第四章 焦炉内气体流动与煤气燃烧.docx

目 录第一节 流体力学基本知识1一、流体的主要物理量11、压强（压力）12、温度23、密度24、粘度35、流量36、流速4二、气体状态方程式4三、柏努力方程式51、柏努力方程式52、流体流动的类型63、阻力与阻力系数6四、柏努力方程式在焦炉上的应用71、焦炉内气体流动的特点72、焦炉实用气流方程式及其应用83、阻力、压力差与气体流量的关系10五、动量原理在焦炉上的应用121、焦炉废气循环122、变量气流方程式及其应用13第二节 煤气性质与燃烧16一、煤气性质161、煤气组成162、煤气发热值163、煤气密度174、煤气的加热特性17二、煤气燃烧171、燃烧反应172、燃烧方式183、燃烧极限184、煤气爆炸18三、燃烧计算181、空气系数192、空气需要量和废气生成量的计算燃烧的物料平衡193、燃烧温度燃烧的热平衡20第三节 热效率与耗热量21一、焦炉传热21二、焦炉的热效率21三、炼焦耗热量22l、耗热量计算222、耗热量的影响因素23第四章 焦炉内气体流动与煤气燃烧第一节 流体力学基本知识一、流体的主要物理量1、压强（压力）垂直作用于流体单位面积上的力，称为流体压力强度，或称为流体静压强，简称压强，在焦炉调火中习惯上称压力。P=F/A (4-1)式中 F-垂直作用于流体表面上的压力，N;A-作用面的面积，m2；P-流体的静压力，Pa（帕）。在工业上压力是用压力计来测定的。从压力计上直接读出的数值，只是被测定的真实压力（称为绝对压力）与当时当地的外界大气压力的差值。当被测流体的绝对压力大于外界大气压力时，压力计所测得的压力值称为表压（正压），此时绝对压力=大气压力十表压 (4-2)当被测流体的绝对压力小于外界大气压力时，压力计所测得的压力值称为真空度（负压），在焦炉调火中，常把负压称为吸力。此时绝对压力=大气压力一真空度 (4-3)大气压力就是地球周围空气层所形成的压力，它随地区的海拔高度不同而不同，也因季节、晴雨等气候变化而稍有变化，通常以纬度为45处海平面的平均压力作为标准，一个标准大气压等于101325Pa。在海拔高度小于11km范围内，大气压力可由下式求得：P= 101325 (1-0.02257H)5.256 Pa (4-4)式中 P-大气压力，Pa;H-海拔高度，km。例4-1 用斜型微压计测得某焦炉集气管压力为100Pa，该地区当时大气压力为81197Pa，求绝对压力。解 绝对压力=大气压力十表压=81197100=81297Pa=81.297kPa例4-2 用微压计测得某焦炉分烟道吸力为200Pa，该地区当时大气压力为100263Pa，求绝对压力。解 绝对压力=大气压力一吸力=100263 - 200=100063Pa=100.063kPa2、温度温度是表征物体冷热程度的物理量。一般采用百分温标（即摄氏温标）的度数()来量度，这种温标是在标准大气压下以水的冰点为0，以水的沸点作为100来表示。国际单位制(SI)的温标以开尔文为单位，符号为K,1K等于水三相点热力学温度的1/273.16。热力学温度一般称为绝对温度，它与摄氏温度的关系为：TK=t273.15 (4-5)3、密度单位体积流体的质量称为密度，即=m/v (4-6)式中 m流体的质量，kg;V-流体的体积，m3-流体的密度，kg/m3。对于理想气体，在标准状态下(101325Pa，0)，每千摩尔气体的体积为22.4m3，所以，其密度为0=M/22.4 ( 47)式中 M理想气体分子量，kg/kmol。焦炉水力计算中，所涉及的气体的温度不太低，压力也不太高，水蒸汽含量很少，可以作为理想气体进行计算。在计算混合气体平均密度时，可将式(4-7)中的M由气体平均分子Mm代替，Mm可由下式求得：Mm = MAYAMBYB-MnYn (4-8)式中 MA,MBMn气体混合物中各组分的分子量，kg/kmolYA,YB-Yn-气体混合物中各组分摩尔分率。考虑到焦炉炉内气体压力多在一个大气压左右，即P0，这样，在工作状态下，气体密度Pt与0的关系为： (4-9)气体中水蒸汽的含量随其温度的变化而变化，湿气体在工作状态下的密度可按下式计算(4-10)式中f1m3干气体在t时，被水蒸汽饱和后所含水蒸汽质量，kg/m3.,0. 804一一水蒸汽密度，kg/m3；P湿工作状态下湿气体密度；0，To，T同前。例4-3 焦炉煤气体积组成为(%)：H259.5，CH425.5；CO6.0，CmHn2.2，CO22.4；N24.0；O20.4；求其平均密度及饱和温度为20的湿煤气工作状态密度。解：CmHn按80%C2H4和20%C6H6计算4、粘度流体流动时产生内摩擦力的这种特性，称为粘性，衡量流体粘性大小的物理量称为粘度，以符号表示，单位为Nsm2。气体的粘度与温度的关系为： (4-11)式中C-实验常数气体的粘度只有在极高或极低的压力下才有变化，一般情况下可不予考虑对于低压下混合气体的粘度，则可采用下式： (4-12)式中 Yi混合气体中某一组分摩尔分率；i混合气体中某一组分的粘度；Mi-混合气体中某一组分的分子量。5、流量单位时间内流经通道任一截面的流体量，称为流量。一般有两种表示方法。1)体积流量：单位时间内流经通道任一截面的流体体积，称为体积流量。符号为V单位为m3/S，m3h。由于气体体积随温度和压力的改变而变化，当气体流量以体积流量表示时，须注明温度和压力。2)质量流量：单位时间内流经通道任一截面的流体质量，称为质量流量。符号为G;单位为kg/s，kg/h。质量流量与体积流量的关系为：G=V (4-13)6、流速单位时间内流体在流动方向上流过的距离，称为流速。符号为w，单位为m/s。流体流经管道截面上各点的流速是不同的。管道中心流速最大，越靠近管壁流速越小，至管壁处流速降至零。流体流经管道截面上某点的流速，称为点流速。在工程计算中，通常所称流速都是指流体流经整个管道截面上的平均流速。其表达式为：w = V/F (4-14)式中F与流动方向相垂直的管道截面积，m2 V流量m3/s例4-4 要求某焦炉地下室煤气主管输送焦炉煤气的流量V0=6000 m3/h试选择煤气主管管径。解：按规定主管内煤气流速不大于12m/s现选w0=10m/s，则查管道规格，确定选用4786钢管，煤气实际流速为工作状态下气体流速Wt与标准状态下气体流速W。之间换算式为 (4-15)二、气体状态方程式气体有两个主要特性，其一没有一定的外形，无论用什么形状的容器来装气体，气体分子都会充满整个容器；其二，是气体的压缩性与热胀冷缩现象。气体的压力容积和温度这三个状态参量间存在着一定的关系，(4-16)(或 PV=nRT (4-17)式中 R摩尔气体常量，即在一定的温度和压力下，同体积的任何气体的摩尔数相同，R=8.314kj/(kmolk)n摩尔数n=m/M（m是质量，M分子量）式(4 - 16)或(4- 17)称为气体状态方程，把该方程用于实际气体时计算结果和实验数值会有或大或小的偏差，但是焦炉生产中，所涉及的主要气体，如焦炉煤气，高炉煤气、空气及废气等其压力不太高，温度不太低，它们的压力、容积和温度之间的相互关第都满足理想气体状态方程。在焦炉调火中，经常需要将处于工作状态的气体换算成标准状态，或者相反例4-5 加热煤气温度为40，管道内煤气压力为1000Pa测得煤气实际流量为9000m3/h，换算成标准状态下流量应是多少？解 由式(4 - 14)得三、柏努力方程式1、柏努力方程式根据能量守恒定律，对单位质量流体流动的机械能进行衡算，可得下式t (4-18)假定流体流动时，没有能量损失，即hf=0，并且又没有系统加入外功，We=0式4-18可简化为 (4-19)式中gz位能，J/kg， g重力加速度，m/s2； w2/2动能，J/kg; P/静压能，J/kg; We向系统加入外功J/kg; hf能量损失，J/kg； 下标1,2为分别始末两截面处的数值。柏努力方程式常用下述两种形式描述：第一种，将4-18式各项除以重力加速度(g)，并令He=We/g，Hf=hf/g，则以压头形式表示的柏努力方程式为：(4-20)式中z位压头，m液柱； w2/2g动压头，m液柱 P/g静压头，m液柱； He 输送设备对流体所提供的有效压头，m液柱： Hf 压头损失，m液柱。第二种，将4-18式中各项乘以流体密度p，即得以压力形式表示的柏努力方程式： (4-21)式中：zg位压力，Pa;w2/2动压力，Pa;P静压力，Pa;Hf = P压力降，Pa;We外力使系统增加的压力, Pa。2、流体流动的类型流体的流动有两种显然不同的流动类型：滞流（层流）和湍流（紊流）。流体作滞流流动时，其质点始终沿着与管轴平行的方向作有规则运动，质点之间互不混合；流体作湍流流动时，流体质点除了沿管道方向向前流动外，各质点的运动速度在大小和方向上随时发生变化，于是质点间彼此碰撞并互相混合。由于质点碰撞而产生的附加阻力较由粘性所产生的阻力大得多，所以碰撞将使流体前进阻力急剧加大。研究证明：流体的流速w;流体流经管道的直径d；流体的密度及粘度组成的复合数群dw/是判别流体流动类型的一个准则，这个数群称为雷诺准数，以符号Re表示。实验结果表明，当Re2000时，为滞流；Re4000时，为湍流；2000Rei热气柱底部将具有h1-2g (k-i)的负压若将热气体底部与大气接通，冷空气就会吸入通道内，同时热气柱上升热气柱上升的力叫浮力，数值为h1-2g (k-i)图4-1浮力产生示意图（2)上升与下降气流公式焦炉内对于气体流量不变的通道，动压力的变化可忽略不计。上升气流时：a2a1h1-2g (k-1-2)1-2P (4-36)下降气流时；a2a1h1-2g (k-1-2)1-2P (4-37)由式(4-36)和式(4-37)可以看到，a)在上升气流时，当阻力大于浮点处压力；当阻力小于浮力时，末点处压力小于始点处压力，当阻力小于浮力时，末端处压力大于始点处压力。如上升气流蓄热室格子砖堵塞，阻力增加，当其阻力大于浮力时，出现蓄热室顶的吸力大于蓄热室底的吸力。b)在下降气流时，末端压力始终小于始点处的压力，或末端处的吸力总是大于始点处的吸力，这两点的压力差就是该段的浮力与阻力和。由于热浮力的方向总是向上的因而，对于上升气流热浮力是推动力，对于下降气流热浮力是阻力。在水平方向流动时，a2a11-2P。例4-6 下降气流蓄热室顶郝和底部的压力差为41Pa，若浮力为25Pa，问蓄热室阻力是多少。解：将已知数据代入(4-37)得：41251-2P01-2P 16Pa(3)循序上升与下降气流公式当气体在既有上升气流又有下降气流的通道内流动时，从始点到终点的全部阻力总是使终点压力减小；上升时浮力使终点压力增加，下降时浮力使终点压力减小，其公式为a2a1h上g (k-)h下g (k-) P (4-38)式中 h上g (k-)气流两个断面之间各上升气流段浮力总和。h下g (k-)气流两个断面之间，各下降气流段浮力总和。上升气流蓄热室顶至下降气流蓄热室顶的气体流动，因上升与下降高度相等，且气体密度变化较小，所以上升与下降的浮力差可以不计，由（4-38）得：a2a1P。这就是说，上升与下降蓄热室顶的压力差等于气流所经路程中所产生的阻力严格来说此式是近似的，因为其浮力差实际上不等于零，但在实际应用中已足够准确。(4)焦炉实用气流方程式的应用上述各气流公式广泛地用于确定和分析焦炉通道内相对压力，阻力和浮力三者之间的关系解决集气管压力、蓄热室吸力、格子砖阻力、进风门开度，分烟道吸力、煤气孔板和烟囱吸力等一系列实际问题，如，一定高度H的烟囱能够产生的根部吸力，可按根部至烟囱顶口的上升气流公式确定，即a顶a根hg (k-1-2)烟Pa顶、a根烟囱顶口和根部能产生的相对压力，Pahg (k-1-2) 烟囱浮力，Pa烟P烟囱阻力，Pa因a顶0，故烟囱根部能够产生的吸力为：a根hg (k-1-2)烟P例4-7冬夏两季大气压发生变化，试分析这种变化对焦炉集气管压力、蓄热室顶部吸力的影响。()讨论集气管压力接式(4- 36)列出炭化室底到集气管间的上升气流方程式：冬季：a2a1hg (k-1-2)1-2P夏季：a2a1hg (k-1-2)1-2P其中：1-2P1-2P，1-21-2，且要求炭化室底部压力相等，a1a1，将上述两式相减得：a2a2hg (k-)因k所以a2a20即：冬季集气管压力应保持比夏季高一些，差值为hg (k-)ii）讨论上升气流蓄顶吸力，列出蓄顶到看火孔间的气流方程式如下：冬季：a2a1hg (k-1-2)1-2P夏季：a2a1hg (k-1-2)1-2P其中：1-2P1-2P，1-21-2，且要求炭化室底部压力相等，a2a2，将上述两式相减得：a1a1hg (k-)因k所以a1a10即上升蓄顶压力夏季比冬季高，也就是说，夏季的蓄顶吸力低于冬季的蓄顶吸力。iii）讨论下降气流蓄顶吸力，按(4-37)列出从看火孔到蓄顶的下降气流公式冬季：a2a1hg (k-1-2)1-2P夏季：a2a1hg (k-1-2)1-2P其中：1-2P1-2P，1-21-2，且要求看火孔压力相等，aa，将上述两式相减得：aahg (k-)因k所以aa0即下降蓄顶压力，夏天比冬天高。3、阻力、压力差与气体流量的关系用阻力公式计算焦炉加热系统阻力值，比较繁琐，且因阻力系数取值的误差和其它因素影响，计算结果常与实测值有偏差。所以，焦炉加热调节中，常用阻力、压力差与流量的对比关系，由原测量值换算为调节后的需要值，并据此进行加热调节。(1)阻力、气体流量的关系焦炉生产条件改变前后加热系统某段的阻力分别为两式相除得：（4-40）对于某一区段有：C值在煤气、空气和废气区段分别为：C煤=1000Q；C空=1000QL理；C废=1000QVf式中P，P同一通道区段，条件改变前后的阻力，Pa；K，K阻力系数；V，V气体流量，m3/h；，气体密度，kg/m3；T，T绝对温度，K；q，q炼焦耗热量，kj/kgB，B炭化室装煤量，t；C，C每提供1000kJ热量所需气体流量：m31000kJ；Q加热煤气（干）低位发热量，kj/m3；空气系数；L理1 m3煤气燃烧所需理论空气量，m3/ m3；Vf1 m3煤气燃烧所生成的废气量，m3m3。(2)压力差与流量的关系对整个加热系统由式（4-38）知：P始终h上g (k-)h下g (k-)若所选定的区段间上升与下降气流浮力差为零，即h上g (k-)h下g (k-)0，则 P始终 (4- 41)此式适用于异向气流蓄顶之间，也适用于机、焦侧高炉煤气管道至废气盘的通道。此式用于进风口至分烟道整个加热系统时，只能得到近似结果，因为下降段总浮力大于上升段总浮力，且各蓄热室的堵漏情况和阻力系统等差异较大。结合式(4- 40)和(4-41)，对同一通道，在两种生产条件下，当符合式(4-41)的规定，并设kk，TT，则可得出 (4-42)该式表明在一定条件下，阻力或压力差是流量的指标。例4-8某80型焦炉用高炉煤气加热时，煤气斜道阻力为24.0Pa，若改用焦炉煤气，该斜道阻力为多大？解 由于同一斜道几何尺寸完全相同，故KK，则因为=，TT，BB，耗热量分别为q3050kJkg，q2275kJ/kg。高炉煤气发热量为3900kJ/m3，则C1000/3900m3，如焦炉煤气发热量为17900 kJ/m3，则式中：L实燃烧1 m3焦炉煤气所需实际空气量，当=1.25时，L实=5.55m32燃烧焦炉煤气所需空气量由两个斜道供给，故通过一个斜道的空气量为二分之一。在0下，湿空气0=1.25kg/m3，高炉煤气0=1.275kg/m3，将上述各值代入并计算得：P空7.16Pa五、动量原理在焦炉上的应用1、焦炉废气循环(1)废气循环的意义和原理煤气和空气在上升立火道内燃烧产生废气，经跨越孔流入下降立火道，这时有部分废气经循环孔被抽吸入上升立火道中，这种燃烧法称废气循环。采用废气循环，可以稀释煤气和降低氧的浓度，并从而减慢燃烧速度，提高气流速度，拉长火焰。废气循环有利于焦饼上下加热均匀，从而收到改善焦炭质量，缩短结焦时间，增加产量并降低炼焦耗热量的效果。形成废气循环的推动力：在循环孔两侧上升气流与下降气流之间产生的剩余喷射力，因上升气流温度比下降气流温度高，在上升火道与下降火道间产生的热浮力差。(2)废气循环基本方程式动量原理指出：“稳定流动时，作用于流体某一区域上的外力在某一坐标轴方向上的总和，等于在此区域两端单位时间内流过的流体在该方向上的动量变化”。根据这一原理及循序上升和下降气流方程式可得到双联火道废气循环的基本方程式： (4-43)式中V0煤、V0空、V0废煤气，空气，废气流量，m3/S；0气体密度；F火、F煤斜(烧嘴)、F空斜火道，高炉煤气斜道（烧焦炉煤气时为烧嘴），空气斜道截面积，m2；T煤斜、T空废、F上斜斜道（或烧嘴）出口处煤气、空气和上升气流火道废气绝对温度，KH火道高度下废，上废下降和上升气流火道中废气密度，kgm3x=V环/V废废气循环量占燃烧产生废气量的百分率，%。式(4- 43)左边14项分别为煤气喷射力（h煤）、空气喷射力（h空）、火道中废气的剩余喷射力（h废）、和上升与降下火道的浮力差(h浮)、右边(PHPB)为循环孔阻力、1HP为跨越孔和火道的阻力、合并为总阻力总P0则式4-43可写成：h煤h空一h废h浮总P0 (4-44)上式推导中没有考虑循环废气与火道中废气的汇合阻力也没有考虑喷射力的利用率，故计算的废气循环量大于实际。试验表明喷射力利用系数取0.75时，所得结果与实际比较一致，即式(4-44)改成0.75（h煤h空一h废）h浮总P0 (4-45)实际上废气循环量还取决于烧嘴、斜道和循环孔的位置、但在理论公式中难以计入。（3）废气循环和防止短路的讨论（a）废气循环推动力在一般情况下，浮力差大于有效喷射力。但当减小烧嘴直径和斜道口断面时喷射力将增加；当气体预热温度降低，或交接时间缩短时，浮力差将减少。用高炉煤气贫化焦炉煤气，不仅降低可燃物浓度，使燃烧速度减慢，还增加煤气喷射力，使废气循环量增加，从而拉长火焰。（b）废气循环的阻力跨越孔阻力起主要作用（火道摩擦阻力甚微）在一定推动力下，阻力增加时，废气循环量将减少。（c)废气循环量的自动调节作用流量变化时，喷射力和阻力均改变，浮力差则可视为不受流量影响。因此用高炉煤气加热时，团煤气、废气流量增加，喷射力和阻力均增加，浮力差的作用相对减少，故废气循环量减少正好适应了高炉煤气火焰较长的特点。反之，用焦炉煤气加热时，浮力差的作用大于喷射力，导致废气循环量自动增加，使火焰拉长，有助于改善高向加热的均匀性。当流量一定、高向加热均匀性变差时，上升和下降火道的温度差增加，浮力差加大，使废气循环量自动增加，从而改善高向加热均匀性。（d)短路所谓短路就是上升气流煤气和空气不经过立火道燃烧而由循环孔被直接抽入下降气流斜道中燃烧。这将损坏炉体，应予防止。短路的主要原因是喷射力与浮力之和小于火道的阻力通常在以下情况下容易发生短路：换向时；结焦时间过长或保温期间；火道中有杂物使阻力增大；装煤初期如有大量荒煤气经炉墙漏入火道；看火孔为负压且未被盖严2、变量气流方程式及其应用焦炉内的变量气流百分配通道内的变量气流和集合通道中的变量气流两种。加热煤气主管、横管、炉内横砖煤气道、小烟道、分烟道、水平烟道和集气管等通道中气体的流动均属变量气流。它与恒量气流的流动规律的主要区别是存在气体流量变化所引起的动量变化。 (1)变量气流基本方程式对于分配通道（图4-2）变量气流，其公式为：（4-46）式中Px水平通道长向某处气流静压力，Pa； PH水平通道入口处气体静压力，Pa VH水平通道入口处气体总流量，m3/s F通道截面积，m2 P气体密度kg/ m3 L通道长度，ml D通道水力直径，m 摩擦系数 x通道入口处至x点的相对距离,m对于集合通道变量气流，其公式为：（4-47）式中：Px水平通道长向某处气流静压力，Pa； PK水平通道出口处气体静压力，Pa VK水平通道出口处气体总流量，m3/s式（4-46）和（4-47）在推导中以单身气流为出发点并作了下述假设：气流系单向流动，实际上属三维流动。仅考虑摩擦阻力，实际上由于气流平行性的破坏，还存在复杂的局部阻力。温度取为定值，实际上，变量气流通道中，有时气体温度也随x变化。图4-2均匀变量气流示意图(2)小烟道内的静压分布和蓄热室长向气流的均匀分布小烟道内，一般21-1-x2L3D1-1-x3，所以，从式(4- 46)和式(4-47)可知，沿小烟道全长的静压力，无论是分配通道的上升气流还是集合通道的下降气流，都是小烟道外侧静压力小，内侧静压力大，即PxPH、PxPK。而篦子砖孔上部气流的静压力P（或P）则是相同的。因此，篦子砖上、下的静压差沿蓄热室长向分布如图4-3所示，即上升气流时，P2P1，内侧流量大下降气流时，P2P1，外侧流量大。图4-3篦子砖上下静压差沿蓄热室长向分布因外侧散热量大，蓄热室内部温度高于外侧，因此内侧浮力较大，更促使上升气流时内侧流量加大，下降气流时外侧流量加大。这种压力分布，还导致了蓄热室内气流的对角线流动。上升气流时，气流从内侧下部向外侧上部流动；下降气流时，气流从内侧上部向外侧下部流动。结果造成了蓄热室内气流的不均匀分布，使蓄热室内格子砖的传热面积不能充分利用。为了改善气流分布，对不同采取如下措施：采用扩散型箅子砖孔。在外侧配置内径下大上小的收缩型箅子砖，内侧配置内径下小上大的扩大型箅子砖。这种排列方式，由于阻力系数不同，既能适应上升气流，也可满足下降气流的压力分布，从而使气体流量分布均匀。增加小烟道断面，降低小烟道内气流速度，使小烟道内外静压差减小采用分格蓄热室，煤气和空气全下喷。采用单向小烟道，或将小烟道分成水平格。采用截面变化的小烟道，减少其内外静压差。25第二节 煤气性质与燃烧焦炉加热所使用的煤气，通常有焦炉煤气和高炉煤气，此外还有发生炉煤气。一、煤气性质1、煤气组成煤气组成见表4-1，热工计算用煤气成分见表4-2。几种煤气组成及低发热值 表4-1热工计算用煤气成份 表4-22、煤气发热值它是指单位体积的煤气完全燃烧所放出的热量(kj/m3)。发热值有高、低之分。燃烧产物中水蒸汽冷凝呈0度液态水时的发热值称高发热值；燃烧中水蒸汽呈汽态时的发热值称低发热值。在热工设备中，因燃烧后废气温度较高，水蒸汽不可能冷凝，所以有实际意义的是低发热值。各种燃料的发热值可用仪器直接没得，煤气的发热值可由组成按加和性计算，即，QDW108.4H2358.4CH4127.3CO711.8CmHn (450)3、煤气密度单位体积煤气的质量，称为煤气密度（kg/m3)，也可按加和法计算，即标准状态下0(44CO228CO16CH432O232.6CmHn28N22H2)/(22.41oo),kg/m3 (4-51)按表4-2组成，可计算出焦炉煤气、高炉煤气（大型），高炉煤气（中型）的密度分别为：0. 451kg/ m3，1.33lkg/ m3，1.297kg/ m34、煤气的加热特性(1)焦炉煤气焦炉煤气可燃成份浓度大，发热值高，理论燃烧温度达18002000，着火温度是600650，由于H2占50%以上，故燃烧速度快、火焰短，煤气和废气的密度低，分别约为0.454kg/m3和1.21 kg/m3（=1.25），因CH4占1/4以上，而且含有CmHn，故火焰光亮，辐射能力强。此外，用焦炉煤气加热时，加热系统阻力小，炼焦耗热尾低，增减煤气流量时，对焦炉燃烧室温度变化比较灵敏。焦炉煤气在回收车间净化不好时，煤气中萘、焦油较多，容易堵塞管道和管件，煤气中氨、氰化物、硫化物对管道和设备腐蚀严重（2）高炉煤气高炉煤气不可燃成分约占70%，发热值低，理论燃烧温度低为14001500，着火温度大于700。煤气中可燃成分主要是CO且不到30%。故燃烧速度慢、火焰长，高向加热均匀可适当降低燃烧室温度。用高炉煤气加热时，由于废气和煤气密度较高，约分别为1.4kg/ m3（=1.25）和1. 3kg/m3，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的二倍以上。使用高炉煤气时，必须经蓄热室预热至1000以上，才能满足燃烧室温度的要求，故要求炉体严密，以防煤气在燃烧室以下部位燃烧。由于高炉煤气中含CO多，毒性大，故要求管道和没备严密，并使交换开闭器、小烟道和蓄热室部位在上升气流时也要保持负压。二、煤气燃烧煤气的燃烧是指煤气中的可燃成份和空气中的氧在足够的温度下所发生的剧烈氧化反应。燃烧需要有三个条件，即：可燃成分、氧、一定的温度，缺少一个条件也不会引起燃烧。1、燃烧反应煤气中各可燃成份的燃烧反应如下：H21/2 O2H2OCO1/2 O2CO2CH42O22H2OCO2 C2H43O22 CO22 H2OC2H67.5O26 CO23 H2O完全燃烧时，可见到火苗明亮，没有烟。如果火苗暗红并带有黑烟就是燃烧不完全。在焦炉加热中，应当使煤气完全燃烧，这样才能有效地煤气的热能，提高热，降低耗热量。2、燃烧方式根据煤气和空气的混合情况，煤气燃烧有两种方式即动力燃烧和扩散燃烧。动力燃烧是煤气和空气在进入燃烧室前先均匀混合，然后再着火燃烧的方法，其燃烧速度取决于化学动力学因素（化学反应速度），故称动力燃烧也叫无焰燃烧。扩散燃烧是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、边燃烧的方法，其燃烧速度取决于可燃物分子和空气分子相互接触的物理过程。这种方法也叫有焰燃烧，焦炉立火道内煤气的燃烧属于扩散燃烧。3、燃烧极限空气可燃混合物在常压下的燃烧极限 表4-3可燃气体与空气或氧所组成的混合物，只有可燃气体在一定浓度范围内和在着火温度下才能进行稳定的燃烧，这种极限浓度称为燃烧极限。当低于下限或高于上限浓度时均不能着火燃烧。可燃气体的燃烧极限随混合物的温度和压力增加而加宽，同时可燃气体与氧的混合物比与空气的混合物燃烧极限要宽得多。表4-3列举了某些可燃气体在常压下的燃烧极限。4、煤气爆炸爆炸就其本质而言，与燃烧基本一致，不同点在于：燃烧是稳定的连锁反应，在必要的浓度，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，在必要的浓度极限条件下，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。可燃气体的爆炸极限介于燃烧极限之间焦炉煤气、氢气和苯蒸汽的操作下限很低，故管道、管件、设备不严时，漏入空气中遇到火源，就容易着火爆炸，相反，高炉煤气、发生炉煤气、氢气和一氧化碳爆炸上限较高，当管道、设备不严并出现负压时，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时，也易产生回火爆炸。对于这些，均应采取适当措施，预防事故发生。三、燃烧计算以煤气燃烧时的化学反应为基础，通过物料平衡和热量平衡计算燃烧所需空气量、生成的废气量及燃烧所能达到的温度，为了使燃烧完全，必需有一定的空气过剩量。1、空气系数为了保证燃料完全燃烧，实际供给的空气量必须多于理论所需空气量，两者之比叫空气系数。=实际空气量（L实）理论空气量（L理） (4-52)的选择对焦炉加热十分重要，不足，煤气燃烧不完全，可燃成分随废气排出，过大，废气量大，废气带走的热量也增多，故不足和过大均会增加煤气耗量，同时值还对高向加热均匀性也有影响，一般地，烧焦炉煤气时=1.201.25，烧高炉煤气时=1.151.20。值通过废气分析，可按下式计算=1+KO2-0.5COCO2+CO (4-53)K=VCO2/ O2理(4-54)式中O2, CO, CO2干废气中各成份体积含量，%；VCO2m3煤气完全燃烧时，按理论计算所生成C02体积，m3/ m3O2理燃烧1 m3煤气理论上需要的氧气量，m3/m3；K值是随煤气组成而改变的，一般焦炉煤气K0.43，高炉煤气K=2.5，如果煤气成份波动较大时，应按煤气成份重新计算K值。2、空气需要量和废气生成量的计算燃烧的物料平衡(1)空气量的计算1 m3干煤气燃烧所需理论氧量O2理按下式计算O2理=0.01(0. 5H20.5CO2CH43C2H47.5C6H6O2)(4-55)式中H2. CO. CH4,分别为煤气中该成分的体积百分含量。理论空气量L理为：理10021O2理 (4-56)实际干空气量L实(干)为：实(干)L理 (4-57)实际湿空气量L实(湿)为：实(湿)实(干)1+(H2O)空 (4-58)式中 (H2O)空以干空气为基难计算的含水汽量，m3/m3干空气； (2)废气量和废气组成的计算1m3干煤气完全燃烧时，废气中仅含C02、H2O、N2和过剩空气带入的O2，故废气中各成分的体积为：V CO2.=0.01（CO2COCH42C2H46C6H6） (4- 59)VH2O=0.01H22CH42C2H43 C6H6(H2O)煤L实(干) (H20)空 (4- 60)VN20.01N20.79 L实(干) (4- 61)VO20.21 L实(干)O2理 (4- 6)式中 (H2O)煤每米3煤气所含水汽量故lm3煤气燃烧生成废气量为：V=VCO2VH2OVN2 VO2 (4-63)废气中各组分的体积除以废气量，即得废气组成。例4-9 焦炉煤气组成如下，若燃烧后生成废气的组成为CO29.0%，O24.6%，计算值。H2 CO2 O2 CO CmHn. CH458.0 2.2 0.4 5.8 2.925.O解：从反应式中可求得(CmHn以80%C2H4和20%C6H6计算)V CO2.CO2CO2C2H46C6H6CH42.2+5.8+20.82.9+60.22.9+25.0=41.12O2理2CH40.5H20.5CO3C2H47.5C6H6O2225+0.558+0.55.8+30.82.9+7.50.22.9-0.492.81K=VCO2/ O2理=41.12/92.81=0.443=1+KO2-0.5COCO2+CO=1+0.4434.6/9.01.233、燃烧温度燃烧的热平衡燃料燃烧时产生的热量用于加热燃烧产物（废气），使其达到的温度叫燃料的燃烧温度，该温度的高低取决于燃料的组成、空气系数、气体燃料和空气的预热程度及热量向周围介质传递的情况等多种因素。(l)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，存余部分用来使废气升高温度，此时的温度称实际燃烧温度按lm3煤气燃烧时的热平衡可得下述计算式t实=Q低+Q煤+Q空-Q效-Q损-QCO-Q分VC废 (464)式中Q低，Q煤煤气低发热量及物理热（显热），kJ/m3；Q空空气的物理热，kJ/m3；Q效传给炉墙的热量，kJ/m3；Q损通过炉墙散失于周围空气的热量，kJ/m3；QCO煤气不完全燃烧的热损失，kJ/m3；Q分废气中CO2，H2O部分离解时所消耗的热量，kJ/m3；V燃烧1 m3煤气所产生前废气量m3/m3C废废气在t废时的比热，kJ/( m3)实际燃烧温度为炉内实际废气温度它不仅与燃料性质有关，还与燃烧条件，炉体结构，材质、煤料性质、结焦过程等因素有关，因此很难从理论上精确计算(2)理论燃烧温度为比较燃料在燃烧温度方面的特征假设：煤气完全燃烧，即Qco=0。废气不向周围介质传热即Q效= Q损=0。这种条件下煤气燃烧使废气达到的温度叫理论燃烧温度t理。t理=Q低+Q煤+Q空-Q分VC废 (465)由式(465)可知，t理仅与燃料性质和燃烧条件有关，因此它是燃料燃烧的重要特征指标之一，可用计算方法求得(3)热值燃烧温度若式(465)中Q分也为零，即所有的热量全部用于提高废气量度，则此时废气所达到的温度称热值燃烧温度t热t热=Q低+Q煤+Q空VC废 (466)t理，t热实际上是达不到的。一般t热比t理高200300，t理比t实高250400。从公式得知，在相当的Q煤、Q空条件下，Q低越小，V越大，燃烧温度就越低，因此，用高炉煤气加热时，若煤气不预热，就难以达到焦炉所需的燃烧温度。第三节 热效率与耗热量一、焦炉传热焦炉各部位的传热是传导、辐射、对流共存的综合传热过程，这些传热方式分别在不同部位和不同的时间起主导作用。由于焦炉炭化室定期装煤、出焦，加热火道的气流方向定期交换，炭化室内炉料状态和加热系统内的气流组成、以及各处温度均不断产生周期变化，因此焦炉内各处的传热均属不稳定传热。只是在作近似分析时，可按周期变化的平均值以稳定传热的基本原理作计算。火道向炉墙的传热：焦炉立火道中火焰和热废气的热量通过对流和辐射向炉墙传递，废气温度高达14001600，焦炉煤气燃烧过程中因热解而产生的高温游离碳有强烈的辐射能力，故辐射传热量占9095%以上；火道中气流速度较慢，故对流传热量仅占510%以下。炉墙的传热；炭化室炉墙的传热属不稳定的热传导。由于炭化室周期装煤、出焦，在装煤后l2小时，炭化室墙将大量热传给煤料，其温度由10501100急剧降至700左右，此时炉墙两侧温度差加大，热流提高。以后随炭化室墙面温度升高热流逐渐降低。在近似计算中也可按稳定热传导求平均值。炭化室煤料的传热：炭化室煤料在整个结焦时间内为不稳定的平壁热传导，煤料的温度和热物理参数随时间、空间变化而变化。蓄热室的传热：蓄热室中的格子砖是热量的传递者。蓄热室内通废气时，格子砖被加热；交换后，格子砖将蓄存的热量传给空气或贫煤气。随着定期交换，格子砖反复进行等量的蓄热或放热。蓄热室各部位温度在上升气流（冷却期）和下降气流（加热期）期间，均随时间呈周期性变化，属于不稳定传热过程。二、焦炉的热效率焦炉的热效率是衡量焦炉能量利用技术水平和经济性的一项综合指标。按照国家对设备热效率计算通则(GB2588- 8l)的规定，不同的热工炉窑用一种统一的热效率表示，焦炉的热效率为有效热量与供给的全部热量的百分比，即：=QYXQGG100% (4-67)或 =1-QSSQGG100 (4-68)式中热效率QYX有效热量kj/t干煤；QGG供给的热量，kj/t干煤5QSS损失的热量，kj/t干煤。有效热量是指达到工艺要求时，