热风炉的热工计算

1 燃烧计算

煤气成分确实定：

表1 已知煤气〔干〕成分〔%〕 种类 成分 CO2 CO 25 H2 CH4 N2 55 共计 100 〔1〕干煤气成分换算成湿煤气成分

假设已知煤气含水的体积百分数，用下式换算：

V湿＝VF×(100－H2O)／100×100％ 〔1〕 假设已知干煤气含水的重量(g/m3)则用下式换算：

V湿＝VF×gH2O〕×100％ 〔2〕

以上两式中

V湿—— 湿煤气中各组分的体积含量，％

VF—— 干煤气中各组分的体积含量，％

H2O——湿煤气中含水体积，％

gH2O——干煤气中含水的重量，g/m3〔忽略机械水含量〕

查“空气及煤气的饱和水蒸汽含量(气压101325Pa)表”知30℃ 时煤气的饱和含水含量为35.10 g/m3，代入式〔2〕即得湿煤气成分，如表2。

表2 煤气成分整理表〔％〕

种类 干成分 湿成分 CO2 CO 25 H2 CH4 N2 55 H2O 合计 100 100 〔2〕煤气低发热量的计算。 煤气中含可燃成分的热效应见表3

表3 3气体燃料中可燃成分的热效应 可燃成分 热效应／KJ CO H2 CH4 C2H4 C2H6 C3H6 C4H10 H2S 煤气低发热量QDW的计算:

3QDWCOH2CH4C2H4+……H2S KJ／m

×23.96 +×1.34+× ＝3240.2785 KJ／m

1

3〔3〕焦炉煤气的加入量计算：

表4 焦炉煤气成分％ 种类 成分 CO2 CO 7 H2 CH4 CmHn N2 共计 100 58 25 3 理论燃烧温度估算：

取炉顶温度比热风温度高200℃，燃烧温度比拱顶温度约高80℃。 则 T理＝T理+200℃+80℃＝1480℃ 所要求的最低发热值： 据经验公式： T理Q低+770

Q低＝〔T理-770〕／0.158＝4494 KJ／m3 加入焦炉煤气量：〔Q焦大约为17000～18500 KJ／m3〕

Q焦COH2CH4C2H4

=18190.47 KJ/m3

V=〔Q低－QDW〕/〔Q焦低－QDW〕=〔4494〕/(18190.47－3240.2785)≈8.4％ 故煤气干成分加入量为 1－8.4％＝91.6％ 则混合煤气成分：

VCO2 ＝18.4％×91.6％＋％×8.4％＝17.1484％ VCO ＝25％×91.6％＋7％×8.4％＝23.488％ VH2 ＝1.4％×91.6％＋58％×8.4％＝6.14％ VCH4＝0.2％×91.6％＋25％×8.4％＝2.2832％ VN2＝55％×91.6％＋3％×8.4％＝50.632％ VCnHm＝％×8.4％＝0.294％ 换算成混合湿煤气成分：

V湿CO2＝VFCO2×gH2O)×100％＝16.43％ V湿CO＝VFCO×gH2O)×100％＝22.51％ V湿H2＝VFH2×gH2O)×100％＝5.9％ V湿CH4＝VFCH4×gH2O)×100％＝2.19％ V湿N2＝VFN2×gH2O)×100％＝48.52％ V湿CnHm＝VFCnHm×gH2O)×100％＝0.28％

表5 混合煤气成分整理表〔%〕 种类 干成分 湿成分 CO2 CO H2 CH4 N2 CnHm H2O 共计 100 100 煤气低发热量的计算：

2

QDWCOH2CH4C2H4＋……H2S

××××

＝4431.09 KJ／m3

〔为简化计算起见，式中将CmHn全部简化看成C2H4—确定成分计算。〕 〔4〕空气需要量和燃烧生成物的计算

1〕空气利用系数b空＝La／Lo，燃烧混合煤气b空为1.1～1.5，计算中取1.10，计算见表6。

表6 燃烧产物体积 煤气 组成 100m 湿气 体积含量〔m〕 33生成物的体积〔m〕 反应式 需氧气 的体积 3O2 CO2 H2O N2 合计 CO2 CO CO2→CO2 CO＋1/2O2→CO2 H2 H2＋1/2O2→H2O CH4＋2O2→CO2＋CH4 2H2O N2 N2→N2 H2O H2O→H2O C2H4＋3O2→2CO2C2H4 ＋2H2O 当b空＝时，空气带入的 69 100 当b空＝时，过剩空气带入的 生成物总量〔m〕 生成物成分〔％〕 3注：为简化计算起见，表中将CmHn全部简化看成—C2H4确定成分计算。 2) 燃烧1m3高炉煤气理论空气量Lo为：

Lo＝21.12／21＝1.006 m3

3

3〕实际空气需要量Ln 为：

Ln×1.006＝1.106 m3

4〕燃烧1m3高炉煤气的实际生成物量V产为：

V产＝1.90 m3

5〕助燃空气显热Q空为：

Q空＝C空×t空×Lo

×20× ＝26.196 KJ

式中C空—助燃空气在t空时的平均热容，KJ／〔m3·℃〕

t空—助燃空气温度，℃

6)煤气显热Q煤为：

Q煤＝C煤×t煤×1

式中C煤—煤气在t煤时的平均热容，KJ／〔m3·℃〕

t煤—煤气温度，℃

Q煤×30×1

＝40.71 KJ

7〕生成物的热量Q产为：

Q产＝〔Q空＋Q煤＋QDW〕／燃烧1m3煤气的生成物体积 〔6—4〕

＝2367.6558 KJ／m3 〔5〕 理论燃烧温度的计算：

t理＝〔Q空＋Q煤＋QDW〕／〔V产C产〕

式中： t理 — 理论燃烧温度，℃

C产— 燃烧产物在t理时的平均热容，KJ／〔m3·℃〕 由于C产的数值取决于t理，须利用已知的Q产，用迭代法和内插法求得t理，其过程如下：

燃烧生成物在某温度的Q产，用下式计算：

Q产=WCO2×VCO2+ WH2O×VH2O+ WO2 ×VO2+ WN2×VN2 KJ/m

式中：WtCO2、WtH2O、WtO2、WtN2分别为气体CO2、H2O、O2、N2，在压力为101KPa，温度为t℃时的焓值，KJ／m，可从附录表中查得：VCO2、VH2O、VO2、VN2分别为1m生成物中该气体的含量，m。先设理论燃烧温度为1200℃、1300℃、1400℃、1500℃，查表得，在各温度下的焓值，见表7。

表7 CO2、H2O、O2、N2在1200℃、1300℃、1400℃、1500℃下的焓值 KJ／m

4

3ttttt3

333温度／℃ 1200 1300 1400 1500 1600 3276 3522 20 2129 2012 据表6的生成物成分，分别计算出各温度时的生成物热量热量 KJ／m3 温度／℃ 1200 1300 1400 1500 。

表8CO2、H2O、O2、N2在1200℃、1300℃、1400℃、1500℃下的生成物

上述生成物的实际热量Q产为2367.6558 KJ／m3，可见其理论燃烧温度介于1400℃～1500℃之间，按内插法求得理论燃烧温度t理为：

t理＝1400＋〔2367.6558－2324.2〕×100/〔2526.63－〕

≈1488℃

2简易计算

已知：高炉有效容积2500m3，每立方米高炉有效容积蓄热室应具有加热面

积取80m2〔一般80～90m2〕，n=4座。

〔1〕热风炉全部加热面积为80×2500=200000m2，则每座热风炉蓄热室所占加热面积为：200000/4=5000m2。

〔2〕热风炉内径：选取外壳直径9m，炉壳钢板厚度20mm，绝热砖厚70mm，填料层厚80mm，耐火砖厚345mm，

故内径是：D1=9.0－2×〔0.345+0.07+0.08+0.0020〕=m

〔3〕热风炉总断面积F1×2〕÷m2

一般燃烧室占热风炉总断面积的25%～30%，本例取28%，则燃烧室面积：

F2×m2，

蓄热室横断面积为：

F3m2

蓄热室格子砖与炉墙和隔墙之间留有膨胀缝20-30mm，一般此膨胀缝面积占热风炉炉墙内空横断面积的2.0%-2.5%，今取2.5%，扣除膨胀缝面积后，格子砖所占横断面积F4为：

5

F4=32.73-45.46*2.5%=2

〔4〕燃烧室选苹果型〔既复合型〕[1]，取半圆部分片燃烧室断面58%则： R2×12.73 R=21

20.5812.73=2.17m

取R′=校核燃烧室断面积：

F燃=1/2××2+1/2××1.502××2

m2

m2

×256 mm

一个七孔砖的面积：〔0.256-0.0〕×m2 ÷0.04256=742〔块〕

单个格子砖断面孔数为12个，蓄热室断面上总格孔数：742×12=04〔个〕 一米长格孔的加热面积：1××m2 ×m2

格子砖高度：50000÷1202.04= 〔6〕其他尺寸：

1〕 底板支柱及炉箅子：热风炉炉壳底板为普碳钢板，地板钢板厚度为25mm，炉箅子厚度加支柱高度为3000mm。

2〕 炉墙中上部：炉壳20mm+耐酸喷涂料60mm+硅藻土砖115mm+耐火纤维毡40mm+轻质高铝砖230mm+高铝砖230mm=695mm。

炉墙下部：炉壳25mm+耐酸喷涂料50mm+硅藻土砖65mm+轻质粘土砖114mm+粘土砖345mm=599mm。

3〕 拱顶采用两个球面结合的拱顶结构，拱顶钢壳厚度为20mm，取上部球形拱顶钢壳内径为3850mm，砌体内半径为3040mm,球顶中心角为120。，球顶砌体中心标高要低60mm,取下部球拱顶钢壳半径为11700mm,砌体内半径为9115mm，取下部球形曲面起点水平面到上部球形砌体中心垂直高度为2000mm。

拱顶耐火砌体从钢壳到内侧面依次为：

钢壳20mm+耐酸喷涂料50mm+硅酸铝耐火纤维50mm+硅藻土砖65mm+硅酸铝耐火纤维50mm+轻质粘土砖114mm+轻质高铝砖114mm+高密度高铝砖345mm=808mm。

拱顶采取大帽子结构，大帽子直径部分高度取5300mm，炉墙伸入大帽子3800mm，大帽子直段部分砌体〔不含炉墙〕厚度〔炉壳至内侧面〕为：

炉壳20mm+喷涂料50mm+硅藻土砖65mm+硅酸铝耐火纤维毡40 mm+轻质粘土砖114 mm+高铝砖345 mm=798 mm。

6

拱顶曲面砌体空间高度与其下部砖体内直径比为〔2000+3042〕/9000=0.56,比较稳定。

蓄热室格子砖上沿至拱顶上段球形砌砖中心距为3800mm,格子砖上沿比燃烧室隔墙上沿低300mm,以利于烟气进入蓄热室分布均匀。

4〕 燃烧室隔墙及燃烧器：燃烧室井墙砌筑两层耐火砖加4毫米耐火合金钢和一层隔热砖，总厚度为577mm，燃烧器采用磷酸盐耐热混凝土套筒式陶瓷燃烧器，燃烧器全高为7525mm,空气喷出口24个，一次进风口8个，空气喷出口中心角为60.。

炉子总高度为：全高=格子砖上缘到球顶砌砖的中心距离+拱顶的内径半径+炉顶钢板后+炉底钢板厚+格子砖高度+球顶与炉壳之间膨胀缝+支柱及炉箅子高度+找水平泥层+炉顶砌砖厚度

H=3800+3850+20+25+41600+25+3000+808=53128mm=53.13m

核检：H/D=53.13/9=5.9 它在4～6之间，是稳定的。

3砖量计算

有以上条件可知：

七孔砖厚：150mm÷0.15=277〔层〕 则总砖量为：277×742=205761〔块〕

大墙高度=53310-20-3850-3800-450-25=44405m 采用以下砖配合砌筑： 上中部 楔形转 型号 长*宽*厚 外层选用 230*(75/65)*114 内层选用 230*(75/55)*75 下部〔18m外层用砖 114*(75/65)*230 以下〕 内层用砖 345*(75/55)*75 上中部砖量：

总高度44405-18000=205mm 外层总层数：205÷114=231.62(层) 一层耐火砖用量：

楔形砖[4]：X=×2a/(b-b1)=×2×230/(75-65)=144〔块〕 直形砖[4]：y=〔d-b1X〕/b=(×7840-65×144)/150=102〔块〕 则上中部外层总砖量：〔144+102〕×232=56979〔块〕 内层总层数：205÷75=352(层)

直型砖 型号 长*宽*厚 230*150*114 230*150*75 114*150*230 345*150*75 7

一层耐火砖用量：

楔形砖：X=×2a/(b-b1)=×2×230/(75-55)=72〔块〕 直形砖：y=〔d-b1X〕/b=(×7610-55×72)/150=133〔块〕 则上中部外层总砖量：〔72+133〕×352=72174〔块〕 下部用砖计算：

外层总层数：18000÷230=78(层) 一层耐火砖用量：

楔形砖：X=×2a/(b-b1)=×2×114/(75-65)=72〔块〕 直形砖：y=〔d-b1X〕/b=(×7840-65×72)/150=133〔块〕 则上中部外层总砖量：〔72+133〕×78=15990〔块〕 内层总层数：18000÷75=240(层) 一层耐火砖用量：

楔形砖：X=×2a/(b-b1)=×2×345/(75-55)=108〔块〕 直形砖：y=〔d-b1X〕/b=(×7610-65×108)/150=113〔块〕 则上中部外层总砖量：〔133+113〕×240=59040〔块〕 则总用砖量为：56979+72174+15990+59040=204183〔块〕

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