煤氣燃燒對火焰高度影響的研究

1   煤氣燃燒過程

燃燒過程分為三個階段：（1）煤氣和空氣的混合；（2）將可燃混合物加熱至著火溫度；（3）可燃物與氧發生化學反應進行連續穩定的燃燒。

2   焦爐立火道內燃燒火焰高度的計算

    根據擴散燃燒動力學的反應物質量衡算，擴散燃燒火焰高度可用下式計算：

    式中的y為火焰高度，m; c₁為煤氣中可燃成分初始濃度，％；c₂為空氣中氧的初始濃度，％；i為每一份可燃氣體所需的理論氧量（由燃燒反應表得到）；r為煤氣流的當量半徑（燒嘴半徑），由設計圖紙查得，取0.025m; R₀為立火道當量半徑，m; W為氣體流速，m/s ; K為擴散系數，m²/s;  c₀=c₁+(c₂/i) 。

2.1  高爐煤氣火焰高度的計算

式中的T為廢氣絕對溫度，K; M為高爐煤氣的平均分子量，計算得到為29.046×10^-3kg/mol; R為理想氣體常數；d為分子有效直徑，m; P為高爐煤氣壓力，Pa; K₀為玻耳茲曼常數，1.38×10^-23J/K。

    （1）無廢氣循環時火焰高度的計算

        c₀ =c₁+(c₂/i)=0.309+(0.21/0.1545)=1.668

        W=0.434/1.5=0.289 m/s

    式中的0.434為有廢氣循環時廢氣的流速，m/s ; 1.5為廢氣循環量，是廢氣量的1.5倍。

    將數據代入公式計算可得：y＝4.23m。

2.2  焦爐煤氣火焰高度的計算

    式中的M為焦爐煤氣的平均分子量，10.811×10^-3kg/mol 。

    （1） 無廢氣循環時火焰高度的計算

        c₀ =c₁+(c₂/i)=0.924+(0.21/0.9183)=1.153

        W=0.434/1.5=0.289 m/s

    （2）有廢氣循環時的火焰高度

        c₁= 0.924/1.5=0.616

        c₀ =c₁+(c₂/i)=0.616+(0.21/0.9183)=0.845

        W=0.434 m/s

將數據代入公式計算可得：y=2.94m。

    通過上述兩組數據，可以明顯發現，兩種不同加熱煤氣的火焰高度不同，同時廢氣循環，通過改變氣體流速和可燃成分含量的變化，也可明顯影響火焰高度。

3   影響焦爐高向加熱的因素分析

    炭化室向高度方向發展是實現焦爐大型化的主要標志，特大型7.63m焦爐在我國已有多座投產，因此解決焦爐高向加熱更為重要。這對焦餅的均勻成熟、提高焦炭強度和塊度、降低推焦電流與煉焦耗熱量均十分重要，以下從兩方面加以分析。

3.1  從爐體結構設計上解決焦爐高向加熱

    （1）采用廢氣循環。上述計算表明，采用廢氣循環不論高爐煤氣或焦爐煤氣加熱均可大幅拉長火焰, 以改善焦爐的高向加熱。

    （2）采用分段加熱。7.63m焦爐采用此結構，空氣分段進入立火道，使混合過程減慢而拉長火焰。

    （3）采用高低燈頭。4.3m以上焦爐均采用此結構，這使燃燒點上移而拉長火焰，同時由于噴嘴直徑縮小而提高了噴射力，使廢氣循環量加大而拉長火焰。

    （4）選擇適宜加熱水平。這方面走過不少彎路，尚需繼續研究。如6m大容積焦爐目前加熱水平為900mm，但爐頂空間溫度過高，結石墨嚴重等。

    （5）立火道當量半徑。立火道當量半徑增大可以增加擴散所需的時間，從而增加火焰高度，但同時也會降低氣體流速，從而降低對火焰長度的影響。

3.2  從操作上分析影響火焰高度的因素

    （1）擴散系數。擴散系數越大，火焰高度就越短，呈反比關系。同時，K∞1/M^0.5 (M為燃料平均分子量），高爐煤氣中主要含CO，分子量大，擴散系數小，火焰高度長，而焦爐煤氣中主要含氫氣和甲烷，分子量較小，故擴散系數大，火焰高度短。

    （2）可燃成分的初始濃度?？扇汲煞殖跏紳舛扰c火焰高度呈反比關系，在高爐煤氣中，惰性成分含量高，可燃成分少，火焰高度長。在實際生產中，采用煤氣貧化及廢氣循環就是利用這個原理，使可燃成分的初始濃度降低，從而增加火焰高度。

    （3）氣體流速。煤氣和空氣在斜道口或燒嘴處以層流狀態流出，廢氣在立火道中的流動也是層流。因此,焦爐火道中煤氣和空氣的燃燒屬于層流狀態下的擴散燃燒，故當氣體流速加快，空氣和煤氣混合速度減慢時，火焰高度就拉長。

    （4）空氣系數?？諝庀禂到档?，氧供應減少，致使燃燒速度因氧的減少而下降，而使火焰拉長。故可控制不同空氣系數來調節焦餅沿高向加熱的均勻性。

    （5）縮短周轉時間?？s短周轉時間可使單位時間內供入煤氣與空氣量增加，使氣流速度增加，混合速度減慢而使火焰拉長。

4   結論

    1) 焦爐立火道內煤氣燃燒是在層流條件下的擴散燃燒，擴散燃燒可以拉長火焰，有利于改善焦爐高向加熱，對提高焦炭質量和降低能耗均有利。

    2) 首次運用擴散燃燒火焰高度的計算公式對兩種不同加熱煤氣與有無廢氣循環對火焰高度的影響進行計算與分析比較。

    3) 從焦爐結構和操作兩方面分析影響火焰高度的因素，以改善焦爐高向加熱。