第六章 焦炉内煤气燃烧与热工评定

第六章焦炉内煤气燃烧

与

热工评定

第一节焦炉加热用煤气一、煤气组成、热值和密度

1、几种加热煤气的组成用于焦炉加热的煤气有:焦炉煤气(COG)、高炉煤气（BFG）和发生炉煤气（PG）。其组成如表所示：由上表可知，焦炉煤气可燃成分多，达90%以上，热值高；高炉煤气和发生炉煤气（特别是常用的空气煤气）可燃成分少，且主要是CO，热值低。当设计焦炉进行热工计算时，煤气的组成必须确定，因此规定热工计算时煤气的组成如下表所示：热工计算用煤气组成名称组成（体积%）低热值KJ/nM3H2CH4COCmHnCO2N2O2焦炉煤气59.525.56.02.22.44.00.417900大型高炉煤气1.50.226.813.957.20.436400中型高炉煤气2.70.228.011.057.80.339200发生炉煤气9.01.0528.05.156.450.449100以上两表中的煤气组成均为干基（干煤气），而煤气一般都是被水饱和的，进行各种计算时，必须考虑煤气中的水分含量，并以下式进行换算：X湿=X干/（1+M干），%或者：X干=X湿/（1-M湿），%式中：X干、X湿——干、湿基煤气组成，%M干、M湿——干、湿基煤气的水分含量，m3/m3，其数值由下表查取。2、煤气热值

煤气的热值——是指单位体积的煤气完全燃烧所放出的热量。燃烧产物中水蒸汽冷凝成0℃的水时的热值称为高热值（Q高）；燃烧产物中水呈汽态的热值称为低热值（Q低）；在工业生产中高热值没有实用意义。各种燃料和热值可用仪器直接测得，气体燃料的热值也可由其组成按加和性计算。煤气中可燃成分的低热值（kj/nm3)为：CO——12730；H2——10840；CH4——35840；CmHn——71170则煤气的低热值为：Q低（12730CO+10840H2+35840CH4+71170CmHn),kj/nm3式中：CO、H2、CH4、CmHn——煤气中相应成分的体积%。3、煤气密度标准状态下煤气的密度可按煤气组成用加和性计算：ρ0iXi，kg/m3式中：Mi——煤气中i成分的分子量；

Xi——煤气中i成分的体积%。二、煤气的燃烧1、燃烧反应和燃烧极限（1）燃烧反应——是指煤气中的各可燃成分与氧所进行的伴有发光发热的剧烈的氧化反应。（2）燃烧极限——是指能稳定燃烧时可燃混合物中可燃气体的体积浓度范围，称为燃烧极限。较低的浓度称为下限，较高的浓度称为上限。某些可燃气体和蒸汽的燃烧极限如下表所示：混合气体的燃烧极限可由下式计算：

L=100/Σxi/Ni式中：L——混合可燃气的燃烧极限浓度（上限或下限），体积%；xi——混合可燃气中i组分的含量，体积%；Ni——i组分的相应极限浓度（上限或下限），体积%。当可燃中含有CO2、N2等惰性气体时，可按下式校正：

L’=100L[1+δ/（1-δ）]/[100+Lδ/（1-δ）]式中：δ——可燃气中惰性气体含量，体积%。某些工业燃气的燃烧范围如下表所示：2、动力燃烧和扩散和燃烧a.燃烧有三个要素，煤气的燃烧过程可分为三个阶段：b.煤气和空气有混合，属纯物理过程；c.煤气与空气在混合前分别预热到着火温度，可或可燃气体混合物加热至着火温度；可燃气体混合物也可以先点火后，靠燃烧产生的热量加热到着火温度；可燃物与氧反应而连续稳定的燃烧，属化学动力学过程。因上述前两个阶段的次序与混合方式不同，煤气燃烧可分为动力学燃烧和扩散燃烧两种。（1）动力燃烧（无焰燃烧）——是指煤气和空气在进入燃烧室前先混合均匀，然后着火燃烧，这时的燃烧速度取决于化学动力学因素（化学反应速度），故称动力燃烧。由于化学反应速度极快，可达到很高的燃烧强度，燃烧完全，燃烧产物中没有烟粒，燃烧室中透彻明亮，这种燃烧方法又称为无焰燃烧。由于在燃烧前煤气和空气均匀混合，故动力燃烧可在很小的过剩空气系数下达到完全燃烧，燃烧温度高。燃气锅炉一般采用动力燃烧。（2）扩散燃烧（有焰燃烧）——是指煤气和空气分别送入燃烧室后，依靠对流扩散和分子扩散作用边混合边燃烧的过程称为扩散燃烧。由于燃烧反应瞬间完成，故燃烧速度取决于可燃物分子和氧分子相互碰撞的物理过程，即扩散过程。扩散燃烧时，由于局部氧的不足而发生碳氢化使物的热解，产生游离碳，因此在燃烧带中有固体微粒存在，产生强烈的光和热辐射，形成光亮的火焰，故这种燃烧方法又称为有焰燃烧。焦炉立火道中煤气的燃烧就属于扩散燃烧。立火道内煤气的燃烧速度（火焰长度）主要取决于气流沿高向的运动速度、煤气与空气流的夹角、出口轴心间距、扩散系数等。为了拉长火焰、改善焦炉的高向加热均匀性，焦炉火道内应使煤气和空气缓慢接触。焦炉在设计中，斜道口的结构可使煤气和空气流平行喷出，见图。另外，气体燃料的扩散系数D反比于其平均分子量的平方根，即：D∝（8RT/πM）式中：R——气体常数；T——气体的绝对温度，K；M——燃料气的平均分子量。由于高炉煤气的平均分子量远大于焦炉煤气的平均分子量，所以，高炉煤气的火焰长度远大于焦炉煤气的火焰长度。

第二节煤气的燃烧计算一、燃烧计算

燃烧计算要解决理论需氧量、理论空气量、产生的废气量、废气组成、燃烧温度等。1、空气过剩系数α

——是指为了保证燃料的完全燃烧，供给的实际空气量一定要多于理论空气量，二者之比称为空气过剩系数，用α表示。α大小的意义：α太小，燃料燃烧不完全，CO2和H2O电离多，可燃成分CO、H2随废气排出，浪费煤气；α太大，产生的废气量大，带走的废气显热多，浪费煤气；一般情况下:用焦炉煤气加热时，用高炉煤气加热时，

α可通过测定废气的组成按下式求得：（1）式中:O2、CO、CO2——由废气分析测得的废气中各成分的体积%；

K——随加热煤气组成而异的系数，VCO2、O理——燃烧1立方米煤气所产生的理论CO2量和理论需O2量。公式推导：由定义，当煤气完全燃烧时，

当废气中含有CO时，则(O2)=O2(CO2)=CO2+CO代入上式得式（1）式中：L过、O过——1m3煤气完全燃烧所需过剩空气、过剩O2量，m3/m3;V——1m3煤气完全燃烧产生的废气量，m3/m3;(CO2)、（O2）——完全燃烧时废气中CO2、O2

含量，%2、燃烧的物料衡算通过燃烧的物料衡算要求出理论需O2量、理论空气量、实际空气量、废气量、废气组成等。（1）列表法（2）公式计算法化学反应（计量）见上表①理论需氧量：O理=0.01[0.5(H2+CO)+2CH4+3C2H46H6-O2],nm3/nm3②理论干空气量：L理、干=O理，nm3空气/nm3煤气③实际干空气量：L实、干=αL理、干，nm3空气/nm3煤气实际湿空气量：L实、湿=L实、干(1+H2O空、干)，nm3空气/nm3煤气式中：H2O空、干——空气的干基水分含量，体积%④燃烧产生的废气量V：VCO2=0.01[CO2+CO+CH4+2C2H4+6C6H6]，VH2O=0.01[H2+2(CH4+C2H4)+3C6H6+H2O煤、干+L实、干×H2O空、干]VN22+0.79L实、干VO2=0.21L实、干-O理V=VCO2+VH2O+VN2+VO2，nm3废气/nm3煤气⑤废气组成：Xi=Vi/V,i=CO2、H2O、N2、O2例题：某焦炉用发生炉煤气加热，实测得废气的组成为：废气成分CO2COO2含量，发生炉煤气的组成为：煤气成分H2COCH4CO2N2O2含量，求空气过剩系数。解：依题意：α=1+K（O2）/(CO2+CO)K=Vco2/O理则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：该焦炉的空气过剩系数为。3、燃烧热衡算——燃烧温度计算——是指燃料燃烧时产生的热量用于加热燃烧产物（废气）使其达到的温度称为燃料的燃烧温度。该温度的高低取决于燃料组成、空气系数、预热程度及热量向周围介质传递的情况等多种因素。（1）实际燃烧温度：煤气燃烧时产生的热量，除掉废气中CO2和H2O部分离解所吸收的热量和传给周围介质的热量后，存余部分使废气温度升高，此时的温度称为实际燃烧温度。t实=(Q低+Qg+Qa-Q效-Q散-QCO-Q分）/Vcp式中：Q低——煤气的低热值，kj/m3；Qg——煤气的显热（物理热），kj/m3；

Qa——空气显热，kj/m3；Q效——有效热，kj/m3；Q散——向周围的散热，kj/m3；QCO——不完全燃烧热，kj/m3；Q分——CO2、H2O的高温离解热，kj/m3；V——1m3煤气燃烧后产生的废气量，m3/m3;cp——废气的热容（比热），kj/m3℃。

（2）理论燃烧温度：假设：1）煤气完全燃烧，即QCO=0，2）废气不向周围介质传热，即Q效=Q散=0。这种条件下煤气燃烧使废气达到的温度称为理论燃烧温度。t理=(Q低+Qg+Qa-Q分）/Vcp（3）热值燃烧温度：当上式中Q分=0时，此时废气达到的温度称为热值燃烧温度t热。是理论上能达到的最高温度。一般情况下：t热=t理+200~300℃,t理=t实+250~400℃二、煤气的加热特性用于焦炉加热的煤气有富煤气（焦炉煤气）、贫煤气（高炉煤气和发生炉煤气），它们的加热特性如表所示。贫煤气富化：贫煤气中加入部分富煤气，以提高贫煤气的热值。富煤气的贫化：富煤气中加入部分贫煤气，以降低富煤气的热值。第三节焦炉的热工评定评定焦炉的热工操作，除加热均匀性外，重要的指标是热量利用的效率。生产上常以炼焦耗热量作为评定指标。为了全面分析焦炉的热量利用情况，有时还进行焦炉的热平衡测定或计算，进尔得出焦炉的热效率和热工效率。一、炼焦耗热量——是指将1kg煤在炼焦炉中炼成焦炭所需供给焦炉的热量，kj/kg煤。1、湿煤耗热量：将1kg湿煤在炼焦炉中炼成焦炭所需供给焦炉的热量，kj/kg湿煤。即

（1）式中：V0——标准状态下加热煤气耗量，nm3/h;G湿——焦炉的湿煤装入量，kg/h。2、干煤耗热量：——将1kg绝干煤在炼焦炉中炼成焦炭所需供给焦炉的热量，kj/kg干煤。用q干来表示。即不包括煤中水分的蒸发和加热所消耗的热量。3、相当耗热量：——将1kg干煤对应的湿煤在炼焦炉中炼成焦炭所需供给焦炉的热量，kj/kg干煤。即

（2）

式中：V0——标准状态下加热煤气耗量，nm3/h;G干——焦炉的干煤装入量，kg/h4、关系：设入炉煤水分为M，%

代入上式得:

H2O（0℃，l）——H2O（0℃，g）——H2O（600℃，g）————2500(kj/kg)——2.01(kj/kg0℃)×600(0℃)一般焦炉的热工效率为72.5%所以：1kg水从炭化室带出的热量为:(2500+2.01×600)/0.725=5100kj/kg水q水=5100kj/kg水而：Q水=G水q水G水=G湿M/100因此：Q水=G水q水=q水×G湿M/100=5100×G湿M/100=51×G湿MQ干=q干G干由定义:即:为了便于比较，通常都是将炼焦耗热量换算成M=7%的数值：

焦炉煤气：q湿、换=q湿－29（M-7）q相、换=q相－58（M-7）高炉煤气：q湿、换=q湿－34（M-7）q相、换=q相－68（M-7）5、生产焦炉炼焦耗热量的计算

式中：τ——炭化室周转时间，hV0——煤气流量表读数，m3/hQ低——加热煤气低热值，kj/m3G干——一个炭化室平均装干煤量，kgn——一座焦炉的炭化室数；Kρ、KT、KP、K换——分别为密度、温度、压力、换向的校正系数。ρ——煤气密度；f——水汽含量，kg/m3；P——煤气绝对压力；T——煤气绝对温度；m——1小时内换向次数；τ——每次换向，焦炉不进气的时间，min二、焦炉热效率和热工效率1、焦炉的物料平衡和热平衡焦炉的物料平衡是设计焦化厂最基本的数据，也是确定各种设备操作负荷和经济估算的基础。焦炉热平衡则在物料平衡和燃烧计算基础上进行，通过热平衡计算，可具体了解焦炉热量在各方面的分配情况，从而寻找降低热量消耗的途径。由热平衡计算或测定还可以从理论上求出炼焦耗热量，得出焦炉的热效率和热工效率。（1）焦炉的物料平衡焦炉的物料平衡通常称为炭化室的物料平衡，其实例如下表所示：（2）焦炉的热平衡焦炉热平衡的实例如表所示。2、焦炉热效率和热工效率热平衡表中Q1’~Q6’项的总和即炼焦热，也称为有效热，它占总供热量的百分数称为焦炉的热工效率η热工为衡量热量的可利用率，可用焦炉热效率η热表示：式中：Q废——随废气带走的显热和不完全燃烧热，即热平衡表中的Q7’项。3、降低炼焦耗热量、提高热工效率的途径（1）装炉煤的性质由于焦煤和肥煤的炼焦热较低，气煤和瘦煤的炼焦热较高，