《焦炉内煤气燃烧》PPT课件.ppt

第六章 炼焦炉内煤气的燃烧,一、几种煤气的组成,第一节 炼焦炉加热用煤气,焦炉煤气是无色有臭味的气体，重度为0.460.5kg/m3，焦炉煤气中因含H2和CH4较多，因此发热量较高，一般为1680018900kJm3。极容易燃烧，它的着火点是600650。燃烧速度快，火焰短，温度高。和空气混合后容易爆炸，爆炸范围（煤气在混合气体中的体积百分率）是530%，因此应严格避免空气和煤气混合，煤气点火时，要给火后开煤气。焦炉煤气有毒，因为含有CO和少量的硫化氢（H2S）气体。,高炉煤气是无色、无味，无臭的气体，重度为，和空气重度相近。因其中含可燃成分较少，因此发热量较低，一般为33004200kJ/m3，和焦炉煤气相比，它燃烧比较缓慢，火焰较长。它的着火点在600以上，爆炸范围是3665%。CO是有剧毒的气体，它在高炉煤气中含量较多，因此高炉煤气的毒性是很大的。空气中含CO在0.2%时，能使人失去知觉，含有1%时，能使人死亡，含0.06%时，对健康有害。因此高炉煤气设备必须严格保持严密。安全规程规定在1立方米空气中CO含量不能超过0.03克。,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0.0236m3m3，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。,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(kgm3)。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(kJm3)为：CO12728；H210844；C2H435840；CmHn71179。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(kgm3)，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=0.01MiXi/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=0.451kgm3 式中 2、16、28分别为H2、CH4、CO的分子量，CmHn中按80的C2H4和20C6H6计算。饱和温度为20oC时的湿焦炉煤气的密度为：=0.459kg/m3,同理可以计算出：Q低=3644kJm3的高炉煤气密度为1.337kgm3，饱和温度为30时该湿高炉煤气的密度为1.308kgm3，Q低=3927kJm3的高炉煤气密度为1.297kgm3，饱和温度为30oC时，该湿高炉煤气的密度为1.275kgm3。由于焦炉煤气含氢量高，故其密度比高炉煤气小得多，且比水汽的密度还小，干高炉煤气的密度比湿高炉煤气密度略小，而焦炉煤气则相反。,二、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。,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，才能有效的利用煤气的热能，提高热效率，降低耗热量。要想达到完全燃烧，必须具备以下几个条件：（1）要有足够的空气量；（2）空气和煤气中的可燃成分须很好的混合；（3）必须将煤气加热到着火点以上的温度；（4）适当排除燃烧后产生的废气。,但实际燃烧不同于上述一般的氧化反应，而是伴随着强烈发热的连锁反应过程。为使过程达到强烈发热的程度，必需有足够的反应速度。由化学动力学的基本原理可知，反应速度与参与反应的物质浓度和温度有关。反应速度愈快，单位时间内放出的热量愈多。只有当煤气和空气反应产生的热量足以使整个反应系统的温度不断升高，达到在该温度下可燃混合物可以自动的、不需外加火源而着起火来时，才能连续稳定地燃烧。,否则，如果煤气和空气反应产生的热量低于系统的散热，使燃烧反应不能扩展到整个有效空间中去，系统温度不能提高，而在距火源较远的地方，温度较低，当火源移开时，仍会发生熄火现象。因此，燃烧都是在很快的反应速度下进行的，参与反应的煤气和空气浓度减小，就会使反应速度减慢；低于某一极限值时，因反应速度太慢而不能着火，故把可燃气体和空气所组成的混合物中可燃气体的这种极限浓度称为燃烧极限。,（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。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=kFmOn而F+Air=100%O=0.21Air代入上式得:r=kFm0.21Airn=k FmAirn=k Fm1-Fn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,表中可燃气体的浓度高于上限或低于下限时，就不能燃烧。上限愈高，下限愈低，燃烧范围就愈宽。同样的可燃气体当与纯氧组成可燃混合物时，燃烧范围比上表所列数据大为加宽。如H2和O2的混合物中，下限为9.2，上限值为91.6，燃烧范围达82.4。因此，可燃混合物的存在并达到一定的比例极限是燃烧能否发生的内因，温度、压力增加时，燃烧范围将加宽，而加入惰性组分则使燃烧范围变窄。,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)；P1 P2在气体混合物中，各组分的体积百分含量，；N1 N2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），。,影响燃烧极限的因素：,（1）压力的影响 压力升高、反应分子的浓度增大，使反应速度加快（2）温度的影响 温度升高时，反应速度加快，燃烧范围加宽（3）惰性气体的影响 惰性气体的存在降低了反应物的浓度，使反应速度和防热速度减慢，故燃烧范围变窄,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。,2、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。,无焰燃烧时，煤气和空气是在冷态时预先混合的，为使无焰燃烧正常稳定地进行，要求可燃混合物进入燃烧室前必需加热至着火温度以上，以及气流速度稍大于火焰传播速度，否则容易引起回火，甚至爆炸。因此无焰燃烧器要求有灼热的内壁足以使整个可燃混合气体同时迅速加热到着火温度。容易回火是无焰燃烧的惟一缺点。回火时，在混合器内就进行部分燃烧，使混合器温度提高，废气和可燃气一起进人燃烧器，增加气流阻力，减少喷射管的吸入能力，破坏正常工作，严重时会引起爆炸。,（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。,火焰的长短，表征煤气燃烧过程速度的大小，它主要取决于煤气和空气的混合强度和混合程度，混合进行得愈快愈完全，燃烧愈快，火焰就愈短。在有焰燃烧中有很多因素影响煤气和空气的混合过程，主要包括可燃物与氧分子的相互扩散速度和气体动力学等因素。,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。,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,（2）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,（3）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。,引起爆炸的条件是设备或环境中可燃混合物达到必要的极限浓度，同时存在高温或火源，爆炸方式是压力传播。了解引起爆炸的原因，就可以采取措施，消除爆炸的发生，如焦炉煤气、氢气和苯蒸汽的爆炸极限的下限都很低，故当管道、管件、设备不严时，一旦漏入的空气遇到火源就容易着火爆炸。因此要求设备、管道要严密，严禁在设备、管道附近产生火源，并应加强通风。相反，由于高炉煤气、发生炉煤气、氢气和CO的爆炸上限很高，当设备管道不严，同时又出现负压操作时，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使煤气流速低于火焰传播速度时，就会在管道或设备中发生回火爆炸。因此，当煤气压力低于规定数值时，要停止加热。,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，=1.201.25 用高炉煤气加热时，=1.101.15,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;V1m3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：,废气分析,废气取样一般在标准火道内其深度应在跨越孔以下，或在废气盘测压孔内其深度为废气盘连接管中心。此两种取样点各有优缺点：在立火道内取样，操作条件差，且需用价值昂贵且易打碎的石英管取样，其所取废气样仅代表该火道燃烧情况；在废气盘内取样操作方便，可用直径10毫米，长500毫米的普通玻璃管作取样管，其废气样代表一侧燃烧室燃烧情况，但往往因废气盘连接管和蓄热室等处不严密，所以误差较大。,煤气组成变化时，K也相应变化在取样做废气分析时应注意以下各点：1、避免在刚装煤的炉号上取样，因刚装煤炭化室压力大，有荒煤气向燃烧室串漏，影响废气成分2、每天都在同一时间取样3、每次取样前要记录当时的煤气流量、烟道吸力、进风口开度和废气翻板等数值4、记录取样当时的蓄热室走廊温度或气温情况,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)+2CH4+3C2H4+7.5C6H6-020.01，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=0.01CO2+CO+CH4+2C2H4+6C6H6，VH2O=0.01H2+2(CH4+C2H4)+3C6H6+H2O煤、干+L实、干 H2O空、干 VN2=0.01N2+0.79 L实、干 VO2=0.21 L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3643kJm3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：C02 23.28，02 2.02、H20 4.24、N2 70.46。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 CO2 CO O2 含量，%16.90 0.10 2.00发生炉煤气的组成为：煤气成分 H2 CO CH4 CO2 N2 O2 含量，%3.0 28.8 0.2 11.1 56.5 0.40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=0.010.5(H2+CO)+2CH4 O2=0.010.5(3.0+28.8)+20.2-0.4=0.159故 K=0.401/0.159=2.522=1+2.522（2-0.50.1）/(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。H2 CO2 O2 CO C2H4 CH4 58.0 2.2 0.4 5.8 2.9 25.0从反应式中可求得：CO2CO22C2H4CH4CO2.222.925.05.838.8O2理3C2H42CH40.5H20.5COO2 32.9225.00.558.00.55.80.490.2 则 KCO2O2理38.890.20.43 由此可见，K是随煤气组成而改变的，一般焦炉煤气K0.43 高炉煤气K0.25。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K0.43，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/(m3oC)；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/(m3oC)；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(m3oC)；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)；12728CO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13001400以上时，废气中的H20和CO2就要发生显著的离解反应：H2 0 H2+02-10718 C02 CO+02-12778,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；V1m3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,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23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。,