焦炉设计计算要点.docx

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焦炉设计计算要点

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焦炉设计计算要点

1 依据

在方案论证中必须指出设计依据。

设计依据分二种情况：

钢铁联合企业焦炉多为复热式焦炉，设计计算以高炉煤气加热为主。

独立焦化厂焦炉以单热式焦炉为主，设计计算以焦炉煤气加热为主。

并注意设计计算均以焦侧为主。

2 主要公式

2.1 炉孔数和炉组的最后确定

（1）焦炉的生产能力与炉孔数计算

总炉孔数 N=100 ⨯ G ⨯τ

365 ⨯ 24 ⨯ 0.95 ⨯V ⨯ ρ ⨯ k

式中N——总炉孔数目，个；

G——干全焦的年产量，万吨/年；

V——炭化室有效容积 ，m3/孔；

ρ——堆煤密度，t/m3；

K——全焦率，%；

ϕ ——考虑到炭化室检修时的减产系数，0.95；

τ ——焦炉周转时间,h。

 注意焦炉周转时间是受多个因素影响的复杂因

素，必须作充分论证讨论。

单孔装煤量 G0=ρ·Vt/孔。

设计好总炉孔数后，必须再复算焦炉的实际生产能力 M，万吨全焦/年。

（2）机械装备水平

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焦炉配套机械

推焦车装煤车熄焦车拦焦车

生产用

备用

2.2 蓄热室计算

2.2.1 流量分配比的确定

在焦炉设计中这部分容是最重要的，该部分计算有错误的话，下面容将要全部

反攻重算。

高炉煤气与焦炉煤气加热计算有所不同。

（1）机、焦侧气流流量分配比（即耗热比）

Q

焦 =

Q

机

V

焦 =

V

机

B

L

2

造成机、焦侧流量不同一般有三个主要原因：

①锥度方向引起的装煤量不同.

②装煤量不同，但机焦侧焦饼要同时成熟，故焦侧焦饼温度比机侧温度要高

15～20℃

③废气热损失，焦侧比机侧大，故焦侧耗热量比机侧要大。

按经验值，后两个原因造成的差比为 1.05～1.06 倍，当炭化室锥度为 50mm

时，气流比：

500 + 525

焦侧气体流量

n ==⨯1.06 = 1.114 （注意各人设计炭化室宽度是

机侧气体流量500 + 475

2

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m =  进煤气蓄热室的废气量

=                       =                             = 1.258

V（ct- ct）  0.350（1.428⨯1080 - 1.344 ⨯ 90）

.

不同，因而必须自己计算。

）

（2）蓄热室废气流量分配比：

为了使空气蓄热室和高炉煤气蓄热室的废气排出

温度接近。

则进入空气蓄热室和煤气蓄热室的气体流量应有一定的分配比，这样

才可充分利用蓄热室的面积。

煤气经蓄热室预热所需的热量

=

进空气蓄热室的废气量空气经蓄热室预热所需的热量

蓄

V（ct- ct） 0.414（1.157⨯1080 - 1.352 ⨯ 90）

煤焦煤出 煤出煤进 煤进

蓄

空焦空出 空出空进 空进

式中V 煤焦蓄——焦侧煤气蓄热室煤气流量，m3/s；

V 空焦蓄——焦侧空气蓄热室空气流量，m3/s；

c 煤进、c 煤出——为进、出口煤气蓄热室的煤气比热容，KJ/ （Kg·℃）；

t 煤进、t 煤出——相应的温度，℃；

c 空进、c 空出——为进、出口空气蓄热室的空气比热容，KJ/ （Kg·℃）；

t 空进、t 空出——相应的温度，℃；

现假设 t 煤出=t 空出=1080℃, t 煤进=t 空进=90℃。

注意：

工学士必须掌握试插法。

这从假设 t 煤出=t 空出=1080℃, t 煤进=t 空进=90℃开

始查得：

c 煤进、c 煤出、c 空进、c 空出，再通过蓄热室热平衡计算出 t 空进、t 空出温度，看

假设是否合理，若不合理必须从头开始再假设计算。

公式中 V 煤焦蓄 、V 空焦蓄流量

也同样由下面公式计算才能知道。

2.2.2 气流流量计算

下面是举例数据，该部分计算数据必须按自己设计参数进行计算，热量单位、

压力单位必须用国际单位制，否则作为一个大错误：

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1 Kcal=4.1868 KJ

1mmH2O=9.8Pa≈10.0Pa

（1）每个燃烧室所需流量：

τ  ⨯ Q

①干、湿高炉煤气量：

V 燃 = G ⨯ q耗

干高

低

= 35.7 ⨯ 3048 ⨯1000 = 1352m3干煤气 / h

20.5 ⨯ 3927

V 燃   =        =      = 1413m3湿煤气 / h

1 - 4.36﹪ 0.9564

V蓄 = 2 ⨯ V （即V） 2 ⨯1413 = 2826m3湿煤气/ h

V蓄   = V蓄 ⨯    n

n + 1  3600 ⨯ （1+ 1.114）3600

式中G——炭化室单孔装煤量，35.7t/孔；

3048 ——每千克干煤耗热量，为设计定额查设计手册所得，配煤水份

10.0%；

Q 低——高炉煤气低位发热量为 3927KJ/m3；

τ ——周转时间，设计为 20.5 小时。

13521352

湿高

式中4.36﹪——煤气饱和温度为 30℃时的 1m3 煤气含水百分量；

②空气量：

 V燃 = V 燃 ⨯ L = 1352⨯ 0.8839 = 1195m3湿空气/ h

空干高空

式中0.8839—— α =1.25 时，1m3 干高炉煤气燃烧所需的湿空气量，查燃烧反

应表可得，m3；

③废气量：

 V 燃 = V燃 ⨯V = 1352⨯1.78 = 2407m3废气 / h

废干高废

式中1.78—— α =1.25 时，1m3 干高炉煤气燃烧所产生的湿废气量，m3。

查燃

烧反应表可得，m3。

（2）煤气和空气蓄热室流量分配：

①机、焦侧空气蓄热室空气流量：

V 蓄 = 2 ⨯ V 燃 = 2 ⨯1195 = 2390m 3湿空气 / h

空空

②机、焦侧煤气蓄热室煤气流量：

燃

煤煤湿高

式中⨯ 2 为每一个蓄热室空气、煤气流量要相应供给两个燃烧室用

③焦侧空气蓄热室空气流量：

2390 ⨯1.1141

=⨯= 0.350m3 / sec = 20.99m3 / min = 1259.4m3 / h

空焦空

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 蓄蓄V= V⨯   n

  n + 13600（1+ 1.114）3600

 废燃V= 2 ⨯ V   ⨯   n

          n + 1   1 + m36001 + 1.114   1 + 1.2583600

 废燃V= 2 ⨯V⨯   n

          n + 1   m + 1   36001.114 + 1   1.258 + 1   3600

.

④焦侧煤气蓄热室煤气流量：

2826 ⨯1.1141

=⨯= 0.414m3 / sec = 24.82m3 / min = 1489.2m3 / h

煤焦煤

⑤焦侧空气蓄热室废气流量：

111.11411

⨯⨯= 2407 ⨯ 2 ⨯⨯⨯

空焦废

= 0.312m3 / sec = 18.72m3 / min = 1123m3 / h

⑥焦侧煤气蓄热室废气流量：

m11.1141.2581

⨯⨯= 2407 ⨯ 2 ⨯⨯⨯

煤焦废

= 0.393m3 / sec = 23.56 m3 / min = 1413m3 / h

2.2.3 焦侧煤气蓄热室热平衡

由于焦侧的蓄热室要比机侧大，设计时应考虑到实际生产状况，用比较大的

值进行设计，以备生产余地。

（1）带入热量 Q 入：

①废气带入热量：

Q1

②高炉煤气带入热量：

Q2

所以，Q 入=Q1+Q2=50199+3020=53219KJ/min。

（2）带出热量 Q 出：

①废气带出热量：

Q1’

蓄

②蓄热室封墙辐射和对流损失为总热量的 1.5%计：

Q2’

③高炉煤气预热后带出热量：

Q3’= V煤焦 ×c×t 预

由上热平衡可计算出 t 预，第一次试插法才算完成。

2.2.4 格子砖蓄热面及水力直径计算

（1）一块格子砖的蓄热面

大容积焦炉格子砖目前用得多有二种：

149#格子砖为 12 孔，150＃格子砖为 9

孔，尺寸必须查图。

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①两端的外侧及侧。

0.148+4×0.005＋2×0.007＋4×0.015）×2×0.121＋4×0.014×0.025

=0.242×2×0.121＋0.0014=0.06m2

②两旁 0.369×0.096×2=0.0708 m2

③部 [0.112×24×0.096＋0.015×（24-8）×0.0963]=0.281 m2

④顶部及底面 [0.369×（0.148-0.014）-12×0.112×0.015]×2=0.0584 m2

149＃格子砖总蓄热面积（12 孔）：

0.06+0.0708+0.281+0.0584=0.4702m2

150＃格子砖总蓄热面积（9 孔）：

0.0491+0.0708+0.211+0.0466=0.3775 m2

（2）一块格子砖空隙面积

49＃：

（0.104+2×0.007）×0.005×2+0.369×2×0.007+0.112×0.015×12

=0.00118+0.00516+0.0202=0.02654m2

150＃：

0.02144 m2

（3）一块格子砖的周界长

149 ＃ ：

（ 0.148+0.005 × 4+0.007 × 2+0.369 ） × 2+ （ 0.112+0.015 ） ×

24=1.102+3.05=4.152 m

150＃：

3.328m

（4）焦侧蓄热室一层格子砖总蓄热面积

①一层格子砖

②蓄热室墙

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（5）焦侧蓄热室一层格子砖总空隙面积

（6）焦侧蓄热室一层格子砖总周边长

（7） 格子砖的水力直径

d

水

=4×总空隙面积/总周边长

2.2.5 蓄热室对数平均温度计算

2.2.6 蓄热室总转热系数 K 的计算

2.2.6.1 加热时期的传热系数

（1）对流传热系数：

（下降气流）

①蓄热室上部：

②蓄热室中部：

③蓄热室下部：

（2）辐射给热系数

①蓄热室上部

注意：

原公式和图表单位为 Kcal/（m2 ·h·℃），因而两种单位均计算，最后

转化为国际单位制 KJ/（m2.h.℃）。

②蓄热室中部

③蓄热室下部

（3）加热期的总转热系数

上部：

 α上 =0.75×（ α 上 + α上 ），KJ/（m2.h.℃）

加对辐

中部：

 α中 =0.75×（ α 中 + α中 ），KJ/（m2·h· ℃）

加对辐

下部：

 α下 =0.75×（ α 下 + α下 ），KJ/（m2·h· ℃）

加对辐

式中0.75 为校正系数，反映了气体通过蓄热室时分布的不均匀程度。

2.2.6.2 冷却时期的传热系数：

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（1）对流传热系数（上升气流）

① 蓄热室上部：

② 蓄热室中部：

③ 蓄热室下部：

（2）辐射给热系数

① 蓄热室上部：

② 蓄热室中部：

③ 蓄热室下部：

（3）冷却时期的总传热系数

=⨯

上部：

 α 上 （α 上' +α 上'） 0.75

冷对辐

=' ⨯

中部：

 α中 （α中' +α中 ） 0.75

冷对辐

=' ⨯

下部：

 α 下 （α 下' +α 下 ） 0.75 ，KJ/（m2·h·℃）

冷对辐

2.2.6.3 蓄热室总传热系数 K 的计算

根据：

α上 与 α 上 数值可查附录十七得：

K

加冷p

上

α 中 与 α 中 数值可查附录十七得：

K

加冷p

α下 与 α 下 数值可查附录十七得：

K

加冷p

中

下

4

K = 1

p

（ K 上 + 2K中 + K下 ） ，KJ/（m2·周期·℃）

P P      P

2.2.7 格子砖高度计算

（1）换热面积:

 F =

（2）格子砖层数：

n

（3）格子砖高度：

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Q

K ∆t

p

.

2.3 焦炉炉体水压计算

2.3.1 已知条件

（1）加热系统各部位的温度表

（2）焦炉各部位的空气过剩系数表

（3）换算成标准条件下的气体密度

湿高炉煤气密度：

湿空气密度：

湿废气密度：

（4）加热系统各部位断面积和水力直径见表

2.3.2 炉各部位阻力计算

炉各部位阻力计算通式有：

∑△P=△P 

+P 

+P 

+P 局

d      2    273

L（H） w 2 ⋅ ρT

∆P = λ⨯oo ⨯

摩

（当变量气流时×1/3，由变量公式推导出）

2    273          FF

=2

∆P（1-m）⨯

扩

=2

w 2 ⋅ ρ T F F

o o ⨯ ； K （1- 小 ）， m = 小

扩

大 大

∆P   = 0.5 ⨯（1-m2）⨯o

2    273

⎝ F大 ⎭  ⎥⎦

； K缩 = ⎢1 - ç小 ⎪  ⎥ ⨯ 0.5 ， m = F小

缩

w 2 ⋅ ρ T

o ⨯

⎡  ⎛ F ⎫2 ⎤ F

⎢

⎣ 大

∆P = K ⨯

局

w 2 ⋅ ρ T

o o ⨯

2    273

式中局部阻力系数 K 值查附表（严文福调节与节能书）。

注意：

公式必须灵活运用，且计算正确关键是要计算好不同部位流速 w 和密

度ρ0 ，同时老书单位制 mmH2O 柱，必须改为国际单位制 Pa。

2.3.2.1 上升气流

计算以焦侧煤气蓄热室燃烧系统为依据。

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（1）小烟道：

摩擦损耗：

（2）篦子砖

①入口砖 90o 急转和缩小综合局部阻力：

②摩擦损耗：

③开口突然扩大：

（3）格子砖

①格子砖阻力损耗：

计算公式特定：

∆P =k

格

w 2 ⋅ ρ ⋅ T ⋅ H

o o

d 1.25 ⋅ 760

②格子砖扩大损耗：

（4）短斜道：

因为炉头两个斜道进入的煤气量和空气量较其余的斜道多 19%，

故里面每个斜道进入煤气量为：

①入斜道前 45o 转弯损耗：

②缩小损耗：

③45o 转弯：

④摩擦损耗：

⑤斜道出口处扩大损耗：

（5）立火道

①摩擦损耗：

立火道废气量由燃烧反应表计算可知，

废气循环量按立火道废气量 50%计，

②90o 转弯损耗

③入跨越孔缩小损耗：

扩大跨越孔面积有利于减小阻力，因而必须设计好。

2.3.2.2 下降气流

（6）立火道

①立火道跨越孔入下降火道突然扩大损耗：

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②90o 转弯损耗：

③摩擦损耗：

（7）长斜道

①入口缩小损耗：

由前计算已知煤气蓄热室流入废气量较空气蓄热室的多，

因此计算以煤气蓄热室废气量为准。

②摩擦损耗：

③45o 转弯损耗：

④出口扩大损耗：

⑤入蓄热室 45o 转弯损耗：

（8）格子砖

①入格子砖缩小损耗：

②格子砖阻力损耗：

（9）篦子砖（按中段算）

①入口突然缩小损耗：

②摩擦损耗：

③进入小烟道扩大和 90o 转弯综合阻力损耗：

（10）小烟道

①小烟道集流损耗：

②摩擦损耗：

2.3.3 加热系统各浮力计算

因为浮力的方向总是向上的，所以当浮力与气流方向相同时，同侧浮力和阻

力符号相反，浮力是推动力；当浮力与气流方向相反时，浮力和阻力符号一致，

所以浮力是阻力。

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.

o  =  1.28 ⨯ 273  = 1.153

大气温度 tK=30℃ 时，

⎛ ρ gT  ρ gT ⎫

∆h = Hg ç k   o - o o ⎪

⎝ tk + To t + To ⎭

ρ gT

k

t + T 30 + 273

k o

（1）上升气流

①小烟道：

②篦子砖：

③格子砖：

④蓄热室间：

⑤蓄热室顶至斜道出口：

⑥立火道底至跨越孔中心：

⑦跨越孔中心至炉顶：

（2）下降气流

⑧跨越孔中心至炉顶：

⑨跨越孔中心至立火道底：

⑩斜道至蓄热室顶空间中心：

⑪蓄热室顶部空间中心至格子砖顶：

t

⑫格子砖：

⑬篦子砖：

⑭小烟道：

以上炉加热系统各部位阻力及浮力归纳如下见表 4-9。

表炉加热系统各部位阻力及浮力,Pa

部位阻力 浮力部位阻力

上升气流：

下降气流：

浮力

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小烟道

篦子砖

蓄热室格子砖

蓄热室顶部空间

斜道

立火道

炉顶

小计

立火道

斜道

蓄热室顶部

蓄热室格子砖

篦子砖

小烟道

小计

2.3.4 加热系统各部分压力计算

（1）对于上升气流：

P 终=P 初-∑ΔP+∑Δh

现要保持下降气流看火孔压力为±0.00Pa，∵P 终=0.∴P 初=∑ΔP-∑Δh

① 小烟道中心：

② 篦子砖底部：

③ 篦子砖顶部：

④蓄热室顶部空间：

⑤立火道底部：

⑥跨越孔中心：

⑦炉顶：

（2）对于下降气流：

P 终=P 初-（∑ΔP+∑Δh）

⑧炉顶：

（炉顶看火孔处压力还是按上升气流公式计算）

P8=P 看=±0.00Pa（注意计算结果必须为±0.00Pa）

⑨跨越孔中心：

⑩立火道底部：

⑪蓄热室顶部空间：

⑫篦子砖上部：

⑬篦子砖下部：

⑭小烟道出口：

P

14

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2.4 烟囱高度计算

2.4.1 废气量计算

查表 3-7 燃烧计算表可知：

α=1.35 时，1m3 干高炉煤气或焦炉煤气所产生的湿废气量

α=1.50 时，1m3 干高炉煤气或焦炉煤气所产生的湿废气量

（1）α=1.35 时,通过焦侧一对煤气、空气蓄热室的湿废气量 Q ：

J

通过焦侧一个煤气蓄热室的湿废气量：

炉端的燃烧室的煤气量为中间燃烧室 70%，

注意用焦炉煤气加热均走空气，煤气是不能预热？

（2） α=1.50 时，通过焦侧烟道的湿废气量 QY：

通过机侧烟道得湿废气量 Q ' ：

Y

通过总烟道的湿废气量 Q ：

 Q = Q + Q' =

总总YY

2.4.2 从交换开闭器到烟囱根部的阻力

（1）交换开闭器

①两叉部之一：

摩擦损耗

②废气瓣双叉部之一的 45o 转弯损耗：

③90o 转弯损耗：

④扩大损耗

⑤汇合损耗：

⑥调节翻板损耗：

⑦废气连接管摩擦损耗：

∑ΔP1=ΔP1 +ΔP2 +ΔP3 +ΔP 4+ΔP5+ΔP 6+ΔP7

（2）烟道连接管：

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①摩擦损耗：

②135o 转弯损耗：

③进入分烟道 90o 转弯和扩大的综合阻力，综合阻力系数

∑ΔP2=ΔP1 +ΔP2 +ΔP3

（3）焦侧烟道

①集流损耗：

②摩擦损耗：

分烟道长度：

考虑到分烟道壁粗糙阻力系数增加 1.5 倍，

③调节翻板损耗：

④90o 转弯损耗（进入集合烟道）：

∑ΔP3 =ΔP1 +ΔP2 +ΔP3 +ΔP 4

（4）集合烟道

①摩擦损耗：

集合烟道长度

②汇合损耗：

∑ΔP4=ΔP1 +ΔP2

（5）总烟道

①摩擦损耗：

总烟道全长

粗糙烟道λ增加 1.5 倍，

②两个 45o 转弯损耗：

③90o 转弯损耗：

（转弯处有曲率半径）

④进入烟囱 90o 转弯：

⑤调节翻板：

关 10 度，K=0.5

∑ΔP5=ΔP1 +ΔP2 +ΔP3 +ΔP 4+ΔP5

总阻力：

∑ΔP=∑ΔP1+∑ΔP2+∑ΔP3+∑ΔP4+∑ΔP5

2.4.3 从交换开闭器到烟囱底部各点浮力计算

（1）废气开闭器（由小烟道中心到烟道连接管）

（2）烟道连接管

（3）连接管底部至焦侧烟道高度中心

（4）分烟道中心至总烟道高度中心

∑Δh=Δh1+Δh2+Δh3+Δh4

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2.4.4 烟囱高度计算

（1）烟囱底部的压力

综合上述计算得：

①小烟道出口中心处的压力 P14

②交换开闭器至烟囱底部的阻力损耗 ∑Δp

③交换开闭器至烟囱底部的浮力∑Δh

烟囱底部压力

（2）烟囱的损耗：

①摩擦损耗：

设烟囱高度（试插法）。

考虑到节省投资，－般两座焦炉合用一个烟囱。

又要考虑到废气出口速度通

常在 3～5m/s。

烟囱λ一般为 0.04～0.05 之间

②烟囱出口损耗：

（3）烟囱备用吸力为 50Pa。

（4）烟囱高度：

烟囱所需全部吸力为：

某地大气最高温度为 40℃，为一个大气压力

烟囱高度：

H =Z1 + Z 2 + Z 3

T ρ gT ρ g

0 κ -0F

TT

kF

考虑到结焦时间的缩短，故烟囱高度可适当取高，当地气压低于一个标准大

气压时，须进行压力校正（怎样校）。

2.5 设计中主要问题讨论

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