苑衛(wèi)軍，陳學(xué)峰，馬　寧，蘇亞斌（唐山科源環(huán)保技術(shù)裝備有限公司，河北唐山　063020）

發(fā)生爐煤氣的濕度計(jì)算及分析

苑衛(wèi)軍，陳學(xué)峰，馬寧，蘇亞斌
（唐山科源環(huán)保技術(shù)裝備有限公司，河北唐山063020）

【摘要】結(jié)合發(fā)生爐煤氣的造氣原理及不同的煤氣冷卻凈化工藝，通過實(shí)例計(jì)算，揭示了不同發(fā)生爐煤氣站煤氣濕度的變化情況。同時(shí)指出煤氣出站輸送過程中，煤氣通過管壁與外界環(huán)境換熱，煤氣中的部分飽和水冷凝析出，致使煤氣濕度降低，此過程與出站煤氣是否處于飽和狀態(tài)無關(guān)。

【關(guān)鍵詞】發(fā)生爐煤氣；冷卻；濕度；壓力；溫度；冷凝水

Humidity Calculation and Analysis of Generator Gas

YUAN Weijun，CHEN Xuefeng，MA Ning，SU Yabin
(Tangshan Keyuan Environmental Protection Technology & Equipment Co., Ltd., Tangshan, Hebei 063020, China)

【Abstract】Based on the gasification principle of generator gas and different gas cooling and purification processes and through practical calculation, changes in gas humidity at different gas stations are revealed. It is also pointed out that during the gas delivery process, part of the saturated water in the coal gas condensates and precipitates with heat exchange between the gas and external environment through pipe wall, leading to a decline of gas humidity. This process has no relationship with whether the purified gas is in saturated state or not.

【Key words】generator gas; cooling; humidity; pressure; temperature; condensate water

1　引言

目前，常壓固定床煤氣發(fā)生爐氣化技術(shù)在陶瓷、化工、冶金、機(jī)械等諸多燃耗企業(yè)應(yīng)用廣泛，合理調(diào)整和控制發(fā)生爐煤氣的一些重要物性指標(biāo)，保持其最佳的應(yīng)用狀態(tài)，可以有效實(shí)現(xiàn)爐窯系統(tǒng)的節(jié)能降耗。濕度是發(fā)生爐煤氣的一項(xiàng)重要物性指標(biāo)，對(duì)煤氣的準(zhǔn)確計(jì)量、濕煤氣熱值以及煤氣燃燒效果有著重要的影響。文獻(xiàn)[1－3]揭示了煤氣濕度對(duì)煤氣流量計(jì)量的影響，并提出了相應(yīng)的補(bǔ)償措施，一般認(rèn)為煤氣處于飽和狀態(tài)進(jìn)行濕度補(bǔ)償。但多數(shù)情況下發(fā)生爐煤氣并未達(dá)到飽和狀態(tài)，這就給補(bǔ)償計(jì)量的精確度帶來較大影響。文獻(xiàn)[4]揭示了不同溫度下由于煤氣濕度的變化對(duì)濕煤氣熱值的影響。文獻(xiàn)[5]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)含濕量20%的低熱值煤氣的燃燒溫度和火焰穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于含濕量為30%的煤氣。文獻(xiàn)[6]指出隨著濕煤氣溫度的增高，煤氣含濕量增大，煤氣加壓機(jī)輸送能力、煤氣熱值及爐窯熱效率同時(shí)降低，致使系統(tǒng)能耗增加。本文結(jié)合發(fā)生爐煤氣的造氣原理及不同的煤氣冷卻凈化工藝，通過實(shí)例計(jì)算，揭示不同發(fā)生爐煤氣站煤氣濕度的變化情況。

2　發(fā)生爐煤氣的含水與濕度

發(fā)生爐煤氣由煤氣站生產(chǎn)供應(yīng)，經(jīng)過造氣、煤氣凈化冷卻、煤氣終冷、煤氣加壓及輸送過程，最終至爐窯前燃燒應(yīng)用，煤氣中水的形成、混入及析出貫穿于以上各個(gè)過程，各過程水的平衡項(xiàng)參見表1，可以看出燃燒前煤氣最終含水由煤氣中的飽和水蒸氣和霧態(tài)機(jī)械水組成，煤氣中飽和水蒸氣的多少通常用煤氣濕度來衡量，一般以相對(duì)濕度φ或比濕度d表示。

表1　發(fā)生爐煤氣中水的入項(xiàng)及出項(xiàng)平衡

3　爐出發(fā)生爐煤氣的濕度計(jì)算

爐出發(fā)生爐煤氣的濕度只與煤氣發(fā)生爐的造氣過程有關(guān)，鑒于灰盤水封蒸發(fā)進(jìn)入煤氣的水蒸氣量較小，另外一般每2~3 h探火一次，探火打釬為間歇操作，該操作帶入的水蒸氣總量有限，計(jì)算爐出發(fā)生爐煤氣濕度時(shí)，以上兩項(xiàng)可以簡化忽略，簡化認(rèn)為爐出發(fā)生爐煤氣的濕度僅與煤的水分、空氣帶入水分和水蒸氣氣化劑的分解率相關(guān)，由于爐出煤氣溫度較高（一般為450~550℃），以上煤中的水、空氣帶入水分和水蒸氣氣化劑的未分解水全部以氣態(tài)轉(zhuǎn)入煤氣中。假設(shè)：煤氣發(fā)生爐氣化表2所示煤種，發(fā)生爐煤氣成分如表3所示，煤氣產(chǎn)量按照5000 m3/h對(duì)爐出發(fā)生爐煤氣濕度進(jìn)行計(jì)算。

表2　氣化用煤煤質(zhì)數(shù)據(jù)

（1）煤帶入水量計(jì)算

發(fā)生爐小時(shí)耗煤量：5000÷3=1667 kg

煤帶入水：1667×8.62%=114 kg

（2）空氣氣化劑帶入水量計(jì)算

空氣耗量約為3000 m3，當(dāng)空氣溫度為15℃，飽和時(shí)每1 m3干空氣中的含水量為13.8 g/m3，則此時(shí)空氣中的含水量為：13.8×50%=6.9 g/m3。氣化劑空氣中的水約為21 kg。

（3）未分解水蒸氣氣化劑帶入水量計(jì)算

由氫平衡簡化計(jì)算氣化劑水蒸氣耗量W：

煤氣含氫量：0.12×=0.0107 kg/m3

（4）爐出煤氣濕度計(jì)算

爐出發(fā)生爐煤氣含水蒸氣總量：

干發(fā)生爐煤氣質(zhì)量：5000×1.06=5300 kg

爐出發(fā)生爐煤氣濕度：

4　出站煤氣的濕度計(jì)算

4.1熱煤氣站出站煤氣濕度

發(fā)生爐熱煤氣站站內(nèi)不設(shè)置煤氣降溫設(shè)備，煤氣只在經(jīng)過保溫處理的旋風(fēng)除塵器、隔斷水封及煤氣管道等處自然降溫，其出站煤氣溫度較高（一般為350~450℃），煤氣凈化過程中，沒有發(fā)生水的析出或吸入，所以發(fā)生爐熱煤氣站出站煤氣濕度與爐出煤氣濕度相同。

4.2間接冷卻形式的冷煤氣站出站煤氣濕度

煤氣初冷系統(tǒng)和終冷系統(tǒng)全部采用間接冷卻形式的冷煤氣站，其出站煤氣濕度首先與煤氣發(fā)生爐爐出煤氣濕度相關(guān)，另外與出站煤氣的溫度、壓力及當(dāng)?shù)卮髿鈮海ń^壓）相關(guān)，即dzc=f（p，pv，T）≤dlc。

式中，dzc——出站煤氣濕度，kg水蒸氣/kg干煤氣；

Rg——發(fā)生爐煤氣的氣體常數(shù)，J/（kg·K）；

Rv——水蒸氣的氣體常數(shù)，J/（kg·K）；

Pb——當(dāng)?shù)卮髿鈮海ń^壓），Pa；

Pg，y——煤氣壓力，Pa；

Ps，y——煤氣溫度對(duì)應(yīng)的飽和水蒸氣壓力（絕壓），Pa。

以上述發(fā)生爐煤氣為例，Rg=328.6 J/（kg·K），Rv=461.5 J/（kg·K），假設(shè)，當(dāng)?shù)卮髿鈮海ń^壓）為101300 Pa，出站煤氣壓力為15000 Pa。當(dāng)出站煤氣溫度為41.5℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的煤氣濕度dzc=5.38×10-2kg水蒸氣/kg干煤氣，出站煤氣溫度≥41.5℃時(shí)，煤氣的濕度無任何變化，只有出站煤氣溫度低于41.5℃時(shí)，煤氣濕度才會(huì)降低，不同溫度下煤氣濕度的變化如圖1所示。

圖1　不同煤氣溫度下煤氣濕度

假設(shè)，當(dāng)?shù)卮髿鈮海ń^壓）為101300 Pa，出站煤氣溫度為45℃。當(dāng)出站煤氣壓力為40000 Pa時(shí)，對(duì)應(yīng)的煤氣濕度dzc=5.38×10-2kg水蒸氣/kg干煤氣，出站煤氣壓力≤40000 Pa時(shí)，煤氣的濕度不會(huì)變化，只有出站煤氣壓力高于40000 Pa時(shí)，煤氣濕度才會(huì)降低，圖2所示為不同煤氣壓力下煤氣濕度的變化。

圖2　不同煤氣壓力下煤氣濕度

4.3直接水冷卻形式的冷煤氣站出站煤氣濕度

煤氣站的煤氣初冷系統(tǒng)采用直接水冷卻形式的冷煤氣站，其出站煤氣濕度與出站煤氣的溫度、壓力及當(dāng)?shù)卮髿鈮海ń^壓）相關(guān)，但其濕度不僅僅受爐出煤氣濕度dlc的限制。

（1）煤氣含飽和水量計(jì)算

假設(shè)爐出煤氣溫度450℃，經(jīng)煤氣初冷塔降溫后煤氣溫度為80℃，降溫冷卻介質(zhì)為焦油和水，冷卻介質(zhì)流量為30 t/h，冷卻介質(zhì)中水約占50%，冷卻介質(zhì)溫度變化Δt′為10℃，可以通過熱平衡核算煤氣冷卻過程中的吸水量為1062 kg。

（2）終冷后出站煤氣濕度計(jì)算

以上述發(fā)生爐煤氣為例，假設(shè)，當(dāng)?shù)卮髿鈮海ń^壓）為101300 Pa，出站煤氣壓力為15000 Pa。當(dāng)出站煤氣溫度為64℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的煤氣濕度dzc=20. 04×10-2kg水蒸氣/kg干煤氣，出站煤氣溫度≥64℃時(shí)，煤氣的濕度無變化，當(dāng)出站煤氣溫度低于64℃時(shí)，煤氣中部分飽和水析出，煤氣濕度降低，不同溫度下煤氣濕度的變化如圖3所示。同上所述，直接水冷卻形式的冷煤氣站出站煤氣濕度dzc=f（p，pv，T）≤dtc。

圖3　不同煤氣溫度下煤氣濕度

5　輸送過程中煤氣濕度的變化

煤氣出站輸送過程中，沿輸送管道內(nèi)壁流動(dòng)的煤氣通過管壁與外界環(huán)境換熱，如果外管壁溫度低于煤氣溫度，則煤氣中的部分飽和水會(huì)冷凝析出，從而使煤氣濕度降低，這與出站煤氣是否處于飽和狀態(tài)無關(guān)。文獻(xiàn)[7]假設(shè)煤氣處于飽和狀態(tài)時(shí)，推導(dǎo)出濕煤氣輸送過程中水蒸氣理論凝結(jié)量的計(jì)算公式，當(dāng)出站煤氣溫度較低時(shí)，煤氣一般處于飽和狀態(tài)，在此情況下該公式是適用的。

6　結(jié)論

（1）發(fā)生爐煤氣的濕度與煤氣凈化冷卻工藝相關(guān)，發(fā)生爐熱煤氣站出站煤氣濕度與爐出煤氣濕度dlc相同；發(fā)生爐冷煤氣站出站煤氣濕度與出站煤氣的溫度、壓力及當(dāng)?shù)卮髿鈮海ń^壓）相關(guān)，即dzc=f（p，pv，T）。

（2）煤氣初冷系統(tǒng)和終冷系統(tǒng)全部采用間接冷卻形式的冷煤氣站，其出站煤氣濕度與煤氣發(fā)生爐爐出煤氣濕度dlc相關(guān)，即dzc≤dlc；煤氣直接水冷卻形式的冷煤氣站出站，其出站煤氣濕度與爐出煤氣濕度及煤氣初冷塔吸水量的總和dtc相關(guān)，即dzc≤dtc。

（3）煤氣出站輸送過程中，沿輸送管道內(nèi)壁流動(dòng)的煤氣通過管壁與外界環(huán)境換熱，煤氣中的部分飽和水會(huì)冷凝析出，從而使煤氣濕度降低，這與出站煤氣是否處于飽和狀態(tài)無關(guān)。

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供用電

作者簡介：苑衛(wèi)軍（1968-），男，畢業(yè)于河北理工大學(xué)，工程碩士，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事煤氣化工藝及設(shè)備研究工作。

收稿日期：2015－01－15

【中圖分類號(hào)】TQ54

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B

【文章編號(hào)】1006-6764(2015)04-0016-03