第七章-焦炉气体力学原理

第七章焦炉气体力学原理第一节焦炉用气体柏努利方程式及其应用一、焦炉内气体流动特点单位质量流体稳定流动过程的机械能量衡算式(柏努利方程式)的形式如下:(7—1)焦炉内煤气、空气和废气的流动规律，基本上符合上述方程式，但在应用时要考虑如下特点。1、焦炉加热系统各区段流过不同的气体，且气体从斜道进入立火道后，温度发生剧变，组成发生变化，因此要分段运用上述方程式。2、焦炉内加热系统的压力变化较小，各区段温度呈均匀变化(见下图)，故流动过程中气体密度以平均温度下的气体调和平均密度ρ1-2代替。为便于焦炉上应用，式（7-1）以压力形式表示：调和平均密度ρ1-23、焦炉加热系统不仅是个通道，而且起着气流分配或者汇合作用。此外，集气管、加热煤气主管和烟道等都有分配或汇合气体的作用。在这些分配或汇合道中动压力和动量的变化影响很大，因此要考虑变量气流时的流动特点。4、方程式中Zρg、p、w2ρ/2分别是位压力、静压力和动压力，三者之和即为总压，因此在稳定流动时，柏努利方程式表现为：总压差=总阻力流体流动时，当其中任何一方发生变化时，平衡就破坏，稳定流动变为不稳定流动，流量将发生变化，并在流量改变后的条件下，总压差和阻力达到新平衡。焦炉加热调节时为改变流量，按这一原理，可以采用两种方法：(1)改变煤气、废气的静压力来改变系统的总压差；(2)改变调节装置的开度（局部阻力系数）来改变系统的阻力二、焦炉实用气流方程式及其应用1、上升气流公式与浮力''2211PgZPgZ空空PwgZPPwgZPP212122212222121211112)()'(2)()'(空空记：a1=P1--P1’始点的相对压力a2=P2-P2’终点的相对压力h1-2=Z2-Z1代入上式整理得：焦炉内对于气体流量不变的通道，一般与其它项相比甚小，可以忽略不计，则上式简化为：Pwwghaa212122212121122)(空2122212ww，Pa（7-4）记：——热气柱的热浮力由图7-1所示，h1-2ρ1-2g为热气柱作用在1-1面上的位压力，h1-2ρ空g为同一高度冷空气作用在底面的位压力。因ρ空＞ρ1-2，故热浮力即空气柱与热气柱的位压差，其作用是推动热气体向上流动，气柱愈高，空气与热气体的密度差愈大时，热浮力愈大。式（7-4）中，当热浮力大于阻力时，a2＞a1，热浮力小于阻力时，a2＜a1。ghh)(2121空浮Pghaa21212112)(空[例]焦炉压力制度规定，在推焦前20min，吸气管下部炭化室底部测压孔（距炉底0.3m）处的相对压力不低于4.9Pa。如推焦前的煤气密度ρ0=0.35㎏/m3，温度为800℃，大型焦炉炭化室底部与集气管中心距为7m，荒煤气经焦炭层、上升管到集气管测压点的阻力为4.9Pa，大气温度为0℃，空气密度ρ空=1.293㎏/m3，集气管压力应规定多少？解：荒煤气由炭化室底部至集气管作上升流动，故集气管压力为：α2=4.9+7×9.81×[]-4.9=82.65Pa21212112)(空ghaa)800273(27335.0293.12、下降气流公式如图7-2所示，热气体在通道内下降流动时，始点在上部，相对压力仍为a1，终点在部，相对压力仍为a2。在忽略动压力项时，同理可导出下降气流公式：式（7-5）表明，下发气流时，热浮力和阻力一样，均起阻碍气流运动的作用，故a2＜a1。Pghaa21212112)(空例、焦炉烧焦炉煤气时，下降气流斜道的平均阻力位29pa，蓄热室顶部至看火孔的高度约6.2m。如上述部位每米高热废气的浮力为10pa，为使看火孔压力为5pa，下降气流蓄热室顶部吸力应规定是多少？a2=5-6.2*10-29=-86pa即上升气流蓄热室顶部吸力为86pa有计算可以看出，斜道阻力越大时，上升气流蓄热室顶部吸力越小Pghaa21212112)(空3．水平气流公式在水平通道里流动的气体，因其=0，所以浮力项等于零，则有从式中可以看出，气体在水平流动时，两断面中不论绝对压力如何，其压力差代表这两个断面之间的阻力，即如果在同一系统两种操作情况下或两个形状尺寸完全一致的地区，其两端压力差相同，则阻力相同，通过的气体量也相同。21h2112aa2121aa4、循序上升与下降气流公式如图7-3所示，对于既有上升又有下降的通道，分段使用上升、下降气流公式，整理得循序上升与下降气流公式：式中：a始、a终—分别为始点和终点的相对压力；Σh上(ρ空-ρi)g——气流全过程中，上升段浮浮力总和（各段ρi不同)；Σh下(ρ空-ρi)g——气流全过程中，下降段浮力总和；ΣΔP——从始点到终点全部阻力之和。Pghghaaii)()(空下空上始终Pghghaaii)()(17空下空上用上升和下降气流公式分析焦炉用贫煤气加热时，煤气和空气蓄热室顶部吸力的关系例冬夏两季大气压力发生变化，试分析这种变化对焦炉集气管压力、蓄热室顶部吸力的影响冬季集气管压力应保持比夏季较高上升蓄热室吸力冬季比夏季高下降蓄热室吸力冬季比夏季高5．焦炉实用气流方程式的应用上述各气流公式广泛用于计算或分析焦炉通道内相对压力、阻力和浮力的关系。如：(1)按推焦前吸气管下方的炭化室底部相对压力保持0～5Pa的规定，计算集气管压力。（2）按上升气流看火孔保持相对压力-5～+5Pa的规定，计算蓄热室顶部吸力（炉外压力减同一水平的炉内压力P为吸力）。(3)焦炉用贫煤气加热时，分析和计算煤气蓄热室和空气蓄热室顶部吸力的相互关系。(4)根据蓄热室顶部和底部的吸力差，分析格子砖的堵塞情况。(5)空气蓄热室进风门开度，煤气蓄热室孔板大小或废气开闭器的翻板开度对蓄热室顶部吸力的影响。(6)大气温度明显变化时，改变蓄热室进风门开度以稳定蓄热室顶部吸力的必要性。(7)蓄热室换向间隔时间内顶部吸力的变化及原因分析。(8)烟囱吸力和烟囱高度的计算。对以上计算，现举例加以说明。例题:1、集气管压力的确定根据压力制度的确定原则：以结焦末期炭化室底部的压力不小于5Pa为原则确定集气管的压力。解：如图所示，依题意，h=8m，ρ空0=1.28t空=20℃，ρ煤气0=0.51，t煤气=800℃a1=5Pa，求a2=?由公式：将数字代入得：a2=5+8(1.28×273/293-0.51×273/1073)×9.81-0=88.41Pa故一般控制在80—120Pa.生产中，于炭化室底部埋测压管，结焦末期，调节集气管压力。当炭化室底部的压力为5Pa时的集气管压力，就是控制值。Pghaa21212112)(空Pghaa21212112)(空2、蓄热室顶部吸力的确定。由压力制度确定原则：以下降气流看火孔压力为0为原则确定燃烧系统的压力，并以蓄热室顶部吸力为控制指标。解：由下降气流公式（见图）：由题意:公式简化为：a2=a1-Δh浮-ΔP或：a1=a2+Δh浮+ΔP则：Δh浮=constant(1)对于全炉调节分烟道吸力,即a2。a1与a2呈线性关系，同时增减。（2）对于一个燃烧室调节废气盘中的调节翻板：当翻板关时，阻力ΔP增大，则a1增大；当翻板开时，阻力ΔP减小，则a1减小；当翻板处于某一个开度时刚好使a1=0,这时的蓄热室顶部吸力即为控制值。三、烟囱原理1、烟囱工作原理烟囱的作用在于使其根部产生足够吸力，克服加热系统阻力（包括烟道阻力）和下降气流段的热浮力，使炉内废气排出，空气吸入。烟囱根部吸力靠烟囱内热废气浮力产生，其值由烟囱高度和热废气与大气的密度差决定。烟囱的工艺设计主要是根据加热系统阻力和浮力值确定烟囱分部的吸力值，并据此计算烟囱高度和直径。（1）烟囱根部所需吸力如图所示：从进风口到烟囱根部应用循序上升与下降气流公式可得：(-a根)=Σ加ΔP+Σh下(ρ空-ρi)-Σh上(ρ空-ρi)（7-7）式中：Σ加ΔP——进风口至烟囱根部的总阻力；Σh上(ρ空-ρi)、Σh下(ρ空-ρi)——进风口至烟囱根部上升气流段浮力和下降段浮力之和。（2）一定高度H的烟囱能产生的根部吸力从烟囱根部至烟囱顶口应用上升气流公式得：(-a根)=H(ρ空-ρ废)g-Σ烟ΔP（7-8）式中：H(ρ空-ρ废)——烟囱浮力；Σ烟ΔP——烟囱根部至顶口外的阻力。2、烟囱计算（1）烟囱直径烟囱顶口直径d顶按下式计算：式中：Q0——焦炉排出的废气量，m3/h;w0——烟囱出口处废气流速，m/s。一般取3~4m/s，太大，烟囱直径小而高；太小，直径大而矮。应按烟囱投资权衡。烟囱根部直径d根，据d顶和烟囱锥度确定，对于钢筋混凝土烟囱：d根=d顶+0.01H式中：0.01——烟囱锥度。0036004wQd顶（2）烟囱高度由式（7-8）可得：记：Z1=（-a根）Z2=Σ烟ΔPZ3=50Pa或0.15Z1代入上式得：gPaH)()(废空烟根gTTZZZH)273273(00321废废空空对于高原地区，还应进行压力校正：式中：ρ0空、ρ0废——空气和废气在0℃下的密度，kg/m3;T空、T废——沿烟囱高向大气和烟囱内废气的平均温度，K；P——当地大气压力。000321)273273(PPgTTZZZH废废空空[例9-3]42孔58-Ⅱ型焦炉，根据加热系统阻力和浮力的计算，烟囱根部需要的吸力Z=284.4Pa.考虑到漏气，在烟囱中空气过剩系数α=1.5。1m³干高炉煤气燃烧产生的湿废气量为2.01m³/(m³•煤气)。废气密度kg/m3，每个炭化窒需供给的高炉煤气量平均按0.246m³/s计，烟囱入口处的废气温度240℃，大气温度35℃，两座焦炉合用一个烟囱，计算烟囱的工艺尺寸。376.1,0废解：⑴每座焦炉的湿废气量为：0.246×2.01×42=20.64m3/s则两座焦炉的废气量为：20.46×2=41.28m³/s⑵烟囱出口处的废气流速取=3.2m/s,则烟囱顶部内径为：⑶烟囱底部内径：=+2×0.01=4+2×0.01×100=6m（设烟囱高度为100m）⑷烟囱内废气的平均流速：烟囱顶部废气通过的截面积：=12.57m2。烟囱底部废气通过的截面积：m2顶d05.4)2.314.3(28.414底d4414.3236.2549.064614.32H式中0.49——为烟囱底部隔墙厚度，m。则烟囱的平均断面积为：m2废气在烟囱中的平均流速：m/s烟囱的平均直径：m⑸烟囱中废气的平均温度：当烟囱壁厚为0.5m时，每1m高烟囱内废气温度的下降量可按下式计算：式中A——系数，取A=0.6；D——烟囱的平均外径，m。97.18236.2557.1218.297.1828.419.414.397.184平dDAt℃/m则烟囱出口处的废气温度为：240-100×0.25=215℃烟囱内废气的平均温度为：℃⑹废气通过烟囱时的摩擦阻力为，摩擦系数则阻力系数=Pa65.02)64(215.02)(21底顶ddD25.066.0t5.2272215240平t摩5.002.19.41005.0K11.6)2732()5.227273(376.118.202.1220020TTKt摩⑺烟囱出口突然扩大阻力烟囱出口处废气流速：m/s取突然扩大阻力系数K=1(因为，式中为烟囱出口外大气，所以为无限大，则故烟囱本身的阻力Pa⑻取备用吸力：15℅×=0.15×284.4=42.66Pa⑼烟囱应当产生的总吸力为：=284.4+19.34+42.66=346.4Pa扩28.3)4785.0(28.412221)1(FFK扩2F)021FF23.13)2732()215273(376.128