第六章 焦?fàn)t內(nèi)煤氣燃燒與熱工評(píng)定

第六章焦?fàn)t內(nèi)煤氣燃燒

與

熱工評(píng)定

第一節(jié)焦?fàn)t加熱用煤氣一、煤氣組成、熱值和密度

1、幾種加熱煤氣的組成用于焦?fàn)t加熱的煤氣有:焦?fàn)t煤氣(COG)、高爐煤氣（BFG）和發(fā)生爐煤氣（PG）。其組成如表所示：由上表可知，焦?fàn)t煤氣可燃成分多，達(dá)90%以上，熱值高；高爐煤氣和發(fā)生爐煤氣（特別是常用的空氣煤氣）可燃成分少，且主要是CO，熱值低。當(dāng)設(shè)計(jì)焦?fàn)t進(jìn)行熱工計(jì)算時(shí)，煤氣的組成必須確定，因此規(guī)定熱工計(jì)算時(shí)煤氣的組成如下表所示：熱工計(jì)算用煤氣組成名稱組成（體積%）低熱值KJ/nM3H2CH4COCmHnCO2N2O2焦?fàn)t煤氣59.525.56.02.22.44.00.417900大型高爐煤氣1.50.226.813.957.20.436400中型高爐煤氣2.70.228.011.057.80.339200發(fā)生爐煤氣9.01.0528.05.156.450.449100以上兩表中的煤氣組成均為干基（干煤氣），而煤氣一般都是被水飽和的，進(jìn)行各種計(jì)算時(shí)，必須考慮煤氣中的水分含量，并以下式進(jìn)行換算：X濕=X干/（1+M干），%或者：X干=X濕/（1-M濕），%式中：X干、X濕——干、濕基煤氣組成，%M干、M濕——干、濕基煤氣的水分含量，m3/m3，其數(shù)值由下表查取。2、煤氣熱值

煤氣的熱值——是指單位體積的煤氣完全燃燒所放出的熱量。燃燒產(chǎn)物中水蒸汽冷凝成0℃的水時(shí)的熱值稱為高熱值（Q高）；燃燒產(chǎn)物中水呈汽態(tài)的熱值稱為低熱值（Q低）；在工業(yè)生產(chǎn)中高熱值沒(méi)有實(shí)用意義。各種燃料和熱值可用儀器直接測(cè)得，氣體燃料的熱值也可由其組成按加和性計(jì)算。煤氣中可燃成分的低熱值（kj/nm3)為：CO——12730；H2——10840；CH4——35840；CmHn——71170則煤氣的低熱值為：Q低（12730CO+10840H2+35840CH4+71170CmHn),kj/nm3式中：CO、H2、CH4、CmHn——煤氣中相應(yīng)成分的體積%。3、煤氣密度標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下煤氣的密度可按煤氣組成用加和性計(jì)算：ρ0iXi，kg/m3式中：Mi——煤氣中i成分的分子量；

Xi——煤氣中i成分的體積%。二、煤氣的燃燒1、燃燒反應(yīng)和燃燒極限（1）燃燒反應(yīng)——是指煤氣中的各可燃成分與氧所進(jìn)行的伴有發(fā)光發(fā)熱的劇烈的氧化反應(yīng)。（2）燃燒極限——是指能穩(wěn)定燃燒時(shí)可燃混合物中可燃?xì)怏w的體積濃度范圍，稱為燃燒極限。較低的濃度稱為下限，較高的濃度稱為上限。某些可燃?xì)怏w和蒸汽的燃燒極限如下表所示：混合氣體的燃燒極限可由下式計(jì)算：

L=100/Σxi/Ni式中：L——混合可燃?xì)獾娜紵龢O限濃度（上限或下限），體積%；xi——混合可燃?xì)庵衖組分的含量，體積%；Ni——i組分的相應(yīng)極限濃度（上限或下限），體積%。當(dāng)可燃中含有CO2、N2等惰性氣體時(shí)，可按下式校正：

L’=100L[1+δ/（1-δ）]/[100+Lδ/（1-δ）]式中：δ——可燃?xì)庵卸栊詺怏w含量，體積%。某些工業(yè)燃?xì)獾娜紵秶缦卤硭荆?、動(dòng)力燃燒和擴(kuò)散和燃燒a.燃燒有三個(gè)要素，煤氣的燃燒過(guò)程可分為三個(gè)階段：b.煤氣和空氣有混合，屬純物理過(guò)程；c.煤氣與空氣在混合前分別預(yù)熱到著火溫度，可或可燃?xì)怏w混合物加熱至著火溫度；可燃?xì)怏w混合物也可以先點(diǎn)火后，靠燃燒產(chǎn)生的熱量加熱到著火溫度；可燃物與氧反應(yīng)而連續(xù)穩(wěn)定的燃燒，屬化學(xué)動(dòng)力學(xué)過(guò)程。因上述前兩個(gè)階段的次序與混合方式不同，煤氣燃燒可分為動(dòng)力學(xué)燃燒和擴(kuò)散燃燒兩種。（1）動(dòng)力燃燒（無(wú)焰燃燒）——是指煤氣和空氣在進(jìn)入燃燒室前先混合均勻，然后著火燃燒，這時(shí)的燃燒速度取決于化學(xué)動(dòng)力學(xué)因素（化學(xué)反應(yīng)速度），故稱動(dòng)力燃燒。由于化學(xué)反應(yīng)速度極快，可達(dá)到很高的燃燒強(qiáng)度，燃燒完全，燃燒產(chǎn)物中沒(méi)有煙粒，燃燒室中透徹明亮，這種燃燒方法又稱為無(wú)焰燃燒。由于在燃燒前煤氣和空氣均勻混合，故動(dòng)力燃燒可在很小的過(guò)?？諝庀禂?shù)下達(dá)到完全燃燒，燃燒溫度高。燃?xì)忮仩t一般采用動(dòng)力燃燒。（2）擴(kuò)散燃燒（有焰燃燒）——是指煤氣和空氣分別送入燃燒室后，依靠對(duì)流擴(kuò)散和分子擴(kuò)散作用邊混合邊燃燒的過(guò)程稱為擴(kuò)散燃燒。由于燃燒反應(yīng)瞬間完成，故燃燒速度取決于可燃物分子和氧分子相互碰撞的物理過(guò)程，即擴(kuò)散過(guò)程。擴(kuò)散燃燒時(shí)，由于局部氧的不足而發(fā)生碳?xì)浠刮锏臒峤?，產(chǎn)生游離碳，因此在燃燒帶中有固體微粒存在，產(chǎn)生強(qiáng)烈的光和熱輻射，形成光亮的火焰，故這種燃燒方法又稱為有焰燃燒。焦?fàn)t立火道中煤氣的燃燒就屬于擴(kuò)散燃燒。立火道內(nèi)煤氣的燃燒速度（火焰長(zhǎng)度）主要取決于氣流沿高向的運(yùn)動(dòng)速度、煤氣與空氣流的夾角、出口軸心間距、擴(kuò)散系數(shù)等。為了拉長(zhǎng)火焰、改善焦?fàn)t的高向加熱均勻性，焦?fàn)t火道內(nèi)應(yīng)使煤氣和空氣緩慢接觸。焦?fàn)t在設(shè)計(jì)中，斜道口的結(jié)構(gòu)可使煤氣和空氣流平行噴出，見(jiàn)圖。另外，氣體燃料的擴(kuò)散系數(shù)D反比于其平均分子量的平方根，即：D∝（8RT/πM）式中：R——?dú)怏w常數(shù)；T——?dú)怏w的絕對(duì)溫度，K；M——燃料氣的平均分子量。由于高爐煤氣的平均分子量遠(yuǎn)大于焦?fàn)t煤氣的平均分子量，所以，高爐煤氣的火焰長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于焦?fàn)t煤氣的火焰長(zhǎng)度。

第二節(jié)煤氣的燃燒計(jì)算一、燃燒計(jì)算

燃燒計(jì)算要解決理論需氧量、理論空氣量、產(chǎn)生的廢氣量、廢氣組成、燃燒溫度等。1、空氣過(guò)剩系數(shù)α

——是指為了保證燃料的完全燃燒，供給的實(shí)際空氣量一定要多于理論空氣量，二者之比稱為空氣過(guò)剩系數(shù)，用α表示。α大小的意義：α太小，燃料燃燒不完全，CO2和H2O電離多，可燃成分CO、H2隨廢氣排出，浪費(fèi)煤氣；α太大，產(chǎn)生的廢氣量大，帶走的廢氣顯熱多，浪費(fèi)煤氣；一般情況下:用焦?fàn)t煤氣加熱時(shí)，用高爐煤氣加熱時(shí)，

α可通過(guò)測(cè)定廢氣的組成按下式求得：（1）式中:O2、CO、CO2——由廢氣分析測(cè)得的廢氣中各成分的體積%；

K——隨加熱煤氣組成而異的系數(shù)，VCO2、O理——燃燒1立方米煤氣所產(chǎn)生的理論CO2量和理論需O2量。公式推導(dǎo)：由定義，當(dāng)煤氣完全燃燒時(shí)，

當(dāng)廢氣中含有CO時(shí)，則(O2)=O2(CO2)=CO2+CO代入上式得式（1）式中：L過(guò)、O過(guò)——1m3煤氣完全燃燒所需過(guò)?？諝?、過(guò)剩O2量，m3/m3;V——1m3煤氣完全燃燒產(chǎn)生的廢氣量，m3/m3;(CO2)、（O2）——完全燃燒時(shí)廢氣中CO2、O2

含量，%2、燃燒的物料衡算通過(guò)燃燒的物料衡算要求出理論需O2量、理論空氣量、實(shí)際空氣量、廢氣量、廢氣組成等。（1）列表法（2）公式計(jì)算法化學(xué)反應(yīng)（計(jì)量）見(jiàn)上表①理論需氧量：O理=0.01[0.5(H2+CO)+2CH4+3C2H46H6-O2],nm3/nm3②理論干空氣量：L理、干=O理，nm3空氣/nm3煤氣③實(shí)際干空氣量：L實(shí)、干=αL理、干，nm3空氣/nm3煤氣實(shí)際濕空氣量：L實(shí)、濕=L實(shí)、干(1+H2O空、干)，nm3空氣/nm3煤氣式中：H2O空、干——空氣的干基水分含量，體積%④燃燒產(chǎn)生的廢氣量V：VCO2=0.01[CO2+CO+CH4+2C2H4+6C6H6]，VH2O=0.01[H2+2(CH4+C2H4)+3C6H6+H2O煤、干+L實(shí)、干×H2O空、干]VN22+0.79L實(shí)、干VO2=0.21L實(shí)、干-O理V=VCO2+VH2O+VN2+VO2，nm3廢氣/nm3煤氣⑤廢氣組成：Xi=Vi/V,i=CO2、H2O、N2、O2例題：某焦?fàn)t用發(fā)生爐煤氣加熱，實(shí)測(cè)得廢氣的組成為：廢氣成分CO2COO2含量，發(fā)生爐煤氣的組成為：煤氣成分H2COCH4CO2N2O2含量，求空氣過(guò)剩系數(shù)。解：依題意：α=1+K（O2）/(CO2+CO)K=Vco2/O理則Vco2=0.01(CO+CO2+CH4)=0.01(28.8+11.1+0.2)O理=0.01[0.5(H2+CO)+2CH4–O2]=0.01[0.5(3.0+28.8)+2×0.2-0.4]故α=1+2.522（2-0.5×0.1)/(16.9+0.1)答：該焦?fàn)t的空氣過(guò)剩系數(shù)為。3、燃燒熱衡算——燃燒溫度計(jì)算——是指燃料燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱量用于加熱燃燒產(chǎn)物（廢氣）使其達(dá)到的溫度稱為燃料的燃燒溫度。該溫度的高低取決于燃料組成、空氣系數(shù)、預(yù)熱程度及熱量向周圍介質(zhì)傳遞的情況等多種因素。（1）實(shí)際燃燒溫度：煤氣燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱量，除掉廢氣中CO2和H2O部分離解所吸收的熱量和傳給周圍介質(zhì)的熱量后，存余部分使廢氣溫度升高，此時(shí)的溫度稱為實(shí)際燃燒溫度。t實(shí)=(Q低+Qg+Qa-Q效-Q散-QCO-Q分）/Vcp式中：Q低——煤氣的低熱值，kj/m3；Qg——煤氣的顯熱（物理熱），kj/m3；

Qa——空氣顯熱，kj/m3；Q效——有效熱，kj/m3；Q散——向周圍的散熱，kj/m3；QCO——不完全燃燒熱，kj/m3；Q分——CO2、H2O的高溫離解熱，kj/m3；V——1m3煤氣燃燒后產(chǎn)生的廢氣量，m3/m3;cp——廢氣的熱容（比熱），kj/m3℃。

（2）理論燃燒溫度：假設(shè)：1）煤氣完全燃燒，即QCO=0，2）廢氣不向周圍介質(zhì)傳熱，即Q效=Q散=0。這種條件下煤氣燃燒使廢氣達(dá)到的溫度稱為理論燃燒溫度。t理=(Q低+Qg+Qa-Q分）/Vcp（3）熱值燃燒溫度：當(dāng)上式中Q分=0時(shí)，此時(shí)廢氣達(dá)到的溫度稱為熱值燃燒溫度t熱。是理論上能達(dá)到的最高溫度。一般情況下：t熱=t理+200~300℃,t理=t實(shí)+250~400℃二、煤氣的加熱特性用于焦?fàn)t加熱的煤氣有富煤氣（焦?fàn)t煤氣）、貧煤氣（高爐煤氣和發(fā)生爐煤氣），它們的加熱特性如表所示。貧煤氣富化：貧煤氣中加入部分富煤氣，以提高貧煤氣的熱值。富煤氣的貧化：富煤氣中加入部分貧煤氣，以降低富煤氣的熱值。第三節(jié)焦?fàn)t的熱工評(píng)定評(píng)定焦?fàn)t的熱工操作，除加熱均勻性外，重要的指標(biāo)是熱量利用的效率。生產(chǎn)上常以煉焦耗熱量作為評(píng)定指標(biāo)。為了全面分析焦?fàn)t的熱量利用情況，有時(shí)還進(jìn)行焦?fàn)t的熱平衡測(cè)定或計(jì)算，進(jìn)爾得出焦?fàn)t的熱效率和熱工效率。一、煉焦耗熱量——是指將1kg煤在煉焦?fàn)t中煉成焦炭所需供給焦?fàn)t的熱量，kj/kg煤。1、濕煤耗熱量：將1kg濕煤在煉焦?fàn)t中煉成焦炭所需供給焦?fàn)t的熱量，kj/kg濕煤。即

（1）式中：V0——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下加熱煤氣耗量，nm3/h;G濕——焦?fàn)t的濕煤裝入量，kg/h。2、干煤耗熱量：——將1kg絕干煤在煉焦?fàn)t中煉成焦炭所需供給焦?fàn)t的熱量，kj/kg干煤。用q干來(lái)表示。即不包括煤中水分的蒸發(fā)和加熱所消耗的熱量。3、相當(dāng)耗熱量：——將1kg干煤對(duì)應(yīng)的濕煤在煉焦?fàn)t中煉成焦炭所需供給焦?fàn)t的熱量，kj/kg干煤。即

（2）

式中：V0——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下加熱煤氣耗量，nm3/h;G干——焦?fàn)t的干煤裝入量，kg/h4、關(guān)系：設(shè)入爐煤水分為M，%

代入上式得:

H2O（0℃，l）——H2O（0℃，g）——H2O（600℃，g）————2500(kj/kg)——2.01(kj/kg0℃)×600(0℃)一般焦?fàn)t的熱工效率為72.5%所以：1kg水從炭化室?guī)С龅臒崃繛?(2500+2.01×600)/0.725=5100kj/kg水q水=5100kj/kg水而：Q水=G水q水G水=G濕M/100因此：Q水=G水q水=q水×G濕M/100=5100×G濕M/100=51×G濕MQ干=q干G干由定義:即:為了便于比較，通常都是將煉焦耗熱量換算成M=7%的數(shù)值：

焦?fàn)t煤氣：q濕、換=q濕－29（M-7）q相、換=q相－58（M-7）高爐煤氣：q濕、換=q濕－34（M-7）q相、換=q相－68（M-7）5、生產(chǎn)焦?fàn)t煉焦耗熱量的計(jì)算

式中：τ——炭化室周轉(zhuǎn)時(shí)間，hV0——煤氣流量表讀數(shù)，m3/hQ低——加熱煤氣低熱值，kj/m3G干——一個(gè)炭化室平均裝干煤量，kgn——一座焦?fàn)t的炭化室數(shù)；Kρ、KT、KP、K換——分別為密度、溫度、壓力、換向的校正系數(shù)。ρ——煤氣密度；f——水汽含量，kg/m3；P——煤氣絕對(duì)壓力；T——煤氣絕對(duì)溫度；m——1小時(shí)內(nèi)換向次數(shù)；τ——每次換向，焦?fàn)t不進(jìn)氣的時(shí)間，min二、焦?fàn)t熱效率和熱工效率1、焦?fàn)t的物料平衡和熱平衡焦?fàn)t的物料平衡是設(shè)計(jì)焦化廠最基本的數(shù)據(jù)，也是確定各種設(shè)備操作負(fù)荷和經(jīng)濟(jì)估算的基礎(chǔ)。焦?fàn)t熱平衡則在物料平衡和燃燒計(jì)算基礎(chǔ)上進(jìn)行，通過(guò)熱平衡計(jì)算，可具體了解焦?fàn)t熱量在各方面的分配情況，從而尋找降低熱量消耗的途徑。由熱平衡計(jì)算或測(cè)定還可以從理論上求出煉焦耗熱量，得出焦?fàn)t的熱效率和熱工效率。（1）焦?fàn)t的物料平衡焦?fàn)t的物料平衡通常稱為炭化室的物料平衡，其實(shí)例如下表所示：（2）焦?fàn)t的熱平衡焦?fàn)t熱平衡的實(shí)例如表所示。2、焦?fàn)t熱效率和熱工效率熱平衡表中Q1’~Q6’項(xiàng)的總和即煉焦熱，也稱為有效熱，它占總供熱量的百分?jǐn)?shù)稱為焦?fàn)t的熱工效率η熱工為衡量熱量的可利用率，可用焦?fàn)t熱效率η熱表示：式中：Q廢——隨廢氣帶走的顯熱和不完全燃燒熱，即熱平衡表中的Q7’項(xiàng)。3、降低煉焦耗熱量、提高熱工效率的途徑（1）裝爐煤的性質(zhì)由于焦煤和肥煤的煉焦熱較低，氣煤和瘦煤的煉焦熱較高，