Лекция 12.

Теплотехника коксовых печей.

Все вопросы, связанные с обогревом коксовых печей и сжиганием отопительных газов, объединяют в понятие теплотехника, которая рассматривает составы отопитель­ных газов, особенности их сжигания, соотношение коли­честв газа и воздуха, температуры горения газов при раз­личных условиях, тепловой баланс обогрева печей, их теп­лотехническую оценку, расход тепла на коксование, ис­пользование тепла продуктов горения.

Газы, применяемые для обогрева

В настоящее время для обогрева коксовых печей чаще всего применяют доменный или обратный коксовый газ. Значительно реже используют обезводороженный коксо­вый газ, возвращаемый с заводов синтеза аммиака после извлечения из него водорода, а также генераторный газ.

Объемная доля горючих компонентов в газах: в коксовом 93,2; в доменном 32; в обезводороженном коксовом 73,5; в гене­раторном 38.

Основными горючими компонентами являются; в кок­совом газе Н₂ и СН₄, в доменном и генераторном СО, в обез­водороженном коксовом СН₄. Для сжигания каждого ком­понента необходимо определенное количество воздуха О₂ —21 %, N₂—79 %). Они отличаются по количеству образующихся продуктов горения. Это видно из следующих реакций:

2Н₂ + О₂ + N₂ = 2Н₂О + 3,76N₂

2СО + О₂ + 3,76N₂ = 2СО₂ + 3,76N₂;

СН₄ + 2О₂ + 3,76N₂ = СО₂ + 2Н₂О + 7,52N₂;

С_2,23 Н_4,34+ 3,31О₂ + 3,31 . 3,76N₂ = 2,23СО₂ + 2,17Н₂О + 12,45N₂ (1)

По стехиометрическим уравнениям при сжигании 1 объема газа требуется следующее количество объемов, воздуха для На и СО 2,38; СН₄ 9,52; С_mН_n 15,7. Соответственно из 1 объема газа получается такое количество объемов продук­тов горения: для Н₂ и СО 2,88; CН₄ 10,52; С_mН_n 16,7.

Теоретическое количество кислорода, необходимого для сжигания 1 м³ газа О_2,т, определяется по формуле

О_2,т = [0,5(Н₂ + СО) + 2СН₄ + 3,31 С_mН_n – О₂] / 100 (2)

где H₂, CO, CH₄, C_mH_n, O₂ — объемная доля соответству­ющих компонентов в газе, %.

Количество воздуха, расходуемого на сжигание 1 м газа, рассчитывается по выражению

(3)

Для сжигания 1 м³ коксового газа требуется кислорода 0,899 м³, воздуха 4,26 м³, а для сжигания 1 м³ доменного газа — соответственно 0,16 и 0,76м³.

При сжигании газов в отопительных каналах коксовых печей количество используемого воздуха превышает теоре­тически рассчитанное. Избыток воздуха необходим для обеспечения полноты сгорания газа и создания равномер­ности обогрева по высоте.

Отношение удельного действительного количества воз­духа V_в.д к теоретически рассчитанному V_в.т называется коэффициентом избытка воздуха :

 = V_в.д / V_в.т = (V_в.д + V_в.и)/ V_в.т (4)

где V_в.и —избыточное количество воздуха.

При сжигании в реальных условиях избыточное коли­чество воздуха уходит с продуктами горения, количество кислорода в которых рассчитывается по формуле ( — 1) O₂ ,т, а азота — умножением полученного количества кислорода на 79/21. Практически всегда коксовый газ сжигается с большим , чем доменный.

Удельные теоретические количества воздуха и продуктов горения значительно больше при обогреве коксовым газом, чем при обогреве доменным. Разница в составе сжигаемых газовв обуслов­ливает разницу в составе продуктов горения, объемная доля H₂O в продуктах горения коксового газа в шесть раз больше, a CO₂ в 3,3 раза меньше, чем в продуктах горения доменного газа.

Так как состав отопительных газов неодинаков, то для получения одного и того же количества тепла необходимо. сжигать разные их количества. Теплота сгорания газа Он может быть рассчитана по следующей формуле;

Q_н = 126,3СО + 107,9Н₂ + 358.3СН₄, + 658С_mН_n (5)

где СО, Н₂ и т. д.— объемная доля соответствующих ком­понентов в газе, %.

При сжигании коксового газа с  = 1,3 действительное количество воздуха составит на 1 м³ газа 5,45 м³, на 4000 кДж 1,25 м³, а количество продуктов горения соответственно 6,35 м³ и 1,43 м³. При сжигании доменного газа с  =1,2 эти величины будут соответственно равны 0,92; 0,90; 1,79; 1,76 м³.

Потреб­ное количество воздуха в расчете на одно и то же количе­ство тепла больше при обогреве коксовым газом, а количе­ство образующихся продуктов горения значительнее при обогреве доменным газом. Учитывая, что при обогреве коксовым газом воздух в отопительную систему поступает по удвоенному количеству регенераторов по сравнению со случаем обогрева доменным газом, можно сделать такой вы­вод: количество воздуха и продуктов горения, проходящих по регенератору, всегда больше при обогреве доменным газом.

Коэффициент избытка воздуха

Коэффициент избытка воздуха в соответствии с формулой (4) может быть представлен отношением

(6)

где — действительное, теоретическое и из­быточное количество кислорода на 1 м³ газа соответствен­но, м³.

Избыточное количество кислорода

(7)

Здесь — объем сухих продуктов горения в расчете на 1 м³ газа, м³; — концентрация кислорода в 1 м³ про­дуктов горения, м³. Для определения значения вос­пользуемся уравнением

(8)

где —количество СО₂, образующееся из 1 м³ газа при теоретическом количестве воздуха, м³; — кон­центрация СО₂ в 1 м³ продуктов горения, м³. Подставляя в уравнение (6) значения из выражений (7) и (8), по­лучим

(9)

При неполном сгорании в продуктах горения обнару­живается окись углерода. В этом случае

(10)

Здесь —концентрация СО в 1 м³ продуктов горения, м³. Тогда

Обозначим . При полном сгорании

(11)

при неполном

(12)

Величина зависит от состава отопительного газа:

(13)

где и т. д.— объемные доли соответствующих компонентов в газе, %.

Следовательно, для определения коэффициента избыт­ка воздуха в условиях действующей батареи коксовых пе­чей нужно найти концентрации СО₂, О₂ и СО в продуктах горения и, приняв соответствующее отопительному газу значение К,, рассчитать по формуле (11) или (12) значение .

Коэффициент избытка воздуха а влияет на многие тех­нико-экономичес-кие показатели процесса коксования, и прежде всего на расход тепла. Уже при < 1,3 для кок­сового газа и  < 1,2 для доменного возможно неполное горение, о чем свидетельствует появление СО в продуктах горения. В результате выделяется количество тепла, мень­шее, чем при полном сгорании, что и приводит к увеличе­нию расхода газа на обогрев печей.

Наличие 1 % СО в продуктах горения свидетельствует о том, что при обогреве соответствующим газом не сгорело примерно 3—3,5 % доменного газа или 2 % коксового. Рас­ход тепла в результате этого возрастает на 5—6% на каждый процент СО или на 130 кДж на 1 кг коксуемого угля.

Однако и при повышенном коэффициенте избытка воз­духа расход тепла на коксование может возрасти, так как на подогрев избыточного воздуха, уносимого с продуктами горения, затрачивается дополнительное тепло.

Повышение коэффициента избытка воздуха на 0,1 при­водит к увеличению расхода тепла на 1,5 % или на 30— 40 кДж на 1 кг угля при обогреве коксовым газом и на 0,7 % или примерно на 20—25 кДж на 1 кг угля при обогреве доменным газом. Поэтому рекомендуется устанав­ливать режим обогрева с минимальным коэффициентом из­бытка воздуха при обеспечении полного сжигания газа. Для печей ПВР он колеблется в пределах 1,25—1,45.

Коэффициент избытка воздуха оказывает значительное влияние также на равномерность обогрева по высоте. При обогреве коксовым газом увеличение коэффициента избытка воздуха приводит к более интенсивному горению газа, т. е. к укорочению факела горения. В случае обогрева печей доменным газом увеличение коэффициента избытка воздуха способствует выравниванию обогрева по высоте. При недо­статочном количестве воздуха наблюдается перегрев сред­ней, части коксового пирога.

Величина коэффициента избытка воздуха . влияет так­же на температуру кладки печей. При увеличении а воз­растает количество газов, проходящих через отопительную систему печей. Это приводит к повышенному уносу тепла с продуктами горения, а следовательно, к снижению тем­пературы кладки.

По пути продуктов горения — в вертикалах, регене­раторах и особенно в боровах — может дополнительно подсасываться воздух, в результате чего коэффициент из­бытка воздуха в боровах может превысить 1,5—1,6. Такие подсосы нежелательны, так как избыточный воздух, не участвуя в процессе горения газа, охлаждает кладку и по­вышает сопротивление движению газов.