高爐煤氣含濕量和露點的計算與分析

宋瀾波，姚 旭，王 波，楊燦軍

(1.湖南華菱漣源鋼鐵有限公司能源總廠，湖南婁底 417009；2.湖南華菱漣源鋼鐵有限公司生產管理部，湖南婁底 417009）

前言

隨著復合針氈濾布等高溫濾布材料的發展，以及布袋脈沖反吹清灰技術的成功實施，國內越來越多的大中型高爐采用干法布袋除塵工藝[1]。干法除塵串聯余壓透平發電（TRT）系統，因其除塵效率高、發電量高、節水、節電等優勢顯著，目前已經被眾多鋼鐵企業高爐煤氣余能回收所采用[2]?？紤]到濾布材質的問題，要求煤氣溫度一般控制在300 ℃以內，溫度過高對濾布造成不可逆轉的損壞；同時要求煤氣溫度不能過低，一般要求高于130 ℃，防止煤氣中的水與粉塵堵塞濾布使其失去過濾的功能[3]。高爐鼓風濕度、高爐爐料結構和高爐操作（如高爐打水）等諸多因素使得高爐煤氣中含有一定量的水蒸氣，尤其是近年來高爐噴煤量的提高導致高爐煤氣的含濕量不斷增加。高爐煤氣在輸配過程中，往往伴隨著溫降，所含水蒸氣將由不飽和狀態進入到飽和狀態并析出一定數量的冷凝水[4]。由于干法除塵無法除掉煤氣中的酸性氣體，高爐煤氣中大量的氯離子溶于煤氣冷凝水形成酸露點腐蝕，成為煤氣管道腐蝕的主要原因[5,6]。因此，控制好高爐煤氣的含濕量和露點溫度，對于減緩管網腐蝕具有重要意義。

1 高爐煤氣含濕量計算

漣鋼6#高爐采用干法布袋除塵技術，除塵后高爐煤氣進入TRT 透平余熱余壓發電系統，只有在爐頂溫度過高的情況下才會采取爐頂打水的方法來降低煤氣溫度。2018年8-10月，爐頂煤氣溫度只有80～150℃，基本可以排除人為打水降溫（當然不能排除因設備故障導致水進入煤氣中，需進一步排查），故煤氣中的水主要來自燃料和鼓風。具體生產條件如圖1所示。

計算高爐煤氣含濕量的基本過程為：

①按圖1 所示的高爐噸鐵水量氫量推演圖，采用干熄焦時，計算出入爐水量、氫量，以及入爐總氫（包括水所含氫）含量為8.52 kg/t鐵。

②根據漣鋼6#高爐的噸鐵煤氣發生量和高爐煤氣中含氫量，可計算出高爐進入煤氣中的氫量為3.98 kg/t鐵。

③假定入爐氫在高爐反應后，部分以分子（氫氣）形態進入高爐煤氣，其余以原子形態進入水，那么進入水中的氫離子質量為8.52-3.98=4.54 kg/t鐵，按氫、水分子量之比（2∶18）易得出水含量為40.86 kg/t 鐵，進一步結合煤氣產氣率易得出煤氣含水量27.5 g/m3煤氣。

圖1 高爐噸鐵水量氫量（采用干熄焦時）推演示意圖

因此，采用干熄焦時高爐煤氣含濕量d1可計算為：

式中，ms—煤氣中水的質量，kg；

mg—干煤氣質量，kg；

ρg—高爐煤氣平均密度，取1.34 kg/m3。

④同理，可計算出采用濕熄焦時高爐煤氣含濕量d2=0.029 kg/kg(干煤氣)

2 高爐煤氣冷凝水排出量

采用干熄焦時，高爐出口濕煤氣含濕量為d1=0.021 kg/kg，高爐煤氣終端用戶壓力約為p1=108.3 kPa（表壓9 kPa+當地大氣壓p，見式（4））25℃，查表得到對應的水蒸氣分壓為3 kPa。終端煤氣含濕量d3為：

式中，ps—煤氣中水蒸氣分壓，kPa；

pg—干煤氣分壓，pg=p-ps，kPa；

Rg—高爐煤氣氣體常數，取275 J/(kg·K)；

Rs—水蒸氣氣體常數，取461.53 J/(kg·K)。

6#高爐煤氣發生量為384879.5 m3/h，假設水分全部析出，采用干熄焦時，按標準狀況氣體進行估算：

式中，Qs—冷凝水排量，kg/h；

Qg—干煤氣流量，kg/h；

V—煤氣發生量，m3/h。

即干熄焦時高爐煤氣冷凝水排量為2020 kg/h。同理，可計算出采用濕熄焦時高爐煤氣冷凝水排量為6012 kg/h。

計算結果基本符合近期煤氣管網排水器排水量增大的情況。

3 高爐煤氣露點計算

露點溫度的概念：在氣體含濕量和氣壓一定的情況下，煙氣和水汽混合物冷卻到飽和時的溫度，即濕空氣與液態水成平衡狀態，則達到該混合物的露點，繼續降低溫度將會析出游離水。

婁底地區（海拔為170 m）的大氣壓為：

自高爐出口時，荒煤氣中水的蒸氣壓ps按式（5）計算。其中為：高爐頂壓215 kPa，總壓力p1=314.3 kPa；采用干熄焦時濕度d1=0.021 kg/kg。

計算得出ps=10.63 kPa。查表可得，該飽和蒸氣壓下，露點溫度為47°C。同理，采用濕焦情況下，露點溫度為53°C。正常運行條件下，6#高爐的爐頂出口煤氣溫度控制在80～150℃，均高于兩種情況下的露點溫度值，理論上是合適的，對煤氣除塵及輸送基本不會產生較大影響。

然而，當爐況出現較大波動時，爐頂溫度顯著下降也可能會導致布袋入口煤氣溫度出現低于露點溫度，析出大量游離水而造成重力脫塵設備和布袋出現潮濕的現象，影響高爐煤氣過濾除塵效果和正常輸送。同樣，當爐頂溫度較低時，經TRT 后至終端管網煤氣溫度持續下降至較低溫度，此時煤氣中水蒸氣分壓更低，飽和水含量顯著降低，更加容易析出大量的酸性凝結水，從而加劇對輸送管道的腐蝕。

4 結論和建議

高爐爐頂煤氣溫度控制過低，煤氣中的水分容易析出，導致除塵設備出現潮濕和結垢的現象，對煤氣凈化除塵和煤氣正常輸送造成一定影響。同時，近期因高爐煤氣爐頂溫度降低導致沿路煤氣管道疏水器排水量較以往出現明顯增加，并且管道酸性凝結水量增加加劇了對管道的腐蝕。

在實際生產過程中，嚴格控制高爐煤氣爐頂溫度，可減少煤氣中的水分凝結對除塵設備的影響，并在一定程度上降低高爐煤氣輸送管道的腐蝕程度。

分析可知，高爐煤氣中的水分主要來自鼓風中，為了降低高爐煤氣中含濕量對管道及加熱設備的影響，可以考慮進行高爐鼓風脫濕，在穩定爐況和節約能源的同時還可降低后續負影響。

因干法除塵對煤氣中的酸性雜質成分無法過濾，對煤氣管道和加熱設備燃燒器、閥門等造成一定影響，可以考慮在煤氣除塵系統增設脫鹽裝置緩解煤氣冷凝水酸性腐蝕。