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资讯 常规焦炉的热工是以煤气燃烧、气体力学和传热三方面的理论为基础。
一、焦炉内煤气的燃烧
焦炉加热用煤气主要是焦炉煤气、高炉煤气和发生炉煤气，有的厂常用焦炉煤气和高炉煤气的混合煤气。这些煤气的组分和热值见下表。
表1 几种煤气（干基）的组成和低热值
（一）煤气热值
煤气热值是指单位体积的煤气完全燃烧所放出的热量，燃烧产物中水的状态不同时，热值有高低之分。燃烧产物中的水蒸汽冷凝成0℃的液态水时的热值成为高热值，燃烧产物中水呈蒸汽状态时的热值成为低热值，实际燃烧时，燃烧后废气温度均很高，水汽不可能冷凝，所以有实际意义的是低热值。
（二）煤气燃烧的理论基础
煤气燃烧并非是一个简单的化学反应，而是伴随着强烈放热的连锁反应。它的反应速率随着反应物浓度和温度的增加而加快，并受系统压力压力的影响。
煤气燃烧可分为动力燃烧和扩散燃烧两种方式：煤气与空气先混合再着火的燃烧方式为动力燃烧；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、边燃烧的过程成为扩散燃烧。焦炉内加热煤气的燃烧属于扩散燃烧。
1、动力燃烧
动力燃烧反应速度极快，可达到很快的燃烧强度，燃烧完全，燃烧产物中没有烟粒，火焰透彻明亮，由于燃烧前煤气与空气已经均匀混合，所以动力燃烧可在很小的过剩空气条件下达到完全燃烧，燃烧温度很高。
（1）煤气燃烧速度
可燃气混合物的燃烧速度，即火焰的传播速度取决于空气的过剩系数、燃气的余热温度、压力、成分以及煤气的热值和热性质等，如焦炉煤气中各个成分在以理论空气量燃烧时的正常速度分别为：CO,0.3m/s；H2,1.6m/s；CH4，0.28m/s；C2H4，0.5m/s。煤气的燃烧速度决定单位时间内被燃烧的煤气的数量，即燃烧的强度和燃烧室的热负荷。煤气的燃烧速度应与可燃气体混合物的流速相当才能实现稳定的燃烧，并形成稳定的火焰。
（2）煤气爆炸
煤气爆炸的引起，在密闭容器中的可燃混合气的浓度达到爆炸极限范围内，其温度达到着火点温度或点火时，可燃混合气因剧烈反应使压力和温度迅速升高，这时的火焰传播速度可达到每秒几公里，引起爆炸。爆炸与燃烧本质基本一致，一般燃烧时，火焰的正常传播速度仅每秒几厘米到10-15m，而爆炸则是高温高压所导致的急剧反应，火焰速度高达每秒几公里。
2、扩散燃烧
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。通常煤气和空气先预热后进入温度很高的燃烧室，可燃混合物加热到着火温度并进行燃烧，化学反应在瞬间完成。煤气的燃烧速度取决于可燃物分子和空气分子的扩散过程。扩散燃烧时，由于局部氧的不足而发生碳氢化合物热解，产生游离碳，使燃烧中因固体微粒的存在而产生强烈的光和热辐射，形成光亮的火焰。焦炉立火道中煤气的燃烧属于此种燃烧方式。为拉长火焰，改善高向的加热均匀性，焦炉火道内使用煤气和空气缓慢接触混合。高炉煤气主要成分为CO，扩散系数小，可燃物浓度低，故火焰比烧焦炉煤气的火焰长。
（三）煤气的燃烧计算
煤气燃烧时需要的空气量、产生的废气量、废气组成和燃烧温度是燃烧控制、评价煤气加热特性、燃烧设备和工艺计算的重要依据，可依靠煤气和空气燃烧反应的化学计量式为基础，通过物料衡算和热量衡算进行计算。
1、空气过剩系数
空气过剩系数α对焦炉加热十分重要，α太小，煤气燃烧不完全，可燃成分随废气排出；α过大，废气量大，废气带走的热量也增多。所以α过大过小都会增加煤气的耗量，同时α值还对焦饼高向加热均匀性有影响。用焦炉煤气加热时，根据焦炉结构的不同，α=1.2-1.25，用高炉煤气加热时，由于惰性成分含量高，α可低一些，（α=1.10-1.20）。生产中α随煤气温度、热值和大气温度等改变而波动，需要经常检查及时调节。α值通过废气分析，按下式计算：
2、空气需要量和废气生成量的计算—燃烧物料衡算
空气需要量和废气生成量根据煤气中各可燃成分与氧的以下反应式进行计算。
（四）燃气燃烧温度
燃料燃烧时产生的热量用于加热燃烧产物（废气），使其达到的温度叫燃料的燃烧温度。该温度的高低取决于燃料的组成、空气过剩系数、气体燃料和空气的预热程度及热量向周围介质传递的情况等多种因素，可以通过燃烧热量衡算得到。
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，剩余部分使废气温度升高，此时的温度成为实际燃烧温度。
2、理论燃烧温度
3、热值燃烧温度
若Q分=0，此时废气达到的温度成为热值燃烧温度t热，它是理论上能达到的最高燃烧温度。一般t热比t理高200-300℃，t理比t实高250-400℃。
（五）煤气的加热特性
加热焦炉常用的煤气有焦炉煤气和高炉煤气。
焦炉煤气可燃成分浓度大，热值高，提供一定热量需要的煤气量少，产生的废气量也少，理论燃烧温度高，由于H2占比在1/2以上，故燃烧速度快、火焰短，煤气和废气密度较低。因CH4占比在1/4以上，处于高温下的砖煤气道和火嘴等处会沉积热解碳，故焦炉加热系统在换向过程中要进行空气除碳。用焦炉煤气加热焦炉时，加热系统阻力小，炼焦耗热量低，煤气中的焦油、焦油渣和萘增多，容易堵塞管路和管件，且NH3、HCN、H2S等对管道设备腐蚀严重。
高炉煤气不可燃成分占比约70%，故热值低，提供一定热量所需煤气量多，产生的废气量也多。煤气中可燃成分主要是CO，且不到30%，故燃烧速度慢，火焰长，高向加热均匀性好，可应当降低燃烧室温度。但高炉煤气不预热时理论燃烧温度较低，因此必须经过蓄热室预热至1000℃以上，才能满足燃烧室温度的要求。用高炉煤气加热时，由于煤气和废气密度较大，且废气量多，故耗热量高，加热系统阻力大，约为焦炉煤气加热时的2倍以上。因此，只要高炉煤气量稳定，就尽量使用高炉煤气加热焦炉，使焦炉煤气用到更有价值的地方去。
焦炉煤气和高炉煤气的加热特性见下表：
二、焦炉传热
煤气在燃烧室内燃烧产生的热量，通过炉墙传给煤料，煤料以不稳定热传导方式升温，经层状结焦为焦炭。焦炉各部位的传热是传导、辐射、对流共存的综合传热过程，这些传热方式分别在不同部位和不同时间起主导作用。由于焦炉操作的周期性变化和气流的定期换向，焦炉各处的热流和温度以保护炉料的热物理性能均随时间变化。
（一）火道向炉墙的传热
煤气和空气流在立火道内以扩散燃烧方式燃烧，燃烧产生的火焰和热废气的热量通过辐射和对流的方式传递给炉墙。燃烧废气温度高达1400-1600℃，同时煤气在燃烧过程中因热解而产生的高温游离碳有强烈的辐射能力，且火道中气流速度较慢，因此在立火道中辐射量占90-95%以上，而对流传热量仅占5%-10%。
1、辐射传热
立火道中火焰和热废气向炉墙辐射传热的特点是：
（1）只有多原子气体（废气中的CO2和水蒸气）才有相当大的辐射热能力，气体辐射能力Eg仍服从斯忒藩-玻尔兹曼定律。
2、对流传热
火道中的对流传热量，可用稳定对流牛顿冷却定律计算：
（二）炉墙向煤料的传热
炉墙向煤料的传热属不稳定的热传导，但在近似计算中也可按稳定热传导求平均值。按稳定热传导计算炉墙平均传热量，采用傅里叶定律计算单层平壁的热传导方程式式：
按不稳定热传导计算热流的变化，在装煤开始的1-2h，炭化室墙将大量热量传热给煤料，砌体的热量输出大于蓄热量，使炉墙温度从1050℃-1100℃急剧降至700℃左右，炉墙的炭化室侧与燃烧室侧的温差加大，热流提高。随着炭化室墙面温度又升高，热流又逐渐减少。在结焦后期砌体的蓄热大于放热，使墙体的温度又回升至1050-1100℃。在整个传热过程中，通过炉墙的热流和炉墙温度随结焦时间而变化。
（三）炭化室煤料的传热
三、焦炉的物料平衡和热平衡计算
焦炉物料平衡是设计焦化厂最基本的数据，是确定各种设备操作负荷和经济估算的基础。焦炉热平衡在物料平衡和煤气燃烧计算基础上进行的，通过热平衡计算可具体的了解焦炉热量的分配情况，从而寻找出降低热量消耗的途径，由热平衡计算可精确地求出炼焦耗热量，得出焦炉的热效率和热工效率。
（一）焦炉物料平衡
通常指炭化室的物料平衡，下表列出了焦炉炭化室物料平衡表（实例）。
（二）焦炉热量平衡
下表列出了焦炉热平衡实例（焦炉煤气加热）以干煤计。
（三）焦炉的热效率与热工效率
（四）降低炼焦耗热量、提高热工效率的途径
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