发生炉煤气的湿度计算及分析

2015-03-15苑卫军陈学峰苏亚斌唐山科源环保技术装备有限公司河北唐山063020

冶金动力 2015年4期

苑卫军，陈学峰，马　宁，苏亚斌（唐山科源环保技术装备有限公司，河北唐山　063020）

发生炉煤气的湿度计算及分析

苑卫军，陈学峰，马宁，苏亚斌
（唐山科源环保技术装备有限公司，河北唐山063020）

【摘要】结合发生炉煤气的造气原理及不同的煤气冷却净化工艺，通过实例计算，揭示了不同发生炉煤气站煤气湿度的变化情况。同时指出煤气出站输送过程中，煤气通过管壁与外界环境换热，煤气中的部分饱和水冷凝析出，致使煤气湿度降低，此过程与出站煤气是否处于饱和状态无关。

【关键词】发生炉煤气；冷却；湿度；压力；温度；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，常压固定床煤气发生炉气化技术在陶瓷、化工、冶金、机械等诸多燃耗企业应用广泛，合理调整和控制发生炉煤气的一些重要物性指标，保持其最佳的应用状态，可以有效实现炉窑系统的节能降耗。湿度是发生炉煤气的一项重要物性指标，对煤气的准确计量、湿煤气热值以及煤气燃烧效果有着重要的影响。文献[1－3]揭示了煤气湿度对煤气流量计量的影响，并提出了相应的补偿措施，一般认为煤气处于饱和状态进行湿度补偿。但多数情况下发生炉煤气并未达到饱和状态，这就给补偿计量的精确度带来较大影响。文献[4]揭示了不同温度下由于煤气湿度的变化对湿煤气热值的影响。文献[5]通过实验发现含湿量20%的低热值煤气的燃烧温度和火焰稳定性远远优于含湿量为30%的煤气。文献[6]指出随着湿煤气温度的增高，煤气含湿量增大，煤气加压机输送能力、煤气热值及炉窑热效率同时降低，致使系统能耗增加。本文结合发生炉煤气的造气原理及不同的煤气冷却净化工艺，通过实例计算，揭示不同发生炉煤气站煤气湿度的变化情况。

2　发生炉煤气的含水与湿度

发生炉煤气由煤气站生产供应，经过造气、煤气净化冷却、煤气终冷、煤气加压及输送过程，最终至炉窑前燃烧应用，煤气中水的形成、混入及析出贯穿于以上各个过程，各过程水的平衡项参见表1，可以看出燃烧前煤气最终含水由煤气中的饱和水蒸气和雾态机械水组成，煤气中饱和水蒸气的多少通常用煤气湿度来衡量，一般以相对湿度φ或比湿度d表示。

表1　发生炉煤气中水的入项及出项平衡

3　炉出发生炉煤气的湿度计算

炉出发生炉煤气的湿度只与煤气发生炉的造气过程有关，鉴于灰盘水封蒸发进入煤气的水蒸气量较小，另外一般每2~3 h探火一次，探火打钎为间歇操作，该操作带入的水蒸气总量有限，计算炉出发生炉煤气湿度时，以上两项可以简化忽略，简化认为炉出发生炉煤气的湿度仅与煤的水分、空气带入水分和水蒸气气化剂的分解率相关，由于炉出煤气温度较高（一般为450~550℃），以上煤中的水、空气带入水分和水蒸气气化剂的未分解水全部以气态转入煤气中。假设：煤气发生炉气化表2所示煤种，发生炉煤气成分如表3所示，煤气产量按照5000 m3/h对炉出发生炉煤气湿度进行计算。

表2　气化用煤煤质数据

（1）煤带入水量计算

发生炉小时耗煤量：5000÷3=1667 kg

煤带入水：1667×8.62%=114 kg

（2）空气气化剂带入水量计算

空气耗量约为3000 m3，当空气温度为15℃，饱和时每1 m3干空气中的含水量为13.8 g/m3，则此时空气中的含水量为：13.8×50%=6.9 g/m3。气化剂空气中的水约为21 kg。

（3）未分解水蒸气气化剂带入水量计算

由氢平衡简化计算气化剂水蒸气耗量W：

煤气含氢量：0.12×=0.0107 kg/m3

（4）炉出煤气湿度计算

炉出发生炉煤气含水蒸气总量：

干发生炉煤气质量：5000×1.06=5300 kg

炉出发生炉煤气湿度：

4　出站煤气的湿度计算

4.1热煤气站出站煤气湿度

发生炉热煤气站站内不设置煤气降温设备，煤气只在经过保温处理的旋风除尘器、隔断水封及煤气管道等处自然降温，其出站煤气温度较高（一般为350~450℃），煤气净化过程中，没有发生水的析出或吸入，所以发生炉热煤气站出站煤气湿度与炉出煤气湿度相同。

4.2间接冷却形式的冷煤气站出站煤气湿度

煤气初冷系统和终冷系统全部采用间接冷却形式的冷煤气站，其出站煤气湿度首先与煤气发生炉炉出煤气湿度相关，另外与出站煤气的温度、压力及当地大气压（绝压）相关，即dzc=f（p，pv，T）≤dlc。

式中，dzc——出站煤气湿度，kg水蒸气/kg干煤气；

Rg——发生炉煤气的气体常数，J/（kg·K）；

Rv——水蒸气的气体常数，J/（kg·K）；

Pb——当地大气压（绝压），Pa；

Pg，y——煤气压力，Pa；

Ps，y——煤气温度对应的饱和水蒸气压力（绝压），Pa。

以上述发生炉煤气为例，Rg=328.6 J/（kg·K），Rv=461.5 J/（kg·K），假设，当地大气压（绝压）为101300 Pa，出站煤气压力为15000 Pa。当出站煤气温度为41.5℃时，对应的煤气湿度dzc=5.38×10-2kg水蒸气/kg干煤气，出站煤气温度≥41.5℃时，煤气的湿度无任何变化，只有出站煤气温度低于41.5℃时，煤气湿度才会降低，不同温度下煤气湿度的变化如图1所示。

图1　不同煤气温度下煤气湿度

假设，当地大气压（绝压）为101300 Pa，出站煤气温度为45℃。当出站煤气压力为40000 Pa时，对应的煤气湿度dzc=5.38×10-2kg水蒸气/kg干煤气，出站煤气压力≤40000 Pa时，煤气的湿度不会变化，只有出站煤气压力高于40000 Pa时，煤气湿度才会降低，图2所示为不同煤气压力下煤气湿度的变化。

图2　不同煤气压力下煤气湿度

4.3直接水冷却形式的冷煤气站出站煤气湿度

煤气站的煤气初冷系统采用直接水冷却形式的冷煤气站，其出站煤气湿度与出站煤气的温度、压力及当地大气压（绝压）相关，但其湿度不仅仅受炉出煤气湿度dlc的限制。

（1）煤气含饱和水量计算

假设炉出煤气温度450℃，经煤气初冷塔降温后煤气温度为80℃，降温冷却介质为焦油和水，冷却介质流量为30 t/h，冷却介质中水约占50%，冷却介质温度变化Δt′为10℃，可以通过热平衡核算煤气冷却过程中的吸水量为1062 kg。

（2）终冷后出站煤气湿度计算

以上述发生炉煤气为例，假设，当地大气压（绝压）为101300 Pa，出站煤气压力为15000 Pa。当出站煤气温度为64℃时，对应的煤气湿度dzc=20. 04×10-2kg水蒸气/kg干煤气，出站煤气温度≥64℃时，煤气的湿度无变化，当出站煤气温度低于64℃时，煤气中部分饱和水析出，煤气湿度降低，不同温度下煤气湿度的变化如图3所示。同上所述，直接水冷却形式的冷煤气站出站煤气湿度dzc=f（p，pv，T）≤dtc。

图3　不同煤气温度下煤气湿度

5　输送过程中煤气湿度的变化

煤气出站输送过程中，沿输送管道内壁流动的煤气通过管壁与外界环境换热，如果外管壁温度低于煤气温度，则煤气中的部分饱和水会冷凝析出，从而使煤气湿度降低，这与出站煤气是否处于饱和状态无关。文献[7]假设煤气处于饱和状态时，推导出湿煤气输送过程中水蒸气理论凝结量的计算公式，当出站煤气温度较低时，煤气一般处于饱和状态，在此情况下该公式是适用的。