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文檔簡(jiǎn)介
1、煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,第九章,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,第一節(jié) 焦?fàn)t實(shí)用氣流方程式及其應(yīng)用 第二節(jié) 煙囪的原理和計(jì)算 第三節(jié) 焦?fàn)t的廢氣循環(huán),煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,第一節(jié) 焦?fàn)t實(shí)用氣流方程式及其應(yīng)用 一、流體力學(xué)基本知識(shí) 1氣體狀態(tài)方程 氣體定律表明氣體從一種狀態(tài)(溫度、壓力、體積)變化到另一種狀態(tài)時(shí),氣體的溫度、壓力和體積的關(guān)系為: PV=nRT,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,Pa (9-2) 式中 -煙囪高為H m時(shí)所產(chǎn)生的浮力,Pa; -大氣壓,Pa; 、 -大氣及熱廢氣的密度,/m; -煙囪的高度,m,圖9-1 連通器內(nèi)產(chǎn)生浮力原理圖,圖9-2 焦?fàn)t煙囪產(chǎn)生浮力原理
2、,2浮力,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,3阻力與阻力系數(shù) 氣體在管道中流動(dòng)時(shí),由于氣體分子與管壁之間,氣體分子與氣體分子之間的摩擦都會(huì)產(chǎn)生阻礙氣體流動(dòng)的阻力。 氣體在直徑與流向沒(méi)有變化的管道中流動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的阻力均勻分布在整個(gè)管道上,稱摩擦阻力;氣體在直徑或流向改變的管道中流動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的阻力,稱為局部阻力。在焦?fàn)t加熱系統(tǒng)內(nèi),局部阻力所造成的壓力損失占全部阻力損失的絕大部分,而摩擦阻力造成的壓力損失較少,阻力越大,壓力損失越大,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,氣體流動(dòng)產(chǎn)生阻力,反過(guò)來(lái)阻力又阻礙氣體流動(dòng),且流動(dòng)速度越大,阻力亦越大。 阻力計(jì)算公式: (9-3) 式中 P氣體流動(dòng)所產(chǎn)生的阻力 ,Pa;
3、阻力系數(shù)。 阻力系數(shù)與通道的光滑程度、形狀、尺寸以及氣體在通道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)有關(guān),阻力系數(shù)由實(shí)驗(yàn)所得,在計(jì)算中一般選用與操作情況相類似條件下的阻力系數(shù),煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,阻力系數(shù)分直管阻力系數(shù) 和局部阻力系數(shù) 兩種類型。 其中 摩擦系數(shù); L管道長(zhǎng)度,m; de-管道直徑或通道的當(dāng)量直徑,m。 非圓形管道de,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,二、焦?fàn)t內(nèi)氣體流動(dòng)的特點(diǎn) 單位質(zhì)量流體穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程的機(jī)械能量衡算式(柏努利方程式)的形式如下: = + + ,J/kg (9-4) 式中 位能; 壓力能; 動(dòng)能 ;損耗能。 (1)利用上述公式時(shí)應(yīng)符合下列條件: 穩(wěn)定流動(dòng); 沿通道單向流動(dòng),分段計(jì)算
4、; 流體流動(dòng)時(shí)可視為不可壓縮; 公式中各項(xiàng)均為該斷面處的平均值; 相對(duì)同一基準(zhǔn)面,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,由于 則 = = = = (9-5) 式中 T1、T2不同截面處氣體的溫度,K; 、 T1 、 T2 溫度下氣體的密度, /m。 (3)焦?fàn)t加熱系統(tǒng)不僅是個(gè)通道,而且起氣流分配作用。此外,集氣管、加熱煤氣主管和煙道等也均有分配和匯合全爐氣體的作用。在這些分配道中壓力和流量的變化影響很大,因此要考慮變量氣流時(shí)的流動(dòng)特點(diǎn),2)密度參數(shù)采用平均值的計(jì)算,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,4)方程式中 、P、 分別為位壓力、靜壓力和動(dòng)壓力,三者之和即為總壓,因此在穩(wěn)定流動(dòng)時(shí),柏努利方程式表現(xiàn)為:
5、 總壓差=阻力 流量調(diào)節(jié):流體流動(dòng)時(shí),總壓差與阻力同時(shí)存在于流體的流動(dòng)過(guò)程中,當(dāng)其中任何一方發(fā)生變化時(shí),平衡就被破壞,穩(wěn)定流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定流動(dòng),流量將發(fā)生變化,并在流量改變后的條件下,總壓差和阻力達(dá)到新的平衡。焦?fàn)t加熱中為了調(diào)節(jié)流量,可以采用兩種手段:即通過(guò)改變煤氣、廢氣的靜壓力來(lái)改變系統(tǒng)的總壓差;或通過(guò)改變調(diào)節(jié)裝置的開(kāi)度(局部阻力系數(shù))來(lái)改變系統(tǒng)的阻力,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,三、焦?fàn)t實(shí)用氣流方程式及其應(yīng)用 為便于焦?fàn)t上應(yīng)用,式(9-4)以壓力形式可表示為: + = + + ,Pa (9-6) 式中 = - 流體通過(guò)斷面1-2間的阻力,Pa; -調(diào)和平均密度,kg/m3 ; -氣體在0
6、下的密度,kg/m3。 為考慮爐外空氣對(duì)爐內(nèi)熱氣流的作用,以及不同區(qū)段的流動(dòng)特點(diǎn),實(shí)用轉(zhuǎn)化為各種具體形式時(shí)的公式,1 上升氣流公式 如圖9-3為氣體在通道內(nèi)由下往上流動(dòng),通道外空氣可看作靜止,則柏努利方程只有靜壓和位壓: 通道外: 通道內(nèi): = + + + 上述兩式相減得: = 稱 和 分別為始點(diǎn)與終點(diǎn)的相對(duì)壓力,并以 和 表示。且令 =h1-2,則上式整理后得: =,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,焦?fàn)t內(nèi)對(duì)于截面積流量不變的通道,一般 與其它項(xiàng)相比甚小,可忽略不計(jì),則上式簡(jiǎn)化為: = (9-7) 式中 為氣柱的熱浮力。其中 為熱氣柱作用在1-1面上的位壓力, 為同一高度冷空氣柱作用在該底面的位
7、壓力。因 ,故熱浮力即空氣柱與熱氣柱的位壓力差,其作用是推動(dòng)熱氣體向上流動(dòng)。氣柱愈高,空氣和熱氣體的密度差愈大時(shí),熱浮力也愈大。 式(9-7)即為焦?fàn)t內(nèi)上升氣流的基本公式,當(dāng)熱浮力阻力時(shí),,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,2下降氣流公式 如圖9-4,熱氣體在通道內(nèi)下降流動(dòng)時(shí),始點(diǎn)在上部,相對(duì)壓力仍為 ,終點(diǎn)在下部,相對(duì)壓力為 。在忽略動(dòng)壓力項(xiàng)時(shí),同理可導(dǎo)出下降氣流公式: = (9-8) 由式(9-8)表明,下降氣流流動(dòng)時(shí),熱浮力與阻力一樣,均起阻礙氣流運(yùn)動(dòng)的作用,故,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,例9-1焦?fàn)t壓力制度規(guī)定,在推焦前20min,吸氣管下部炭化室底部測(cè)壓孔(距爐底0.3m)處的相對(duì)壓
8、力不低于4.9Pa。如推焦前的煤氣密度0=0.35/m3 ,溫度為800,大型焦?fàn)t炭化室底部與集氣管中心距為7m,荒煤氣經(jīng)焦炭層、上升管到集氣管測(cè)壓點(diǎn)的阻力為4.9Pa,大氣溫度為0,空氣密度空=1.293/m3,集氣管壓力為多少? 解:荒煤氣由炭化室底部至集氣管作上升流動(dòng),故集氣管壓力為: 2=4.9+79.81 -4.9=82.65 Pa,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,如果大氣溫度升高,由于空氣密度降低使集氣管壓力也降低,浮力減小,其值可由浮力計(jì)算求得。 因空氣密度冬、夏季是不一樣的,變化很大,因此集氣管壓力的控制值冬、夏季是不同的,冬季大而夏季略小。 3水平氣流公式 在水平通道里流動(dòng)的氣
9、體,因其 =0,所以浮力項(xiàng)等于零,則有 。 從式中可以看出,氣體在水平流動(dòng)時(shí),兩斷面中不論絕對(duì)壓力如何,其壓力差代表這兩個(gè)斷面之間的阻力,即 。如果在同一系統(tǒng)兩種操作情況下或兩個(gè)形狀尺寸完全一致的地區(qū),其兩端壓力差相同,則阻力相同,通過(guò)的氣體量也相同,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,4循序上升與下降氣流公式 如圖9-5,當(dāng)氣體在既有上升氣流又有下降氣流的通道內(nèi)流動(dòng)時(shí),從始點(diǎn)到終點(diǎn)的全部阻力總使終點(diǎn)相對(duì)壓力減小,吸力增大。氣流上升段浮力使終點(diǎn)相對(duì)壓力增加,吸力減小,下降段浮力則使終點(diǎn)相對(duì)壓力減少,吸力增大。因此循序上升與下降氣流公式為(推導(dǎo)略): = + - - (9-9) 式中 始、終-分別為始
10、點(diǎn)與終點(diǎn)相對(duì)壓力; -氣流全過(guò)程中上升段浮力總和(各段不同); -氣流全過(guò)程中下降段浮力的總和; -從始點(diǎn)至終點(diǎn)全部阻力之和。 很明顯,上式同樣忽略了各段的動(dòng)壓力差,如要考慮應(yīng)在右邊加上各段動(dòng)壓力差之和,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,5焦?fàn)t實(shí)用氣流方程式的應(yīng)用 上述各氣流公式廣泛用于計(jì)算或分析焦?fàn)t通道內(nèi)相對(duì)壓力、阻力和浮力的關(guān)系。如: (1)按推焦前吸氣管下方的炭化室底部相對(duì)壓力保持05Pa的規(guī)定,計(jì)算集氣管壓力。 (2)按上升氣流看火孔保持相對(duì)壓力-5+5Pa的規(guī)定,計(jì)算蓄熱室頂部吸力(爐外壓力減同一水平的爐內(nèi)壓力P為吸力)。 (3)焦?fàn)t用貧煤氣加熱時(shí),分析和計(jì)算煤氣蓄熱室和空氣蓄熱室頂部吸
11、力的相互關(guān)系,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,4)根據(jù)蓄熱室頂部和底部的吸力差,分析格子磚的堵塞情況。 (5)空氣蓄熱室進(jìn)風(fēng)門(mén)開(kāi)度,煤氣蓄熱室孔板大小或廢氣開(kāi)閉器的翻板開(kāi)度對(duì)蓄熱室頂部吸力的影響。 (6)大氣溫度明顯變化時(shí),改變蓄熱室進(jìn)風(fēng)門(mén)開(kāi)度以穩(wěn)定蓄熱室頂部吸力的必要性。 (7)蓄熱室換向間隔時(shí)間內(nèi)頂部吸力的變化及原因分析。 (8)煙囪吸力和煙囪高度的計(jì)算。 對(duì)以上計(jì)算,現(xiàn)舉例加以說(shuō)明,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,例9-2 焦?fàn)t調(diào)火中,用廢氣開(kāi)閉器進(jìn)風(fēng)口斷面開(kāi)度或廢氣開(kāi)閉器翻板調(diào)節(jié)燃燒系統(tǒng)流量時(shí),系統(tǒng)中各點(diǎn)相對(duì)壓力的變化。 解:如圖9-5,以廢氣開(kāi)閉器進(jìn)風(fēng)口斷面減小為例,分析從進(jìn)風(fēng)口外到下降
12、氣流廢氣開(kāi)閉器翻板后,分煙道翻板前各點(diǎn)相對(duì)壓力的變化。進(jìn)風(fēng)口外即大氣的相對(duì)壓力為,在無(wú)風(fēng)情況下為零,分煙道的相對(duì)壓力在個(gè)別系統(tǒng)調(diào)節(jié)稍有變化時(shí),因有煙道吸力自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置維持定值而不變。從1到7點(diǎn)列出循序上升與下降氣流公式如下: =,圖9-5 焦?fàn)t加熱系統(tǒng)示意圖,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,式中 和 保持不變,個(gè)別系統(tǒng)少量調(diào)節(jié)時(shí),燃燒系統(tǒng)內(nèi)溫度變化不大,各段浮力變化很小,故 基本不變。 是1-2,2-3,3-4,4-5,5-6,6-7各段阻力之和,進(jìn)風(fēng)口斷面減小時(shí), 加大,但 不變,故 必減小。2-7各處斷面不變。阻力系數(shù)基本不變,則 2-7的氣體流量必減小。再看各點(diǎn)相對(duì)壓力,因進(jìn)風(fēng)口斷面減小,
13、 突降(或吸力突增),在氣體流量減小、 保持一定、2-7各處斷面不變的條件下,3-7、4-7、5-7、6-7的阻力均降低,顯然愈接近7點(diǎn),降低值愈少。相應(yīng)的 、 、 、 也下降,但愈接近7點(diǎn),下降值愈小,且2-7之間任意兩點(diǎn)間的壓力差也減小,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,關(guān)小廢氣盤(pán)翻板的開(kāi)度,同樣可以減少加熱系統(tǒng)的流量,但這時(shí)2-6各點(diǎn)的相對(duì)壓力均增加(吸力降低),愈接近1點(diǎn),相對(duì)壓力的增加值愈少,但1-6之間任意兩點(diǎn)間的壓力差仍減小,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,第二節(jié) 煙囪的原理和計(jì)算 一、煙囪的工作原理 煙囪的作用在于使其根部產(chǎn)生足夠吸力,克服焦?fàn)t加熱系統(tǒng)阻力(包括分煙道阻力)和下降氣流
14、段熱浮力,從而使?fàn)t內(nèi)廢氣排出,空氣吸入。爐內(nèi)上升氣流熱浮力則有助于氣體流動(dòng)和廢氣排出。煙囪根部吸力靠煙囪內(nèi)熱廢氣的浮力產(chǎn)生,其值由煙囪高度和熱廢氣與大氣的密度差決定。煙囪的工藝設(shè)計(jì)主要是根據(jù)加熱系統(tǒng)的阻力和浮力值確定根部需要的吸力值,并據(jù)此計(jì)算煙囪高度和直徑,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,1)煙囪根部所需吸力按焦?fàn)t進(jìn)風(fēng)口至煙囪根部列出的循序上升與下降氣流公式確定。因進(jìn)風(fēng)口處相對(duì)壓力為零,故可得煙囪根部所需吸力可通過(guò)下面確定: 因 : = 0 所以: = + - (9-10) 式中 -進(jìn)風(fēng)口至煙囪根部的總阻力; 、 -從進(jìn)風(fēng)口至煙囪根部所有上升氣流段熱浮力總和及下降氣流段熱浮力總和,煉焦?fàn)t的氣體
15、力學(xué)原理及其應(yīng)用,2) 一定高度的煙囪能產(chǎn)生的根部吸力按根部至煙囪頂口的上升氣流公式確定。因 ( )=0,故可得煙囪根部能產(chǎn)生的吸力為: = - (9-11) 式中 -煙囪熱浮力; -煙囪根部至煙囪頂口外的總阻力。 綜合式(9-10)和(9-11)可以說(shuō)明,煙囪所需吸力與加熱煤氣種類有關(guān),咽囪能產(chǎn)生多大的吸力與煙囪的高度、熱廢氣密度和大氣密度有關(guān)。用焦?fàn)t煤氣加熱時(shí),系統(tǒng)阻力小,煙囪根部所需吸力也小,而且廢氣密度小,一定高度的煙囪浮力較大,故而能產(chǎn)生較大的吸力。用高爐煤氣加熱則相反。所以設(shè)計(jì)煙囪高度時(shí),對(duì)復(fù)熱式焦?fàn)t要按高爐煤氣加熱計(jì)算,并考慮必要的儲(chǔ)備吸力,以保證提高生產(chǎn)能力的可能。當(dāng)焦?fàn)t爐齡較
16、長(zhǎng)時(shí),由于系統(tǒng)堵、漏現(xiàn)象比較嚴(yán)重,也就需要較大的吸力。生產(chǎn)中要避免或盡力減輕加熱系統(tǒng)堵塞、漏氣,并防止煙道積灰和滲水。當(dāng)用高爐煤氣加熱時(shí),若煙囪吸力不足,可摻入少量焦?fàn)t煤氣加熱,以降低加熱系統(tǒng)阻力,并增加煙囪浮力,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,二、煙囪計(jì)算 1煙囪直徑 煙囪直徑的確定取決于廢氣通過(guò)煙囪的阻力和煙囪的投資費(fèi)用,適當(dāng)增大煙囪直徑則阻力小而吸力增大,但消耗建材多,投資大。煙囪頂部直徑 按下式計(jì)算: = , 式中 -焦?fàn)t排出的廢氣量 ,m3/h; -煙囪出口處廢氣的流速(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)),m/s,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,與由此確定的煙囪直徑和阻力,應(yīng)按煙囪投資加以權(quán)衡,作出選擇。流速大
17、,煙囪直徑可減小,但阻力大,煙囪高度將增加。減小流速則相反。一般 取34m/s。 煙囪根部直徑 可根據(jù) 和煙囪錐度確定。對(duì)鋼筋混凝土煙囪: = +20.01 ,m (9-12) 式中 0.01煙囪錐度。 對(duì)于磚砌煙囪: =1.5,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,2煙囪高度 煙囪的高度使產(chǎn)生的浮力保證煙囪根部有足夠的吸力Z1(Z1=-a根),并足以克服廢氣通過(guò)煙囪的阻力為z2 ,還必須考慮必要的備用吸力(z3=50Pa或z3=0.15z1)即 煙囪高度可按下式計(jì)算: (9-13) 式中 、 空氣和廢氣在0oC下的密度,kg/m3; 、 沿?zé)焽韪呦虼髿夂蜔焽鑳?nèi)廢氣的平均溫度,K,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理
18、及其應(yīng)用,高原地區(qū)大氣壓較低,設(shè)計(jì)煙囪高度時(shí),還需考慮大氣壓的校正,據(jù)波義耳定律PV=P0V0可得: ,=0 ,阻力項(xiàng) ,浮力項(xiàng) 。則煙囪計(jì)算時(shí),和中各阻力項(xiàng)和浮力項(xiàng)分別以上述公式作氣壓校正為 后。則煙囪高度為: (9-14) 式中 P-為當(dāng)?shù)卮髿鈮?,MPa; P0-標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,取.0.1013MPa 例9-3 42孔58-型焦?fàn)t,根據(jù)加熱系統(tǒng)阻力和浮力的計(jì)算,煙囪根部需要的吸力Z=284.4Pa.考慮到漏氣,在煙囪中空氣過(guò)剩系數(shù)=1.5。1m干高爐煤氣燃燒產(chǎn)生的濕廢氣量為2.01m/(m煤氣)。廢氣密度 kg/m3,每個(gè)炭化窒需供給的高爐煤氣量平均按0.246m/s計(jì),煙囪入口處的廢氣溫度2
19、40,大氣溫度35,兩座焦?fàn)t合用一個(gè)煙囪,計(jì)算煙囪的工藝尺寸,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,解: 每座焦?fàn)t的濕廢氣量為: 0.2462.0142=20.64m3/s 則兩座焦?fàn)t的廢氣量為: 20.462=41.28m/s 煙囪出口處的廢氣流速取 =3.2m/s,則煙囪頂部?jī)?nèi)徑為: = m,取4m 煙囪底部?jī)?nèi)徑 : = +20.01 =4+20.01100=6m(設(shè)煙囪高度為100m) 煙囪內(nèi)廢氣的平均流速: 煙囪頂部廢氣通過(guò)的截面積: =12.57m2。煙囪底部廢氣通過(guò)的截面積: m2,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,式中 0.49為煙囪底部隔墻厚度,m。 則煙囪的平均斷面積為: m2 廢氣在煙
20、囪中的平均流速: m/s 煙囪的平均直徑: m 煙囪中廢氣的平均溫度:當(dāng)煙囪壁厚為0.5m時(shí),每1m高煙囪內(nèi)廢氣溫度的下降量可按下式計(jì)算: 式中 A系數(shù),取A=0.6; D煙囪的平均外徑,m,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,m /m 則煙囪出口處的廢氣溫度為:240-1000.25=215 煙囪內(nèi)廢氣的平均溫度為: 廢氣通過(guò)煙囪時(shí)的摩擦阻力為 ,摩擦系數(shù) 則阻力系數(shù) = Pa,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,煙囪出口突然擴(kuò)大阻力 煙囪出口處廢氣流速: m/s 取突然擴(kuò)大阻力系數(shù)K=1(因?yàn)?,式中 為煙囪出口外大氣,所以為無(wú)限大,則 Pa 故煙囪本身的阻力 Pa 取備用吸力: 15 =0.1528
21、4.4=42.66Pa 煙囪應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生的總吸力為: =284.4+19.34+42.66=346.4Pa,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,煙囪的高度為: H= m 取煙囪的高度為100m,此計(jì)算結(jié)果與前面的假設(shè)基本一致。 上述計(jì)算所得煙囪高度是在大氣壓為 Pa時(shí),由于空氣和廢氣的密度需作壓力校正,則當(dāng)大氣壓力為 時(shí), 煙囪的高度應(yīng)為: ,m 煙囪不應(yīng)建在山旁和風(fēng)口處,以免受風(fēng)的影響。兩座焦?fàn)t合用一個(gè)煙囪,可以節(jié)約建筑材料和投資,并加快施工進(jìn)度,但此時(shí)煙囪底部應(yīng)設(shè)橫隔墻,以防兩座焦?fàn)t在交換時(shí)吸力影響過(guò)大,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,三、阻力、壓力差與氣體流量的對(duì)比關(guān)系 1阻力、氣體流量和性質(zhì)的對(duì)比
22、關(guān)系式 焦?fàn)t在己知生產(chǎn)條件下,加熱系統(tǒng)某段的阻力為: 當(dāng)生產(chǎn)條件改變后,該段阻力為: 兩者之比為: (9-15) 式中 、 相應(yīng)條件下的阻力系數(shù); 、 氣體流速,m/s,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,氣體流量,m3/h; 、 氣體密度,kg/m3; 、 絕對(duì)溫度,K; F 通道截面積,m2。 由于上式為對(duì)比關(guān)系式,故計(jì)算時(shí)不必算出通過(guò)該段的實(shí)際流量,只需按同一基準(zhǔn)計(jì)算生產(chǎn)條件變化前后的流量即可。為了方便,通常以1個(gè)炭化室所需熱量作基準(zhǔn),即 = = ,m3/s (9-16) 式中 煉焦耗熱量,kJ/kg; 炭化室裝煤量,t; 周轉(zhuǎn)時(shí)間,h,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,C每供給焦?fàn)t1000kJ熱
23、量所需氣體流量,m3/1000kJ,C在焦?fàn)t不同部位可以是煤氣量、空氣量或廢氣量,分別以C煤,C空和C廢表示。 C煤 = ,C空= L實(shí)= ,C廢 = V廢 式中 加熱煤氣低發(fā)熱值,kJ/m3 ; L實(shí)、 燃燒1m3煤氣所需實(shí)際和理論空氣量,m3/(m3煤氣); V廢 燃燒1m3煤氣所生成的廢氣量, m3/(m3煤氣,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,由式(9-15)和式(9-16)可得 (9-17) 對(duì)于某一區(qū)段(斜道,火道等),流過(guò)的氣體量,密度相同,溫度也可取平均值,因此該區(qū)段阻力為若干阻力之和,式(9-15)和(9-17)仍適用,即: = = ( )2 (9-18) 2壓力差是流量的指標(biāo)
24、對(duì)整個(gè)燃燒系統(tǒng)有(由循序上升與下降氣流公式轉(zhuǎn)化): = - + 生產(chǎn)上 、 可準(zhǔn)確測(cè)出,若再測(cè)出各區(qū)段氣體溫度,則上升和下降段的浮力就不難計(jì)算,而利用上式可求出加熱系統(tǒng)有關(guān)區(qū)段的阻力 。當(dāng)加熱系統(tǒng)上升段與下降段浮力差為零時(shí),煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,0 則 = - (9-19) 上式說(shuō)明在符合上升段與下降段的浮力差為零的條件下,兩點(diǎn)間的壓力差等于氣體通過(guò)該通道的阻力。此式適用于異向氣流蓄熱室頂之間,因上升段立火道與斜道的總浮力一般僅比下降段大1Pa左右,故可視為相等。此式也適用于機(jī)、焦側(cè)高爐煤氣主管至廢氣開(kāi)閉器的通道,因管內(nèi)高爐煤氣與外界空氣的密度與溫度均很接近,故浮力為零。此式用于進(jìn)風(fēng)口
25、至分煙道整個(gè)加熱系統(tǒng)時(shí),就有偏差,因下降段總浮力大于上升段總浮力,且各蓄熱室的堵漏情況和阻力系數(shù)等也有差異,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,同一通道,在同一燃燒系統(tǒng)兩種生產(chǎn)條件下,氣體的流動(dòng)方向一致而爐內(nèi)調(diào)節(jié)裝置不動(dòng)時(shí), = ,同時(shí) = ,則可得: = = (9-20) 上式表明在一定條件下,阻力或壓力差是流量的指標(biāo)。 例9-4 已知高爐煤氣熱值 kJ/Nm3,焦?fàn)t煤氣熱值 kJ/Nm3,用高爐煤氣加熱時(shí),煉焦耗熱量 kJ/kg,用焦?fàn)t煤氣加熱時(shí), 煉焦耗熱量 kJ/kg,=1.25,對(duì)JN43型焦?fàn)t用高爐煤氣加熱時(shí)煤氣斜道阻力為24Pa,求用焦?fàn)t煤氣加熱時(shí)的斜道阻力,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)
26、用,解:在同一斜道中k=k則 式中 、 為同一斜道在分別供入煤氣、空氣時(shí)阻力Pa,因 , , 。 對(duì)于高爐煤氣: 對(duì)于焦?fàn)t煤氣 (燒焦?fàn)t煤氣時(shí),空氣由兩個(gè)蓄熱室供給,故通過(guò)一個(gè)斜道的空氣量為總量的1/2,根據(jù)物料衡算,燒1m3焦?fàn)t煤氣在=1.25時(shí)所需的實(shí)際空氣量m3)。 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下高爐煤氣: kg/m3,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下濕空氣: kg/m3 將上面各式代入,則有 Pa 例9-5某58型焦?fàn)t, 焦?fàn)t煤氣加熱時(shí),結(jié)焦時(shí)間 h、 ,測(cè)得蓄熱室頂部吸力:上升氣流為44Pa,下降氣流為55Pa,計(jì)算結(jié)焦時(shí)間為 h的蓄熱室頂部吸力。 解: 上升與下降氣流的阻力和(壓力差,煉焦?fàn)t的
27、氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,上升與下降氣流斜道阻力比 當(dāng) 時(shí),燃燒 1m焦?fàn)t煤氣所需的實(shí)際空氣量 m3/(m3煤氣),產(chǎn)生的廢氣量為 m3/(m3煤氣)。并設(shè)0時(shí)的濕空氣密度為 kg/m3,廢氣的密度 kg/m3。 上升氣流斜道溫度為1050(空氣溫度), 下降氣流斜道溫度為1350(廢氣溫度)。 此外由于上升氣流時(shí),氣流由斜道進(jìn)入火道時(shí)的擴(kuò)大阻力系數(shù)大于下降氣流時(shí)立火道進(jìn)入斜道的突然縮小阻力系數(shù)。并考慮到斜道的其它局部阻力系數(shù),58-型焦?fàn)t斜道上升與下降氣流的阻力系數(shù)K上與K下之比,根據(jù)斜道各項(xiàng)阻力系數(shù)可確定為 則上升與下降氣流的阻力比為,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,結(jié)焦時(shí)間18h的斜道阻力分配
28、 Pa Pa 結(jié)焦時(shí)間17h的斜道阻力 可按(9-18)計(jì)算,式中除耗熱量和結(jié)焦時(shí)間不同外,其它均相同,故 設(shè)結(jié)焦時(shí)間由18h改為17h,耗熱量增加2.5,則: Pa Pa 結(jié)焦時(shí)間17h的斜道總阻力為5.69+6.82=12.51Pa,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,結(jié)焦時(shí)間17h的蓄熱室頂部吸力 結(jié)焦時(shí)間改變后, 上升氣流斜道的阻力增加了5.69-5=0.69Pa。為了保持看火孔壓力不變,上升氣流蓄熱室頂部吸力應(yīng)降低(或壓力增加)0.69Pa,則上升氣流蓄熱室頂部吸力44-0.69=43.31Pa,下降氣流蓄熱室頂部吸力為43.31+12.51=55.82Pa,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,
29、第三節(jié) 焦?fàn)t的廢氣循環(huán) 一、廢氣循環(huán)的意義和原理 焦?fàn)t立火道采用廢氣循環(huán)可以降低煤氣中可燃成分和空氣中氧的濃度,使燃燒過(guò)程變慢,并增加氣流速度,從而拉長(zhǎng)火焰。它有利于焦餅上下加熱均勻,改善焦炭質(zhì)量,縮短結(jié)焦時(shí)間,增加產(chǎn)量并降低煉焦耗熱量。還可以通過(guò)增加炭化室高度和容積,提高焦?fàn)t勞動(dòng)生產(chǎn)率,降低單位產(chǎn)品的基建投資,故大型焦?fàn)t廣為采用廢氣循環(huán)技術(shù)。 下降氣流火道底部的吸力雖然大于上升氣流火道底部的吸力,但依靠以下推動(dòng)力,可以將部分廢氣由下降氣流火道底部經(jīng)循環(huán)孔抽入上升氣流火道。 (1)火道底部由斜道口及燒嘴噴出煤氣和空氣流所產(chǎn)生的噴射力,將下降氣流的廢氣吸入上升氣流火道。 (2)因上升氣流火道溫度
30、一般比下降氣流火道溫度高而產(chǎn)生的熱浮力差,使下降氣流的廢氣吸入上升氣流火道,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,二、廢氣循環(huán)的基本方程式 動(dòng)量原理指出:“流體在穩(wěn)定流動(dòng)時(shí),作用于流體某一區(qū)域上的外力在某一坐標(biāo)軸方向上的總和,等于在此區(qū)域兩端單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)的流體在該方向上的動(dòng)量變化”。由此可分析圖9-6中虛線區(qū)域煤氣和空氣進(jìn)入火道時(shí)噴射作用所引起的動(dòng)量變化,圖9-6 焦?fàn)t廢氣循環(huán)示意圖,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,B面上的動(dòng)量為G煤w煤 +G空w空 式中 G煤、G空由斜道口(或燒嘴)噴出的煤氣、空氣質(zhì)量流量,kg/s; w煤、w空由斜道口(燒嘴)噴出的煤氣、空氣實(shí)際流速,m/s。 “1”面上的動(dòng)量為
31、(G廢+G環(huán))w廢+環(huán) 式中 G廢+G環(huán) ,w廢+環(huán)廢氣及吸入的循環(huán)廢氣質(zhì)量流量(kg/s)和流速(m/s); 作用于虛線區(qū)域的合力為: A火,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,式中 、 作用于B面和1面上的壓力,Pa; A火立火道斷面積,m2。 則 (G廢+G環(huán))w廢+環(huán) - (G煤 .w 煤 +G空.w空 )= A火 將此式換算為0oC下的體積流量和密度,可得 , Pa 式中 體積流量m3/s,符合右下角注字,分別表示廢氣,煤氣和空氣; 密度,kg/m3,符號(hào)意義同上; 廢氣循環(huán)量占燃燒廢氣量的百分率,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,A截面積,m2。右下角注字“煤斜”指煤氣斜道,燒焦?fàn)t煤氣時(shí)用燒
32、嘴,“空斜”指空氣斜道; T絕對(duì)溫度,K。右下角注字“上廢”指上升氣流火道中廢氣平均溫度,其他同上。 上式只說(shuō)明煤氣和空氣噴射力對(duì)廢氣循環(huán)的作用,為進(jìn)一步分析廢氣循環(huán)量和火道中氣體流動(dòng)時(shí)阻力和浮力的關(guān)系,由圖9-6可列出1-H間的循序上升與下降氣流方程式: = - ,Pa 由于和可視作同一水平,故等式左右均用外界大氣壓相減,并簡(jiǎn)化得 - , Pa,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,式中: 火道高度,m; 上升氣流火道底至下降氣流火道底的氣流阻力。 將上兩式相加,整理后可得 + =(PH-PB)+ (9-21) 式(9-21)左邊第一、二、三、四頂分別為煤氣噴射力、空氣噴射力、火道中廢氣的剩余噴射力
33、、上升火道和下降火道的浮力差,分別以符號(hào) 、 、 、 表示。等式右邊的( )即循環(huán)孔阻力它與 之和即總阻力 ,則式(9-21)可寫(xiě)成,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,實(shí)際上廢氣循環(huán)量還取決于燒嘴、斜道和循環(huán)孔的位置,但在理論公式中難于計(jì)入。 三、廢氣循環(huán)量的計(jì)算 例9-6 按JN43型焦?fàn)t以焦?fàn)t煤氣加熱,計(jì)算其廢氣循環(huán)量。 原始數(shù)據(jù):炭化室裝煤量為18t干煤,周轉(zhuǎn)時(shí)間17h,相當(dāng)耗熱量2342kJ/kg, =17910kJ/Nm3 。火道內(nèi)火焰溫度1650oC,上升氣流火道頂部廢氣溫度1440oC,下降氣流廢氣平均溫度 1360oC,進(jìn)入立火道空氣溫度1200oC,焦?fàn)t煤氣出燒嘴時(shí)溫度600oC
34、, =1.285kg/m3, =0.45 kg/m3 , =1.208kg/m3,=1.2,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,解:(1)流量計(jì)算 進(jìn)入一個(gè)燃燒室干煤氣流量: =138.457m3/h 進(jìn)入一個(gè)火道的干煤氣流量: m3/s 其中供入端部二個(gè)火道的煤氣量分別為中部的1.2 、1.4倍; 按20.C飽和水汽含量為2.35%,進(jìn)入火道的濕煤氣流量: m3/s =1.2時(shí),進(jìn)入火道的濕空氣量: 0.002635.328=0.014m3/s 式中 5.328飽和溫度20相對(duì)濕度0.6時(shí),1m干煤氣燃燒需濕空氣量,m/m,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,進(jìn)入火道的廢氣量: 0.002636.026
35、=0.0159m3/s 式中 6.026上述條件下1m干煤氣燃燒產(chǎn)生的濕廢氣量,m/m。 (2)爐體主要尺寸(按平均值) 火道斷面:0.4930.35.=0.1726m2 斜道出口斷面:0.0840.08=0.00672m2 跨越孔斷面:0.3210.186=0.0597m2 循環(huán)孔斷面:0.3210.158=0.0507m2 火道高度:3.6m 火道當(dāng)量直徑:0.409m 燒嘴出口斷面: (0.048)=0.0018m2,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,3) 總推力計(jì)算 煤氣出口噴射力: = Pa 空氣出口噴射力 Pa 剩余噴力 ,Pa 上升與下降火道浮力差 =H =3.61.208273 9
36、.81=0.726Pa 式中 采用火焰溫度與上升氣流頂部溫度的平均值,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,4)總阻力計(jì)算 上升氣流火道阻力,取=0.05 = =0.05 =0.015(1+ )2 , Pa 下降氣流火道阻力: = = ,Pa 跨越孔阻力:包括兩個(gè)轉(zhuǎn)彎和出入跨越孔時(shí)的縮小和擴(kuò)大阻力。,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,0.330(1+ )2 式中由于考慮了擴(kuò)大和縮小阻力,故按火道斷面處的流速計(jì)算轉(zhuǎn)彎阻力, 循環(huán)孔阻力: = =0.432x2,Pa (5) 廢氣循環(huán)量計(jì)算 按式(10-23)有:0.750.0335+0.586-0.0683(1+)2+0.726= (0.015+0.0135+0.330)(1+)2+0.4322,煉焦?fàn)t的氣體力學(xué)原理及其應(yīng)用,整理后得:0.8422+0.819-0.7815=0 解上式得:59.3(%) 四、廢氣循環(huán)和防止短路的討論 (1) 廢氣循環(huán)推動(dòng)力 用焦?fàn)t煤氣加熱時(shí),按上例焦?fàn)t煤氣和空氣的有效噴射力為0.750.0335+0.586-0.0683(1+0.593)2=0.335Pa,而Pa,說(shuō)明浮力差大于有效噴射力。但當(dāng)減小燒嘴直徑和斜道口斷面時(shí),噴射力將增加;當(dāng)氣體預(yù)熱溫度降低或交換時(shí)間縮短(使上升與下降火道氣流溫差減?。r(shí),浮力
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