第六章 焦爐內煤氣燃燒與熱工評定

第六章焦爐內煤氣燃燒

與

熱工評定

第一節(jié)焦爐加熱用煤氣一、煤氣組成、熱值和密度

1、幾種加熱煤氣的組成用于焦爐加熱的煤氣有:焦爐煤氣(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，焦爐煤氣可燃成分多，達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。當設計焦爐進行熱工計算時，煤氣的組成必須確定，因此規(guī)定熱工計算時煤氣的組成如下表所示：熱工計算用煤氣組成名稱組成（體積%）低熱值KJ/nM3H2CH4COCmHnCO2N2O2焦爐煤氣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，進行各種計算時，必須考慮煤氣中的水分含量，并以下式進行換算：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。燃燒產物中水蒸汽冷凝成0℃的水時的熱值稱為高熱值（Q高）；燃燒產物中水呈汽態(tài)的熱值稱為低熱值（Q低）；在工業(yè)生產中高熱值沒有實用意義。各種燃料和熱值可用儀器直接測得，氣體燃料的熱值也可由其組成按加和性計算。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——煤氣中相應成分的體積%。3、煤氣密度標準狀態(tài)下煤氣的密度可按煤氣組成用加和性計算：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、燃燒反應和燃燒極限（1）燃燒反應——是指煤氣中的各可燃成分與氧所進行的伴有發(fā)光發(fā)熱的劇烈的氧化反應。（2）燃燒極限——是指能穩(wěn)定燃燒時可燃混合物中可燃氣體的體積濃度范圍，稱為燃燒極限。較低的濃度稱為下限，較高的濃度稱為上限。某些可燃氣體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算：

L=100/Σxi/Ni式中：L——混合可燃氣的燃燒極限濃度（上限或下限），體積%；xi——混合可燃氣中i組分的含量，體積%；Ni——i組分的相應極限濃度（上限或下限），體積%。當可燃中含有CO2、N2等惰性氣體時，可按下式校正：

L’=100L[1+δ/（1-δ）]/[100+Lδ/（1-δ）]式中：δ——可燃氣中惰性氣體含量，體積%。某些工業(yè)燃氣的燃燒范圍如下表所示：2、動力燃燒和擴散和燃燒a.燃燒有三個要素，煤氣的燃燒過程可分為三個階段：b.煤氣和空氣有混合，屬純物理過程；c.煤氣與空氣在混合前分別預熱到著火溫度，可或可燃氣體混合物加熱至著火溫度；可燃氣體混合物也可以先點火后，靠燃燒產生的熱量加熱到著火溫度；可燃物與氧反應而連續(xù)穩(wěn)定的燃燒，屬化學動力學過程。因上述前兩個階段的次序與混合方式不同，煤氣燃燒可分為動力學燃燒和擴散燃燒兩種。（1）動力燃燒（無焰燃燒）——是指煤氣和空氣在進入燃燒室前先混合均勻，然后著火燃燒，這時的燃燒速度取決于化學動力學因素（化學反應速度），故稱動力燃燒。由于化學反應速度極快，可達到很高的燃燒強度，燃燒完全，燃燒產物中沒有煙粒，燃燒室中透徹明亮，這種燃燒方法又稱為無焰燃燒。由于在燃燒前煤氣和空氣均勻混合，故動力燃燒可在很小的過?？諝庀禂?shù)下達到完全燃燒，燃燒溫度高。燃氣鍋爐一般采用動力燃燒。（2）擴散燃燒（有焰燃燒）——是指煤氣和空氣分別送入燃燒室后，依靠對流擴散和分子擴散作用邊混合邊燃燒的過程稱為擴散燃燒。由于燃燒反應瞬間完成，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程，即擴散過程。擴散燃燒時，由于局部氧的不足而發(fā)生碳氫化使物的熱解，產生游離碳，因此在燃燒帶中有固體微粒存在，產生強烈的光和熱輻射，形成光亮的火焰，故這種燃燒方法又稱為有焰燃燒。焦爐立火道中煤氣的燃燒就屬于擴散燃燒。立火道內煤氣的燃燒速度（火焰長度）主要取決于氣流沿高向的運動速度、煤氣與空氣流的夾角、出口軸心間距、擴散系數(shù)等。為了拉長火焰、改善焦爐的高向加熱均勻性，焦爐火道內應使煤氣和空氣緩慢接觸。焦爐在設計中，斜道口的結構可使煤氣和空氣流平行噴出，見圖。另外，氣體燃料的擴散系數(shù)D反比于其平均分子量的平方根，即：D∝（8RT/πM）式中：R——氣體常數(shù)；T——氣體的絕對溫度，K；M——燃料氣的平均分子量。由于高爐煤氣的平均分子量遠大于焦爐煤氣的平均分子量，所以，高爐煤氣的火焰長度遠大于焦爐煤氣的火焰長度。

第二節(jié)煤氣的燃燒計算一、燃燒計算

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

——是指為了保證燃料的完全燃燒，供給的實際空氣量一定要多于理論空氣量，二者之比稱為空氣過剩系數(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，浪費煤氣；α太大，產生的廢氣量大，帶走的廢氣顯熱多，浪費煤氣；一般情況下:用焦爐煤氣加熱時，用高爐煤氣加熱時，

α可通過測定廢氣的組成按下式求得：（1）式中:O2、CO、CO2——由廢氣分析測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立方米煤氣所產生的理論CO2量和理論需O2量。公式推導：由定義，當煤氣完全燃燒時，

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

含量，%2、燃燒的物料衡算通過燃燒的物料衡算要求出理論需O2量、理論空氣量、實際空氣量、廢氣量、廢氣組成等。（1）列表法（2）公式計算法化學反應（計量）見上表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實際干空氣量：L實、干=αL理、干，nm3空氣/nm3煤氣實際濕空氣量：L實、濕=L實、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、干×H2O空、干]VN22+0.79L實、干VO2=0.21L實、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：某焦爐用發(fā)生爐煤氣加熱，實測得廢氣的組成為：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：該焦爐的空氣過剩系數(shù)為。3、燃燒熱衡算——燃燒溫度計算——是指燃料燃燒時產生的熱量用于加熱燃燒產物（廢氣）使其達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)、預熱程度及熱量向周圍介質傳遞的情況等多種因素。（1）實際燃燒溫度：煤氣燃燒時產生的熱量，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的熱量后，存余部分使廢氣溫度升高，此時的溫度稱為實際燃燒溫度。t實=(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：1）煤氣完全燃燒，即QCO=0，2）廢氣不向周圍介質傳熱，即Q效=Q散=0。這種條件下煤氣燃燒使廢氣達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：當上式中Q分=0時，此時廢氣達到的溫度稱為熱值燃燒溫度t熱。是理論上能達到的最高溫度。一般情況下：t熱=t理+200~300℃,t理=t實+250~400℃二、煤氣的加熱特性用于焦爐加熱的煤氣有富煤氣（焦爐煤氣）、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)焦爐的熱工評定評定焦爐的熱工操作，除加熱均勻性外，重要的指標是熱量利用的效率。生產上常以煉焦耗熱量作為評定指標。為了全面分析焦爐的熱量利用情況，有時還進行焦爐的熱平衡測定或計算，進爾得出焦爐的熱效率和熱工效率。一、煉焦耗熱量——是指將1kg煤在煉焦爐中煉成焦炭所需供給焦爐的熱量，kj/kg煤。1、濕煤耗熱量：將1kg濕煤在煉焦爐中煉成焦炭所需供給焦爐的熱量，kj/kg濕煤。即

（1）式中：V0——標準狀態(tài)下加熱煤氣耗量，nm3/h;G濕——焦爐的濕煤裝入量，kg/h。2、干煤耗熱量：——將1kg絕干煤在煉焦爐中煉成焦炭所需供給焦爐的熱量，kj/kg干煤。用q干來表示。即不包括煤中水分的蒸發(fā)和加熱所消耗的熱量。3、相當耗熱量：——將1kg干煤對應的濕煤在煉焦爐中煉成焦炭所需供給焦爐的熱量，kj/kg干煤。即

（2）

式中：V0——標準狀態(tài)下加熱煤氣耗量，nm3/h;G干——焦爐的干煤裝入量，kg/h4、關系：設入爐煤水分為M，%

代入上式得:

H2O（0℃，l）——H2O（0℃，g）——H2O（600℃，g）————2500(kj/kg)——2.01(kj/kg0℃)×600(0℃)一般焦爐的熱工效率為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：

焦爐煤氣：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、生產焦爐煉焦耗熱量的計算

式中：τ——炭化室周轉時間，hV0——煤氣流量表讀數(shù)，m3/hQ低——加熱煤氣低熱值，kj/m3G干——一個炭化室平均裝干煤量，kgn——一座焦爐的炭化室數(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——煤氣絕對壓力；T——煤氣絕對溫度；m——1小時內換向次數(shù)；τ——每次換向，焦爐不進氣的時間，min二、焦爐熱效率和熱工效率1、焦爐的物料平衡和熱平衡焦爐的物料平衡是設計焦化廠最基本的數(shù)據(jù)，也是確定各種設備操作負荷和經濟估算的基礎。焦爐熱平衡則在物料平衡和燃燒計算基礎上進行，通過熱平衡計算，可具體了解焦爐熱量在各方面的分配情況，從而尋找降低熱量消耗的途徑。由熱平衡計算或測定還可以從理論上求出煉焦耗熱量，得出焦爐的熱效率和熱工效率。（1）焦爐的物料平衡焦爐的物料平衡通常稱為炭化室的物料平衡，其實例如下表所示：（2）焦爐的熱平衡焦爐熱平衡的實例如表所示。2、焦爐熱效率和熱工效率熱平衡表中Q1’~Q6’項的總和即煉焦熱，也稱為有效熱，它占總供熱量的百分數(shù)稱為焦爐的熱工效率η熱工為衡量熱量的可利用率，可用焦爐熱效率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。3、降低煉焦耗熱量、提高熱工效率的途徑（1）裝爐煤的性質由于焦煤和肥煤的煉焦熱較低，氣煤和瘦煤的煉焦熱較高，