炼焦炉的加热与调节1.docx
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炼焦炉的加热与调节1
第四章：
炼焦炉的加热与调节
在了解了炼焦工艺的“煤的理论”、“结焦原理”、“备煤工艺”之后，应当按到了解“装煤、平煤、出焦”操作工艺。
但是，由于装、平煤、出焦有专人讲解。
所以，我这里接着讲解炼焦炉的加热与调节。
“加热与调节”是炼焦工艺过程中最重要的工艺操作，应当把握的主要内容有：
1、加热用的主要燃料是什么？
其发热量、燃烧反应是什么？
如何计算其用量？
如何确定与其匹配的空气量？
其燃烧产物量，密度ρ如何计算?
2、焦炉内的传是如何传递的？
3、如何对焦炉进行热工评定？
4、焦炉的加热制度有哪些？
什么是温度制度？
包含些什么内容？
什么是压力制度？
包含些什么内容？
5、在使用焦炉煤气加热的条件下，如何进行加热调节？
6、在使用高炉煤气和混合煤气条件下，如何进行加热调节？
7、如何进行停、送、换用煤气的操作？
了解与把握这些知识，不仅是热修瓦工技师分析、判断、监督延长焦炉使用寿命的必要前提，也是热修瓦工进行安全热修所必须具备的基本知识。
第一节：
焦炉加热用燃料——煤气以及助燃空气的计算
一、焦炉加热常用燃料有两种：
焦炉煤气和高炉煤气。
为提高高炉煤气的热值，常在高炉煤气中掺烧焦炉煤气。
二、热工计算用煤气的组成：
①名称：
组成（体积%）低发热量
焦炉煤气H2CH4COCmHnCO2N2O2KJ/Nm3
59.225.56.02.22.44.00.417890
高炉煤气1.50.226.813.657.20.43637
②煤气的湿组成表示及换算
煤气中常含有饱和水蒸汽。
湿煤气的组成，可按干煤气组成和各部温度在煤气中饱和水蒸汽的含量进计算。
一般是给出1立方米干煤气所能吸收的水蒸汽的质量（g常数）来表示：
g干H2O
因此，必须先把g干H2O变成H2O湿。
在标准状态下（0℃＞60mmHg）条件下：
1Kg水蒸汽的体积为：
22.14
=1.24m3/Kg
18
1m3干煤气吸收的水份为g干H2O
100m3干煤气吸收的水份为：
g干H2O
×100×1.24=a124g干H2Om3
1000
1.100m3干煤气变成湿体积时总体积变为：
100+0.124g干H2Om3
水蒸汽的体积
H2O湿=×100%
湿气体总体积
0.124g干H2O
=×100%
100+0.124g干H2O
知道H2O湿以后：
H2
H2干=×100%
100－W湿
H2
H2湿=×100%
100
H2干（100－W湿）=H2湿100
100－W湿
H2湿=H2干×100%
100
三、煤气的发热量：
1、何谓煤气的发热量？
指单位体积的气体燃料完全燃烧所发生的热量。
完全：
再没有可燃物质了。
发热量：
单位：
KJ/Nm3，即每标立方米，千焦
2、发热量的类型：
Qnet：
低发热量：
煤气完全燃烧后，将水蒸汽冷却至20℃的水蒸汽所发出的热量。
Qgr：
将燃烧产物中的H2O蒸汽冷却至0℃时候的H2O所发出的热量。
一般使用：
Qnet
四、煤气的密度：
1、指1Nm3煤气的质量。
单位：
1Kg/Nm3
2、因为气体在标准状态下其体积皆为22.4m3，
所以其体积百分比就是其千摩尔比。
3、其密度ρ就可以按体积百分比计算：
焦炉煤气的密度：
H2CH4CO
59.5×2+5.5×6+6×28+2.2×0.828+…
ρn=
22.4×100
CmHn按80%C2H4和20%C6H6计算
=0.451Kg/Nm3
若饱和温度为20℃，其湿煤气的ρ为：
0.459Kg/Nm3
五、煤气的燃烧：
1、何谓燃烧：
伴随着发光、发热的氧化反应称为燃烧。
2、燃烧的条件：
①有可燃物
②有氧气
③有激发条件（加热到一定程度使H中的电子能跳到O原子上）
燃烧着火：
有着火温度、点火温度。
着火：
①自燃着火：
就是需要外部点火。
②强迫着火：
就是在外界点火条件下，燃烧依靠局部燃烧所产生的热量而使后续燃料达到着火温度叫强迫着火。
3、着火温度：
就是指使可燃混合物开始正常稳定燃烧的最低温度。
4、燃烧极限与爆炸极限：
可燃气体和空气所组成的可燃混合物中可燃气体的极限浓度。
下限上限燃烧范围
H29.565.255.7
CO15.670.955.3
焦炉煤气5.030.025.0
高炉煤气36.070.034.0
爆炸煤气
六、燃烧计算：
1、理论空气量和实际空气量：
CO+1/2O→CO2
H2+1/2O2→H2O
CH4+2O2→CO2+2H2O
C2H4+3O2→2CO2+2H2O
H2S+3/2O2→H2O+SO2
若含O2，所需O2量为：
（1/2H2+2CH4+1/2CO+3C2H4+3/2H2S－O）m3
则：
1Nm3气体燃料燃烧所需空气量为：
4.762
τ0=（1/2CO+1/2H2+2CH4+3C2H4+3/2H2S－O）m3/m3
100
2、实际所需空气量：
实际空气需要量τn
空气过剩系数：
a=
理论空气需要量τ0
τn=aτ0
3、燃烧产物量计算：
是指1Nm3煤气完全燃烧所生成的产物。
燃烧产物不但含有CO2、H2O、N2而且有过剩O2。
1Nm3煤气完全燃烧生成的废气量：
V=VCO2+VH2O+VN2+VO2m3/m3
VCO2=0.01［CO2+CO+CH4+2C2H4+6C6H6］
VH2O=0.01［H2+2（CH4+C2H4）+3C6H6+（H2O）+［τ实干H2O空］
τ实干为实际需要的干空气量
VN2=0.01N2+0.79τ实干
VO2=0.21τ实干－0理
也可以按反应方程式计算出理论燃烧产物量
+0.79τn
或用经验公式。
第二节：
传热理论及焦炉的热工评定
在知道了燃料理论以后，要深刻把握炼焦工艺，还必须把握传热理论。
一、焦炉传热的特点：
焦炉是一种复杂的工业炉。
①由于炭化室定期装煤、出焦，
②加热火道和蓄热室定期换向，
③焦炉炭化室内炉料状态，
④和加热系统内的气流组成，
⑤以及各处温度均不断地产生周其性变化，
所以，焦炉内各处传热均属不稳定传热。
所谓稳定传热，即在传热过程中，任一点的温度始终不变的传热。
不稳定传热，即在传热过程中，任一点的温度是时间的函数，
即随着时间的变化而变化。
显然，自然界不存在稳定传热态传热，焦炉更不是。
但为了近似计算，可将焦炉的传热看作是稳定态传热。
二、焦炉各处的传热方式及其计算公式：
1、火道向炉墙的传热：
①焦炉火道中火焰和热废气向炉墙传热，是通过对流和辐射传热。
但辐射传热为主，占传热量90—95%以上。
②原因：
A、废气温度高，达1400—1600℃以上，
B、焦炉煤气在燃烧过程中，CH4产生
热分解，产生了高温游离子C，游
高炭具有强烈的辐射能力。
③何谓辐射传热？
辐射传热，是高温物体以电磁波的方式向外传播，不需要介质传递或直接接触，受辐射物体将其全部或一部分吸收而转变成热能，这种传热方式称为辐射传热。
④辐射传热受各种因素影响，最主要的是物体的黑度和遮敝状态。
⑤在燃烧室内，火道中热废气向炉墙传热属于气体向包围住它的固体表面传热。
将气体当作灰体时，它的辐射能力E气服从斯蒂芬—波尔兹曼定律。
T气4
E气=εE0=4.96ε气
100
E0为绝对黑体的辐射强度
ε气：
为气体的黑度
2、炉墙的传热：
①炉墙的传热，属于不稳定态传导传热。
所谓传导传热，是物体与物体直接接触，依靠物体内部
分子、原子、电子等微粒子的热振动而将热量从高温体
传向低温的传热方式，叫传导传热。
传导传热分为稳定态和不稳定态传热。
不稳定态传热方式的计算非常复杂。
②稳定态传导传热，则可由傅立叶单层壁传导传热方程计算。
λ
q=F（t1－t2）
δ
λ：
炉墙的导热系数
δ：
炉墙厚度
t1：
火道侧炉墙温度
t2：
炭化侧炉墙温度
由此可以看出，采用强度高、导热系数入火的高密度硅砖砌筑的薄炉墙，
可以增大传热速率，缩短结焦时间，提高焦炉生产率。
3、炭化室煤料的传热：
属于不稳定平壁传导传热。
它需要不断地找出靠炉墙的煤层温度与焦饼中心温度的差以及各层在弯化过程中的导热系数入分层去计算。
如图：
湿干塑性出焦焦炭
4、蓄热室的传热特点：
它可以看作是间壁换热，其基本方程为：
Q=KF△t
5、对流传热：
在燃烧室火道内，炭化室顶部，都有对流传热。
对流传热：
是依靠流体的流动，位置改变而传热的方式。
对流传热可用牛顿对流换热公式计算：
q=α对（t气热－t气冷）F
在火道对流换热公式中：
wοδT平均0.25
α对=3.0
d0.333273
三、焦炉的热工评定：
包含两个方面：
1、焦炉的热效率：
焦炉的热效率：
Q－Qf
η=×100%
Q
Q：
供给焦炉的总热量
Qf：
是被废气带走了的热量。
大型焦炉为79%—85%。
3、焦炉的热工效率：
Q－Qf
η热工=×100%
Q
大型热工效率一般为70%—75%。
第三节：
概述焦炉加热制度
一、为什么要制订并严格执行焦炉的加热制度？
1、为了达到稳定、高产、优质、低耗、长寿的目的。
要求各炭化室在规定的结焦时间内沿高向和长向均匀成熟。
2、为了保证均匀成熟。
所以必须制订并严格执行加热制度。
二、加热制度：
是由焦炉全炉性加热调节指标组成的制度，叫焦炉的加热制度。
这些指标包括9大指标：
① 结焦时间
② 标准温度
③ 机、焦侧煤气流量
④ 支管压力
⑤ 孔板直径
⑥ 烟道吸力
⑦ 标准蓄热室顶部吸力
⑧ 进几口开度
⑨ 空气过剩系数等
三、决定加热制度的基础指标——结焦时间
四、温度制度
（一）
1、在结焦时间确定了之后，那未在这些指标中
一是温度制度
最重要的制度是两个制度——
二是压力制度
调温主要是调整、控制压力
注意：
这些指标是由影响到
煤气
空气
的流量
压力
的相关部位的调节环节决定的。
2、温度制度包含的内涵、内容一共有八个温度
分别是：
标准温度
直径温度
横排温度
边火道温度
蓄热室顶部温度
小烟道温度
焦饼中心温度
炉顶空间温度
（二）标准温度制度
１、为什么要选择标准火道？
因为一个焦炉的一个燃烧室有28对火道，为了便于检查控制焦炉的温度，
必须在机、焦侧各选择一个能代表机、焦侧火道平均温度的火道。
2、选择标准火道的条件：
总的来说，是要能代表机、焦侧火道的平均温度，为了达到这个要求，
具体的条件是：
A、要避开装煤孔、纵拉条和装煤车轨道；
B、机侧、焦侧各选择一个；
C、单、双火道都能测到；
3、标准温度：
机、焦侧标准火道平均温度的控制值。
注意：
这个平均温度并不是两侧标准火道的平均值，而在一定的测量周期内控制的平均值。
4、决定标准温度的依据——焦饼的中心温度
①标准温度的确定：
（1）旧焦炉依据的含义：
A、标准温度由焦饼中心温度决定
B、标准温度由焦饼中心温度校正
②确定原则：
A、焦饼中心温度在1000±50℃
B、标准温度：
标准温度每改变10℃，
焦饼中心温度相应变化25—30℃。
装煤水分每变化1%，标准温度相变改变5—7℃。
（2）断开口焦炉标准温度的确定：
A、根据已投产的同类型焦炉的资料来确定，
然后根据实测焦饼中心温度来校正。
JN43—80型焦炉：
标温
炭化室平均宽度结焦时间机测焦测斜测火道号煤气
430mm18h13001350507.22焦
（3）结焦时间改变，标准火道温度改变的规律
结焦时间＜1414—1818—2121—25＞25
每变化1h
标准温度＞4025—3020—2510—15基本不变
的变化值
这一规律是：
结焦时间越长，标准温度变化的幅度越小，
5、标准温度变化对生产及设备的影响：
结焦时间短，标温高↑导致炉温↑操作困难
炭化室、上升管内的石量生长快。
炉温难以控制
焦饼难推
焦炭也碎
6、立火道底部的温度控制：
Si砖立火道底部温度不得高于1450℃。
原因：
燃烧室最高的温度在距火道底部
1—1.5m处，且此底高100—150℃，
加上炉温波动，测量和解调器的误差。
所以，火道底部温度应控制在1650℃的硅砖荷重软化温度以下。
（三）直径温度：
1、何谓直径温度？
机、焦侧标准火道所测得的温度称为直径温度。
2、直径温度测量位置：
焦炉煤气：
是火嘴和鼻梁砖之间的大砖。
高炉煤气：
测鼻梁砖
3、测量时间：
换向后，5min—10min后测量。
4、测量时间、顺序固定不变：
顺序：
从焦侧交换机端开始，机侧返回。
5、间隔时间：
4h
6、测后计算机、焦侧平均温度并加校正值，校正到换向后20s的最高温度。
7、关于均匀系和安定系数：
均匀系数：
2M－（A机+A焦）
K均=
2M
M：
全炉燃烧率高
A机、焦：
机、焦侧火道温度超过平均
温度±20℃（边炉±30℃）的个数。
安定系数：
2N－（A机+A焦）
K安=
2N
N：
昼夜直径温度测量次数
A机、焦：
机、焦侧火道平均温度超过标准温度±7℃以上的次数。
（四）横排温度：
1、何谓横排温度？
同一燃烧室各火道的温度称横排温度。
2、为什么要测横排温度？
因为炭化室有锥度，即：
机焦侧，逐步扩大；
所以机侧温度到焦侧温度逐步升高标准。
3、温差锥度：
20mm30mm40mm50mm60mm70mm
控制温差：
15—2025—3030—4040—5050—6055—65
范围
4、评定方法：
B焦侧标准道温度
·D实测高··
标准A··2E·3F
火道机·C实测低少20℃
温度侧1
1以机、焦侧温差为斜率引直线AB，
2C、D为第1个火道的实测温度，高、低与标准比不应超过±20℃，
3E、F两相邻火道之间温差不超过20℃，
410排平均不超标准线±10℃，
5全炉不应超过标准±7℃，
结论：
横排温度均匀上升并接近标准线，标准火道才具有代表性。
（五）边火道温度：
1、何谓边火道温度？
边火道温度是指机、焦侧第一个火道的温度。
2、为什么要测边火道温度？
边火道散热多，波动大
过低：
a、则不熟，推焦困难；
b、且装煤后，可使墙面降到硅砖晶型转化点以下，1000—1450℃时，SiO2有迟钝性转变。
（1）α—石英1000—1450℃α—白硅砖
（2）α—石英1200—1460℃α—磷石英
（3）α—石硅石1400—1450℃α—磷石英
（4）α—磷石英＞1470℃α—白硅石转变
过高：
a、使焦炭过火，推炉内后可使头部焦炭塌落，出炉操作困难。
3、边火道温度值：
①不低于标准火道100℃，
②绝对值不低于1100℃，
（六）蓄热室顶部温度：
1、何谓蓄热室顶部温度？
即蓄热室的顶端温度。
2、为什么要测蓄热室顶部温度？
检查蓄热室有无局部高温，下火等情况。
3、标准：
硅砖：
SiO2：
不超过1300℃，
粘土砖：
不超过1250℃，
均不得低于900℃。
（七）小烟道温度：
1、何谓小烟道温度？
即废气（燃烧产物）排出的温度。
2、小烟道温度的决定因素：
A、蓄热室格子砖的形式，
B、蓄热室面积，
C、炉体状况，
D、调火操作，
3、重要性：
高低不仅决定废气流通的畅通，而且决定着基础顶板交换开闭器的温度高低，以及焦炉热效率等。
4、烟道温度标准：
焦炉煤气不小于450℃，不高于450℃。
高炉煤气不小于400℃，但也不能低于250℃。
分烟道不小于350℃。
（八）焦饼中心温度：
1、何谓焦饼中心温度？
即焦饼中心的温度。
2、标准：
1000±50℃
3、焦饼中心的温度的决定因素：
焦炉的结构
温度制度
合理的加热制度
压力制度
合理的精细操作
（九）炉顶空间温度：
1、何谓炉顶空间温度？
指炭化室顶部空间在结焦时间2/3时蓄煤气的温度。
注意剖析：
空间温度不是空间温度，而空间蓄煤气的温度。
通过测煤气温度，间接测定炉顶空间温度。
2、炉顶空间温度的控制值：
800℃±30℃且不小于850℃
3、过高过低的影响：
过高：
A、降低化学产品的产量、质量，
B、炉顶、上升管石墨生长较快。
4、炉顶温度影响因素：
a、炉体结构
b、细节
c、装、平煤
d、煤的配比
五、压力制度
（一）制定正确的压力制度的重要性：
1、保护炉体
2、稳定正常加热
3、确保蓄煤气由炭化室流出
4、确保炭化室不吸入外界空气
（二）压力制度确定的原则：
1、炭化室底部压力在任何情况下，均应大于相邻同标高的燃烧系统压力和大气压力，
2、在同一结焦时间内，没燃烧系统高度方向压力分布应保持稳定。
为什么？
炭化燃烧
炭化物与燃烧室的隔墙的砖缝、裂缝是靠蓄热煤气分解产生的石墨堵塞，保持其严密性的。
如集气管的压力过小：
A、则燃烧室中的过剩氧气就会烧掉石墨进入炭化室，
B、炉门处也可能进入空气，使蓄煤气燃烧，
蓄煤气燃烧后的后果：
一是降低蓄煤气质量
二是使煤的灰分增加、损坏或腐蚀耐火材料。
例如：
K2O、Na2O与SiO2，即K2O+SiO2=K2SiO3、、
（三）各项压力的确定：
1、集气管的压力：
①确定：
根据吸气管正下方炭化室底部压力在结焦末期
原则：
不低于5Pa来确定。
讲解：
A、为什么以底部为标准？
因为对热气体ρ比ρ空小的气体，其相对压力是上部比下部大，所以，要以底部为标准。
B、为什么要以结焦末期的压力为标准？
因为结焦末期分解产生的蓄煤气少了，压力低了，
为了保持正压，所以必须以此为标准。
②确定集气管的压力公式：
P1集=5+12H
Pa
H：
为从炭化室底部到集气管测压点的高度。
12：
是当蓄煤气为800℃时，每来高度产生的浮力为12Pa。
③集气管压力确定后：
吸气管下方炭化室底部压力的调整参数不小于5Pa。
④新开口的焦炉集气管的压力：
此正常使用的集气管的压力大，30—50Pa即可。
⑤集气管压力最大值不超过250Pa。
6波动值不超过10Pa。
2、炉顶看火孔的压力：
①看火孔的压力值的原则：
a、是确保炭化室在整个结焦过程中其压力都大于燃烧系统。
b、其燃烧系统的压力稍大于外界空气，以免外部冷空气进入燃烧室，破坏燃烧系统稳定性。
c、同时，应考虑边火道温度和炉顶控条温度等因素。
②压力值：
0—5Pa或在-5Pa—+5Pa时
过大：
则恶化了炉顶工作条件，加大参数热损失。
过小：
则吸入冷空气。
3、蓄热室顶部吸力：
①蓄热室顶部吸力确定的重要性：
吸力大小关于煤气、空气、废气量的分配，直接影响炉温的变化。
②蓄热室顶部吸力确定的公式：
P蓄=P看—H（ρ空—ρ顶热气）g+∑△P
∑△P：
蓄热室顶部至看火孔的气体阻力
③一般大型焦炉蓄热室顶部吸力不小于30Pa
过大：
则使冷空气吸入燃烧室，降低炉头温度，
过小：
又不利于煤气、空气和废气量的分配。
第四节：
使用焦炉煤气的加热调节
一、焦炉煤气加热的特性：
1、不需予热：
直接由分管经煤气道引入，经烧烧嘴进立火
道燃烧，蓄热室全部上升道都用来予热空气。
所以，空气温度高。
2、焦炉煤气中可燃成分高，达90%以上，且H2含量达58%。
所以，A、发热量大
B、燃烧温度高
C、火焰短
D、煤气和废气重度轻
3、因为含有1/4CH4和其他不饱和，
所以，燃烧光亮，辐射能力强。
4、用焦炉煤气加热时，加热系统阴力小，耗量低，煤气增减量对炉温反应灵敏。
5、如回收脱夸、脱油不净的话，易堵管道。
二、焦炉煤气加热时的加热制度，包含：
（一）全炉煤气量的供给的确定方式：
新开炉按此公式计算，
然后按中心焦饼成熟情况，
调整标准温度。
1、QgN
V0=●●β干×1000m3/h
QnetT
QfN
=●●β湿×1000m3/h
QnetT
Qg：
Qf
Qf：
焦炉湿煤耗热量：
是指1Kg湿煤炼成焦炭实际消耗的热量
Qg：
以1Kg干煤为基准计算的炼焦所实际消耗的过程
Q干g：
绝对干煤所消耗的热量
Qn：
相当耗热量：
换算为含水7%的混煤非热量
N：
为炭化室个数
T：
为周转时间
2、如果是生产条件下：
标准流量与实际流量可按下列公式计算
∵在实际生产条件下，孔板前的参数（温度、压力、湿度、重度）却与设计流量不一致
V0：
为标准流量
V1：
为实际流量
ρ0：
孔板流量计设计的介质密度
ρ1：
实际煤气的密度
f1：
实际温度下煤气的含水量
T0：
孔板设计温度
T1：
实际煤气温度
P0：
孔板流量计设计的介质压力Pa
P1：
实际的煤气压力
（二）机、焦侧煤气量的分配：
若机、焦侧供热比按1：
1.05计算
V焦S焦焦侧平均宽度
则=1.05
V机S机机侧平均宽度
（三）煤气主管压力与孔板流量的关系：
主管压力不能太大，太大则在交换处漏失，
太小，因孔板直径太小而影响
煤气流量调节的灵敏性和准确
性，因为它太小了；孔板直径
又大，流速就小。
V=wt
煤气主管的压力，流量和孔板直径的关系可以从以下方面来说明：
1当孔板直径、煤气温度不变时，主管压力与流量的平方成正比，即：
P1V12
=
P2V22
∵按柏努利方程
P静1+h位1+h动1=P静2+h位2+h动2
主管压力越大，P1越大，转换成动压h1越大。
P1h1
∴=
P2h2
又
2当流量不变时，孔板断石越小，则主管压力越大；而当主管压力不变时，孔板石越小，则流量越小。
P主=△P孔+△P分
△P孔=K
W02（ρ0+at）K为阻力系数
P主=K
W02ρ0（1+at）+
P分
P分为入炉支管的压力
（四）全炉空气量的供给、计算公式
①空所进出通道：
全炉所需空气量是靠烟囱的吸力从废气盘进风口抽入，燃烧产生生成废气经机、焦侧烟道从烟囱排出。
②空所控制：
用废气盘进风口开度和分烟
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