俞吉清

摘 要：該文從煤氣的組成、燃燒熱衡算和加熱特征進(jìn)行了計(jì)算和分析，對(duì)于采用單熱式加熱的焦?fàn)t，可采用水煤氣來(lái)部分代替或全部（在焦?fàn)t負(fù)荷在70%以下）代替焦?fàn)t煤氣給焦?fàn)t加熱。

關(guān)鍵詞：焦?fàn)t加熱 煤氣置換 水煤氣

中圖分類號(hào)：x757 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）05（c）-0055-02

1 問(wèn)題的提出

為了實(shí)現(xiàn)剩余焦?fàn)t煤氣的綜合利用，增加企業(yè)利潤(rùn)，目前很多焦化廠都建設(shè)了焦?fàn)t煤氣制取甲醇裝置，甲醇裝置的建成投產(chǎn)也確實(shí)為企業(yè)創(chuàng)造了一定利潤(rùn)。然而，近年隨著焦化行業(yè)產(chǎn)能過(guò)剩，主要產(chǎn)品焦炭基本上處于虧損，企業(yè)的利潤(rùn)持續(xù)下滑甚至虧損，多數(shù)焦化企業(yè)逼迫大幅度減產(chǎn)，企業(yè)為了保證焦?fàn)t用氣，不得不將甲醇裝置停產(chǎn)，這使得企業(yè)的虧損進(jìn)一步增加。

筆者設(shè)想不用改造原有的焦?fàn)t和甲醇裝置，而通過(guò)采用更廉價(jià)的發(fā)生爐煤氣置換出焦?fàn)t加熱用焦?fàn)t煤氣（焦?fàn)t自身加熱用的焦?fàn)t煤氣占其所產(chǎn)焦?fàn)t煤氣的40%～50%），來(lái)保證甲醇裝置的運(yùn)行。

2 煤氣的分類、組成、熱值和密度

加熱焦?fàn)t用的煤氣有焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣、發(fā)生爐煤氣、脫氫煤氣和混合煤氣等。在現(xiàn)代鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中焦?fàn)t煤氣因熱值高，用途多，而高爐煤氣產(chǎn)量大，熱值低，用途少，一般采用高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣的混合煤氣加熱焦?fàn)t，獨(dú)立焦化企業(yè)因氣源單一，基本上采用自身的凈化焦?fàn)t煤氣加熱焦?fàn)t。

2.1 加熱煤氣的分類

2.1.1 焦?fàn)t煤氣

是制取焦炭時(shí)產(chǎn)生的副產(chǎn)品，簡(jiǎn)稱焦?fàn)t氣，是煉焦用煤在煉焦?fàn)t的炭化室內(nèi)進(jìn)行干餾時(shí)，在高溫作用下，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng)在炭化室頂部空間形成的，而后經(jīng)過(guò)回收化學(xué)產(chǎn)品和凈化（脫煤焦油、脫硫、洗氨、脫苯、脫萘等）得到可燃?xì)怏w。其產(chǎn)率和組成因煉焦煤質(zhì)和焦化過(guò)程條件不同而有所差別，主要由氫氣和甲烷構(gòu)成，并有少量一氧化碳、二氧化碳、氮?dú)狻⒀鯕夂推渌麩N類，其組成主要決定于煤氣在炭化室析出途徑上所經(jīng)受的溫度、停留時(shí)間及裝爐水分，具體組分見(jiàn)表1。

2.1.2 高爐煤氣

是高爐煉鐵過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品，是焦炭在高爐內(nèi)燃燒并與二氧化碳反應(yīng)生成的一氧化碳將鐵礦石中的鐵氧化物還原，而形成的有大量的過(guò)剩的一氧化碳混和氣體，其成分和熱值與高爐所用的燃料、所煉生鐵的品種及冶煉工藝有關(guān)。其主要成分為：CO，CO2，N2、H2、CH4等，其中可燃成分CO含量約占25%左右，具體組分見(jiàn)表1。

2.1.3 發(fā)生爐煤氣

發(fā)生爐煤氣是用固體含碳燃料（煤炭和氣焦）作原料，在發(fā)生爐內(nèi)獲得的一種煤氣。用于制造發(fā)生爐煤氣的氣化劑為空氣、水蒸汽。按使用氣化劑的不同，可制得不同組分和性質(zhì)的發(fā)生爐煤氣，通常分為空氣煤氣、混合煤、水煤氣、富氧煤氣。

a空氣煤氣

空氣煤氣由于固體燃料僅與空氣中的氧反應(yīng)得到的，所得氣體中可燃成份主要為一氧化碳，故其熱值低。

b水煤氣

水煤氣是由水蒸汽和高溫碳或氣焦反應(yīng)得到的。所得煤氣中CO和H2均較高，熱值較高，成本高設(shè)備復(fù)雜。一般作為合成氨原料氣使用。

c混合煤氣

混合煤氣綜合了空氣煤氣和水煤氣的特點(diǎn)，以水蒸汽和空氣的混合物鼓入發(fā)生爐中，制得比空氣煤氣熱值高，比水煤氣熱值低的混合發(fā)生爐煤氣，簡(jiǎn)稱發(fā)生爐煤氣。這種煤氣目前被廣泛用作各種工業(yè)爐的加熱燃料。

高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣和發(fā)生爐煤氣的大致組成見(jiàn)表1。

煤氣中的H2、CH4、CO和CmHn（主要是C2H4）為可燃成分。N2、CO2及飽和水蒸汽為惰性組分。由加熱煤氣的組成表中數(shù)據(jù)可知，焦?fàn)t煤氣的可燃成分達(dá)90%以上，主要是H2和CH4，高爐煤氣的可燃成分30%左右，主要是CO，含大量的N2。發(fā)生爐煤氣的可燃成分介于焦?fàn)t煤氣和高爐煤氣之間。煤氣的組成是決定煤氣燃燒特征的基本原因，各種煤氣的組成因原料性質(zhì)、設(shè)備和操作條件而異。

2.2 煤氣熱值

煤氣中可燃成分的低熱值（kJ/m3）為：

CO——12730；H2——10840；CH4——35840；CmHn——71170

，kJ/m3

式中C、H2、CH4、CmHn——煤氣中相應(yīng)成分的體積，%。

經(jīng)計(jì)算幾種煤氣熱值見(jiàn)表2。

2.3 煤氣密度

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下煤氣密度（ρ0）可按煤氣組成用加和性計(jì)算。

，kg/m3

式中（MWi）——煤氣中某成分的分子量

Xi——煤氣中某成分的體積，%

經(jīng)計(jì)算幾種煤氣密度見(jiàn)表3。

3 煤氣的燃燒溫度的計(jì)算——燃燒熱衡算

焦?fàn)t加熱用的煤氣在燃燒室立火道底部與空氣匯合燃燒，火道中火焰和產(chǎn)生的熱廢氣的熱量通過(guò)對(duì)流和熱輻射向爐墻傳遞。廢氣溫度的高低取決于煤氣組成、空氣過(guò)剩系數(shù)、煤氣和空氣的預(yù)熱程度及熱量向周圍介質(zhì)傳遞的情況等多種因素。該溫度可通過(guò)熱平衡計(jì)算。

3.1 實(shí)際燃燒溫度

煤氣燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱量除了使廢氣溫度升高和傳給周圍介質(zhì)（主要指通過(guò)爐墻傳給炭化室煤料和通過(guò)爐墻向周圍空間的散熱），還使廢氣中的部分CO2和H2O發(fā)生離解反應(yīng)，其實(shí)際燃燒溫度應(yīng)扣除CO2和H2O離解所吸收的熱量和傳給周圍介質(zhì)的熱量部分。

為便于計(jì)算，按1 m3煤氣燃燒時(shí)的熱來(lái)計(jì)算燃燒溫度。

（1）輸入熱量：

①煤氣帶入燃燒室的熱量，kJ/m3

式中cg——tg℃時(shí)煤氣的比熱，kJ/（m3·℃）

tg——進(jìn)入燃燒室的煤氣溫度，℃

②空氣帶入燃燒室的熱量，kJ/m3

式中L實(shí)——實(shí)際空氣量，m3endprint

ca——ta℃時(shí)煤氣的比熱，kJ/（m3·℃）

ta——進(jìn)入燃燒室的空氣溫度，℃

③加熱煤氣燃燒產(chǎn)生的化學(xué)熱，即熱值Q低，kJ/m3

（2）輸出熱量：

①?gòu)U氣離開(kāi)燃燒室?guī)ё叩臒崃?，kJ/m3

式中V——廢氣量，m3

cp——tp℃時(shí)廢氣的比熱，kJ/（m3·℃）

tp——離開(kāi)燃燒室的廢氣溫度，即實(shí)際燃燒溫度，℃

以上cg、ca、cp 、可根據(jù)各種氣體與水汽的平均比熱用加和法計(jì)算得到。

②廢氣通過(guò)爐墻傳給炭化室煤料的熱量Q放

③廢氣和通過(guò)爐墻向周圍空間的散熱 Q散

④廢氣中由于加熱煤氣燃燒不完全存在CO造成的熱散失

，kJ/m3；

式中——廢氣中因不完全燃燒而含CO量，m3/m3

⑤廢氣中部分CO2、H2O發(fā)生離解反應(yīng)消耗的熱量

，kJ/m3；

式中——廢氣中CO2、H2O含量，m3/m3

——CO2、H2O的離解度

（3）熱平衡：輸入熱量=輸出熱量

故實(shí)際燃燒溫度

，℃

式中表明實(shí)際燃燒溫度不僅與加熱煤氣性質(zhì)有關(guān)，還與燃燒條件、燃燒室結(jié)構(gòu)、入爐煤性質(zhì)、結(jié)焦等因素有關(guān)，很難精確計(jì)算。

3.2 理論燃燒溫度

為便于比較加熱煤氣的燃燒溫度，假設(shè)a煤氣完全燃燒，即QCO=0；b廢氣不向周圍介質(zhì)傳熱，即Q放=0，Q散=0。在這種條件下煤氣燃燒使廢氣達(dá)到的溫度稱理論燃燒溫度t理。

，℃

經(jīng)計(jì)算，幾種加熱煤氣的理論燃燒溫度見(jiàn)表4。

3.3 熱值燃燒溫度

若Q分=0，此時(shí)廢氣達(dá)到的溫度稱熱值燃燒溫度t熱，它是理論上能達(dá)到的最高燃燒溫度。一般t熱比t理高200～300 ℃，t理比t實(shí)高250～400 ℃。

從中看出，在相同的加熱煤氣物理熱和空氣物理熱下，加熱煤氣熱值愈大，廢氣量愈小，燃燒溫度愈高。焦?fàn)t煤氣和水煤氣可燃成分比較高，故熱值高，提供一定熱量的煤氣量少，產(chǎn)生的廢氣量也少，燃燒溫度高。高爐煤氣、空氣煤氣、混合煤氣不可燃成分約占50%～70%，故熱值低，提供一定熱量所需煤氣量多，產(chǎn)生的廢氣量也多，如不預(yù)熱，難以達(dá)到焦?fàn)t所需的燃燒溫度。

從煤氣的燃燒熱平衡計(jì)算看出，水煤氣和焦?fàn)t煤氣的理論燃燒溫度相差不大，水煤氣可不經(jīng)預(yù)熱用于焦?fàn)t，說(shuō)明水煤氣可以替代焦?fàn)t煤氣給焦?fàn)t加熱。

4 煤氣的加熱特性

焦?fàn)t煤氣和水煤氣由于H2占50%以上，故燃燒速度快、火焰短，煤氣和廢氣的密度較低。用焦?fàn)t煤氣和水煤氣加熱焦?fàn)t時(shí)，加熱系統(tǒng)阻力小，煉焦耗熱量低。

高爐煤氣、空氣煤氣、混合煤中主要可燃成分是CO，占比只有30%左右，故燃燒速度慢，火焰長(zhǎng)，加熱系統(tǒng)阻力大，煉焦耗熱量高，且須經(jīng)蓄熱室預(yù)熱到1000 ℃以上， 才能滿足燃燒室溫度的要求。

從煤氣的加熱特征說(shuō)明，水煤氣是焦?fàn)t煤氣的理想置換加熱燃料。

5 結(jié)語(yǔ)

水煤氣熱值比較高且理論燃燒溫度滿足焦?fàn)t燃燒室溫度的要求。從技術(shù)方面來(lái)說(shuō)，對(duì)于采用單熱式加熱的焦?fàn)t，可采用水煤氣來(lái)部分代替或全部（在焦?fàn)t負(fù)荷在70%以下）代替。

水煤氣可以利用焦化企業(yè)自身的焦粉來(lái)制取，以降低煤氣成本。發(fā)生爐產(chǎn)生的煤氣經(jīng)除塵后可利用焦?fàn)t煤氣凈化裝置與焦?fàn)t煤氣合并到一起去脫除雜質(zhì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王德祖.高爐煤氣置換焦?fàn)t煤氣用于焦?fàn)t加熱[J].冶金動(dòng)力，1997（1）.

[2] 施沛潤(rùn).高爐煤氣置換焦?fàn)t煤氣加熱技術(shù)在JN43—80型焦?fàn)t的應(yīng)用[J].柳鋼科技，1998（4）.endprint

ca——ta℃時(shí)煤氣的比熱，kJ/（m3·℃）

ta——進(jìn)入燃燒室的空氣溫度，℃

③加熱煤氣燃燒產(chǎn)生的化學(xué)熱，即熱值Q低，kJ/m3

（2）輸出熱量：

①?gòu)U氣離開(kāi)燃燒室?guī)ё叩臒崃?，kJ/m3

式中V——廢氣量，m3

cp——tp℃時(shí)廢氣的比熱，kJ/（m3·℃）

tp——離開(kāi)燃燒室的廢氣溫度，即實(shí)際燃燒溫度，℃

以上cg、ca、cp 、可根據(jù)各種氣體與水汽的平均比熱用加和法計(jì)算得到。

②廢氣通過(guò)爐墻傳給炭化室煤料的熱量Q放

③廢氣和通過(guò)爐墻向周圍空間的散熱 Q散

④廢氣中由于加熱煤氣燃燒不完全存在CO造成的熱散失

，kJ/m3；

式中——廢氣中因不完全燃燒而含CO量，m3/m3

⑤廢氣中部分CO2、H2O發(fā)生離解反應(yīng)消耗的熱量

，kJ/m3；

式中——廢氣中CO2、H2O含量，m3/m3

——CO2、H2O的離解度

（3）熱平衡：輸入熱量=輸出熱量

故實(shí)際燃燒溫度

，℃

式中表明實(shí)際燃燒溫度不僅與加熱煤氣性質(zhì)有關(guān)，還與燃燒條件、燃燒室結(jié)構(gòu)、入爐煤性質(zhì)、結(jié)焦等因素有關(guān)，很難精確計(jì)算。

3.2 理論燃燒溫度

為便于比較加熱煤氣的燃燒溫度，假設(shè)a煤氣完全燃燒，即QCO=0；b廢氣不向周圍介質(zhì)傳熱，即Q放=0，Q散=0。在這種條件下煤氣燃燒使廢氣達(dá)到的溫度稱理論燃燒溫度t理。

，℃

經(jīng)計(jì)算，幾種加熱煤氣的理論燃燒溫度見(jiàn)表4。

3.3 熱值燃燒溫度

若Q分=0，此時(shí)廢氣達(dá)到的溫度稱熱值燃燒溫度t熱，它是理論上能達(dá)到的最高燃燒溫度。一般t熱比t理高200～300 ℃，t理比t實(shí)高250～400 ℃。

從中看出，在相同的加熱煤氣物理熱和空氣物理熱下，加熱煤氣熱值愈大，廢氣量愈小，燃燒溫度愈高。焦?fàn)t煤氣和水煤氣可燃成分比較高，故熱值高，提供一定熱量的煤氣量少，產(chǎn)生的廢氣量也少，燃燒溫度高。高爐煤氣、空氣煤氣、混合煤氣不可燃成分約占50%～70%，故熱值低，提供一定熱量所需煤氣量多，產(chǎn)生的廢氣量也多，如不預(yù)熱，難以達(dá)到焦?fàn)t所需的燃燒溫度。

從煤氣的燃燒熱平衡計(jì)算看出，水煤氣和焦?fàn)t煤氣的理論燃燒溫度相差不大，水煤氣可不經(jīng)預(yù)熱用于焦?fàn)t，說(shuō)明水煤氣可以替代焦?fàn)t煤氣給焦?fàn)t加熱。

4 煤氣的加熱特性

焦?fàn)t煤氣和水煤氣由于H2占50%以上，故燃燒速度快、火焰短，煤氣和廢氣的密度較低。用焦?fàn)t煤氣和水煤氣加熱焦?fàn)t時(shí)，加熱系統(tǒng)阻力小，煉焦耗熱量低。

高爐煤氣、空氣煤氣、混合煤中主要可燃成分是CO，占比只有30%左右，故燃燒速度慢，火焰長(zhǎng)，加熱系統(tǒng)阻力大，煉焦耗熱量高，且須經(jīng)蓄熱室預(yù)熱到1000 ℃以上， 才能滿足燃燒室溫度的要求。

從煤氣的加熱特征說(shuō)明，水煤氣是焦?fàn)t煤氣的理想置換加熱燃料。

5 結(jié)語(yǔ)

水煤氣熱值比較高且理論燃燒溫度滿足焦?fàn)t燃燒室溫度的要求。從技術(shù)方面來(lái)說(shuō)，對(duì)于采用單熱式加熱的焦?fàn)t，可采用水煤氣來(lái)部分代替或全部（在焦?fàn)t負(fù)荷在70%以下）代替。

水煤氣可以利用焦化企業(yè)自身的焦粉來(lái)制取，以降低煤氣成本。發(fā)生爐產(chǎn)生的煤氣經(jīng)除塵后可利用焦?fàn)t煤氣凈化裝置與焦?fàn)t煤氣合并到一起去脫除雜質(zhì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王德祖.高爐煤氣置換焦?fàn)t煤氣用于焦?fàn)t加熱[J].冶金動(dòng)力，1997（1）.

[2] 施沛潤(rùn).高爐煤氣置換焦?fàn)t煤氣加熱技術(shù)在JN43—80型焦?fàn)t的應(yīng)用[J].柳鋼科技，1998（4）.endprint

ca——ta℃時(shí)煤氣的比熱，kJ/（m3·℃）

ta——進(jìn)入燃燒室的空氣溫度，℃

③加熱煤氣燃燒產(chǎn)生的化學(xué)熱，即熱值Q低，kJ/m3

（2）輸出熱量：

①?gòu)U氣離開(kāi)燃燒室?guī)ё叩臒崃浚琸J/m3

式中V——廢氣量，m3

cp——tp℃時(shí)廢氣的比熱，kJ/（m3·℃）

tp——離開(kāi)燃燒室的廢氣溫度，即實(shí)際燃燒溫度，℃

以上cg、ca、cp 、可根據(jù)各種氣體與水汽的平均比熱用加和法計(jì)算得到。

②廢氣通過(guò)爐墻傳給炭化室煤料的熱量Q放

③廢氣和通過(guò)爐墻向周圍空間的散熱 Q散

④廢氣中由于加熱煤氣燃燒不完全存在CO造成的熱散失

，kJ/m3；

式中——廢氣中因不完全燃燒而含CO量，m3/m3

⑤廢氣中部分CO2、H2O發(fā)生離解反應(yīng)消耗的熱量

，kJ/m3；

式中——廢氣中CO2、H2O含量，m3/m3

——CO2、H2O的離解度

（3）熱平衡：輸入熱量=輸出熱量

故實(shí)際燃燒溫度

，℃

式中表明實(shí)際燃燒溫度不僅與加熱煤氣性質(zhì)有關(guān)，還與燃燒條件、燃燒室結(jié)構(gòu)、入爐煤性質(zhì)、結(jié)焦等因素有關(guān)，很難精確計(jì)算。

3.2 理論燃燒溫度

為便于比較加熱煤氣的燃燒溫度，假設(shè)a煤氣完全燃燒，即QCO=0；b廢氣不向周圍介質(zhì)傳熱，即Q放=0，Q散=0。在這種條件下煤氣燃燒使廢氣達(dá)到的溫度稱理論燃燒溫度t理。

，℃

經(jīng)計(jì)算，幾種加熱煤氣的理論燃燒溫度見(jiàn)表4。

3.3 熱值燃燒溫度

若Q分=0，此時(shí)廢氣達(dá)到的溫度稱熱值燃燒溫度t熱，它是理論上能達(dá)到的最高燃燒溫度。一般t熱比t理高200～300 ℃，t理比t實(shí)高250～400 ℃。

從中看出，在相同的加熱煤氣物理熱和空氣物理熱下，加熱煤氣熱值愈大，廢氣量愈小，燃燒溫度愈高。焦?fàn)t煤氣和水煤氣可燃成分比較高，故熱值高，提供一定熱量的煤氣量少，產(chǎn)生的廢氣量也少，燃燒溫度高。高爐煤氣、空氣煤氣、混合煤氣不可燃成分約占50%～70%，故熱值低，提供一定熱量所需煤氣量多，產(chǎn)生的廢氣量也多，如不預(yù)熱，難以達(dá)到焦?fàn)t所需的燃燒溫度。

從煤氣的燃燒熱平衡計(jì)算看出，水煤氣和焦?fàn)t煤氣的理論燃燒溫度相差不大，水煤氣可不經(jīng)預(yù)熱用于焦?fàn)t，說(shuō)明水煤氣可以替代焦?fàn)t煤氣給焦?fàn)t加熱。

4 煤氣的加熱特性

焦?fàn)t煤氣和水煤氣由于H2占50%以上，故燃燒速度快、火焰短，煤氣和廢氣的密度較低。用焦?fàn)t煤氣和水煤氣加熱焦?fàn)t時(shí)，加熱系統(tǒng)阻力小，煉焦耗熱量低。

高爐煤氣、空氣煤氣、混合煤中主要可燃成分是CO，占比只有30%左右，故燃燒速度慢，火焰長(zhǎng)，加熱系統(tǒng)阻力大，煉焦耗熱量高，且須經(jīng)蓄熱室預(yù)熱到1000 ℃以上， 才能滿足燃燒室溫度的要求。

從煤氣的加熱特征說(shuō)明，水煤氣是焦?fàn)t煤氣的理想置換加熱燃料。

5 結(jié)語(yǔ)

水煤氣熱值比較高且理論燃燒溫度滿足焦?fàn)t燃燒室溫度的要求。從技術(shù)方面來(lái)說(shuō)，對(duì)于采用單熱式加熱的焦?fàn)t，可采用水煤氣來(lái)部分代替或全部（在焦?fàn)t負(fù)荷在70%以下）代替。

水煤氣可以利用焦化企業(yè)自身的焦粉來(lái)制取，以降低煤氣成本。發(fā)生爐產(chǎn)生的煤氣經(jīng)除塵后可利用焦?fàn)t煤氣凈化裝置與焦?fàn)t煤氣合并到一起去脫除雜質(zhì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王德祖.高爐煤氣置換焦?fàn)t煤氣用于焦?fàn)t加熱[J].冶金動(dòng)力，1997（1）.

[2] 施沛潤(rùn).高爐煤氣置換焦?fàn)t煤氣加熱技術(shù)在JN43—80型焦?fàn)t的應(yīng)用[J].柳鋼科技，1998（4）.endprint