关于发生炉煤气置换焦炉加热煤气的探讨

俞吉清

摘 要：该文从煤气的组成、燃烧热衡算和加热特征进行了计算和分析，对于采用单热式加热的焦炉，可采用水煤气来部分代替或全部（在焦炉负荷在70%以下）代替焦炉煤气给焦炉加热。

关键词：焦炉加热 煤气置换 水煤气

中图分类号：x757 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）05（c）-0055-02

1 问题的提出

为了实现剩余焦炉煤气的综合利用，增加企业利润，目前很多焦化厂都建设了焦炉煤气制取甲醇装置，甲醇装置的建成投产也确实为企业创造了一定利润。然而，近年随着焦化行业产能过剩，主要产品焦炭基本上处于亏损，企业的利润持续下滑甚至亏损，多数焦化企业逼迫大幅度减产，企业为了保证焦炉用气，不得不将甲醇装置停产，这使得企业的亏损进一步增加。

笔者设想不用改造原有的焦炉和甲醇装置，而通过采用更廉价的发生炉煤气置换出焦炉加热用焦炉煤气（焦炉自身加热用的焦炉煤气占其所产焦炉煤气的40%～50%），来保证甲醇装置的运行。

2 煤气的分类、组成、热值和密度

加热焦炉用的煤气有焦炉煤气、高炉煤气、发生炉煤气、脱氢煤气和混合煤气等。在现代钢铁联合企业中焦炉煤气因热值高，用途多，而高炉煤气产量大，热值低，用途少，一般采用高炉煤气和焦炉煤气的混合煤气加热焦炉，独立焦化企业因气源单一，基本上采用自身的净化焦炉煤气加热焦炉。

2.1 加热煤气的分类

2.1.1 焦炉煤气

是制取焦炭时产生的副产品，简称焦炉气，是炼焦用煤在炼焦炉的炭化室内进行干馏时，在高温作用下，经过复杂的物理和化学反应在炭化室顶部空间形成的，而后经过回收化学产品和净化（脱煤焦油、脱硫、洗氨、脱苯、脱萘等）得到可燃气体。其产率和组成因炼焦煤质和焦化过程条件不同而有所差别，主要由氢气和甲烷构成，并有少量一氧化碳、二氧化碳、氮气、氧气和其他烃类，其组成主要决定于煤气在炭化室析出途径上所经受的温度、停留时间及装炉水分，具体组分见表1。

2.1.2 高炉煤气

是高炉炼铁过程中产生的副产品，是焦炭在高炉内燃烧并与二氧化碳反应生成的一氧化碳将铁矿石中的铁氧化物还原，而形成的有大量的过剩的一氧化碳混和气体，其成分和热值与高炉所用的燃料、所炼生铁的品种及冶炼工艺有关。其主要成分为：CO，CO2，N2、H2、CH4等，其中可燃成分CO含量约占25%左右，具体组分见表1。

2.1.3 发生炉煤气

发生炉煤气是用固体含碳燃料（煤炭和气焦）作原料，在发生炉内获得的一种煤气。用于制造发生炉煤气的气化剂为空气、水蒸汽。按使用气化剂的不同，可制得不同组分和性质的发生炉煤气，通常分为空气煤气、混合煤、水煤气、富氧煤气。

a空气煤气

空气煤气由于固体燃料仅与空气中的氧反应得到的，所得气体中可燃成份主要为一氧化碳，故其热值低。

b水煤气

水煤气是由水蒸汽和高温碳或气焦反应得到的。所得煤气中CO和H2均较高，热值较高，成本高设备复杂。一般作为合成氨原料气使用。

c混合煤气

混合煤气综合了空气煤气和水煤气的特点，以水蒸汽和空气的混合物鼓入发生炉中，制得比空气煤气热值高，比水煤气热值低的混合发生炉煤气，简称发生炉煤气。这种煤气目前被广泛用作各种工业炉的加热燃料。

高炉煤气、焦炉煤气和发生炉煤气的大致组成见表1。

煤气中的H2、CH4、CO和CmHn（主要是C2H4）为可燃成分。N2、CO2及饱和水蒸汽为惰性组分。由加热煤气的组成表中数据可知，焦炉煤气的可燃成分达90%以上，主要是H2和CH4，高炉煤气的可燃成分30%左右，主要是CO，含大量的N2。发生炉煤气的可燃成分介于焦炉煤气和高炉煤气之间。煤气的组成是决定煤气燃烧特征的基本原因，各种煤气的组成因原料性质、设备和操作条件而异。

2.2 煤气热值

煤气中可燃成分的低热值（kJ/m3）为：

CO——12730；H2——10840；CH4——35840；CmHn——71170

，kJ/m3

式中C、H2、CH4、CmHn——煤气中相应成分的体积，%。

经计算几种煤气热值见表2。

2.3 煤气密度

标准状态下煤气密度（ρ0）可按煤气组成用加和性计算。

，kg/m3

式中（MWi）——煤气中某成分的分子量

Xi——煤气中某成分的体积，%

经计算几种煤气密度见表3。

3 煤气的燃烧温度的计算——燃烧热衡算

焦炉加热用的煤气在燃烧室立火道底部与空气汇合燃烧，火道中火焰和产生的热废气的热量通过对流和热辐射向炉墙传递。废气温度的高低取决于煤气组成、空气过剩系数、煤气和空气的预热程度及热量向周围介质传递的情况等多种因素。该温度可通过热平衡计算。

3.1 实际燃烧温度

煤气燃烧时产生的热量除了使废气温度升高和传给周围介质（主要指通过炉墙传给炭化室煤料和通过炉墙向周围空间的散热），还使废气中的部分CO2和H2O发生离解反应，其实际燃烧温度应扣除CO2和H2O离解所吸收的热量和传给周围介质的热量部分。

为便于计算，按1 m3煤气燃烧时的热来计算燃烧温度。

（1）输入热量：

①煤气带入燃烧室的热量，kJ/m3

式中cg——tg℃时煤气的比热，kJ/（m3·℃）

tg——进入燃烧室的煤气温度，℃

②空气带入燃烧室的热量，kJ/m3

式中L实——实际空气量，m3endprint

ca——ta℃时煤气的比热，kJ/（m3·℃）

ta——进入燃烧室的空气温度，℃

③加热煤气燃烧产生的化学热，即热值Q低，kJ/m3

（2）输出热量：

①废气离开燃烧室带走的热量，kJ/m3

式中V——废气量，m3

cp——tp℃时废气的比热，kJ/（m3·℃）

tp——离开燃烧室的废气温度，即实际燃烧温度，℃

以上cg、ca、cp 、可根据各种气体与水汽的平均比热用加和法计算得到。

②废气通过炉墙传给炭化室煤料的热量Q放

③废气和通过炉墙向周围空间的散热 Q散

④废气中由于加热煤气燃烧不完全存在CO造成的热散失

，kJ/m3；

式中——废气中因不完全燃烧而含CO量，m3/m3

⑤废气中部分CO2、H2O发生离解反应消耗的热量

，kJ/m3；

式中——废气中CO2、H2O含量，m3/m3

——CO2、H2O的离解度

（3）热平衡：输入热量=输出热量

故实际燃烧温度

，℃

式中表明实际燃烧温度不仅与加热煤气性质有关，还与燃烧条件、燃烧室结构、入炉煤性质、结焦等因素有关，很难精确计算。

3.2 理论燃烧温度

为便于比较加热煤气的燃烧温度，假设a煤气完全燃烧，即QCO=0；b废气不向周围介质传热，即Q放=0，Q散=0。在这种条件下煤气燃烧使废气达到的温度称理论燃烧温度t理。

，℃

经计算，几种加热煤气的理论燃烧温度见表4。

3.3 热值燃烧温度

若Q分=0，此时废气达到的温度称热值燃烧温度t热，它是理论上能达到的最高燃烧温度。一般t热比t理高200～300 ℃，t理比t实高250～400 ℃。

从中看出，在相同的加热煤气物理热和空气物理热下，加热煤气热值愈大，废气量愈小，燃烧温度愈高。焦炉煤气和水煤气可燃成分比较高，故热值高，提供一定热量的煤气量少，产生的废气量也少，燃烧温度高。高炉煤气、空气煤气、混合煤气不可燃成分约占50%～70%，故热值低，提供一定热量所需煤气量多，产生的废气量也多，如不预热，难以达到焦炉所需的燃烧温度。

从煤气的燃烧热平衡计算看出，水煤气和焦炉煤气的理论燃烧温度相差不大，水煤气可不经预热用于焦炉，说明水煤气可以替代焦炉煤气给焦炉加热。

4 煤气的加热特性

焦炉煤气和水煤气由于H2占50%以上，故燃烧速度快、火焰短，煤气和废气的密度较低。用焦炉煤气和水煤气加热焦炉时，加热系统阻力小，炼焦耗热量低。

高炉煤气、空气煤气、混合煤中主要可燃成分是CO，占比只有30%左右，故燃烧速度慢，火焰长，加热系统阻力大，炼焦耗热量高，且须经蓄热室预热到1000 ℃以上， 才能满足燃烧室温度的要求。

从煤气的加热特征说明，水煤气是焦炉煤气的理想置换加热燃料。

5 结语

水煤气热值比较高且理论燃烧温度满足焦炉燃烧室温度的要求。从技术方面来说，对于采用单热式加热的焦炉，可采用水煤气来部分代替或全部（在焦炉负荷在70%以下）代替。

水煤气可以利用焦化企业自身的焦粉来制取，以降低煤气成本。发生炉产生的煤气经除尘后可利用焦炉煤气净化装置与焦炉煤气合并到一起去脱除杂质。

参考文献

[1] 王德祖.高炉煤气置换焦炉煤气用于焦炉加热[J].冶金动力，1997（1）.

[2] 施沛润.高炉煤气置换焦炉煤气加热技术在JN43—80型焦炉的应用[J].柳钢科技，1998（4）.endprint

ca——ta℃时煤气的比热，kJ/（m3·℃）

ta——进入燃烧室的空气温度，℃

③加热煤气燃烧产生的化学热，即热值Q低，kJ/m3

（2）输出热量：

①废气离开燃烧室带走的热量，kJ/m3

式中V——废气量，m3

cp——tp℃时废气的比热，kJ/（m3·℃）

tp——离开燃烧室的废气温度，即实际燃烧温度，℃

以上cg、ca、cp 、可根据各种气体与水汽的平均比热用加和法计算得到。

②废气通过炉墙传给炭化室煤料的热量Q放

③废气和通过炉墙向周围空间的散热 Q散

④废气中由于加热煤气燃烧不完全存在CO造成的热散失

，kJ/m3；

式中——废气中因不完全燃烧而含CO量，m3/m3

⑤废气中部分CO2、H2O发生离解反应消耗的热量

，kJ/m3；

式中——废气中CO2、H2O含量，m3/m3

——CO2、H2O的离解度

（3）热平衡：输入热量=输出热量

故实际燃烧温度

，℃

式中表明实际燃烧温度不仅与加热煤气性质有关，还与燃烧条件、燃烧室结构、入炉煤性质、结焦等因素有关，很难精确计算。

3.2 理论燃烧温度

为便于比较加热煤气的燃烧温度，假设a煤气完全燃烧，即QCO=0；b废气不向周围介质传热，即Q放=0，Q散=0。在这种条件下煤气燃烧使废气达到的温度称理论燃烧温度t理。

，℃

经计算，几种加热煤气的理论燃烧温度见表4。

3.3 热值燃烧温度

若Q分=0，此时废气达到的温度称热值燃烧温度t热，它是理论上能达到的最高燃烧温度。一般t热比t理高200～300 ℃，t理比t实高250～400 ℃。

从中看出，在相同的加热煤气物理热和空气物理热下，加热煤气热值愈大，废气量愈小，燃烧温度愈高。焦炉煤气和水煤气可燃成分比较高，故热值高，提供一定热量的煤气量少，产生的废气量也少，燃烧温度高。高炉煤气、空气煤气、混合煤气不可燃成分约占50%～70%，故热值低，提供一定热量所需煤气量多，产生的废气量也多，如不预热，难以达到焦炉所需的燃烧温度。

从煤气的燃烧热平衡计算看出，水煤气和焦炉煤气的理论燃烧温度相差不大，水煤气可不经预热用于焦炉，说明水煤气可以替代焦炉煤气给焦炉加热。

4 煤气的加热特性

焦炉煤气和水煤气由于H2占50%以上，故燃烧速度快、火焰短，煤气和废气的密度较低。用焦炉煤气和水煤气加热焦炉时，加热系统阻力小，炼焦耗热量低。

高炉煤气、空气煤气、混合煤中主要可燃成分是CO，占比只有30%左右，故燃烧速度慢，火焰长，加热系统阻力大，炼焦耗热量高，且须经蓄热室预热到1000 ℃以上， 才能满足燃烧室温度的要求。

从煤气的加热特征说明，水煤气是焦炉煤气的理想置换加热燃料。

5 结语

水煤气热值比较高且理论燃烧温度满足焦炉燃烧室温度的要求。从技术方面来说，对于采用单热式加热的焦炉，可采用水煤气来部分代替或全部（在焦炉负荷在70%以下）代替。

水煤气可以利用焦化企业自身的焦粉来制取，以降低煤气成本。发生炉产生的煤气经除尘后可利用焦炉煤气净化装置与焦炉煤气合并到一起去脱除杂质。

参考文献

[1] 王德祖.高炉煤气置换焦炉煤气用于焦炉加热[J].冶金动力，1997（1）.

[2] 施沛润.高炉煤气置换焦炉煤气加热技术在JN43—80型焦炉的应用[J].柳钢科技，1998（4）.endprint

ca——ta℃时煤气的比热，kJ/（m3·℃）

ta——进入燃烧室的空气温度，℃

③加热煤气燃烧产生的化学热，即热值Q低，kJ/m3

（2）输出热量：

①废气离开燃烧室带走的热量，kJ/m3

式中V——废气量，m3

cp——tp℃时废气的比热，kJ/（m3·℃）

tp——离开燃烧室的废气温度，即实际燃烧温度，℃

以上cg、ca、cp 、可根据各种气体与水汽的平均比热用加和法计算得到。

②废气通过炉墙传给炭化室煤料的热量Q放

③废气和通过炉墙向周围空间的散热 Q散

④废气中由于加热煤气燃烧不完全存在CO造成的热散失

，kJ/m3；

式中——废气中因不完全燃烧而含CO量，m3/m3

⑤废气中部分CO2、H2O发生离解反应消耗的热量

，kJ/m3；

式中——废气中CO2、H2O含量，m3/m3

——CO2、H2O的离解度

（3）热平衡：输入热量=输出热量

故实际燃烧温度

，℃

式中表明实际燃烧温度不仅与加热煤气性质有关，还与燃烧条件、燃烧室结构、入炉煤性质、结焦等因素有关，很难精确计算。

3.2 理论燃烧温度

为便于比较加热煤气的燃烧温度，假设a煤气完全燃烧，即QCO=0；b废气不向周围介质传热，即Q放=0，Q散=0。在这种条件下煤气燃烧使废气达到的温度称理论燃烧温度t理。

，℃

经计算，几种加热煤气的理论燃烧温度见表4。

3.3 热值燃烧温度

若Q分=0，此时废气达到的温度称热值燃烧温度t热，它是理论上能达到的最高燃烧温度。一般t热比t理高200～300 ℃，t理比t实高250～400 ℃。

从中看出，在相同的加热煤气物理热和空气物理热下，加热煤气热值愈大，废气量愈小，燃烧温度愈高。焦炉煤气和水煤气可燃成分比较高，故热值高，提供一定热量的煤气量少，产生的废气量也少，燃烧温度高。高炉煤气、空气煤气、混合煤气不可燃成分约占50%～70%，故热值低，提供一定热量所需煤气量多，产生的废气量也多，如不预热，难以达到焦炉所需的燃烧温度。

从煤气的燃烧热平衡计算看出，水煤气和焦炉煤气的理论燃烧温度相差不大，水煤气可不经预热用于焦炉，说明水煤气可以替代焦炉煤气给焦炉加热。

4 煤气的加热特性

焦炉煤气和水煤气由于H2占50%以上，故燃烧速度快、火焰短，煤气和废气的密度较低。用焦炉煤气和水煤气加热焦炉时，加热系统阻力小，炼焦耗热量低。

高炉煤气、空气煤气、混合煤中主要可燃成分是CO，占比只有30%左右，故燃烧速度慢，火焰长，加热系统阻力大，炼焦耗热量高，且须经蓄热室预热到1000 ℃以上， 才能满足燃烧室温度的要求。

从煤气的加热特征说明，水煤气是焦炉煤气的理想置换加热燃料。

5 结语

水煤气热值比较高且理论燃烧温度满足焦炉燃烧室温度的要求。从技术方面来说，对于采用单热式加热的焦炉，可采用水煤气来部分代替或全部（在焦炉负荷在70%以下）代替。

水煤气可以利用焦化企业自身的焦粉来制取，以降低煤气成本。发生炉产生的煤气经除尘后可利用焦炉煤气净化装置与焦炉煤气合并到一起去脱除杂质。

参考文献

[1] 王德祖.高炉煤气置换焦炉煤气用于焦炉加热[J].冶金动力，1997（1）.

[2] 施沛润.高炉煤气置换焦炉煤气加热技术在JN43—80型焦炉的应用[J].柳钢科技，1998（4）.endprint