煤气燃烧对火焰高度影响的研究.doc

煤气燃烧对火焰高度影响的研究王晓婷 严文福（安徽工业大学，马鞍山243002)1 煤气燃烧1.1 煤气的燃烧过程 煤气的燃烧过程分为3个阶段。一是煤气和空气的混合，属于物理过程，需要消耗一定的动力和时间来完成；二是将可燃混合物加热至着火温度；三是可燃物与氧发生化学反应进行连续稳定的燃烧，动力学化学过程决定于反应物的浓度并与温度有关。燃烧是一个复杂的物理化学过程，而当可燃物和氧已经加热到着火温度时，化学反应进行得快，这时混合过程起决定因素。1.2 煤气燃烧的分类 煤气燃烧有两种方式，即动力燃烧和扩散燃烧。 （1）动力燃烧（无焰燃烧）可分为两个阶段，即煤气和空气均匀混合后在燃烧室燃烧。该法燃烧速度快、燃烧完全、火焰短且集中、温度高。通常加热炉和锅炉等均采用此方式。 （2）扩散燃烧（有焰燃烧）。煤气和空气分别送入燃烧室，在对流扩散的作用下边混合边燃烧。由于燃烧室温度高，故可燃混合物加热到着火温度并进行燃烧，化学反应是在瞬间进行的，因而煤气的燃烧速度取决于可燃物与空气分子相互接触的物理过程（边混合边燃烧）。该法火焰长、温度均匀，焦炉立火道中煤气的燃烧过程就是典型的同轴流扩散燃烧。这有利于焦饼高向加热的均匀性和降低能耗。2 焦炉立火道内燃烧火焰高度的计算 根据扩散燃烧动力学的反应物质量衡算，扩散燃烧火焰高度可用下式计算： 式中的y为火焰高度，m; c1为煤气中可燃成分初始浓度，；c2为空气中氧的初始浓度，；i为每一份可燃气体所需的理论氧量（由燃烧反应表得到）；r为煤气流的当量半径（烧嘴半径），由设计图纸查得，取0.025m; R0为立火道当量半径，m; W为气体流速，m/s ; K为扩散系数，m2/s; c0=c1+(c2/i) 。2.1 高炉煤气火焰高度的计算 分子的方均根速率： 式中的T为废气绝对温度，K; M为高炉煤气的平均分子量，计算得到为29.04610-3kg/mol; R为理想气体常数；d为分子有效直径，m; P为高炉煤气压力，Pa; K0为玻耳兹曼常数，1.3810-23J/K。 （1）无废气循环时火焰高度的计算 c0 =c1+(c2/i)=0.309+(0.21/0.1545)=1.668 W=0.434/1.5=0.289 m/s 式中的0.434为有废气循环时废气的流速，m/s ; 1.5为废气循环量，是废气量的1.5倍。 将数据代入公式计算可得：y4.23m。2.2 焦炉煤气火焰高度的计算 式中的M为焦炉煤气的平均分子量，10.81110-3kg/mol 。 （1）无废气循环时火焰高度的计算 c0 =c1+(c2/i)=0.924+(0.21/0.9183)=1.153 W=0.434/1.5=0.289 m/s （2）有废气循环时的火焰高度 c1= 0.924/1.5=0.616 c0 =c1+(c2/i)=0.616+(0.21/0.9183)=0.845 W=0.434 m/s 将数据代入公式计算可得：y=2.94m。 通过上述两组数据，可以明显发现，两种不同加热煤气的火焰高度不同，同时废气循环，通过改变气体流速和可燃成分含量的变化，也可明显影响火焰高度。3 影响焦炉高向加热的因素分析 炭化室向高度方向发展是实现焦炉大型化的主要标志，特大型7.63m焦炉在我国已有多座投产，因此解决焦炉高向加热更为重要。这对焦饼的均匀成熟、提高焦炭强度和块度、降低推焦电流与炼焦耗热量均十分重要，以下从两方面加以分析。3.1 从炉体结构设计上解决焦炉高向加热 （1）采用废气循环。上述计算表明，采用废气循环不论高炉煤气或焦炉煤气加热均可大幅拉长火焰, 以改善焦炉的高向加热。 （2）采用分段加热。7.63m焦炉采用此结构，空气分段进入立火道，使混合过程减慢而拉长火焰。 （3）采用高低灯头。4.3m以上焦炉均采用此结构，这使燃烧点上移而拉长火焰，同时由于喷嘴直径缩小而提高了喷射力，使废气循环量加大而拉长火焰。 （4）选择适宜加热水平。这方面走过不少弯路，尚需继续研究。如6m大容积焦炉目前加热水平为900mm，但炉顶空间温度过高，结石墨严重等。 （5）立火道当量半径。立火道当量半径增大可以增加扩散所需的时间，从而增加火焰高度，但同时也会降低气体流速，从而降低对火焰长度的影响。3.2 从操作上分析影响火焰高度的因素 （1）扩散系数。扩散系数越大，火焰高度就越短，呈反比关系。同时，K1/M0.5 (M为燃料平均分子量），高炉煤气中主要含CO，分子量大，扩散系数小，火焰高度长，而焦炉煤气中主要含氢气和甲烷，分子量较小，故扩散系数大，火焰高度短。 （2）可燃成分的初始浓度。可燃成分初始浓度与火焰高度呈反比关系，在高炉煤气中，惰性成分含量高，可燃成分少，火焰高度长。在实际生产中，采用煤气贫化及废气循环就是利用这个原理，使可燃成分的初始浓度降低，从而增加火焰高度。 （3）气体流速。煤气和空气在斜道口或烧嘴处以层流状态流出，废气在立火道中的流动也是层流。因此,焦炉火道中煤气和空气的燃烧属于层流状态下的扩散燃烧，故当气体流速加快，空气和煤气混合速度减慢时，火焰高度就拉长。 （4）空气系数。空气系数降低，氧供应减少，致使燃烧速度因氧的减少而下降，而使火焰拉长。故可控制不同空气系数来调节焦饼沿高向加热的均匀性。 （5）缩短周转时间。缩短周转时间可使单位时间内供入煤气与空气量增加，使气流速度增加，混合速度减慢而使火焰拉长。4 结论 1) 焦炉立火道内煤气燃烧是在层流条件下的扩散燃烧，扩散燃烧可以拉长火焰，有利于改善焦炉高向加热