职业技能鉴定培训教材之二.docx

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职业技能鉴定培训教材之二

职业技能鉴定培训教材之二

净化车间转炉气柜工

第一章煤气基础知识

第二章转炉煤气的生成

第三章转炉煤气生产工艺

第四章转炉煤气柜及主要设备

第五章转炉煤气回收系统的操作维护

第六章转炉煤气回收系统的安全操作

第七章转炉煤气回收系统的故障应急处理

第八章变频调速基础知识

第一章煤气基础知识

第一节名词解释

一、煤气的热值

1Nm3燃气完全燃烧所放出的热量称为该燃气的热值，单位为KJ/Nm3或Kcal/Nm3。

热值可分为高热值和低热值。

高热值是指1Nm3燃气完全燃烧后其烟气冷却到原始温度，而其中的水蒸汽以凝结水状态排出时所放出的热量。

低热值是指1Nm3燃气完全燃烧后其烟气冷却到原始温度，但烟气中的水蒸汽仍为蒸汽状态时所放出的热量。

燃气的高热值大于其低热值，差值为水蒸汽的气化潜热。

二、荒煤气与净煤气

荒煤气是指未经过净化的煤气。

净煤气是指经过净化或达到净化标准的煤气。

三、煤气的标准体积

煤气与其它物体一样具有热胀冷缩的性能，因此一定数量的煤气在不同的温度情况下，体积是不相同的。

温度上升，煤气体积就变大。

具体体现，每上升1℃煤气体积就增加1/273。

为了有一个统一的计算标准，一般以在摄氏零度大气压为760mm水银柱的情况下的气体体积作为标准。

这就是标准体积，以Nm3表示。

四、饱和水、机械水以及它们之间的变化规律

所谓饱和水是指以水蒸汽的状态存在于煤气中的那部分水。

机械水是指以液滴的形态存在于煤气中的那部分水。

煤气中的饱和水含量随煤气湿的升高而增加，且温度越高，变化越明显，当煤气由一高温降至某一低温是，饱和水就会有部分冷凝而转变为机械水。

煤气中机械水的含量随煤气的流速、流向阳花变化而变化。

当煤气的流速减慢，流向改变时，煤气中的机械水就会由于惯性力或重力的作用从煤气中分离出来。

当煤气由某一低温升至某一高温时，煤气中的部分机械水被蒸发而变成饱和水。

五、标准状况与标准体积

通常将温度在0℃，大气压在1标准大气压下的状态称为标准状态。

在标准状态下，1摩尔（mol）气体所占的体积为标准体积，约为22.4升。

六、燃烧

可燃物质在一定的温度下，与空气中氧气或其它氧化剂发生剧烈的氧化反应并伴发光、发热现象的过程叫燃烧。

七、理论空气需要量与实际空气需要量

理论空气需要，是指每Nm3（或kg）燃烧按燃烧反应计量议程式完全燃烧所需的空气量，单位为Nm3/Nm3或Nm3kg。

理论空气需要量也是燃气完全燃烧所需的最小空气量。

燃气的热值越高，燃烧所需理论空气量也越多。

八、理论燃烧温度、回火、脱火

煤气燃烧时燃烧产物即废气所能达到的温度叫理论燃烧温度。

当煤气流速小于煤气燃烧速度时，火焰向管道或设备内传播燃烧的现象叫回火。

当煤气流速大于煤气燃烧速度时，火焰在远离喷嘴的地方燃烧的现象叫脱火。

九、煤气燃点（着火点）

当煤气达到一定温度，在有空气或氧气的供给下就会产生自燃，把产生自燃时的最低温度，叫煤气燃点。

高炉煤气燃点700℃，焦炉煤气燃点650℃。

十、着火温度

当燃料中的可燃分子与氧化剂分子相接触，在一定的温度和浓度条件下，便发生燃烧反应，放出一定数量的热量，这便是燃烧现象。

在燃烧现象中，首先有一个着火过程，着火过程是指燃料与氧化剂均匀混合后，从开始化学反应，温度升高达到激烈的燃烧反应之前的一段过程。

为了使可燃混合物着火和开始燃烧，在现实中有两种方式，一种是自然，一种是点火燃烧。

1、自燃着火：

使可燃混合物整个容积都达到某一温度，超过该温度，混合物便自动着火达到燃烧状态。

这个过程叫做自燃着火，俗称“着火”。

着火温度表示可燃混合物系统化学反应可以自动加速而达到自燃着火的最低温度。

2、点火燃烧：

在冷的混合物中，用一个不大的点火源在某一局部地方点火，先引起局部着火燃烧，然后向其他地方传播，最终使整个混合物都达到着火燃烧，这叫做被迫着火或“点火”。

点火温度与自燃着火温度相似。

点火温度往往略高于着火温度。

但无论哪种温度都随着具体的热力条件不同而不同。

工业炉窑中可燃混合物的燃烧都是用点火的方法来引燃的。

十一、爆炸极限

在一容器或管道内，当可燃气体与空气或氧气的混合达到一定范围，并且遇到足够能量的火种或温度达到着火温度以上时，就会发生爆炸。

此时，混合气体中所含可燃气体的最大混合比叫爆炸上限，最小混合比叫做爆炸下限。

十二、大气压和标准大气压

大气压是指大气层对地球表面的单位面所产生的压力。

它随地表海拔高，纬度和气象条件而改变。

标准大气压：

国际上规定温度为0℃时海平面上的压强为101.325Kpa，即1标准大气压=101.325Kpa。

十三、空化现象、汽蚀现象

在某些水流某的些局部区域中，由于出现巨大的流速，会发生压强在该处显著地降低，使它达到和水温相应的汽化压强。

这时水迅速气化，使一部分液体转化为蒸汽，出现了蒸汽汽泡的区域，汽泡随水流流入压强较高的区域而破灭，这种现象称为空化。

空化对水力机械的有害作用称为汽蚀。

十四、水击现象

有压管中运动着的液体，由于阀门或水泵突然关闭，使得液体流速和动量发生急剧变化，从而引起液体压强的骤然变化，这种现象称为水击。

十五、公称直径和公称压力

管道和工艺设备的公称直径是为了设计、制造、安装和检修方便而人为规定的一种标准直径，它既不是外径Dw，也不是内径，而是与D或Dw接近的整数，以DN表示。

一般表示管道的外径，又表示壁厚，表示方法是：

D外径（数）×壁厚数，

如：

无缝钢管D325×8，该管内径325－8×2＝309mm

介质工作温度在0℃，制品所允许承受的压力，称为公称压力。

用PN表示。

十六、火焰传播方式

火焰的传播方式有三种：

正常火焰传播、爆炸、爆燃

第二节煤气的生成原理及性质

一、高炉煤气

高炉煤气是高炉炼制生铁过程中产生的一种副产品。

炼铁用的主要原料是铁矿石或烧结矿，主要燃料为冶金焦碳，熔剂是石灰石。

它们按一定比例组成了炼铁炉料从炉顶加入炉内。

在高炉的下部通过风口吹入1000-1200℃的热空气，鼓风中的氧气、水蒸气与焦碳发生下旬化学反应：

C+O2=CO2

2C+O2=2CO

C+H2O=CO+H2

CO2+C=2CO

鼓风中的蒸汽量较少，故生成气中氢气含量较少，氮气不参加化学反应，仍以原状态混在生成气中。

生成气与铁矿石中铁的氧化物发生还原反应如下：

Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2

Fe3O4+CO=3Fe+CO2

FeO+CO=Fe+CO2

3Fe2O3+H2=2Fe3O4+H2O

Fe3O4+H2=3FeO+H2O

FeO+H2=Fe+H2O

随着氧化物还原反应的进行，生成气中的一氧化碳及氢气逐渐减少，二氧化碳及水蒸气逐渐增加，达到炉顶的气体就是高炉煤气。

高炉煤气是无色、无味、有毒的可燃气体。

组成成分：

（百分比）

CO2COH2CH2N2

10-1327-301.0-2.00.3-0.857-59

热值：

800-1000Kcal/M3或3360-4200KJ/M3

着火温度：

700℃左右

爆炸极限：

40-70%

密度ρ：

1.3Kg/M3

理论燃烧温度：

1500℃左右

二、焦炉煤气

焦炉煤气是炼焦过程中的副产品，炼焦是把经过破碎后按一定比例煤种配好的煤粉装入炼焦炉内，在隔绝空气的条件下加热至一定温度，将煤的挥发物和固体碳分离开，结果生成两种产品，即冶金焦碳和副产品焦炉煤气。

焦炉煤气是无色、有奇臭（因含H2S）的有毒气体。

组成成分：

（百分比）

CO2COH2CH4N2O2CMHn

2-36-956-6022-262-40.4-0.62.2-2.6

热值：

4100-4300Kcal/M3或（17220-18060KJ/M3）

着火温度：

650℃左右

密度：

0.45-0.55Kg/M3

爆炸极限：

6-30%

理论燃烧温度：

2150℃左右

三、转炉煤气

氧气顶吹转炉炼钢在吹炼过程中，由于铁水中碳的氧化产生了炉气，其炉气量的大小取决于吹氧量及铁水含碳量的多少。

因为炉内温度较高，所以碳的氧化物主要是CO，也就是转炉煤气的主要成分。

组成成分：

COCO2N2O2H2

50-7010-2510-200.3-0.80.5-2.0

热值：

1800Kcal/M3或（7200-8400KJ/M3）

着火温度：

700℃左右

密度：

1.23Kg/M3

爆炸极限：

20-70%

理论燃烧温度：

1980℃左右

四、煤气成分的性质

以上三种副产煤气都是由一些单一气体混合而成，其中可燃成分有CO、H2、CMHn、H2S，不可燃气体成分有CO2、N2和少量O2。

副产煤气中具有腐蚀成分的主要是H2S、CO2、O2，这些气体只有在有水时才具有腐蚀性。

H2S、CO2在水中呈酸性，O2在水中有氧化性腐蚀。

因此，为减少煤气对管道的腐蚀性，应去掉煤气中的水份。

1、甲烷CH4无色气体、微有葱臭、难容于水。

Q低-35671KJ/M3（8530Kcal/M3），与空气混合可引起激烈爆炸，爆炸范围为5.4-15%、着火温度650-750℃，当空气中甲烷浓度高达25-30%时才有毒性。

2、氢气H2无色无臭气体，难溶与水。

Q低-10747.5KJ/M3（2570Kcal/M3），爆炸范围4.2-74%、着火温度580-590℃。

3、一氧化碳CO2无色无臭气体，Q低-16269KJ/M3（3020Kcal/M3），爆炸范围12.4-75%、着火温度644-658℃。

一氧化碳极毒，空气中含0.06%即有害于人体，含0.2%时可使人失去知觉，含0.4%时迅速死亡，空气中允许的一氧化碳浓度为0.02g/M3。

4、硫化氢H2S具有浓厚的臭蛋味、易溶于水。

Q低-23669.6KJ/M3（5660Kcal/M3），爆炸范围4.3-46.5%、着火温度364℃、性极毒，浓度达0.1%时可致死亡。

5、二氧化碳CO2略有气味的无色气体，易溶于水。

空气中二氧化碳浓度达25mg/1时对人体即有危险，浓度为162mg/1时可致命。

6、氧气O2无色无臭气体

第三节流体的基础知识

燃气生产及供应过程中所涉及的流体主要是各种燃料气、燃料油、水和空气等。

一、温度与温标

温度是表示物体冷热程度的物理量。

温标是为量度物体温度高低而对温度零点和分度分法所做的一种规定，是温度的单位制。

目前我国采用的基本温标是热力学温标，亦称“开氏温标”或“绝对温标”。

热力学温度以开氏温度（K）表示，开氏温度也叫绝对温度。

除此之外，还可以用摄氏温度表示（℃）。

如果绝对温度为T，摄氏温度为t，则二者有下列关系：

T=t+273.15K

工程计算，常简化为T=t+273K

可见绝对温度是把摄氏零下237℃作为起点，即绝对零点。

二、流量与流速

（一）流量

单位时间内通过一定截面积的流体体积或质量叫流量。

流量的单位以体积表示的有：

m3/h（米3/时、L/min）、（升/分），以质量表示的有kg/h（千克/时）、t/h（吨/时）。

通常对地气体多用体积流量单位，液体多用质量流量单位。

（二）流速

流体在单位时间内流经的距离叫流速。

通常用m/s（米/秒）表示。

流体在管道内流动时，由于流体与管壁的摩擦时，同一截面上各点流速是不同的。

管道中心处流速最大，愈靠近管壁流速愈小。

在工程计算中，常用体积流量除以管道截面积，即用流体在管道中的平均流速表示：

式中：

W——流体的流速，单位m/s（米/秒）；

π——圆周率3.1416

V——流体的体积流量，单位m3h（米/时）；

D——管道的内径，单位m（米）

（三）流速选择

工业上在输送流体的管道中，对流速大小选择应有一定范围。

这是因为流速太小不能充分利用管道的输送能力，流速太大则通过管道的阻力就大，同时用于克服阻力所消耗上的能量也增大，而且在流速变化时易产生强烈的水力冲击。

最适宜的流速应使管道的设备及设备运行费用为最低，一般在以下范围适宜。

普通液体：

0.5~3.0m/s；

粘度很大的液体：

0.5~1.0m/s；

送风机输送的气体：

8-20m/s；

压缩机输送的气体：

15~20/s；

流速的选取除与流体性质及允许的阻力损失有关外，还与管道直径有关，一般管道直径变大时，流速也相应变大。

煤气管道的经济流速一般如下：

管道直径Dg（mm）

200~

400

500~

800

900~

1200

1300~

1500

1600~

2000

＞2000

高炉煤气流速ω（m/s）

4~6

6~10

9~12

11~14

12~16

＞14

焦炉煤气流速ω（m/s）

6~10

8~14

12~18

14~20

＞16

＞16

混合煤气的流速介于二者之间。

天然气由于具有较高的压力，可根据允许的压力降算出管道流速，一般均较高。

三、压力或压强

垂直作用于物体单位面积（A）上的力（F），称为压强（P），工程上称为压力。

即P-F/A单位N/m2（牛顿/米2）

压强的国际单位为帕（斯卡），符号为Pa

1pa-1N/m2

各种压强单位间的换算关系为：

1物理大气压=101300N/m2=1.033kg.f/cm2

=10.33m水柱=760mm汞柱=101.32KPa

1工程大气压=1kg.f/cm2=10m水柱=735mm汞柱=98.0665Kpa

在实际应用时，应区别大气压、绝对压强（力）及相对压强（力）。

大气压：

指大气的压力，用气压计测得。

绝对压强：

指从绝对真空算起的压强，可由压力表测得的相对压强（即表压力）加上大气压强的绝对值之和而得，即是：

P绝=P相＋P大

相对压强：

以大气压强为零算起的压强。

大于或小于大气压强的相对压强，分别称为正相对压强或负相对压强，负相对压强的绝对值习惯称为“真空度”。

P相＝P绝－P大P真＝P大－P绝

绝对压强与相对压强之间的关系表示于图1-1中。

四、密度

单位体积液体所具有的质量叫做该流体的密度。

SI单位为kg/m3，常用的倍数单位有g/m3或g/L

混合气体的密度按下式计算：

R＝r1a1＋r2a2＋……rnan

式中：

r1r1……rn——混合气体中每一组分的密度；

a1a1……an——混合气体中每一组分的体积百分数。

煤气的密度可由其组成的体积百分数按下式计算：

r＝0.01（1.977CO2＋1.539H2S＋1.261CmHn＋1.429O2＋1.25CO＋0.09H＋0.717CH2＋1.25N2）

如已知气体的分子量为M，因每千克分子理想气体在标准状况（101.3254Kpa压、0℃）下的体积均为22.4m3，所以气体在标准状况下的密度也可由下式求得：

r0＝M/22.4单位kg/m3

混合气体的分子量Mm为：

Mm＝M1a1+M2a2+……Mnan

式中MM……Mn混合体中各组分的分子量；

a1a2……an混合气体中各组分的体积百分数。

考虑到气体因压力、温度的改变以及由此而引起的饱和水蒸汽含量的变化，工作状态下的气体密度根据下式进行校正：

r＝（r0＋d）273/（273＋t）×p/101325×0.804/0.804＋d

式国：

r——湿气体密度（kg/m3）;

r0——标准状态下干气体的密度（kg/m3）；

d——1标准立方米干气体在压力为P，温度为t℃时的饱和湿含量（kg/m3）；

t——工作状态下的温度（℃）；

Pdq——当地大气压力（Pa）；

P——气体的表压（pa）；

0.804——标准状态下水蒸汽的密度（kg/m3）。

液体混合物的密度rm可由下式求得：

1/rm＝X/r1＋x2/r2＋……＋Xn/rn

式中：

x1x2……xn为混合物中每一组分配重量百分数；

r1r2……rn——为混合物中每一组分的密度（kg/m3）

五、粘性

流体由于分子间的内磨擦作用而表现有粘性。

粘性的大小常用动力粘度、运动粘度，条件粘度来表示。

（一）动力粘度（绝对粘度）

实验证明，流体的摩擦力（t）与速度递度（dw/dh）作用面积（f）成正比，即

t＝u×dw/dh.f

式中：

u为比便系数，称为流体的动力粘度（或绝对粘度），SI单位为Pa.S，也可表示成N.S/m2。

目前仍使用泊（P）1P=0.1Pa.S

（二）运动粘度

流体的动力粘度与其密度之比值称运动粘度，SI单位m2/s

即：

v=ug/r

式中：

V——运动粘度m2/s；

U——动力粘度kgf.s/m2;

r——流体密度kg/m2；

g——重力加速度9.81m2/s。

运动粘度V（斯）的单位换算：

1斯（st）=100厘斯（cst）=1厘米2/秒=1×10-4米2/秒；

（三）条件粘度（又称比粘度）

我国常用条件粘度中的恩氏粘度（○E）来表示工业上的油品粘度，对于燃油，运动粘度与恩氏粘度之间的换算按下式计算：

rt＝0.0731Et－0。

0631/Et（斯）

式中：

rt——油品在t℃时的运动粘度（斯）

Et——油品在t℃时的恩氏粘度（○E）

流体的粘度除与流体的种类有关外，还和流体的温度有关。

液体的粘度随温度升高而减小，气体的粘度随温度的升高而增加。

对于重油，在输送过程中粘度是一个很重要的技术参数，它直接影响到重油的输配及燃烧过程，因此必须给足够的重视。

六、层流与湍流

当粘性流体在一直管里流动时，随着条件的不同，其截面的速度分布及阻力损失等规律均不相同，对此，英国物理学家雷诺，曾在实验中进行了详细地观察。

实验装置如图1-2所示。

容器A及容器B由一根玻璃管相连接，其中装有水。

水可以从容器A经玻璃管流入容器B。

水在管内的流速靠容器B下部的阀门D调节，在玻璃管的进口处用一细管导入红墨水，当用调节阀门改变水的流速时，可以明显地看出，管中的红色水线会出现不同的状态。

当流速很小时，管中红色线清晰可见，毫无混淆现象。

这种流动称为层流运动。

见图1-3a；若增加速度，红色水线开始弯曲，见图1-3b；当速度继续加大到某一数值时，流动状态突然变化，红色水线初呈涡状，进而混淆于整个管内，这时管内流动已不再是层次分明，而是出现了大大小小的漩涡，见图1-3c，流体质点运动的轨迹错综复杂，除向流动方向运动外，还有横向及反向运动。

这种运动称为湍流运动（湍流或紊流）。

增加流体在管内的流速会由层流转变为湍流，相反，当降低管内流体时，由湍流又会变为层流，这两种流态发生变化时的速度叫临界速度，这个速度对于不同流体在不同温度，不同管径的情况下都有不同的数值，但若以雷诺数Re作判断时，发现有统一的规律。

雷诺数是一个无因次数，即：

Re＝ω·d/v=w·d·r/u·g

式中：

ω——流体在管内的平均流速m/s；

r——流体的密度kg/m3；

d——管子的直径m；

u——绝对粘度kg·s/m2；

v——运动粘度m2/s；

g——重力加速度（9.81m/s3）。

实践证明：

当流体在管内流动时Re＜2300为层流；Re＜10000时为湍流，当2300＜Re＞10000时，流体处于两种流态间的过渡状态，称为过渡流。

一般来说，截面形状对速度分布及阻力大小都是有影响的，但实践证明在湍流状态下，非圆截面管道，若以当量直径计算时，则可以应用圆管阻力公式，而不至有太大的误差。

所谓当量直径（de），它是水力半径（r2）的4倍，即de=4r1，而水力半径（r2）的定义为：

流体的截面（A）与浸润周边（n）之比，即r2=A/n，对圆管来说，A=π/4d2，n=πd，于是rv=d/4或d=4rv。

对于外半径为（R），内半径为（r）的环开满截面，其de为：

de=4×π（R－r）/27·（R2+r2）=2（R－r）

引用当量直径之后，雷诺数可表示为：

Re=dew·r/u·g

七、压缩性

实际流体都是可压缩的，即流体密度是随着压强与温度的变化而改变。

例如：

水温不变的情况下，每增加一个大气压，它的体积比原来减少0.005%，而当温度不变时，只要给气体以足够的压力，就可以被压缩到一个很小的空间。

由此可见，流体是可以压缩的，只不过象水那样的流体压缩性很小，可以当作不可压缩的流体看待，而空气就有很明显的压缩性。

但应指出，空气在一般情况下（其速度比音速小得多及终压之变化不大于原来压强的20%），其密度变化很小，可以忽略，此时空气亦可当作不可压缩的流体。

因此，根据压缩性，可把流体划分为两大类，一类是不可压缩的流体，一类是可压缩的流体。

而是否考虑流体的压缩性则必须视具体情况而定。

八、连续性

流体是由不断运动的分子构成的，在研究实际问题时，常需要把真正的流体分子结构用一种简化形式予以代替，即将流体看作是由无数流体微粒或质点连续组成的连续介质。

所谓流体质点是这样的小块流体：

它的大小与放置在流体中的实物或流体运动所涉及的空间相比较。

是微不足道的，但比分子自由成长度要大得多，它包含足够多的分子，能施行统计平均的方法其宏观特征量（如压强、密度、宏观速度）等，从而使我们可以考察这些宏观量的变化情况。

因此，连续性的假设首先意味着流体介质在宏观上各流体质点是连续的，其次还意味着其质点在运动过程中也始终是连续的。

引用这一假定后，就大大简化了对流体平衡及运动问题的研究，由这一假设所得出的结果与实际很吻合。

这就表明这一假设是合理和正确的。

当然连续性的假设不能任意推广，例如在高真空中气体稀薄，空气就不能再能当作连续介质了。

下面我们例举几个例题，进行演算，以便加深对流体流动基本概念的理解。

例1、高炉煤气在溢流文氏管出口处的温度为56℃，试用热力学温度表示之。

已知：

t=56℃求：

T=？

解：

T=273.5+t=273.15+56=329.15K

例2、欲建一条Hφ720*6的混合煤气管道，当流速为10m/s时，问1小时可输送煤气量为多少立方米？

已知：

d=720－（2×6）＝708mm＝0.708m

w=10m/s

求：

体积流量V=？

解：

V－π/4·d2×3600=3.14/4×0.7082×10×3600=14165m3/h

例3、测得高炉煤气洗涤塔入口煤气压力为56Kpa，若大气压强为102Kpa，问相当于绝对压强为多少？

已知：

P相=56Kpa，P大=102Kpa

求：

P绝=？

解：

P绝=P相+P大=56+102=158Kpa

例4、有一个减压塔内真空度为81Kpa当时大气压力为100Kpa，问绝对压力为多少？

已知：

P真=81Kpa，P大=100Kpa

求：

P绝=？

解：

P绝=P大-P真=100-81=19Kpa

例5、已知高炉煤气的密度可由体积百分数按下式求得：

CO2COCH4N2O2H2

10.232.120.3455.560.171.61

求其密度。

解：

高炉煤气的密度可由体积百分数按下式求得：

r=0.01（1.977CO2+1.25CO+0.717CH2+1.25N2+1.49O2+0.09H2）

=0.01（1.977×10.2＋1.25×32.12＋0.717×0.34＋1.25×55.56＋1.429×0.17×0.09×1.61）－1.3040kg/m3

也可以用分子量进行计算：

Mm=0.01（44.01CO2+28.01CO+16.04CH4+28.02N2+32O2+2.06H2）

=0.01（44.01×1.02＋28.01×32.12＋16.04×0.34＋28.02×55.56＋32×0.17＋2.016×1