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1、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1.29-1.30kg/m3，和空气重度相近。因其中含可燃成分较少，因此发热量较低，
2、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
3、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(
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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，
13、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
14、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
15、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
16、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
