第七章焦炉气体力学原理ppt课件.ppt

第七章 焦炉气体力学原理,第一节 焦炉用气体柏努利方程式及其应用 一、焦炉内气体流动特点 单位质量流体稳定流动过程的机械能量衡算式(柏努利方程式)的形式如下: (71) 焦炉内煤气、空气和废气的流动规律，基本上符合上述方程式，但在应用时要考虑如下特点。,1、焦炉加热系统各区段流过不同的气体，且气体从斜道进入立火道后，温度发生剧变，组成发生变化，因此要分段运用上述方程式。,2、焦炉内加热系统的压力变化较小，各区段温度呈均匀变化(见下图)，故流动过程中气体密度以平均温度下的气体调和平均密度1-2代替。为便于焦炉上应用，式（7-1）以压力形式表示：,调和平均密度1-2,3、焦炉加热系统不仅是个通道，而且起着气流分配或者汇合作用。此外，集气管、加热煤气主管和烟道等都有分配或汇合气体的作用。在这些分配或汇合道中动压力和动量的变化影响很大，因此要考虑变量气流时的流动特点。,4、方程式中Zg、p、w2/2分别是位压力、静压力和动压力，三者之和即为总压，因此在稳定流动时，柏努利方程式表现为： 总压差 = 总阻力 流体流动时，当其中任何一方发生变化时，平衡就破坏，稳定流动变为不稳定流动，流量将发生变化，并在流量改变后的条件下，总压差和阻力达到新平衡。焦炉加热调节时为改变流量，按这一原理，可以采用两种方法： (1)改变煤气、废气的静压力来改变系统的总压差； (2)改变调节装置的开度（局部阻力系数）来改变系统的阻力,二、焦炉实用气流方程式及其应用,1、上升气流公式与浮力,记： a1=P1-P1 始点的相对压力 a2=P2-P2 终点的相对压力 h1-2=Z2-Z1 代入上式整理得：焦炉内对于气体流量不变的通道，一般 与其它项相比甚小，可以忽略不计， 则上式简化为：,，Pa （7-4）记： 热气柱的热浮力 由图7-1所示，h1-21-2g为热气柱作用在1-1面上的位压力，h1-2空g为同一高度冷空气作用在底面的位压力。因空1-2，故热浮力即空气柱与热气柱的位压差，其作用是推动热气体向上流动，气柱愈高，空气与热气体的密度差愈大时，热浮力愈大。 式（7-4）中，当热浮力大于阻力时，a2a1， 热浮力小于阻力时，a2a1。,例 焦炉压力制度规定，在推焦前20min，吸气管下部炭化室底部测压孔（距炉底0.3m）处的相对压力不低于4.9Pa。如推焦前的煤气密度0=0.35/m3 ，温度为800，大型焦炉炭化室底部与集气管中心距为7m，荒煤气经焦炭层、上升管到集气管测压点的阻力为4.9Pa，大气温度为0，空气密度空=1.293/m3，集气管压力应规定多少？ 解：荒煤气由炭化室底部至集气管作上升流动，故集气管压力为： 2=4.9+79.81 -4.9=82.65Pa,2、下降气流公式 如图7-2所示，热气体在通道内下降流动时，始点在上部，相对压力仍为a1，终点在部，相对压力仍为 a2。在忽略动压力项时，同理可导出下降气流公式： 式（7-5）表明，下发气流时，热浮力和阻力一样，均起阻碍气流运动的作用，故a2a1。,例、焦炉烧焦炉煤气时，下降气流斜道的平均阻力位29pa，蓄热室顶部至看火孔的高度约6.2m。如上述部位每米高热废气的浮力为10pa，为使看火孔压力为5pa，下降气流蓄热室顶部吸力应规定是多少？ a2=5-6.2*10-29 =-86pa 即上升气流蓄热室顶部吸力为86pa有计算可以看出，斜道阻力越大时，上升气流蓄热室顶部吸力越小,3水平气流公式 在水平通道里流动的气体，因其 =0，所以浮力项等于零，则有 从式中可以看出，气体在水平流动时，两断面中不论绝对压力如何，其压力差代表这两个断面之间的阻力，即 如果在同一系统两种操作情况下或两个形状尺寸完全一致的地区，其两端压力差相同，则阻力相同，通过的气体量也相同。,4、循序上升与下降气流公式 如图7-3所示，对于既有上升又有下降的通道，分段使用上升、下降气流公式，整理得循序上升与下降气流公式： 式中：a始、a终分别为始点和终点的相对压力； h上(空-i)g气流全过程中，上升段浮 浮力总和（各段i不同)； h下(空-i)g气流全过程中，下降段浮力总和； P从始点到终点全部阻力之和。,用上升和下降气流公式分析焦炉用贫煤气加热时，煤气和空气蓄热室顶部吸力的关系,例 冬夏两季大气压力发生变化，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冬季集气管压力应保持比夏季较高 上升蓄热室吸力冬季比夏季高下降蓄热室吸力冬季比夏季高,5焦炉实用气流方程式的应用 上述各气流公式广泛用于计算或分析焦炉通道内相对压力、阻力和浮力的关系。如：(1)按推焦前吸气管下方的炭化室底部相对压力保持05Pa的规定，计算集气管压力。 （2）按上升气流看火孔保持相对压力-5+5Pa的规定，计算蓄热室顶部吸力（炉外压力减同一水平的炉内压力P为吸力）。 (3)焦炉用贫煤气加热时，分析和计算煤气蓄热室和空气蓄热室顶部吸力的相互关系。,(4)根据蓄热室顶部和底部的吸力差，分析格子砖的堵塞情况。 (5)空气蓄热室进风门开度，煤气蓄热室孔板大小或废气开闭器的翻板开度对蓄热室顶部吸力的影响。 (6)大气温度明显变化时，改变蓄热室进风门开度以稳定蓄热室顶部吸力的必要性。 (7)蓄热室换向间隔时间内顶部吸力的变化及原因分析。 (8)烟囱吸力和烟囱高度的计算。对以上计算，现举例加以说明。,例题:1、集气管压力的确定 根据压力制度的确定原则：以结焦末期炭化室底部的压力不小于5Pa为原则确定集气管的压力。解：如图所示，依题意，h=8m，空0=1.28 t空=20， 煤气0=0.51，t煤气=800 a1=5Pa，求a2=?由公式：将数字代入得： a2=5+8(1.28273/293-0.51273/1073) 9.81-0 = 88.41Pa故一般控制在80120Pa. 生产中，于炭化室底部埋测压管，结焦末期，调节集气管压力。当炭化室底部的压力为5Pa时的集气管压力，就是控制值。,2、蓄热室顶部吸力的确定。 由压力制度确定原则：以下降气流看火孔压力为0为原则确定燃烧系统的压力，并以蓄热室顶部吸力为控制指标。解：由下降气流公式（见图）：由题意:公式简化为：a2=a1-h浮-P或： a1=a2+h浮+P则： h浮=constant,(1) 对于全炉 调节分烟道吸力,即a2。 a1与a2呈线性关系，同时增减。（2）对于一个燃烧室 调节废气盘中的调节翻板： 当翻板关时，阻力P增大，则a1增大； 当翻板开时，阻力P减小，则a1减小； 当翻板处于某一个开度时刚好使a1=0, 这时的蓄热室顶部吸力即为控制值。,三、 烟囱原理 1、烟囱工作原理 烟囱的作用在于使其根部产生足够吸力，克服加热系统阻力（包括烟道阻力）和下降气流段的热浮力，使炉内废气排出，空气吸入。 烟囱根部吸力靠烟囱内热废气浮力产生，其值由烟囱高度和热废气与大气的密度差决定。 烟囱的工艺设计主要是根据加热系统阻力和浮力值确定烟囱分部的吸力值，并据此计算烟囱高度和直径。,（1）烟囱根部所需吸力 如图所示：从进风口到烟囱根部应用循序上升与 下降气流公式可得：(-a根)=加P+h下(空-i)-h上(空-i)（7-7） 式中：加P进风口至烟囱根部的总阻力； h上(空-i)、 h下( 空-i)进风口至烟囱根部上升气流段浮力和下降段浮力之和。,（2）一定高度H的烟囱能产生的根部吸力 从烟囱根部至烟囱顶口应用上升气流公式得：(-a根) = H(空-废)g -烟P （7-8）式中： H( 空-废) 烟囱浮力； 烟P烟囱根部至顶口外的阻力。,2、烟囱计算（1）烟囱直径 烟囱顶口直径d顶按下式计算： 式中：Q0焦炉排出的废气量，m3/h; w0烟囱出口处废气流速，m/s。一般取34m/s，太大，烟囱直径小而高；太小，直径大而矮。应按烟囱投资权衡。 烟囱根部直径d根，据d顶和烟囱锥度确定，对于钢筋混凝土烟囱： d根= d顶+0.01H式中：0.01烟囱锥度。,（2）烟囱高度 由式（7-8）可得： 记：Z1 =（-a根） Z2 = 烟P Z3=50Pa或0.15Z1 代入上式得：,对于高原地区，还应进行压力校正： 式中：0空、0废空气和废气在0下的密度，kg/m3; T空、T废沿烟囱高向大气和烟囱内废气的平均温度，K； P当地大气压力。,例9-3 42孔58-型焦炉，根据加热系统阻力和浮力的计算，烟囱根部需要的吸力Z=284.4Pa.考虑到漏气，在烟囱中空气过剩系数=1.5。1m干高炉煤气燃烧产生的湿废气量为2.01m/(m煤气)。废气密度 kg/m3，每个炭化窒需供给的高炉煤气量平均按0.246m/s计，烟囱入口处的废气温度240，大气温度35，两座焦炉合用一个烟囱，计算烟囱的工艺尺寸。,解： 每座焦炉的湿废气量为：0.2462.0142=20.64m3/s则两座焦炉的废气量为： 20.462=41.28m/s 烟囱出口处的废气流速取 =3.2m/s,则烟囱顶部内径为： 烟囱底部内径 ： = +20.01 =4+20.01100=6m（设烟囱高度为100m） 烟囱内废气的平均流速：烟囱顶部废气通过的截面积： =12.57m2。烟囱底部废气通过的截面积： m2,式中 0.49为烟囱底部隔墙厚度，m。则烟囱的平均断面积为： m2废气在烟囱中的平均流速： m/s烟囱的平均直径： m 烟囱中废气的平均温度：当烟囱壁厚为0.5m时，每1m高烟囱内废气温度的下降量可按下式计算： 式中 A系数，取A=0.6； D烟囱的平均外径，m。,/m则烟囱出口处的废气温度为：240-1000.25=215烟囱内废气的平均温度为： 废气通过烟囱时的摩擦阻力为 ，摩擦系数则阻力系数 = Pa, 烟囱出口突然扩大阻力 烟囱出口处废气流速： m/s 取突然扩大阻力系数K=1(因为 ，式中 为烟囱出口外大气，所以为无限大，则 故烟囱本身的阻力 Pa 取备用吸力： 15 =0.15284.4=42.66Pa 烟囱应当产生的总吸力为： =284.4+19.34+42.66=346.4Pa, 烟囱的高度为： H= m 取烟囱的高度为100m，此计算结果与前面的假设基本一致。 上述计算所得烟囱高度是在大气压为 Pa时，由于空气和废气的密度需作压力校正，则当大气压力为 时， 烟囱的高度应为：,三、阻力、压力差与气体流量的对比关系1阻力、气体流量和性质的对比关系式焦炉在己知生产条件下，加热系统某段的阻力为： 当生产条件改变后，该段阻力为： 两者之比为： (9-15) 式中 、 相应条件下的阻力系数； 、 气体流速，m/s；,为了方便，通常以1个炭化室所需热量作基准，即 = = ，m3/s (9-16) 式中 炼焦耗热量，kJ/kg； 炭化室装煤量，t； 周转时间，h ； C每供给焦炉1000kJ热量所需气体流量，m3/1000kJ,C在焦炉不同部位可以是煤气量、空气量或废气量，分别以C煤，C空和C废表示。 C煤 = ，C空= L实= ，C废 = V废式中 加热煤气低发热值，kJ/m3 ； L实、 燃烧1m3煤气所需实际和理论空气量，m3/m3 V废 燃烧1m3煤气所生成的废气量， m3/（m3煤气）。,由式(9-15)和式(9-16)可得 对于某一区段（斜道，火道等），流过的气体量，密度相同，温度也可取平均值，因此该区段阻力为若干阻力之和，式(9-15)和(9-17)仍适用，即： = = ( )2 (9-18),2压力差是流量的指标 对整个燃烧系统有(由循序上升与下降气流公式转化)： = - + 生产上 、 可准确测出，若再测出各区段气体温度，则上升和下降段的浮力就不难计算，而利用上式可求出加热系统有关区段的阻力 。当加热系统上升段与下降段浮力差为零时： =0,则 = -,同一通道，在同一燃烧系统两种生产条件下，气体的流动方向一致而炉内调节装置不动时， = ，同时 = ，则可得： = = 上式表明在一定条件下，阻力或压力差是流量的指标。,例9-4 已知高炉煤气热值 kJ/Nm3，焦炉煤气热值 kJ/Nm3，用高炉煤气加热时，炼焦耗热量 kJ/kg，用焦炉煤气加热时， 炼焦耗热量 kJ/kg，=1.25，对JN43型焦炉用高炉煤气加热时煤气斜道阻力为24Pa，求用焦炉煤气加热时的斜道阻力？,解：在同一斜道中k=k则式中 、 为同一斜道在分别供入煤气、空气时阻力Pa，因 ， ， 。对于高炉煤气：对于焦炉煤气 (烧焦炉煤气时，空气由两个蓄热室供给，故通过一个斜道的空气量为总量的1/2，根据物料衡算，烧1m3焦炉煤气在=1.25时所需的实际空气量m3)。 标准状态下高炉煤气： kg/m3,标准状态下湿空气： kg/m3 将上面各式代入，则有 Pa,第二节 动量原理在焦炉上的应用一、废气循环1、废气循环的意义和原理 定义：废气循环是指下降火道的废气经循环孔部分返回上升火道的现象，称为废气循环。 循环的废气量与燃烧产生的废气的比值称为废气循环量，记为x, 即：x = G环/G废 = V环/V废意义：拉长火焰改善高向加热的均匀性。,废气循环的推动力包括： 1）火道底部由斜道口及烧嘴喷出气流所具有的喷射力； 2）因上升火道气流火道温度一般比下降气流火道温度高而产生的浮力差。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方向上的总和，等于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。 由此可分析图7-5中，虚线区域煤气和空气进入火道时喷射作用所引起的动量变化：,B面上的动量为：G煤w煤+G空w空式中：G煤、G空由斜道口（或烧嘴） 喷出的煤气和空气质量流量，kg/s； w煤、w空由斜道口（或烧嘴） 喷出的煤气和空气实际流速，m/s； 1面上的动量为：（G废+G环）w废+环式中：G废+G环、w废+环废气及吸入 的循环废气质量流量（kg/s) 及流速（m/s)。 作用于虚线区域的合力为：（PB-P1）A式中：PB、P1作用于B面和1面上的压力，Pa; A火立火道断面积，m2.,则根据动量原理则有：将 x = G环/G废 w = G/A = V/A代入上式整理得：,等式右端PH-PB为循环孔的阻力与1-HP之和即总阻力总P,记作：h煤 + h空 - h废 + h浮 = 总P （7-20） 由上式可知，废气循环的推动力是煤气和空气的有效喷射力和上升与下降火道的浮力差，废气循环 量的多少取决于所能克服的阻力。 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，因此计算出的废气循环量大于实际测定的循环量。根据生产经验，对喷射力加一校正系数：0.75。即 0.75(h煤+h空 - h废)+h浮 = 总P （7-21）,3、废气循环和防止短路的讨论,(1)废气循环的推动力煤气和空气的有效喷射力和上升与下降火道的浮力差 （2）废气循环的阻力阻力增加，在一定推动力作用下，废气循环量将减小。因此设计上可根据要求火焰高度，通过改变跨越孔或循环断面大小，改变废气循环量,（1）废气循环量的自动调节作用 0.75(h煤+h空)+h浮 = 0.75 h废 + 总P = f(x2) 由上式可知，当焦炉高向温差增大时， h浮增大，其余各项不变，平衡被打破，只有等式的右端增大，才能使等式成立，即废气循环量自动增大，使系统阻力增大，达到新的平衡。 当用焦炉煤气加热时，火焰短、上下温差大， h浮 大，而废气量小、阻力小，所以只有增大废气循环量，增加系统的阻力，使等式平衡。 当用高炉煤气加热时，火焰长、上下温差小， h浮 小，而系统的阻力又大，所以废气循环量小，才能使等式两端相等。,（2）短路产生的条件和防止措施 所谓短路是指上升气流的煤气和空气经循环孔进入下降斜道燃烧的现象，称为短路。这将损坏炉体，应予以防止。 短路产生的条件：推动力减小，循环量减小。当推动力不足以克服阻力时，就会产生短路。生产中可能引起短路的情况有： 1）炉头火道：由于炉体散热，即使上升时温度仍低于相邻火道的温度，故浮力差为负值，总是处于短路，所以JN焦炉已取消了炉头火道的循环孔。 2）结焦时间过长或保温期间：加热煤气量减少，喷射力减小，上升和下降立火道温度趋于一致，浮力差消失，故造成短路。所以有一个结焦时间极限值。,3）刚换向时：上升火道的温度低于下降火道，浮力差为负值，造成短路。几秒钟后会自动消失。 4）火道太脏时：火道太脏，阻力太大，阻力大于推动力，造成短路。 5）装煤初期：荒煤气进入立火道，阻力增大，可能会造成短路。,二、变量气流方程式及其应用,分配通道流动示意图,汇合通道流动示意图,1、变量气流基本方程式（1）分配通道变量气流方程式,（2）汇合通道变量气流方程式 (7-24)式中：Px、Px水平通道长向距开端xl处的静压力，Pa； PH、PK分配通道入口、集合通道出口气体的静压力，Pa； VH、VK分配通道入口、集合通道出口气体的总流量，m3/s； A、l、D水平通道的截面积，m2，长度，m,当量直径，m； 通道摩擦系数； x通道开端至某处的距离。,上述公式以单向流动为出发点,并作了下述假设,故与实际会一定的偏差: 1）方程式中未考虑由于流入或流出使气流平行流动有所破坏。 2）公式中仅考虑了摩擦阻力，实际上气流在逐渐分流和汇流时，还存在着转弯等复杂的局部阻力。 3）在变量气流通道中，有时气体温度也随时x变化，故取温度为定值也有一定误差。,2、小烟道内气体静压分布 由分配通道变量气流方程式可以分析上升气流小烟道内的静压分布：当x=0时，为小烟道外侧废气盘处，静压力为： 当x=1为小烟道内侧、中心隔墙处，静有力为：故上升气流时小烟道内、外端的静压差为：,同理，由汇合通道变量气流方程式可以导出下降气流小烟道内的静压分布： 小烟道内一般l/3D2，因此无论是上升或下降气流，即小烟道无论呈分配通道或汇合通道，都是内侧静压力大于外侧。,而篦子砖上部沿蓄热室长向的静压力内外相同，而上升时篦子砖上部的压力要小于小烟道内的静压力；下降时篦子砖上部的压力要大于小烟的静压力，则篦子砖上下的静压差沿蓄热室长向的分布如图所示： 上升气流时，P2 P1 ， 里大外小，使内侧流量大 下降气流时， P1 P2， 外大里小，使外侧流量大 同时，蓄热室内侧的温度高于外侧，浮力较大，更促使上升时内侧流量加大，下降时外侧流量加大。 这种压力分布，导致蓄热室内气流在上升下降流动的同时，还会有横向窜流，其总的趋势是：上升时从外下向里上； 下降时从里上向外下。,改善措施:（1）增大小烟道断面，降低小烟道内气流速度。因静压差的最大值（Pmax或Pmax）正比于流速平方，故可明显减小此静压差，设计上一般将小烟道的气体流速限制在2.5m/s以下。（2）采用扩散型篦子砖孔。靠近外侧配置下大上小的收缩型篦子砖，内侧配置上大下小的扩散型篦子砖。JN43型焦炉的扩散型篦子砖孔尺寸分布见表7-1。,实验数据表明： 这样在上升气流时，由于小烟道外侧篦子砖上下的压差小，设置阻力系数较小的收缩型篦子砖；换向后变成下降气流，外侧的压差大，而篦子砖也转变成了阻力系数较大的扩散型篦子砖。 因此,这样的篦子砖孔及其分布，既适应上升气流，也适应下降气流。上升气流时：a2=a1+ h浮p 整理得：a1 a2=p 1=p h浮 收缩型下降气流时：a2=a1 h浮p 整理得：a1 a2=p1 =p + h浮 扩散型,（3）采用单向小烟道 这时篦子砖上下静压差沿蓄热室长向的分布如图所示： 篦子砖上下静压差总是进气端小、出气端大，篦子砖就不必制成结构复杂的扩散孔型，只要按小烟道长向的压力分布，配置规律变化的篦子砖即可。,（4）箅子砖孔径的计算,上升气流：下降气流：断面积：,3、二分式焦炉的气流分布规律 二分式焦炉的最基本的结构特点是设有水平集合焰（烟）道，上升气流时在集合焰道汇流，下降气流时向各立火道分流。（1）气流在水平焰道内汇流时 ： 水平集合焰道始端和末端的静压力 ：p1p2 ，因为蓄热室顶部的压力p分布基本一致，故：p-p2p-p1， 即蓄热室顶至水平焰道的静压差，中部大于端部，这就造成中部进入的空气量大于端部，为使气流长向均匀分布，要求斜道口开度的排列为炉头向中部逐渐减小。,(2)气体在水平集合焰道中分流时: 水平集合焰道始末端的静压力 p2p1. 因下降气流蓄热室顶部的长向压力P基本相同，则p2-pp1-p，即由水平焰道下降到蓄热室顶部的气流静压差是炉端大于炉中部。这样就会造成炉端的废气量大于炉中部。但因斜道口开度是按上升气流确定的，因此加重了废气沿燃烧室长向分布的不均匀性。这是二分式焦炉最主要的缺点之一。 当水平集合焰道变径时，即由两端至中部随气体量的增大而增大，可以使集合焰道内的气流静压力趋于均匀分布，有利于克服上述缺点。但会削弱炉顶的强度。,思考题,1、什么是相对压力、绝对压力、正压、负压（吸力）、摄氏温度和绝对温度？2、什么是气体浮力？影响气体浮力的因素有哪些。焦炉烟囱的工作原理是什么？3、伯努利方程式意义是什么？如何表达焦炉内气流流向？4、什么是废气循环？造成废气循环短路的原因有哪些？5、焦炉用不同煤气加热对焦炭质量有何影响?6、什么是空气过剩系数，在热工调节中有何意义？,7、为什么调节上升气流和下降气流蓄热室顶部的压力差，就可以调节通过加热系统的气体流量。8、为什么在焦炉的小烟道出使用扩散式箅子砖？（书247-248页）9、气体流动时的压力差与流量的关系是什么？,1、相对压力：静压力与同一地点大气压力的差值称为相对压力（表压）绝对压力：介质中某点的实际压力，数值上等于相对压力（表压）与同一地点大气压力之和 绝对温度K=273+摄氏温度2、影响浮力的主要因素是高度和大气与热废气的密度差。,6、焦炉煤气加热,焦饼高向加热温差大，炉头温度高，因为焦炉煤气燃烧速度快、火焰短，燃烧室下部温度高于上部温度，炭化室下部焦炭温度高于上部，上部焦炭加热不足而成熟较差，机械强度低。但煤气总量较少，煤气在小烟道内流速降低，小烟道头部的煤气静压力相对增加，使头部的上升煤气量相对增加，从而提高炉头火道的温度，使炉头焦炭成熟较好。高炉煤气焦饼高向加热温差小，炉头温度低，因高炉煤气燃烧速度慢，火焰长，高向加热均匀性好，焦炭高向成熟均匀。但高炉煤气用量大，管道压力大，炉头火道煤气用量小，温度偏低，炉头部为焦炭成熟较差，机械强度低,7、,在焦炉加热系统内，气体流动的特点是循序上升和循序下降的。相对压力a3和a5之差，能够反映流体从3经4到5加热系统产生的阻力损失。因为压力差P（阻力损失）与流量的平方呈正比，所以调节P可以调节进入加热系统的气体流量,