煤气燃烧对火焰高度影响的研究

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29.046×10-3kg/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，1.38×10-23J/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)=1.668W=0.434/1.5=0.289m/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：y＝4.23m。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，10.811×10-3kg/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)=1.153W=0.434/1.5=0.289m/s（2）有废气循环时的火焰高度c1=0.924/1.5=0.616c0=c1+(c2/i)=0.616+(0.21/0.9183)=0.845W=0.434m/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，K∞1/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，对提高焦炭质量和降低能耗均有利。2)首次运用扩散燃烧火焰高度的计算公式对两种不同加热煤气与有无废气循环对火焰高度的影响进行计算与分析比较。3)从焦炉结构和操作两方面分析影响火焰高度的因素，以改善焦炉高向加热。（201010212）