發生爐煤氣的濕度計算及分析

苑衛軍，陳學峰，馬　寧，蘇亞斌（唐山科源環保技術裝備有限公司，河北唐山　063020）

發生爐煤氣的濕度計算及分析

苑衛軍，陳學峰，馬寧，蘇亞斌
（唐山科源環保技術裝備有限公司，河北唐山063020）

【摘要】結合發生爐煤氣的造氣原理及不同的煤氣冷卻凈化工藝，通過實例計算，揭示了不同發生爐煤氣站煤氣濕度的變化情況。同時指出煤氣出站輸送過程中，煤氣通過管壁與外界環境換熱，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無關。

【關鍵詞】發生爐煤氣；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，常壓固定床煤氣發生爐氣化技術在陶瓷、化工、冶金、機械等諸多燃耗企業應用廣泛，合理調整和控制發生爐煤氣的一些重要物性指標，保持其最佳的應用狀態，可以有效實現爐窯系統的節能降耗。濕度是發生爐煤氣的一項重要物性指標，對煤氣的準確計量、濕煤氣熱值以及煤氣燃燒效果有著重要的影響。文獻[1－3]揭示了煤氣濕度對煤氣流量計量的影響，并提出了相應的補償措施，一般認為煤氣處于飽和狀態進行濕度補償。但多數情況下發生爐煤氣并未達到飽和狀態，這就給補償計量的精確度帶來較大影響。文獻[4]揭示了不同溫度下由于煤氣濕度的變化對濕煤氣熱值的影響。文獻[5]通過實驗發現含濕量20%的低熱值煤氣的燃燒溫度和火焰穩定性遠遠優于含濕量為30%的煤氣。文獻[6]指出隨著濕煤氣溫度的增高，煤氣含濕量增大，煤氣加壓機輸送能力、煤氣熱值及爐窯熱效率同時降低，致使系統能耗增加。本文結合發生爐煤氣的造氣原理及不同的煤氣冷卻凈化工藝，通過實例計算，揭示不同發生爐煤氣站煤氣濕度的變化情況。

2　發生爐煤氣的含水與濕度

發生爐煤氣由煤氣站生產供應，經過造氣、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用，煤氣中水的形成、混入及析出貫穿于以上各個過程，各過程水的平衡項參見表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機械水組成，煤氣中飽和水蒸氣的多少通常用煤氣濕度來衡量，一般以相對濕度φ或比濕度d表示。

表1　發生爐煤氣中水的入項及出項平衡

3　爐出發生爐煤氣的濕度計算

爐出發生爐煤氣的濕度只與煤氣發生爐的造氣過程有關，鑒于灰盤水封蒸發進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，計算爐出發生爐煤氣濕度時，以上兩項可以簡化忽略，簡化認為爐出發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，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轉入煤氣中。假設：煤氣發生爐氣化表2所示煤種，發生爐煤氣成分如表3所示，煤氣產量按照5000 m3/h對爐出發生爐煤氣濕度進行計算。

表2　氣化用煤煤質數據

（1）煤帶入水量計算

發生爐小時耗煤量：5000÷3=1667 kg

煤帶入水：1667×8.62%=114 kg

（2）空氣氣化劑帶入水量計算

空氣耗量約為3000 m3，當空氣溫度為15℃，飽和時每1 m3干空氣中的含水量為13.8 g/m3，則此時空氣中的含水量為：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算

由氫平衡簡化計算氣化劑水蒸氣耗量W：

煤氣含氫量：0.12×=0.0107 kg/m3

（4）爐出煤氣濕度計算

爐出發生爐煤氣含水蒸氣總量：

干發生爐煤氣質量：5000×1.06=5300 kg

爐出發生爐煤氣濕度：

4　出站煤氣的濕度計算

4.1熱煤氣站出站煤氣濕度

發生爐熱煤氣站站內不設置煤氣降溫設備，煤氣只在經過保溫處理的旋風除塵器、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，沒有發生水的析出或吸入，所以發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

煤氣初冷系統和終冷系統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生爐爐出煤氣濕度相關，另外與出站煤氣的溫度、壓力及當地大氣壓（絕壓）相關，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——發生爐煤氣的氣體常數，J/（kg·K）；

Rv——水蒸氣的氣體常數，J/（kg·K）；

Pb——當地大氣壓（絕壓），Pa；

Pg，y——煤氣壓力，Pa；

Ps，y——煤氣溫度對應的飽和水蒸氣壓力（絕壓），Pa。

以上述發生爐煤氣為例，Rg=328.6 J/（kg·K），Rv=461.5 J/（kg·K），假設，當地大氣壓（絕壓）為101300 Pa，出站煤氣壓力為15000 Pa。當出站煤氣溫度為41.5℃時，對應的煤氣濕度dzc=5.38×10-2kg水蒸氣/kg干煤氣，出站煤氣溫度≥41.5℃時，煤氣的濕度無任何變化，只有出站煤氣溫度低于41.5℃時，煤氣濕度才會降低，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，當地大氣壓（絕壓）為101300 Pa，出站煤氣溫度為45℃。當出站煤氣壓力為40000 Pa時，對應的煤氣濕度dzc=5.38×10-2kg水蒸氣/kg干煤氣，出站煤氣壓力≤40000 Pa時，煤氣的濕度不會變化，只有出站煤氣壓力高于40000 Pa時，煤氣濕度才會降低，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、壓力及當地大氣壓（絕壓）相關，但其濕度不僅僅受爐出煤氣濕度dlc的限制。

（1）煤氣含飽和水量計算

假設爐出煤氣溫度450℃，經煤氣初冷塔降溫后煤氣溫度為80℃，降溫冷卻介質為焦油和水，冷卻介質流量為30 t/h，冷卻介質中水約占50%，冷卻介質溫度變化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算

以上述發生爐煤氣為例，假設，當地大氣壓（絕壓）為101300 Pa，出站煤氣壓力為15000 Pa。當出站煤氣溫度為64℃時，對應的煤氣濕度dzc=20. 04×10-2kg水蒸氣/kg干煤氣，出站煤氣溫度≥64℃時，煤氣的濕度無變化，當出站煤氣溫度低于64℃時，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，沿輸送管道內壁流動的煤氣通過管壁與外界環境換熱，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無關。文獻[7]假設煤氣處于飽和狀態時，推導出濕煤氣輸送過程中水蒸氣理論凝結量的計算公式，當出站煤氣溫度較低時，煤氣一般處于飽和狀態，在此情況下該公式是適用的。

6　結論

（1）發生爐煤氣的濕度與煤氣凈化冷卻工藝相關，發生爐熱煤氣站出站煤氣濕度與爐出煤氣濕度dlc相同；發生爐冷煤氣站出站煤氣濕度與出站煤氣的溫度、壓力及當地大氣壓（絕壓）相關，即dzc=f（p，pv，T）。

（2）煤氣初冷系統和終冷系統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生爐爐出煤氣濕度dlc相關，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，即dzc≤dtc。

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

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供用電

作者簡介：苑衛軍（1968-），男，畢業于河北理工大學，工程碩士，高級工程師，現從事煤氣化工藝及設備研究工作。

收稿日期：2015－01－15

【中圖分類號】TQ54

【文獻標識碼】B

【文章編號】1006-6764(2015)04-0016-03