO CmHnC02 N2 02 H20焦炉煤气高炉煤气 Q低=3643kJ/m3高炉煤气 Q低=3927kJ/m358.11.442.5824.90.190.195.8625.6326.782.152.3513.2910.523.954.7155.280.390.380.292.304.184.18 20 30 30 二、煤气的发热值二、煤气的发热值 气体燃料的发热值是指单位体积的气体完全燃烧时所放出的热量(kgm3)。燃烧产物中水的状态不同时，发热值有高低之分。燃烧产物中水蒸汽冷凝，呈0液态水时的发热值称为高发热值(Q高)，燃烧产物中水呈汽态时的发热值称为低发热值(Q低)。实际燃烧时，不论在何种热工设备中进行，燃烧时废气的温度都较高，水蒸汽不可能冷凝，所以有实际意义的是低发热值。各种气体燃料的发热值可用仪器直接测定，也可以根据其组成按加和法进行计算。炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 煤气中各可燃成分的低发热值(kJm3)为：CO12728；H210844；C2H435840；CmHn71179。按表8-2中焦炉煤气的组成及上述数据，可计算焦炉煤气的低发热值：=17920kJ/m3 由于焦炉煤气可燃成分多，且含有大量发热值高的CH4，其发热值约为高炉煤气的4倍。炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 三、煤气的密度三、煤气的密度 煤气的密度是指每立方米煤气的质量，记为(kgm3)，每m3煤气在标准状态下的密度则记为0。它和其它混合气体一样，可以根据组成按加和法计算。按表8-2所列焦炉煤气的组成计算其密度为：O=0.451kgm3 式中 2、16、28分别为H2、CH4、CO的分子量，CmHn中按80的C2H4和20C6H6计算。饱和温度为20oC时的湿焦炉煤气的密度为：=0.459kg/m3炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 同理可以计算出：Q低=3644kJm3的高炉煤气密度为1.337kgm3，饱和温度为30时该湿高炉煤气的密度为1.308kgm3，Q低=3927kJm3的高炉煤气密度为1.297kgm3，饱和温度为30oC时，该湿高炉煤气的密度为1.275kgm3。由于焦炉煤气含氢量高，故其密度比高炉煤气小得多，且比水汽的密度还小，干高炉煤气的密度比湿高炉煤气密度略小，而焦炉煤气则相反。炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 四、煤气的燃烧特性四、煤气的燃烧特性 焦炉煤气可燃成分浓度大，发热值高，提供一定热量所需煤气量少，理论燃烧温度高。由于H2占50以上，因此燃烧速度快，火焰短，煤气和燃烧产生的废气密度小，焦炉加热系统阻力小。因CH4占14以上，而且含有CmHn，故火焰光亮，辐射能力强；但处于高温下的砖煤气道和烧嘴等处会沉积石墨，焦炉在换向过程中要进入空气除碳。此外用焦炉煤气加热时，炼焦耗热量低，且当增减煤气流量时对焦炉燃烧温度的变化比较灵敏，一般需要23小时炉温即可反映出来。焦炉煤气在回收车间净化不好时，煤气中萘、焦油和焦油渣增多，容易堵塞管道及管件，煤气中氨、氰化物、硫化物等对管道和设备腐蚀严重。当焦炉压力制度不当，炭化室负压操作时，煤气中N2、C02、02含量增加，发热值降低且会波动，因此炼焦车间和回收车间的操作状况对焦炉加热用煤气质量影响很大。炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 高炉煤气中不可燃成分占70，故发热值低，提供一定热量所需煤气量多，产生的废气量也多。高炉煤气中可燃成分主要是CO，且不到30，燃烧速度慢，火焰长，高向加热均匀，可适当降低燃烧室的温差。但高炉煤气不预热时，理论燃烧温度低，因此，必需经蓄热室预热到1000oC以上，才能满足燃烧室温度的要求。用高炉煤气加热时，由于煤气和废气的密度较高，废气量也多，故耗热量高，加热系统阻力大，约为焦炉煤气加热时阻力的二倍以上。当增减煤气流量时，温度变化反映较慢，炉温需6个小时才能反映出来。炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 高炉煤气是高炉炼铁时的副产品，发生量约为25003500m3(t生铁)，如不充分利用，既浪费能源又污染环境。故只要高炉煤气量稳定，含尘量700640680炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 三、点火与爆炸三、点火与爆炸煤气的燃烧也可以采取点火的方式，即冷的可燃气体混合物用一个不大的火源，在某处使小部分可燃混合气体点火引起燃烧，由于这部分气体燃烧放出热量，使其温度升高，并很快将热量传给临近的一层可燃气体混合物，使其迅速升温达到着火温度而燃烧，这一层燃烧又会将热量传给下层可燃气体混合物使其燃烧，如此一层层地传下去，使整个可燃混合物燃烧起来。因此用点火的方式进行的燃烧除与火源有关外，还取决于燃烧的传播条件。对于流动着的可燃气体混合物，当其流动速度与火焰的传播速度相等，就可以实现在燃烧室中进行稳定的燃烧。火焰的传播速度不仅与可燃混合物的成分、浓度、温度和压力等条件有关，还和燃烧装置的散热有关。上述燃烧极限也是火焰传播的浓度极限。炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 可燃混合物的温度增高时，火焰的传播速度将加快，燃烧器的体积缩小时，散热作用加强，火焰传播速度将减慢。用点火的方式进行燃烧，就本质而言与达到着火温度的燃烧并无原则的区别，这时燃烧能否正常进行同样取决于必要的燃烧极限。火焰的正常传播是在一定的压力下进行的，它的速度大约在每秒几厘米至1015米。如果在一个密闭的容器内点火，则因绝热压缩，使整个容器内可燃混合物的压力和温度急剧增加，这时火焰的传播速度可达到每秒几公里，整个容器内的可燃物同时剧烈燃烧而产生极大的破坏力，从而产生爆炸。爆炸与燃烧其本质是一样的，必须具备必要的极限浓度和火源，因此各种可燃混合物的燃烧极限也即是该混合物的爆炸极限。炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 爆炸与燃烧的不同点是：燃烧是稳定的连锁反应，主要依靠温度的提高，使反应加速；而爆炸是不稳定的连锁反应，主要依靠压力的提高，使活性分子浓度急剧提高而加速反应。综上所述，引起爆炸的条件是设备或环境中可燃混合物达到必要的极限浓度，同时存在高温或火源，爆炸方式是压力传播。了解引起爆炸的原因，就可以采取措施，消除爆炸的发生，如焦炉煤气、氢气和苯蒸汽的爆炸极限的下限都很低，故当管道、管件、设备不严时，一旦漏入的空气遇到火源就容易着火爆炸。因此要求设备、管道要严密，严禁在设备、管道附近产生火源，并应加强通风。相反，由于高炉煤气、发生炉煤气、氢气和CO的爆炸上限很高，当设备管道不严，同时又出现负压操作时，容易吸入空气，形成爆炸性可燃混合物。此外，当管道内煤气低压或流量过低使煤气流速低于火焰传播速度时，就会在管道或设备中发生回火爆炸。因此，当煤气压力低于规定数值时，要停止加热。炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 四、扩散燃烧和动力燃烧四、扩散燃烧和动力燃烧 煤气的燃烧过程比较复杂，根据上述内容，在一定的条件下，燃烧过程可分为三个阶段：煤气和空气混合，并达到极限浓度。将可燃混合气体加热到着火温度或点火燃烧使其达到着火温度。可燃物与氧气发生化学反应而进行连续稳定的燃烧，此过程取决于化学动力学的因素，即主要和反应的浓度和温度有关。根据煤气和空气的混合情况，煤气燃烧有两种方式。炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 1.1.扩散燃烧扩散燃烧 将煤气和空气分别送人燃烧室后，依靠分子的扩散作用，边混合边燃烧的过程叫扩散燃烧。由于燃烧室温度通常很高，使可燃混合物加热到着火温度与燃烧化学反应实际可在瞬间进行，故煤气的燃烧速度取决于可燃物分子和空气分子互相接触的物理因素，即属于扩散燃烧。在扩散燃烧过程中，由于局部氧的供给不足，而使碳氢化合物热解产生游离碳，因此在燃烧带中有固体颗粒存在，并能产生强烈的光和辐射热，形成光亮的火焰，故这种燃烧也叫有焰燃烧。焦炉火道内煤气的燃烧就属于这一类方式。炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 火焰的长短，表征煤气燃烧过程速度的大小，它主要取决于煤气和空气的混合强度和混合程度，混合进行得愈快愈完全，燃烧愈快，火焰就愈短。在有焰燃烧中有很多因素影响煤气和空气的混合过程，主要包括可燃物与氧分子的相互扩散速度和气体动力学等因素。扩散过程的有关原理表明：分子扩散时，扩散速度与反映各种物质扩散性能的扩散系数、扩散界面及浓度梯度成正比。因此扩散是分子运动的结果，扩散系数与分子运动的动能有关，即不同气体的扩散系数大小与其分子量的平方根成反比，因此C0比H2 扩散得慢。高炉煤气中主要可燃物为CO，而且可燃物浓度低，向空气扩散速度慢，因此在焦炉中高炉煤气的燃烧速度比焦炉煤气慢得多，其火焰也就比焦炉煤气的火焰长。焦炉结构中采用废气循环来拉长火焰，就是通过一部分废气循环来降低煤气和空气中可燃物和氧分子的浓度，从而减小浓度梯度，降低扩散速度和燃烧速度，达到使火焰拉长的目的。炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 根据计算表明：煤气和空气在斜道口或烧嘴处是以层流状态流出，废气在立火道中也为层流。因此，焦炉立火道中煤气和空气的燃烧属于层流条件下的扩散燃烧，这时分子扩散速度与气流速度无关，而后增加气流速度可把可燃分子引至较远处燃烧，从而拉长了火焰。此外减小烧嘴直径也可以拉长火焰，废气循环也是利用使火道中气流速度加快而起拉长火焰作用的。如果气流转为湍流条件下进行扩散燃烧时，则增加了气流速度，使气体分子混合加剧，火焰变短。此外，减小空气过剩系数及减小气流交角时均可使火焰拉长。影响焦炉火焰长短的因素还很多，但主要的还是层流条件下的扩散燃烧。而决定燃烧速度的是煤气和空气分子的相互扩散速度。炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 2.2.动力燃烧动力燃烧 煤气和空气的混合过程限制着燃烧速度的快慢。将煤气和空气在进入燃烧室前预先完全均匀混合，然后再点火燃烧，这时的燃烧速度取决于化学反应速度，故属于动力燃烧。由于动力燃烧化学反应速度极快，可达到很高的燃烧强度，并且燃烧完全、燃烧产物中亦没有固体颗粒，因此燃烧室中透彻明亮，好象没有火焰存在，故这种燃烧也叫无焰燃烧。由于在燃烧前把煤气和空气均匀混合，故无焰燃烧可在很小的空气过剩系数条件下就能达到完全燃烧，因此燃烧强度大，燃烧温度高。炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 无焰燃烧时，煤气和空气是在冷态时预先混合的，为使无焰燃烧正常稳定地进行，要求可燃混合物进入燃烧室前必需加热至着火温度以上，以及气流速度稍大于火焰传播速度，否则容易引起回火，甚至爆炸。因此无焰燃烧器要求有灼热的内壁足以使整个可燃混合气体同时迅速加热到着火温度。容易回火是无焰燃烧的惟一缺点。回火时，在混合器内就进行部分燃烧，使混合器温度提高，废气和可燃气一起进人燃烧器，增加气流阻力，减少喷射管的吸入能力，破坏正常工作，严重时会引起爆炸，因此在设计和使用中应予以重视。炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 第三第三节节 燃燃烧计烧计算算 以煤气和空气燃烧时的化学反应为基础，通过物料平衡和热量平衡的计算来讨论燃烧特性。一、空气一、空气过过剩系数剩系数 为使燃烧时可燃物能够充分利用，要求与氧完全作用，当燃烧产物中只有C02、H20、N2和02等，不再含有可燃成分，这样的燃烧叫完全燃烧，否则是不完全燃烧。引起不完全燃烧的根本原因是空气供给不足、燃料和空气混合不好或高温下燃烧产物中的H2O和C02分解产生了C0和H2等。通常热分解造成的不完全燃烧可以忽略不计。炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 空气和煤气的混合靠燃烧室的结构来保证。因此，为了保证燃料完全燃烧，实际供给的空气量必需大于燃烧所需的理论空气量，两者的比值叫空气过剩系数，以“”来表示：=的选择对焦炉加热十分重要。过小煤气燃烧不完全，可燃成分随废气排出，造成浪费；过大产生的废气量大，废气带走的热量也增多。故值过大或过小均会增加煤气耗量。同时，值的大小对焦饼高向加热均匀性有很大影响，特别是对没有废气循环的焦炉更为显著。因此必需通过实际生产正确控制值。正常情况下，值应保证煤气完全燃烧。炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 烧焦炉煤气时，=1.21.25，烧高炉煤气时，不带废气循环的焦炉=1.151.20,带废气循环的焦炉由于对火焰高度不起主导作用，故值可以略大些。实际生产中值会随煤气温度、热值及大气温度变化等因素而变化，故需经常检查并及时调节。值可以通过废气分析以下式计算：（8-3）式中 02、C0、CO2废气中各组分的体积百分含量，；K随加热煤气组成而异的系数。炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 式(8-3)可根据的定义作如下的推导：（1）式中 L过、O过煤气完全燃烧时的过剩空气量和过剩氧量，m3(m3煤气)；O理煤气完全燃烧时所需理论氧量，m3(m3煤气)。显然，O过等于干废气中的含氧量(体积分数)与废气体积的乘积。即：O过=V干.O2 （2）炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 式中干废气体积V干可以看作完全燃烧1m3煤气时，按理论计算所生成的CO2总体积()除以废气中CO2体积含量所得的商。即：（3）合并(2)(3)式并代入(1)式：得 O过=V干O2=O2 炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 显然：K=，如废气中还有CO，则当完全燃烧时，该体积的CO还将消耗O2，并生成 C02，则上式中的O2应改为02-0.5C0，并以C02+CO代替上式中的C02就可得式(8-3)。例如某焦炉用焦炉煤气加热，废气中C02含量为9，02的含量为4.6，如按焦炉煤气组成作理论计算得：K=0.43，因废气中没有C0，故：=1+0.43 =1.22 在工厂中废气分析常用的仪器是奥氏气体分析仪，靠人工取样和分析，分析缓慢，且误差大。一些单位已开始使用热导池气相色谱仪进行废气(煤气)分析，分析速度大为加快。为了及时自动显示废气中的氧含量，也可用磁氧分析仪。炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 二二、空空气气需需要要量量和和废废气气生生成成量量的的计计算算燃燃烧烧的的物料平衡物料平衡 1.1.空气需要量的计算空气需要量的计算 根据各可燃成分的化学反应式和煤气组成，计算煤气完全燃烧所需的理论氧量(0理)。1m3煤气完全燃烧时所需的理论氧量等于煤气中各可燃成分单独燃烧时所需氧量的总和。如下式：O理=0.5(H2+CO)+2CH4+3C2H4+7.5C6H6-020.01，m3(m3煤气)(8-4)式中H2、CO、CO2分别表示煤气中各成分的体积含量,。因为空气中氧的含量占21，故相应的理论空气量为：L理=，m3(m3煤气)(8-5)炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 实际干空气量为：L实(干)=L理，m3(m3煤气)(8-6)由于空气中均含有一定的水分，因此实际空气量应包括带入的水分，则实际湿空气量为：L实=L实(干)(1+H20)空，m3(m3煤气)式中 H20为每m3干空气中所含的水汽量，m3(m3干空气)。2.2.废废气生成量的气生成量的计计算算 废气生成量仍按反应定律计算。煤气完全燃烧时，生成的废气中含有C02、H20及由煤气中带人的N2和空气中带入的N2和过剩氧量。故废气中各成分的体积为：=0.01(C02+CO+CH4+2C2H4+6C6H6)，m3/（m3煤气）(8-7)炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 =0.01H2+2(CH4+C2H4)+3C6H6+H20(煤)+L实(干)(1+H20)（空），m3/(m3煤气)(8-8)=001N2+0.79L实(干)，m3/（m3煤气）(8-9)=0.21L实(干)-O理，m3/（m3煤气）(8-10)式中 H2O(煤)煤气中所含的水汽量，m3/(m3煤气），其它符号同前。则1m3煤气完全燃烧时所生成的废气量为：，m3（m3煤气）(8-11)废气中各组分的体积除以废气总量即得废气组成。炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 例8-1按表8-2所列焦炉煤气组成，计算空气需要量和废气生成量及废气组成。计算以100m3干煤气为基准。设=1.25，煤气的饱和温度为20oC，空气温度为20，空气的相对湿度为0.6。煤气和空气的饱和含湿量由表8-3查得，计算结果见表8-8。由表8-8可知：燃烧1m3上述组成的干焦炉煤气时:L实(干)=5.473m3(m3煤气)；L实=L实(干)(1+0.60.0235)=5.550m3(m3煤气)；V废=6.248m3(m3煤气)炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 同理，按表8-2低发热值为3643kJm3的高炉煤气，饱和温度为30，空气温度为20OC，相对湿度为0.6，=1.25时，可计算得：L实(干)=0.843m3(m3煤气)L实=0.855m3(m3煤气)V废=1.757m3(m3煤气)其废气组成为：C02 23.28，02 2.02、H20 4.24、N2 70.46。由计算可知，燃烧1m3焦炉煤气所需空气量约为烧1m3高炉煤气所需空气量的6.5倍，产生的废气量约为3.5倍，且两者的废气组成也有显著差别，除N2以外焦炉煤气产生的废气中以H20为最多，高炉煤气的废气则以C02为最多。炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 三、燃烧温度三、燃烧温度燃烧的热平衡燃烧的热平衡 煤气燃烧后所产生的热量用于加热燃烧产生的废气，使其达到的温度叫燃烧温度，其高低受煤气的组成、热值、煤气和空气的预热程度及向周围介质传热等多种因素的影响。下面通过燃烧的热平衡来讨论。1.1.实际燃烧温度实际燃烧温度 在实际条件下，煤气燃烧所产生的热量，除废气中C02和H20在高温下部分离解所吸收的热量和传给周围介质的热量外，其余全部用来加热废气，此时废气所能达到的最高温度称为实际燃烧温度。以下通过1标m3煤气为基准的燃烧热平衡来讨论实际燃烧温度。炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 燃烧过程的热量收入项：(1)煤气的燃烧热Q低燃烧1标m3煤气所生成的热量，即煤气的低发热值：Q1=Q低，kJ(m3煤气）(2)煤气的物理热Q煤 Q2=Q煤=c煤t煤，kJ(m3煤气)式中 c煤煤气在t煤时的比热容，kJ/(m3oC)；t煤进入燃烧室的煤气预热温度，oC。(3)空气的物理热Q空 Q3=Q空=L实c空t空，kJ(m3煤气)式中 L实燃烧1标m3煤气所需的实际空气量，m3(m3煤气）；c空空气在t空oC时的比热容，kJ/(m3oC)；t空进入燃烧室的空气预热温度，。进入总热量：Q总=Q1+Q2+Q3=Q低+Q煤+Q空，kJ/（m3煤气）炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 燃烧过程的热量支出项：(1)废气带走的热量Q废 Q1=Q废=V废c废t废，kJ(m3煤气)式中 V废燃烧1标m3煤气所产生的废气量，m3(m3煤气）；c废废气在t废oC时的比热容，kJ(m3oC)；t废废气离开燃烧室时的温度，即实际燃烧温度t实。(2)废气传给周围介质的热量Q散：Q2=Q散=Q效+Q损，kJ/（m3煤气）式中 Q效传给炉墙加热煤料的热量，kJ(m3煤气)；Q损散失于周围空间的热损失，kJ(m3煤气）。炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 (3)不完全燃烧的热损失Q不，即废气中CO的燃烧热:Q3=Q不=12728VCO，kJ(m3煤气）式中 VCO燃烧1m3煤气产生的废气中CO的含量，m3(m3煤气)；12728CO的燃烧热，kJ(m3CO)。(4)废气中C02和H20部分离解时吸收的热量Q分当温度达到13001400以上时，废气中的H20和CO2就要发生显著的离解反应：H2 0H2+02-10718 C02 CO+02-12778炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 由离解反应可知：当温度升高平衡向右方的吸热方向移动，使离解度增加。当空气过剩系数增加时(即氧的浓度增加)，平衡向左方移动，使离解度减少。C02和H20的离解度与温度的关系可查图8-1：图8-1 CO2和H2O的离解度与温度的关系炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 Q4=Q分=V废q离，kJ(m3煤气)式中 V废1标m3煤气燃烧产生的废气量，m3(m3煤气)；q离1m3废气中C02和H20的离解热，kJ(m3废气)。q离=10718 +12770 ，kJ(m3废气)式中 10718、12770为H20和C02的离解热，kJ(m3H20)，kJ(m3C02)；、为废气中H20和CO2的含量，m3(m3废气)；、为H20和C02的离解度，。根据热平衡原理：收入项=支出项 Q低+Q煤+Q空=V废c废t实+Q效+Q损+Qco+Q分 (8-12)炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 则t实为：t实=(8-13)实际燃烧温度就是炉内废气的实际温度。由式8-13表明，它不仅与燃料性质有关，而且与燃烧条件、炉体结构、材料、煤料的性质、结焦过程等因素有关，因此很难从理论上进行精确的计算。2.2.理论燃烧温度理论燃烧温度 为了比较燃料在燃烧温度方面的特征，我们设想：煤气完全燃烧即QCO=0；废气不向周围介质传热，即Q效=Q损=O，这种情况下废气所能达到的最高温度叫理论燃烧温度（t理）。t理=(8-14)由式(8-14)可知，t理是和燃料性质及燃烧条件有关的，因此它是燃料燃烧重要的特征指标之一。t理一般比t实高250400oC，对于不同燃料的t理可用计算方法求得。炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 从式(8-13)、(8-14)不难看出，在相同的Q煤和Q空的条件下，Q低愈高，V废愈小，则燃烧温度愈高，因此高炉煤气如不预热，由于其Q低小，产生的废气量大，故难以达到焦炉所需要的燃烧温度。为提高燃烧温度，还应保证煤气在完全燃烧的条件下，降低空气过剩系数以减少废气量，并降低装炉煤的水分，缩短炭化室处理时间和加强炭化室表面隔热，以减少热损失。例8-2表8-2中Q低=3643kJm3的高炉煤气，当煤气和空气的预热温度为1100oC时计算t理。燃烧所需的空气量和产生的废气量及废气组成计算同前。计算时煤气、空气和废气的比热容由图8-2、8-3、8-4查得。炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 解：通过燃烧的物料衡算得：1标m3煤气燃烧所需的空气量为：L实=0.843m3(m3煤气）产生的废气量为：V废=1.757m3(m3煤气）由图8-4查得：t煤=1100oC时，c煤=1.54kJ(m3)t空=1100oC时，c空=1.432kJ(m3)设燃烧温度t理=1970oC时，查图8-4得c废=1.72kJ(m3)，查图8-1，t理=1970o,=0.2327，=0.13，=0.0424，=0.06。由以上数据计算如下：Q煤=11.541100=1696kJ(m3煤气）Q空=0.8431.4321100=1331kJ(m3煤气）Q分=1.757(107180.04240.06+12770 0.23270.13)=728kJ/（m3煤气）Q低=36431kJ(m3煤气）t理=1966oC 试差结果正确，取t理=1970oC。炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 图8-2 空气、焦炉煤气及其废气的比热容与温度的关系图(饱和温度20oC，相对湿度0.6时的湿空气组成为N2：77.89；02：20.7；H20：1.41)c=4.187kJ(m3oC)炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 图8-3 空气、高炉煤气（Q低=3927kJ/m3）及其废气的比热容与温度的关系图（空气条件同图8-2）c=4.187kJ(m3oC)炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定图8-4 空气、高炉煤气（Q低=3643kJ/m3）废气的比热容与温度的关系图（空气条件同图8-2）c=4.187kJ(m3oC)炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 第四节第四节 焦炉的热平衡及热工评定焦炉的热平衡及热工评定 一、焦炉的物料平衡及热平衡一、焦炉的物料平衡及热平衡 焦炉的物料平衡计算是设计焦化厂最基本的依据，也是确定各种设备操作负荷和经济估算的基础。而焦炉的热平衡是在物料平衡和燃烧计算的基础上进行的。通过热平衡计算，可具体了解焦炉热量的分配情况，从理论上求出炼焦耗热量，并得出焦炉的热效率和热工效率，因此对于评定焦炉热工操作和焦炉炉体设计的是否合理都有一定的实际意义。为了进行物料衡算，必须取得如下的原始数据：(1)精确称量装入每个炭化室的原料煤量，取35昼夜的平均值，同时在煤塔取样测定平均配煤水分。干煤和配煤水分为焦炉物料衡算的入方。炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 以下为焦炉物料平衡的出方：(2)各级焦炭产量。标定前要放空焦台和所有焦槽的焦炭，标定期间应准确计量冶金焦、块焦和粉焦(要计入粉焦沉淀池内的粉焦量)的产量。并对各级焦炭每班取平均试样以测定焦炭的水分，并考虑到水分蒸发的损失量，然后计算干焦产量。(3)无水焦油、粗苯、氨的产量，通常按季度或年的平均值确定，不需标定。(4)水汽量按季或年的多余氨水量的平均值确定。(5)干煤气产量由洗苯塔后(全负压操作流程为鼓风机后)的流量表读数确定，并进行温度压力校正。炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 在计算时，一般以1000kg干煤或湿煤为基准。以下列出某厂焦炉炭化室物料平衡的实际数据。如表89所示。炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 根据物料平衡和温度制度，计算出各种物料带入焦炉和带出焦炉的显热和潜热，然后作出焦炉的热平衡计算。具体计算方法可参考有关资料。现列出根据表8-9的物料平衡所作的热平衡计算，如表8-10的数据，并加以分析。炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 由热平衡可知，供给焦炉的热量有98%来自煤气的燃烧热，故在近似计算中可认为煤气的燃烧热为热量的惟一来源，这样可简化计算过程。在热量出方中，传入炭化室的有效热14项占70%，而其中焦炭带走的热量占37.6%，换算到每吨赤热焦炭带走的热量为：kJ/t焦。此值相当可观。采用干法熄焦此热量可大部分回收。降低焦饼中心温度和提高焦饼加热均匀性可降低此热量。炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 由水蒸汽带走的热量占16%，故降低配煤水分可以降低此热量。此外，采取降低炉顶空间温度、上升管加水夹套回收余热等方法可以减少或部分回收煤气、化学产品和水汽带走的热量。由废气带走的热量也很大，约占18.6%，因此改善蓄热室的操作条件，提高蓄热效率，是降低热量消耗的重要途径之一。一般散失于周围空间的热量，对于大焦炉约为10%，小焦炉由于表面积大，故散热损失大于10%。炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 二、焦炉的热效率和热工效率二、焦炉的热效率和热工效率 根据焦炉的热平衡，可进行焦炉的热工评定。由表8-10可见，只有传入炭化室的热量(出方14项)是有效的，称为有效热。为了评定焦炉的热量利用程度，以有效热(Q效)占供入总热量(Q总)的百分比称为焦炉的热工效率(热工)即：热工=100 (8-15)因Q效等于供入焦炉总热量减去废气带走的热量Q废和散失周围空间的热量Q散，所以：热工=100 (8-16)炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 由于计算Q散比较困难，也可以采用热效率(热)的方式来评定焦炉的热量利用情况。热=100 (8-17)它表示理论上可被利用的热量占供入总热量的百分比。通常对现代大型焦炉热工约为7075，热为8085。热工与热可从焦炉热平衡中求得。由表8-10可得：热工=100=71.4 热=100=81.4炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 但由于进行热量算衡需要做大量的繁琐的测量、统计和计算工作，通常生产上不进行，而是根据燃烧计算来估算热工和热，方法如下：计算以1标m3加热煤气为基准。在热量入方中，由于煤气的燃烧热(低发热值)和煤气、空气的显热已占总热量99以上，因此可以近似看作为Q总。煤气低发热值按其组成计算，煤气和空气的显热则根据燃烧计算所得的L实和烟道走廊的温度计算。炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 由蓄热室进入废气盘的废气所带出的热量Q废和废气中不完全燃烧产物的燃烧热Q不，可通过取样分析得出的废气组成和测定的废气温度来求得。焦炉的散热损失一般按供入总热量的10计。则：热=100 热工=100 例8-3 某焦炉以Q低=3643kJm3的高炉煤气加热，由燃烧计算得，L实=0.843 m3(m3煤气)，产生的废气量V废=1.757m3(m3煤气)，煤气温度30oC，烟道走廊的空气温度为35oC，空气的相对湿度为0.6，废气中含CO为0.25，废气的平均温度为280oC，计算焦炉的热和热工。炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 解(1)煤气的燃烧热Q低=3643kJ(m3煤气)。(2)煤气带入的显热 煤气温度30oC，查图8-4得c煤=1.352kJ(m3)，30时煤气带入的饱和水汽量为干煤气的4.36(查表8-3)，30时水汽的比热容 =1.457kJ(m3)。Q煤=11.35230+0.043611.45730=42.7kJm3 (3)空气带入的显热 35时空气的比热容c空=1.277kJ(m3)，35时饱和水汽量为干空气的5.87，当相对湿 度 为 0.6时，空 气 中 所 含 水 汽 量 为 干 空 气 的0.05870.6=0.0352。Q空=0.84311.27735+0.84310.03521.45735=39.27kJm3炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 (4)废气带走的热量 废气在280时的比热容查图8-4得c废=1.453kJ(m3)。Q废=1.7571.453280=713.9kJm3。(5)不完全燃烧的热损失 CO的发热值为12728kJm3。Q不=1.7570.02512728=56.1kJm3则 热=79.33 若Q效为供入总热量的10，则 热工=69.4炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 三、炼焦耗热量三、炼焦耗热量 由焦炉热平衡作热工评定方法比较麻烦，因此生产上广泛采用炼焦耗热量对焦炉进行热工评定。炼焦耗热量是表示焦炉结构的完善程度、焦炉热工操作及管理水平和炼焦消耗定额的重要指标，也是确定焦炉加热用煤气量的依据。炼焦耗热量是将1kg煤在炼焦炉内炼成焦炭所需供给焦炉的热量。由于采用的计算基准不同，故有下列表示方法。1.1.湿煤耗热量湿煤耗热量 1kg湿煤炼成焦炭应供给焦炉的热量，用q湿来表示，显然湿煤耗热量随煤中水分变化而变化，水分越多，q湿越大。炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 q湿=，kJ(kg湿煤)(8-18)式中 V0标准状态下加热煤气的耗量，m3h；Q湿焦炉的湿煤装入量，kg；Q低加热用煤气的低发热值，kJm3。2.2.干煤耗热量干煤耗热量 lkg干煤炼成焦炭所消耗的热量。干煤耗热量不包括煤中水分的加热和蒸发所需要的热量，以q干来表示。每kg水汽从焦炉炭化室带走的热量为：l00=51000kJ(kg水)式中 2491lkg水在OoC时的蒸发潜热，kJkg；炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 2.01为水汽在0600oC时的平均比热容，kJ(kgoC）；600从炭化室导出的荒煤气的平均温度，；72.5焦炉的平均热工效率，。如配煤水分为Mt(湿基)，则 q湿=q干 +5100 =q干 +51Mt q干=l00,kJ(kg干煤)(8-19)炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 3.3.相当耗热量相当耗热量 为统一基准，便于比较，提出了相当耗热量这一概念。它是在湿煤炼焦时，以lkg干煤为基准时，需供给焦炉的热量(包括水分加热和蒸发所需热量)，以q相来表示。,kJ/（kg干煤）(8-20)式中 G干焦炉干煤装入量，kgh我国焦炉相当耗热量指标见表8-11。炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 表8-11数据按每kg捣固煤料，配煤水分7计。计算加热系统时，考虑使生产留有余地，故规定值较高。由表可见，焦炉用高炉煤气加热时，相当耗热量高于用焦炉煤气加热。这是因为高炉煤气与焦炉煤气相比，热辐射强度低，废气量大，废气密度高，故废气带走的热量多，通过炉墙和设备的漏损量也大。由于煤料水分常有波动，各厂煤料水分也不相同,故耗热量也不相同。为便于比较，必须将炼焦耗热量换算为同一基准。炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 水分每变化1时，相当于湿煤中1的干煤为1的水分所取代，故q湿的变化值为 。因q干一般约为2094kJ/kg，q水为5100 kJ/kg，则q湿的变化值为2933 kJ/kg。该值的换算方法如下：当用焦炉煤气加热时，配煤水分7%的q相取大中型焦炉的平均值：(2