第二章 燃烧过程分析

第二章 加热炉燃料燃烧分析

2.1气体燃料的特点

目前，常用于加热炉的燃料主要有煤、重油、天然气、高炉煤气、焦炉煤气、发生炉煤气、高炉煤气和转炉煤气中的一种或者几种的混合物等等。

加热炉在加热过程中，我国多数采用高-焦炉混合煤气燃烧对钢坯进行加热。加热炉采用气体燃料有以下优点：

1）煤气与空气易于混合，用最小的空气消耗系数即可实现完全燃烧； 2）煤气可以预热，故可以提高燃烧温度；

3）点火、熄火及其燃烧操作简单，易于控制，炉内温度、压力、气氛等 都比较容易调节；

4）输送方便，劳动强度小，燃烧时比较干净清洁，很少有颗粒污染物； 5）有利于减轻体力劳动和改善生产环境，较轻易实现自动化。 气体燃料的缺点：

1）管路施工及维护费用较高； 2）燃料价格比较贵； 3）贮存有一定的难度； 4）易发生爆炸、中毒事件。

2.2气体燃料的燃烧过程 A 燃烧过程

气体燃料的燃烧是一个复杂的物理与化学综合过程。整个燃烧过程中，可分为混合、着火、反应三个连续阶段，它们在极短的时间内连续完成。

（1），煤气与空气的混合。煤气与空气混合后自烧嘴喷出，在运动过程中相互扩散，它们的体积膨胀，而速度降低，混合的均匀程度基本上取决于煤气与空气相互扩散的速度。要强化燃烧过程必须改善混合条件，提高两气流的混合速度。固有以下几个途径：

a，使煤气与空气流形成一定的交角，提高煤气与空气的混合均匀速度； b，改变气流速度，使两气流的比值增大，提高混合速度； c，缩小气流的直径，增大两气流的接触面积，加快混合速度。

（2），煤气与空气混合物的着火。煤气与空气的混合物达到一定浓度时，加热到一定的温度便可着火。反应物开始正常燃烧所需的最低温度叫做着火点。

各种气体燃料与混合物的着火温度如下：

表2.1 各种气体燃料的着火点

种类 焦炉煤气 发生炉煤气 高炉煤气 天然气

温度 550~650℃ 700~800℃ 700~800℃ 750~850℃

高炉煤气是高炉炼铁时产生的副产品，其主要成分是CO，含有大量的CO2和N2，发热值较低为了提高高炉煤气的理论燃烧温度，通常是将其加热使用。某大型高炉产生的干高炉煤气组分、发热值和密度参数见下表：

表2.2 高炉混合煤气的成分和低发热值 化学成分% CO CO2 O2 CH4 H2 N2 低发热值KJ/m3 密度Kg/m3

28.7 9 0 0.2 2.1 60 3874 1.13

焦炉煤气是炼焦生产时的副产品，是热量很高的一种优质气体燃料，一般低

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发热值在13200~19200kJ/Nm，主要可燃物是H2，CH4，CO。某典型焦炉煤气组成等参数见下表：

表2.3 焦炉煤气的成分和低发热值

化学成分% CO CO2 O2 CH4 CxHy H2 H2S N2 低发热值KJ/m3 密度Kg/m3

4.9 2.7 0.3 26.8 1.9 55.6 0.4 7.4 16939 0.46 （3），空气中的氧与煤气的可燃物完成化学反应。燃烧反应是一个化学反应过程，一个具体的燃烧反应方程式只能表明它的初始状态和最终状态，并不能反映它的整个燃烧过程，化学反应的速度和反应物的温度有关，温度越高，反映的速度就会越快。

在上述三个阶段中，对整个反应起直接作用的是煤气与空气的混合过程，需要控制好混合过程才能提高燃烧强度。

2.3气体燃料的燃烧方法

根据煤气与空气的混合方式的不同，气体燃料的燃烧方法分为两类，即有焰燃烧和无焰燃烧。

（1），有焰燃烧。主要特点是煤气与空气预先不混合，各自单独的以一定的速度流进入炉膛，边混合边燃烧，混合和燃烧两个过程同时在炉内进行，火焰温度较高。

（2），无焰燃烧。主要特点是煤气与空气预先混合再进入炉内，燃烧过程较快，火焰较短。

2.4 气体燃料的选择

在现代的钢铁联合生产企业里，可以同时得到大量的高炉煤气和焦炉煤气，高炉煤气和焦炉煤气的产量比值大约为10：1，针对高炉煤气产量大、发热量低和焦炉煤气产量低、发热量高的特点，为发挥其各自的优点，充分利用这些副资源，可按不同比例的高炉煤气和焦炉煤气混合使用于加热炉，对钢坯进行加热。设高炉煤气的发热量为Q高，焦炉煤气的发热量为Q焦，焦炉煤气在混合煤气中的体积分数是X，则高炉煤气的体积分数为（1-X）：

Q混=XQ高+（1-X）Q焦 （2-1）

故有X=(Q混-Q高)/(Q焦-Q高) （2-2）

采用高炉煤气和焦炉煤气的混合使用，不仅合理利用燃料，改变其火焰特性，克服各自的缺点，增强了火焰的辐射能力。在惯例上，加热炉使用高-焦炉混合煤气的比例为7:3。但是在本次模拟中，为了充分了解在不同高-焦炉混合煤气的比例的工况下，加热炉内的流场（烟气速度场）和温度场的变化，从而选择更好的高-焦炉混合煤气比（忽略经济上的因素）。

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