第八章.焦炉内煤气燃烧.ppt

第十一章炼焦炉内煤气的燃烧及热工评定 一 几种煤气的组成 第一节炼焦炉加热用煤气 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 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 如焦炉煤气的饱和温度为20 由表6 2查得1m3干煤气在20oC时的饱和水蒸汽含量为0 0236m3 m3 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6 2干煤气组成换算成表6 4湿煤气组成 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 kg m3 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 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 二 煤气的发热值 煤气中各可燃成分的低发热值 kJ m3 为 CO 12728 H2 10844 C2H4 35840 CmHn 71179 按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5倍 煤气的密度是指每立方米煤气的质量 记为 kg m3 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 标准状态下煤气的密度可按煤气组成用加和性计算 0 0 01 MiXi 22 4 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 三 煤气的密度 按表6 2所列焦炉煤气的组成计算其密度为 O 0 451kg m3式中2 16 28 分别为H2 CH4 CO 的分子量 CmHn中按80 的C2H4和20 C6H6计算 饱和温度为20oC时的湿焦炉煤气的密度为 0 459kg m3 四 煤气的加热特性 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 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2 3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 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 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 第二节煤气的燃烧 1 燃烧反应和燃烧极限煤气中的可燃成分具有和空气中的氧发生下列反应的能力 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 燃烧的条件 可燃成份 氧 一定的温度 燃烧极限的本质 反应 燃烧 速度与浓度的关系 燃烧反应 mF nO2 CO2 H20燃烧速度 r k F m O n而 F Air 100 O 0 21 Air 代入上式得 r k F m 0 21Air n k F m Air n k F m 1 F n所以 当F变大或变小时 r均变小 当F达到一个临界值时 反应速度小得反应无法进行 该临界值就是燃烧极限 表6 6某些空气可燃混合物在常压下的燃烧极限 对于混合气体的燃烧极限 随其组成而变 可用下式估算 体积 8 1 式中L 可燃气体混合物的燃烧 或爆炸 极限 上限或下限 P1P2 在气体混合物中 各组分的体积百分含量 N1N2 纯组分的相应极限浓度 上限或下限 体积 上式只适用于不含惰性气体的气体混合物 对含有C02 N2等惰性气体的可燃混合物需用下式校正 8 2 式中 可燃气体中惰性气体的含量 体积分数 着火温度是使可燃混合物开始正常稳定燃烧的最低温度 着火温度并非是一个物理常数 它与可燃混合物的成分 燃烧系统的压力 燃烧室的类型和大小有关 表8 7几种可燃气体在标准状态下的着火温度 二 着火温度 1 点火 可燃混合气体靠火星 灼热物体等火源形成火焰中心 然后经火焰传播使可燃混合气燃烧 叫点火燃烧 点火燃烧要有两个条件 一是有一定能量的火源二是能进行火焰传播 三 点火与爆炸 2 爆炸 在密闭容器中可燃混合气 在燃烧极限内达到着火温度或点火时 由于绝热压缩作用 可燃混合气因急剧反应使温度和压力急剧升高 这时火焰的传播速度可达每秒几公里整个容器内的可燃混合气将同时急剧反应而产生极大的破坏力并引进爆炸 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 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 四 扩散燃烧和动力燃烧 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合物的热解 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 扩散燃烧速度主要取决于气流沿高向的运动速度 煤气和空气的气流夹角 出口中心间距 扩散系数等因素 而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 M 0 5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 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 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 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 表示 大小的意义 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 太大 产生的废气量大 带走的废气显热多 燃烧火焰短 会降低立火道温度 一般情况下 用焦炉煤气加热时 1 20 1 25用高炉煤气加热时 1 10 1 15 可通过测定废气的组成按下式求得 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 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 当废气中含有CO时 则 O2 O2 0 5CO 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 例 焦炉用焦炉煤气加热 所需理论氧量为91 93m3 燃烧产生的CO2量为40 06m3 在标准蓄热室小烟道取样 废气成分分析为 CO2 9 1 CO 0 1 O2 4 5 计算空气过剩系数 解 1 空气需要量的计算 理论需氧量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 2 CH4 3 C2H4 7 5 C6H6 02 0 01 m3 m3煤气 式中H2 CO CO2 分别表示煤气中各成分的体积含量 理论干空气量 L理 m3 m3煤气 2 燃烧的物料衡算 实际干空气量为 L实 干 L理 m3 m3煤气 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 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 VN2 0 01N2 0 79L实 干VO2 0 21L实 干 O理V VCO2 VH2O VN2 VO2 nm3废气 nm3煤气 废气组成 Xi Vi V i CO2 H2O N2 O2 同理 低发热值为3643kJ m3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 C0223 28 022 02 H204 24 N270 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 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 16 900 102 00发生炉煤气的组成为 煤气成分H2COCH4CO2N2O2含量 3 028 80 211 156 50 40求空气过剩系数 解 依题意 1 K O2 0 5CO CO2 CO K Vco2 O理则Vco2 0 01 CO CO2 CH4 0 01 28 8 11 1 0 2 0 401O理 0 01 0 5 H2 CO 2CH4 O2 0 01 0 5 3 0 28 8 2 0 2 0 4 0 159故K 0 401 0 159 2 522 1 2 522 2 0 5 0 1 16 9 0 1 1 0 289 1 289答 该焦炉的空气过剩系数为1 289 焦炉煤气组成如下 求K值 H2CO2O2COC2H4CH458 02 20 45 82 925 0从反应式中可求得 CO2 CO2 2C2H4 CH4 CO 2 2 2 2 9 25 0 5 8 38 8O2理 3C2H4 2CH4 0 5H2 0 5CO O2 3 2 9 2 25 0 0 5 58 0 0 5 5 8 0 4 90 2则K CO2 O2理 38 8 90 2 0 43由此可见 K是随煤气组成而改变的 一般焦炉煤气K 0 43高炉煤气K 0 25 如果煤气成分波动较大时 应按煤气成分重新计算K值 设烧焦炉煤气的废气中的组成CO29 0 O24 6 已知K 0 43 计算 值 3 燃烧热衡算 燃烧温度计算燃烧温度 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 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 m3 oC 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 m3 oC 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 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 m3 oC 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 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 12728 CO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1300 1400 以上时 废气中的H20和CO2就要发生显著的离解反应 H20H2 02 10718C02CO 02 12778 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 图CO2和H2O的离解度与温度的关系 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 10840 12730 kJ m3废气 式中10840 12730 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 Q低 Q煤 Q空 V废 c废t实 Q效 Q损 Qco Q分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 第四节焦炉热工评定 一 炼焦热与炼焦耗热量炼焦热是1kg煤从室温转化为焦炉推出温度下的焦炭 煤气和化学产品所需的理论热 炼焦耗热量则是1kg煤在工业焦炉中炼成焦炭时 需要提供给焦炉的热量 二者的关系如下 炼焦耗热量 炼焦热 焦炉散热 废气热焓 一 焦炉的物料平衡及热平衡 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 只有传入炭化室的热量 出方1 5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 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 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 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70 75 热为80 85 热工与 热可从焦炉热平衡中求得 热工 100 71 4 热 100 81 4 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 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 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 1 湿煤耗热量1kg湿煤炼成焦炭应供给焦炉的热量 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 q湿 kJ kg湿煤 式中V0 标准状态下加热煤气的耗量 m3 h Q湿 焦炉的湿煤装入量 kg Q低 加热用煤气的低发热值 kJ m3 3 炼焦耗热量 2 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 式中2500 lkg水在0oC时的蒸发潜热 kJ kg 2 01 为水汽在0 600oC时的平均比热容 kJ kg oC 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 则q湿与q干的关系如下 式中 51为1 kg水在焦炉内加热 蒸发需热 3 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 式中G干 焦炉干煤装入量 kg h我国焦炉相当耗热量指标见表8 11 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5100kJ kg 则 q湿的变化值为29 33kJ kg 配煤水分高于8 时 每变化1 的q相变化值为 4 不同水分基准时耗热量的换算 2 炼焦耗热量的计算由物料平衡和热平衡作炼焦耗热量计算 生产上不可能随时进行 因此可用下式直接作近似计算 q相 KT KP K换式中 炭化室周转时间 h V0 煤气流量表数值 m3 h Q低 加热煤气的低发热值 kJ m3 G 炭化室平均装干煤量 kg 孔 n 一座焦炉的炭化室孔数 KT KP K换 分别为温度 压力和换向校正系数 K换是考虑到由于换向时 有一段时间不向焦炉送煤气 则每小时实际进入焦炉的煤气量将小于流量表的读数 因此乘以K换 K换 60 m 60式中m 一小时内的换向次数 每次换向焦炉不进煤气的时间 min 60 每小时60分钟 则V0 V0 K KT KP K换 四 降低炼焦耗热量 提高焦炉热工效率的途径1 装炉煤性质焦煤和肥煤的炼焦热较低 气煤和瘦煤的炼焦热较高 因此不同配比的装炉煤所需炼焦热有所差异 在相同结焦时间和加热制度下 焦炉热耗随配煤挥发分提高而增大 尤其当气煤含量超过30 时更为明显 2 降低焦饼中心温度焦炭带走的热量占供入总热量的37 是热量出方中最大的部分 焦饼中心温度由1050oC降到1000oC 炼焦耗热量可以降低约46kJ kg 但降低焦饼中心温度必须以保证焦炭质量为前提 调节好炉温 使焦饼同时均匀成熟 正点推焦是降低炼焦耗热量的重要途径 3 降低炉顶空间温度这就要求装满煤 减少煤气在炉顶空间的停留时间 并在保证焦饼高向加热均匀的前提下 尽可能降低焦饼上部温度 从炉顶排出的荒煤气带走的热量也是较多的 当结焦时间 装煤量一定时 荒煤气出口温度每降低10oC 耗热量降低20kJ kg左右 因此降低炉顶空间温度对含热量的降低也是有利的 4 降低配合煤水分配煤水分每变化l 时 q相将相应增减59 67kJ kg 例如 一座42孔的58 型焦炉 每孔装干煤量为18t 周转时间18h 则每小时处理煤量为 42000kg h 当水分增加1 时 耗热量增加约为42000 59 67 2478000 281400OkJ h 相当于Q低 3643kJ m3的高炉煤气770m3 h 或Q低 17920kJ h的焦炉煤气140m3 h 可见耗热量数值之大 5 选择合理的空气过剩系数当焦炉用高炉煤气加热 而空气过剩系数较低时 煤气由于燃烧不完全 废气中含有CO 如废气中含有1 的CO 则煤气由于不完全燃烧而引起的热损失为 12728 1 127kJ m3废气 或127 1 757 223kJ m3煤气 式中12728 CO的燃烧热 kJ m3CO 1 757 Q低为热值为3643kJ m3的高炉煤气燃烧产生的废气量 m3 m3煤气 也就是相当于100 6 13 的热量没有被利用而浪费掉了 如废气中每增加1 的氧气 则相当于随废气带走的热损失为 0 01 100 21 280 1 45 19 4kJ m3废气 或19 4 1 757 34