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时间：2021年x月x日

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焦炉的热平衡及热工评定
一、焦炉的物料平衡及热平衡
焦炉的物料平衡计算是设计焦化厂最基本的依据，也是确定各种设备操作负荷和经济估算的基础。而焦炉的热平衡是在物料平衡和燃烧计算的基础上进行的。通过热平衡计算，可具体了解焦炉热量的分配情况，从理论上求出炼焦耗热量，并得出焦炉的热效率和热工效率，因此对于评定焦炉热工操作和焦炉炉体设计的是否合理都有一定的实际意义。为了进行物料衡算，必须取得如下的原始数据：
(1)精确称量装入每个炭化室的原料煤量，取3～5昼夜的平均值，同时在煤塔取样测定平均配煤水分。干煤和配煤水分为焦炉物料衡算的入方。
以下为焦炉物料平衡的出方：
(2)各级焦炭产量。标定前要放空焦台和所有焦槽的焦炭，标定期间应准确计量冶金焦、块焦和粉焦(要计入粉焦沉淀池内的粉焦量)的产量。并对各级焦炭每班取平均试样以测定焦炭的水分，并考虑到水分蒸发的损失量，然后计算干焦产量。
(3)无水焦油、粗苯、氨的产量，通常按季度或年的平均值确定，不需标定。
(4)水汽量按季或年的多余氨水量的平均值确定。
(5)干煤气产量由洗苯塔后(全负压操作流程为鼓风机后)的流量表读数确定，并进行温度压力校正。
在计算时一般以1000kg干煤或湿煤为基准。以下列出某厂焦炉炭化室物料平衡的实际数据。如表8—9所示。

根据物料平衡和温度制度，计算出各种物料带入焦炉和带出焦炉的显热和潜热，然后作出焦炉的热平衡计算。具体计算方法可参考有关资料。现列出根据表8-9的物料平衡所作的热平衡计算，如表8-10的数据，并加以分析。

由热平衡可知，供给焦炉的热量有98%来自煤气的燃烧热，故在近似计算中可认为煤气的燃烧热为热量的惟一来源，这样可简化计算过程。在热量出方中，传入炭化室的有效热1～4项占70%，而其中焦炭带走的热量占37.6%，换算到每吨赤热焦炭带走的热量为：

kJ/t焦。此值相当可观。采用干法熄焦此热量可大部分回收。降低焦饼中心温度和提高焦饼加热均匀性可降低此热量。
由水蒸汽带走的热量占16%，故降低配煤水分可以降低此热量。
此外，采取降低炉顶空间温度、上升管加水夹套回收余热等方法可以减少或部分回收煤气、化学产品和水汽带走的热量。
由废气带走的热量也很大，约占18.6%，因此改善蓄热室的操作条件，提高蓄热效率，是降低热量消耗的重要途径之一。
一般散失于周围空间的热量，对于大焦炉约为10%，小焦炉由于表面积大，故散热损失大于10%。
二、焦炉的热效率和热工效率
根据焦炉的热平衡，可进行焦炉的热工评定。由表8-10可见，只有传入炭化室的热量(出方1～4项)是有效的，称为有效热。为了评定焦炉的热量利用程度，以有效热(Q效)占供入总热量(Q总)的百分比称为焦炉的热工效率(η热工)即：
η热工= ×100％ (8-15)
因Q效等于供入焦炉总热量减去废气带走的热量Q废和散失周围空间的热量Q散， 所以：

η热工= ×100％ (8-16)
由于计算Q散比较困难，也可以采用热效率(η热)的方式来评定焦炉的热量利用情况。
η热= ×100％ (8-17)
它表示理论上可被利用的热量占供入总热量的百分比。
通常对现代大型焦炉η热工约为70～75％，η热为80～85％。η热工与η热可从焦炉热平衡中求得。由表8-10可得：
η热工= ×100％=71.4％

η热= ×100％=81.4％

但由于进行热量算衡需要做大量的繁琐的测量、统计和计算工作，通常生产上不进行，而是根据燃烧计算来估算η热工和η热，方法如下：
①计算以1标m3加热煤气为基准。
②在热量入方中，由于煤气的燃烧热(低发热值)和煤气、空气的显热已占总热量99％以上，因此可以近似看作为Q总。煤气低发热值按其组成计算，煤气和空气的显热则根据燃烧计算所得的L实和烟道走廊的温度计算。
③由蓄热室进入废气盘的废气所带出的热量Q废和废气中不完全燃烧产物的燃烧热Q不，可通过取样分析得出的废气组成和测定的废气温度来求得。焦炉的散热损失一般按供入总热量的10％计。则：
η热= ×100％
η热工= ×100％
[例8-3] 某焦炉以Q低=3643kJ／m3的高炉煤气加热，由燃烧计算得，L实=0.843 m3／(m3煤气)，产生的废气量V废=1.757m3／(m3煤气)，煤气温度30oC，烟道走廊的空气温度为35oC，空气的相对湿度为0.6，废气中含CO为0.25％，废气的平均温度为280oC，计算焦炉的η热和η热工。
解 (1) 煤气的燃烧热Q低=3643kJ／(m3煤气)。
(2)煤气带入的显热 煤气温度30oC，查图8-4得c煤=1.352kJ／(m3·℃)，30℃时煤气带入的饱和水汽量为干煤气的4.36％(查表8-3)，30℃时水汽的比热容 = 1.457kJ／(m3·℃)。
Q煤=11.35230+0.043611.45730=42.7kJ／m3
(3)空气带入的显热 35℃时空气的比热容c空=1.277kJ／(m3·℃)，35℃时饱和水汽量为干空气的5.87％，当相对湿度为0.6时，空气中所含水汽量为干空气的0.05870.6=0.0352。
Q空=0.84311.27735+0.84310.03521.45735=39.27kJ／m3
(4)废气带走的热量 废气在280℃时的比热容查图8-4得c废=1.453kJ／(m3·℃)。
Q废=1.7571.453280=713.9kJ／m3。
(5)不完全燃烧的热损失 CO的发热值为12728kJ／m3。
Q不=1.7570.02512728=56.1kJ／m3
则 η热 =
=
=79.33％
若Q效为供入总热量的10％，则
η热工=
=69.4％
三、炼焦耗热量
由焦炉热平衡作热工评定方法比较麻烦，因此生产上广泛采用炼焦耗热量对焦炉进行热工评定。炼焦耗热量是表示焦炉结构的完善程度、焦炉热工操作及管理水平和炼焦消耗定额的重要指标，也是确定焦炉加热用煤气量的依据。
炼焦耗热量是将1kg煤在炼焦炉内炼成焦炭所需供给焦炉的热量。由于采用的计算基准不同，故有下列表示方法。
1.湿煤耗热量
1kg湿煤炼成焦炭应供给焦炉的热量，用q湿来表示，显然湿煤耗热量随煤中水分变化而变化，水分越多，q湿越大。
q湿= ，kJ／(kg湿煤) (8-18)
式中 V0——标准状态下加热煤气的耗量，m3／h；

Q湿——焦炉的湿煤装入量，kg；
Q低——加热用煤气的低发热值，kJ／m3。
2.干煤耗热量
lkg干煤炼成焦炭所消耗的热量。干煤耗热量不包括煤中水分的加热和蒸发所需要的热量，以q干来表示。
每kg水汽从焦炉炭化室带走的热量为：
l00％=51000kJ／(kg水)
式中 2491——lkg水在OoC时的蒸发潜热，kJ／kg；
2.01——为水汽在0～600oC时的平均比热容，kJ／(kg·oC）；
600——从炭化室导出的荒煤气的平均温度，℃；
72.5％——焦炉的平均热工效率，％。
如配煤水分为Mt％(湿基)，则
q湿=q干 +5100
=q干 +51Mt
q干= l00, kJ／(kg干煤) (8-19)
3.相当耗热量
为统一基准，便于比较，提出了相当耗热量这一概念。它是在湿煤炼焦时，以lkg干煤为基准时，需供给焦炉的热量(包括水分加热和蒸发所需热量)，以q相来表示。

,kJ/（kg干煤）(820)

式中 G干——焦炉干煤装入量，kg／h
我国焦炉相当耗热量指标见表8-11。

表8-11数据按每kg捣固煤料，配煤水分7％计。计算加热系统时，考虑使生产留有余地，故规定值较高。
由表可见，焦炉用高炉煤气加热时，相当耗热量高于用焦炉煤气加热。这是因为高炉煤气与焦炉煤气相比，热辐射强度低，废气量大，废气密度高，故废气带走的热量多，通过炉墙和设备的漏损量也大。由于煤料水分常有波动，各厂煤料水分也不相同,故耗热量也不相同。为便于比较，必须将炼焦耗热量换算为同一基准。
水分每变化1％时，相当于湿煤中1％的干煤为1％的水分所取代，故q湿的变化值为 。因q干一般约为2094kJ/kg，q水为5100 kJ/kg，则q湿的变化值为29～33 kJ/kg。
该值的换算方法如下：
当用焦炉煤气加热时，配煤水分7%的q相取大中型焦炉的平均值：
(2345+2596)=2470kJ/kg
按式8-20得：
q湿=q相
=
=2303kJ/kg
配煤水分增加1%时，该湿煤的耗热量增加29kJ，则折算到q相的增加为：
=67kJ
对于高炉煤气，配煤水分取7％时：
q相= (2638+2931)=2785kJ／kg
则 q湿=2785 =2596kJ／kg
故配煤水分增加1％时，q相的增加值为：
=67kJ
我国焦化厂的配煤水分一般为9～10％，由测得的耗热量换算为9％配煤水分的耗热量q换时，可按下列公式计算：
焦炉煤气： q相换=q相-59(Mt-9) (8-21)
q湿换=q湿-29(Mt-9) 8-22)
高炉煤气： q相换=q相-67(Mt-9) (8-23)
q湿换=q湿-33(Mt-9) (8-24)
炼焦耗热量可由焦炉的热平衡得到(按表8-9和8-10)：
q湿= = 2663kJ／(kg湿煤)

q干= 100=2458kJ／(kg干煤)

q相=2663 =2897kJ／[kg干煤(水)]
用焦炉煤气加热时，换算为水分9％时耗热量为：
q湿换=2663-29(8-9)=2692kJ／(kg湿煤)
q相换=2897-59(8-9)=2956kJ／[kg干煤(水)]
由物料平衡和热平衡作炼焦耗热量计算，生产上不可能随时进行，因此可用下式直接作近似计算：
q相= KT·KP·K换 （8-25）
式中 τ—— 炭化室周转时间，h；
V0——煤气流量表数值，m3／h；
Q低——加热煤气的低发热值，kJ／m3；
G——炭化室平均装干煤量，kg/孔；
n——一座焦炉的炭化室孔数；
KT、KP、K换——分别为温度、压力和换向校正系数。
需要进行上述校正的原因是，煤气流量表的刻度是按煤气在某一固定操作条件下(温度、压力、含水量等)由实际煤气流量换算来的，但实际操作时，煤气的温度、压力和含水量不同于流量表刻度时规定的数值，因此需校正。
孔板流量计的计算公式如下：
V0=0.673ad2 (8-26)
式中 a——标准孔板的消耗系数；
d——孔板流通孔直径，cm；
ρ0——标准状态下煤气密度，kg／m3；
f——煤气中水汽含量 (按入炉前煤气温度定) ，kg/m3；
P——煤气的绝对压力，Pa；
T——煤气的绝对温度，K；
h——流量孔板前后的压差，Pa；
V0——煤气流量，m3／h。
对固定的流量孔板a、d的值是一定的，对一定组成的煤气，ρ0也不变。如果实际操作条件和流量表刻度规定的条件一致为P、T和f时，表上的读数是正确的。当实际操作条件为p′、T′和f′时，则对同一压差h，其标准流量将不是V0而是V0′，即：
V0′= 0.673·ad2 m3／h
因此，应按流量表读数Vo校正到实际操作条件下的标准流量Vo′，其关系为：

因f、f′分别由T、T′决定，故令：

所以 Vo′=Vo·KT·KP
故只要把KT、KP制成图表，按煤气的实际温度、压力查取即可。K换是考虑到由于换向时，有一段时间不向焦炉送煤气，则每小时实际进入焦炉的煤气量将小于流量表的读数，因此乘以K换。
K换=
式中 m——一小时内的换向次数；
τ——每次换向焦炉不进煤气的时间，min；
60——每小时60分钟。
则 V0′=V0·KT·K P·K换
[例8-4] 42孔58-Ⅱ型焦炉(450mm)，周转时间18h，用Q低=17920kJ／m3的焦炉煤气加热，煤气温度30oC，主管压力1900Pa，流量表读数为5800m3／h，如流量表的设计压力为3430Pa，设计温度为20OoC，ρ0=0.46kg／m3，换向时间30min，每次换向停止向焦炉供煤气的时间为23.3s，计算炼焦耗热量。
解：查表8-3得，20oC时干煤气含水量f=0.0189kg／m3，30oC时f′=0.0351kg／m3。
则 KT=
如大气压力为101325Pa时得：
P′=101325+4900=106225Pa
P=101325+3430=104755Pa
KP=
K换= =0.987
则 q相= kJ/[kg干煤(水)]
用炼焦耗热量评定焦炉热工操作的主要缺点是：当炭化室墙漏气时，由于荒煤气在燃烧室内燃烧，使加热用煤气量减少，计算的耗热量降低，实际耗热量未能真实地反应出来。
四、降低炼焦耗热量、提高焦炉热工效率的途径
综上所述，可采取下列措施以降低炼焦耗热量，并提高焦炉的热工效率。
1.降低焦饼中心温度
从表8-10可知：焦炭带走的热量占供入总热量的37.6％，是热量出方中最大的部分。焦饼中心温度由1050oC降到1000oC，炼焦耗热量可以降低约46kJ／kg。但降低焦饼中心温度必须以保证焦炭质量为前提。调节好炉温，使焦饼同时均匀成熟，正点推焦是降低炼焦耗热量的重要途径。
2.降低炉顶空间温度
这就要求装满煤，减少煤气在炉顶空间的停留时间，并在保证焦饼高向加热均匀的前提下，尽可能降低焦饼上部温度。
3.降低配合煤水分
由前述可知，配煤水分每变化l％时，q相将相应增减59～67kJ／kg。例如：一座42孔的58-Ⅱ型焦炉，每孔装干煤量为18t，周转时间18h，则每小时处理煤量为 =42000kg／h，当水分增加1％时，耗热量增加约为42000×(59～67)=2478000～281400OkJ／h，相当于Q低=3643kJ／m3的高炉煤气770m3/h，或
Q低=17920kJ/h的焦炉煤气140m3／h，可见耗热量数值之大。
配煤水分的变化，不仅对耗热量影响很大而且还影响焦炉加热制度的稳定和焦炉炉体的使用寿命。水分的波动也会引起煤料堆密度的变化，从而影响焦炉的生产能力，同时水分波动频繁时，调火工作就跟不上，易造成焦炭过火或不熟，并且还可能发生焦饼难推。故规定和稳定配煤水分是焦炉正常操作条件之一。
4.选择合理的空气过剩系数
当焦炉用高炉煤气加热、而空气过剩系数较低时，煤气由于燃烧不完全，废气中含有CO。如废气中含有1%的CO，则煤气由于不完全燃烧而引起的热损失为:
当焦炉用高炉煤气加热、而空气过剩系数较低时，煤气由于燃烧不完全，废气中含有CO。如废气中含有1%的CO，则煤气由于不完全燃烧而引起的热损失为:
12728 ×1%=127kJ/(m3废气)
或 127× 1.757=223kJ/(m3煤气)。
式中 12728——CO的燃烧热，kJ/(m3CO)；
1.757——Q低为热值为3643kJ/ m3的高炉煤气燃烧产生的废气量，m3/(m3煤气)。
也就是相当于 100%=6.13%的热量没有被利用而浪费掉了，虽然提高空气过剩系数会使废气带走的热量增加，但它和不完全燃烧而损失的热量相比是很小的。如废气中每增加1％的氧气，则相当于随废气带走的热损失为：
0.01×（100/21）× 280×1.45=19.4kJ／(m3废气)
或 19.4×1.757=34kJ／(m3煤气)
式中 280——废气温度，oC；
1.45——280oC时废气的比热容，kJ／(m3·oC)。
即相当于 10％=0.953％的热量损失掉了。由此可见，在一定的条件下提高空气过剩系数可使耗热量降低。但当α增加到足以使煤气完全燃烧时，再增加α就会使废气带走的热量增加，导致炼焦耗热量增加，同时，由前面的分析得知，α的变化还会引起火焰长短的变化，从而影响焦炉高向加热均匀性。因此在焦炉的热工操作中，选择适宜的空气过剩系数十分重要，并应力求保持稳定。
5.降低废气排出温度
降低废气排出温度，可以提高焦炉的热工效率，降低炼焦耗热量。废气温度的高低与火道温度、蓄热室的蓄热面积、气体沿格子砖方向的分布、换向周期、炭化室墙和蓄热室墙的严密性等因素均有关。
搞好调火，使全炉加热火道温度均匀，就可以降低火道温度的规定值，从而降低废气温度。增加蓄热面积可降低废气温度。如58-Ⅱ型焦炉用九孔薄壁型格子砖比六孔格子砖的蓄热面积增加1／3，根据实测，废气温度可由原300oC约降至250oC～260oC，耗热量降低59～75kJ／kg。

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