1、炼焦炉的传热,第十章,炼焦炉的传热,第一节 焦炉内传热第二节 炉墙和煤料的传热第三节 蓄热室传热,炼焦炉的传热,第一节 焦炉内传热 焦炉火道中火焰和热废气的热量通过对流和辐射向炉墙传递，废气温度最高达14001600C，焦炉煤气燃烧过程中因热解而产生的高温游离碳有强烈的辐射能力，故辐射传热量占90%95%。火道中气流速度较慢，故对流传热量仅占5%10%。一、对流传热 稳定对流传热量可用牛顿冷却定律计算：，kJ/ h (10-1) 式中 单位时间内热废气向炉墙的平均对流传热量，kJ/h； 对流给热系数，kJ/（m2h）；、废气和炉墙表面的平均温度，； 传热面积，m2。,炼焦炉的传热,火道中气体流
2、动包括强制对流和热浮力引起的自然对流，其对流给热系数，可分别按以下关系计算。强制湍流： （10-2）强制层流： （10-3）自然对流： （10-4） 式中 火道的水力直径， m；废气的热导率，kJ/（mhr）；Re废气的雷诺准数；废气的普兰特准数；,炼焦炉的传热,废气的格拉斯霍夫准数 ；废气 比热容，kJ/（m3）；废气黏度，Ns/m2；废气与墙面的温差，；废气热膨胀系数，-1。 将式（10-2），（10-3），（10-4）代入式（10-1）得 湍流时 （10-5） 层流时 （10-6）,炼焦炉的传热,近似计算时，可按以下气体在粗糙砖通道内流过时的计算式计算。 ， kJ/（m2h） （10-7
3、） 式中 通道内气体在标准状态下的流速，m/s； 通道内气体平均温度，K。 二、辐射传热1气体辐射的一般计算焦炉火道中热废气向炉墙的传热属于气体向包围住它的固体表面间的辐射热交换过程。由传热学已知，气体被当作灰体时，它的辐射能力服从斯蒂芬一波尔茨曼定律。,炼焦炉的传热,，W/m2 （10-8） 式中 绝对黑体的辐射能力，W/m2；气体的黑度； 5.76绝对黑体的辐射常数，W/（m2K4 ）。是辐射气体分压、气层厚度和温度的函数，即 。焦炉废气中的主要辐射成分为CO2和H2O，它们的黑度 和 可由图10-1和10-2查取。图中表示0.1MP的总压下，CO2和H2O气的黑度 与 及的关系。 单位为
4、MPa， 单位为m。由于分压 对水汽黑度的影响要比 的影响大些，所以计算时，由图10-2查出的 还要乘上由图10-3查出的、和分压 有关的校正系数 ，即为 。,炼焦炉的传热,图10-1 CO2黑度曲线图,炼焦炉的传热,当气体中同时含有CO2和 时，混合气体的黑度为：（10-9）式中 是CO2和H2O气的辐射波长部分重合，辐射能相互吸收而减小的校正值。一般废气中该值不大，仅0.020.04，可忽略不计，只在精确计算或 值很大时才考虑，可从有关资料查取。,图10-2 H2O黑度曲线图,图10-3 H2O黑度校正系数 图,炼焦炉的传热,气层有效厚度决定于气体的体积和形状，当气体与包围着它的固体表面进
5、行辐射热交换时，可按下式计算（10-10） 式中 充满辐射气体的容器体积，m3；包围气体的全部器壁面积，m2；气体辐射有效系数。说明气体辐射能经过气体自身吸收后达到器壁的比值。它与待求的黑度及容器体积、形状有关，一般为0.851.0，对立方体或球体 =0.9。,炼焦炉的传热,由于气体吸收与辐射的选择性，气体的吸收率不仅决定于气体的 和 ，还决定于落入气体内辐射能的光谱。由于落入气体的辐射光谱来自包围住气体的固体外壳，因此这些辐射光谱取决于器壁的温度 。据实验测定，CO2和H2O的吸收率ACO2和AH2O可按下列近似计算(10-11)(10-12)式中 按 和 由图10-1查取：按 和 由图10
6、-2查取。混合气体的吸收率 ，式中 ，一般可忽略不计。简化计算时，可按 ，只是此时值根据和查取。,炼焦炉的传热,2焦炉火道内的气体辐射气体与包围住它的固体壁面间的辐射热交换可运用有效辐射概念，采用辐射热交换的一般方程式导出。,图10-4 炉墙的有效辐射,炼焦炉的传热,（1）炉墙的有效辐射 如图10-4，焦炉炉墙的温度为 、黑度为 、吸收率为 ，当炉墙与火道内焰气进行辐射热交换时，它的辐射能力为 ，焰气射到炉墙表而上的辐射能力为 ，被其吸收了 ，余下部分 （ ）又反射到焰气中去，因此由炉墙表面射出的总辐射能为 + （ ），称为该表面的有效辐射 ，即= + （ ） （1）由炉墙表面射出的 与焰气射
7、入的 之差称净辐射能 ，即（2） 或 代入式（1）得 = +（ ）（ ） 整理后得： （3）,炼焦炉的传热,由斯蒂芬波一尔曼定律知物体的辐射能力为：，W/m2 （4）将式（4）代入式（3）得： ，W/m2 （5）此式为导出各种辐射热交换的基本公式。（2）火道内焰气的有效辐射热 与上述类同，可导出焰气的有效辐射。，W/m2 （6） 式中 焰气的净辐射能。,炼焦炉的传热,（3）火道内焰气对固体壁面的辐射换热 气体与包围住它的墙面辐射换热时，角度系数为1，即认为全部落在焰气中，全部落在炉墙表面上，故净辐射能为：；即 则由焰气向炉墙的辐射换热量为：（7） 将式（5）、（6）代入式（7）得：,炼焦炉的传
8、热,对一般固体，由克希霍夫定律知 ，因此上式整理得：，W/m2 （10-13）式（10-13）适用于焦炉火道内热废气对炉墙的辐射传热计算。例10-1 某焦炉火道的平均断面为0.4930.350，火道高3.7m，废气中CO2为23.28% ，水汽为4.24%，废气平均温度1500，火道侧墙面平均温度1300，废气量为0.032m3/s，计算废气对炉墙的传热量。（1）对流传热量的计算：火道水力直径 m,炼焦炉的传热,火道内废气流速 m/s 对流给热系数 =7.02，kJ/（m2h）=1.95W/() 对流传热量 W/ （2）辐射传热量 ： 气层厚度为： m 由于火道内气体吸力很小，气体总压可按0.
9、1MPa，计，则MPam=00.0815105PamMPam=00.0815105Pam,炼焦炉的传热,由图10-1查得： =1500时， =0.065=1300时， =0.076由图10-2查得： =1500时， =0.013=1300时， =0.017由图10-3查得，故 ， 表面粗糙的硅砖，其黑度自有关资料查得。由上述数据按式（10-13）可计算得：W/计算表明 ,炼焦炉的传热,同时存在对流和辐射传热时，为计算方便，可以辐射传热 形式表达辐射热交换，即 = ( )，W/，但 只是便于计算及与对流传热比较而引入，并不反映辐射现象本质。CO2和H2O汽的 已制成图10-5，10-6供查取。,
10、图10-5 CO2辐射传热系数,图10-6 H2O辐射传热系数,炼焦炉的传热,第二节 炉墙和煤料的传热 一、稳定热传导及其基本方程式1热传导的基本方程式傅立叶定律此定律是用以说明在确定物体各点间存在温度差时，因热传导而产生热流大小变化的定律。为了说明问题，设想在物体中存在着两个彼此平行的平面，它们的温度在整个平面上是均匀分布的并分别为t和t+dt，如图10-7。平面的面积为F，彼此间的距离为dn，根据傅立叶定律：单位时间内通过给定面积的热量与导热方向的截面积及温度梯度成正比。用算式表示为每小时通过面积F的热量为：，W （10-14）,炼焦炉的传热,图10-7傅立叶定律的说明 图10-8 单层平
11、壁,式中 导热系数，W/（m）；F传热面积，m2；时间，h。 式中负号表示热量传递方向与温度梯度的方向相反。,炼焦炉的传热,2平壁稳定热传导下面讨论热传导中最简单的平壁稳定热传导。当稳定热传导中，单位时间内传热量（不随时间而变）为定值，则式（10-14）中的 可以用Q代之。若为单层传热，则垂直于热流的面积F不随时间而变，平壁厚为，已知平壁的两个表面分别维持均匀而一定的温度t1和t2，取坐标轴如图10-8。则给定的边界条件是：n=0， t=t1 ， n= ， t=t2。 温度只沿与表面垂直的n的方向发生变化，因此温度场是单向一度的。假设材料的导热系数是常数，以壁内两个等温面化定一个厚度为dn的微
12、元层，根据导热基本定律，对这个薄层 分离变数后即得：,炼焦炉的传热,按上述的边界条件积分上式得：（10-15）此式为单层平壁稳定热传导的基本方程式。二、焦炉内的热传导通过燃烧室墙传给煤料的热量，可按单层平壁稳定热传导方程（付立叶定律）近似计算。，W （10-16）式中 炉墙导热系数（ 硅砖和黏土砖的 如表10-1），W/m；炉墙厚度，m；炉墙面积，m2； 、 火道侧和炭化室侧炉墙的平均温度。,炼焦炉的传热,例10-2 某焦炉立火道侧炉墙温度（平均）为1100，炭化室侧炉墙温度为950，黏土砖炉墙厚度 =0.09m，试计算每m2炉墙1小时的传热量。解：由表10-1查得：黏土砖的导热系数 =1.2
13、8,炼焦炉的传热,则传热量： = =2133.3W/m2 如炭化室墙改成硅砖，硅砖的导热系数=1.88则传热量： = =3133.3W/m2即传热速度为黏土砖的 =1.47倍显然，采用强度高、导热系数大的高密度硅砖砌筑的减薄炉墙，可以增大传热速率，缩短结焦时间，提高焦炉生产能力。由10-16可知，炭化室墙愈薄传热愈快，一般炉墙厚度每改变1mm，结焦时间约变化56min，但考虑到炉墙的蓄热作用和墙体的强度，炭化室墙不宜太薄，我国大中型焦炉炭化室墙厚度一般100105mm，小型焦炉为9095mm。,炼焦炉的传热,三、不稳定传热的基本概念和结焦时间的计算1不稳定传热的基本概念用稳定传热的基本概念来确
14、定炭化室炉墙的平均传热量，并不能反映焦炉炉墙和煤料的热流变化情况和温度变化情况。因炉墙和煤料各层的温度和热流随时间而变，属于不稳定传热，当炉墙和煤料看成是由单向传热的等温面组成的平壁时，其温度是该等温面所在的距离和时间的函数，即：式中 、 、 分别为温度、时间和距离（厚度）。 研究单向导热的不稳定传热主要是解决 、 和 三者之间的关系。就焦炉炉墙和煤料而言，也就是要解决火道温度、结焦时间和炭化室宽度（包括炉墙厚度）之间的关系。,炼焦炉的传热,通过对煤料在炭化室内不稳定传热的理论推导，可以得到以下表示火道温度、焦饼中心温度、炭化室宽度和结焦时间的关系式：（10-17）式中 分别表示火道温度、焦饼
15、中心温度和入炉煤料的温度，；取决于准数（与准数的关系如表10-2）；煤料、炉墙的导热系数，kJ/（mh）；炭化室宽度之半与炉墙的厚度，m；,炼焦炉的传热,FO导热准数（傅立叶准数），反映时间对传热的影响；煤料的导温系数，m2/h；结焦时间，h。煤料的导温系数中，c为煤料的比热容， 为煤料的密度，为煤料的导热系数。它代表物体所具有的温度变化能力。,炼焦炉的传热,2结焦时间的计算（1）库拉克夫法 由式（10-17），当结焦终了时 ，则 或 （10-18）库拉克夫通过对不同结构焦炉上测得的炼焦耗热量，焦饼中心温度和火道温度的数据，利用式（10-18）计算出结焦炉料 和 与焦饼中心温度的关系，如图（1
16、0-9）（10-10）。,图10-9 结焦炉料的平均有效导热系数与焦饼中心温度的关系,图10-10 结焦炉料的平均有效导温系数与焦饼中心温度的关系,炼焦炉的传热,库拉克夫还绘制了不同炉墙厚度条件下的 与 的关系图（10-11），以利结焦时间或火道温度的计算。（2）郭树才法 大连理工大学郭树才于1964年得出以式（10-18）为基础，通过六种类型30个硅砖焦炉的实际生产数据，并用以下公式计算炉墙和煤料的热物理参数：炉砖导热系数 ， kJ/（mh）煤料导热系数 ，kJ/（mh）煤料导温系数 ，m2/h,炼焦炉的传热,得到相应的Bio准数，并以下述指数式关联 、Bi和 ：由30个生产数据的数理统计，
17、求出系数A、B、C，得出以下关联式（10-19）,炼焦炉的传热,上式为二元一次线性方程，对于一定的 Bio 准数，在对数坐标上， 与 呈线性关系，据此将式（10-19）制成图10-12，以利计算。（3）费洛兆波法 根据炭化室炉墙和煤料双层平壁不稳定导热平衡的简化方程：炉墙 （1）煤料 （2）,炼焦炉的传热,在下列单值条件下，对上述方程进行分解 火道侧墙面： 处， （定值）； 炭化室侧墙面： 处， ， ； 炭化室中心处： 处， ； 时，在 处，；在0 处， 。 可得到与式（10-18）相同的公式（式中 ）：（10-20）,炼焦炉的传热,式中和由以下方程确定：(10-21)(10-22) 式中 ；
18、 ； 式（10-22）中，对于一般焦炉，则式（10-21），（10-22）可绘制成图10-13，图10-14的算图。,炼焦炉的传热,近似估算时，考虑炉墙用硅砖的热物理性质基本一致，则，m2/h例10-3 某硅砖焦炉的炭化室宽度2 =450mm，炉墙厚 =100mm， =1050，立火道换向后20s温度为1350，换向期间火道温度下降60，装炉煤堆密度 =740kg/m2，装炉煤温度to=20，在炉墙温度下硅砖导热率 =6.2kJ/（mh）。计算结焦时间。,炼焦炉的传热,(1) 库拉克夫法 由图10-11，10-12，查得 =1050时， =4.93 kJ/（mh），=40 10-4m2/h；故
19、 Bi= =2.83由表10-2可查得 =1.1729； =1.2048，则 h,炼焦炉的传热,（2）郭树才法 kJ/（mh）kJ/（mh）m2/hh（3）费洛兆波法 =38.4/h,炼焦炉的传热,查图10-13，10-14得 ，则 得 h,炼焦炉的传热,第三节 蓄热室传热一、蓄热室的传热及其计算1蓄热室传热的特点焦炉蓄热室的作用是回收废气的热量，即蓄热室内通过废气时，格子砖被加热，换向后，格子砖将蓄积的热量传给空气或贫煤气。因此格子砖是热量的传递者，由于定期换向，蓄热室各部位的温度在上升气流（格子砖冷却期）和下降气流（格子砖加热期）期间，随时间呈周期变化（图10-15）。加热期间，格子砖表面
20、平均温度逐渐升高，进入蓄热室的废气与格子砖表面间的温度差逐渐降低，传热量减少，使离开蓄热室的废气温度逐渐升高。冷却期间，同样的原因使空气（或贫煤气）的预热温度逐渐降低。因此换向周期过长，传热效率将明显降低。,炼焦炉的传热,蓄热室传热虽不同于壁面两侧冷热流体间的换热过程，但如把蓄热室的加热和冷却看成一个周期，在该周期内废气传给格子砖的热量与格子砖传给冷气体的热量相等。故一个周期内的传热过程，可以看成由废气通过格子砖将热量传给冷气体，其传热量可用间壁换热基本方程式类同的公式计算，即，kJ/周期 （10-23）,图10-15 蓄热室温度变化图,炼焦炉的传热,式中 整个加热与冷却全周期内废气传给冷气体
21、的热量，kJ/周期；废气至冷气体的总传热系数（蓄热室总传热系数），kJ/(m2周期)；格子砖传热面积，m2；废气和冷气体的对数平均温度差，。计算格子砖的换热面积是焦炉设计的主要内容之一，由式10-23可知，要求出F的值，必先算出 、 和 。 值可从废气通过蓄热室的温度降来求出（或冷气体经蓄热室升温而吸收的热量）。关键是求出 和总传热系数 。,炼焦炉的传热,2对数平均温度差蓄热室内炉墙、格子砖和气体的温度均随时间作周期性的变化，用式10-23计算时，把蓄热室传热近似当作稳定传热过程，即把蓄热室的传热量、进出口的废气和冷气体的温度均看成不随时间变化的定值。故 仍可用以下对数平均值公式进行计算。（1
22、0-24） 式中 、 进入和离开蓄热室的废气温度，。、 进入和离开蓄热室的空气或贫煤气温度，。除 外，其他温度均采用整个换向周期内的平均值。,炼焦炉的传热,3蓄热室总传热系数（1）计算式 以全周期分析蓄热室传热过程，传热量可写成如下形式：，kJ/周期 （1） 式中 废气在加热期（ ）内的平均温度，；冷气体在冷却期（ ）内的平均温度，；加热期内废气传给蓄热面（包括格子砖和与气体接触的墙面）的热量为：，kJ/ 周期 （2）,炼焦炉的传热,式中 热废气对蓄对蓄热面的给热系数，kJ/（m2h）；加热期时间，h/周期； 加热期内蓄热面的平均温度，。冷却期内蓄热面传给冷气体的热量为：，kJ/ 周期 （3）
23、 式中 蓄热面对冷气体的给热系数，kJ/（m2h）；冷却期时间，h/周期；冷却期内蓄热面的平均温度，。,炼焦炉的传热,蓄热室忽略热损失时， = + 推导后得：（4）如能求出，即可得K的计算式。按图10-15分析，整理后得：（5） 式中 、 、c 格子砖的半壁厚（m）、密度（kg/m3）和比热容（kJ/kg）；格子砖热利用系数。,炼焦炉的传热,将（4）式代入（5）则得：（10-25） 式中 格子砖内部传热系数， = ，其中 和g均与砖的热导率 和热扩散率有关，可分别由图10-16、10-17查取，图中；加热期、冷却期给热总系数，=0.75（ ）、 =（ ）。,图10-16 格子砖热利用系数 图,炼焦炉的传热,二、提高蓄热室换热效率的途径1选择合理的格子砖几何尺寸，提高单位体积的格子砖的换热面积常用几种格子砖的性能指标如表10-3。,图10-17 格子砖温度系数g图,炼焦炉的传热,2提高格子砖的传热系数KK与 、 、c、 、g成正比例关系，其中g和的值决定于和,由图10-16、10-17可知，导温系数愈大则g和的值愈大。因此增加、c、的值可以提高总传热系数K。3提高蓄热室内气流均匀分布程度，定期清扫格子砖的积灰，能充分发挥格子砖表面的蓄热作用，严密封墙改善绝热，可以避免吸入冷空气，并减少散热。,
