高炉煤气含湿量和露点的计算与分析

宋澜波，姚 旭，王 波，杨灿军

(1.湖南华菱涟源钢铁有限公司能源总厂，湖南娄底 417009；2.湖南华菱涟源钢铁有限公司生产管理部，湖南娄底 417009）

前言

随着复合针毡滤布等高温滤布材料的发展，以及布袋脉冲反吹清灰技术的成功实施，国内越来越多的大中型高炉采用干法布袋除尘工艺[1]。干法除尘串联余压透平发电（TRT）系统，因其除尘效率高、发电量高、节水、节电等优势显著，目前已经被众多钢铁企业高炉煤气余能回收所采用[2]。考虑到滤布材质的问题，要求煤气温度一般控制在300 ℃以内，温度过高对滤布造成不可逆转的损坏；同时要求煤气温度不能过低，一般要求高于130 ℃，防止煤气中的水与粉尘堵塞滤布使其失去过滤的功能[3]。高炉鼓风湿度、高炉炉料结构和高炉操作（如高炉打水）等诸多因素使得高炉煤气中含有一定量的水蒸气，尤其是近年来高炉喷煤量的提高导致高炉煤气的含湿量不断增加。高炉煤气在输配过程中，往往伴随着温降，所含水蒸气将由不饱和状态进入到饱和状态并析出一定数量的冷凝水[4]。由于干法除尘无法除掉煤气中的酸性气体，高炉煤气中大量的氯离子溶于煤气冷凝水形成酸露点腐蚀，成为煤气管道腐蚀的主要原因[5,6]。因此，控制好高炉煤气的含湿量和露点温度，对于减缓管网腐蚀具有重要意义。

1 高炉煤气含湿量计算

涟钢6#高炉采用干法布袋除尘技术，除尘后高炉煤气进入TRT 透平余热余压发电系统，只有在炉顶温度过高的情况下才会采取炉顶打水的方法来降低煤气温度。2018年8-10月，炉顶煤气温度只有80～150℃，基本可以排除人为打水降温（当然不能排除因设备故障导致水进入煤气中，需进一步排查），故煤气中的水主要来自燃料和鼓风。具体生产条件如图1所示。

计算高炉煤气含湿量的基本过程为：

①按图1 所示的高炉吨铁水量氢量推演图，采用干熄焦时，计算出入炉水量、氢量，以及入炉总氢（包括水所含氢）含量为8.52 kg/t铁。

②根据涟钢6#高炉的吨铁煤气发生量和高炉煤气中含氢量，可计算出高炉进入煤气中的氢量为3.98 kg/t铁。

③假定入炉氢在高炉反应后，部分以分子（氢气）形态进入高炉煤气，其余以原子形态进入水，那么进入水中的氢离子质量为8.52-3.98=4.54 kg/t铁，按氢、水分子量之比（2∶18）易得出水含量为40.86 kg/t 铁，进一步结合煤气产气率易得出煤气含水量27.5 g/m3煤气。

图1 高炉吨铁水量氢量（采用干熄焦时）推演示意图

因此，采用干熄焦时高炉煤气含湿量d1可计算为：

式中，ms—煤气中水的质量，kg；

mg—干煤气质量，kg；

ρg—高炉煤气平均密度，取1.34 kg/m3。

④同理，可计算出采用湿熄焦时高炉煤气含湿量d2=0.029 kg/kg(干煤气)

2 高炉煤气冷凝水排出量

采用干熄焦时，高炉出口湿煤气含湿量为d1=0.021 kg/kg，高炉煤气终端用户压力约为p1=108.3 kPa（表压9 kPa+当地大气压p，见式（4））25℃，查表得到对应的水蒸气分压为3 kPa。终端煤气含湿量d3为：

式中，ps—煤气中水蒸气分压，kPa；

pg—干煤气分压，pg=p-ps，kPa；

Rg—高炉煤气气体常数，取275 J/(kg·K)；

Rs—水蒸气气体常数，取461.53 J/(kg·K)。

6#高炉煤气发生量为384879.5 m3/h，假设水分全部析出，采用干熄焦时，按标准状况气体进行估算：

式中，Qs—冷凝水排量，kg/h；

Qg—干煤气流量，kg/h；

V—煤气发生量，m3/h。

即干熄焦时高炉煤气冷凝水排量为2020 kg/h。同理，可计算出采用湿熄焦时高炉煤气冷凝水排量为6012 kg/h。

计算结果基本符合近期煤气管网排水器排水量增大的情况。

3 高炉煤气露点计算

露点温度的概念：在气体含湿量和气压一定的情况下，烟气和水汽混合物冷却到饱和时的温度，即湿空气与液态水成平衡状态，则达到该混合物的露点，继续降低温度将会析出游离水。

娄底地区（海拔为170 m）的大气压为：

自高炉出口时，荒煤气中水的蒸气压ps按式（5）计算。其中为：高炉顶压215 kPa，总压力p1=314.3 kPa；采用干熄焦时湿度d1=0.021 kg/kg。

计算得出ps=10.63 kPa。查表可得，该饱和蒸气压下，露点温度为47°C。同理，采用湿焦情况下，露点温度为53°C。正常运行条件下，6#高炉的炉顶出口煤气温度控制在80～150℃，均高于两种情况下的露点温度值，理论上是合适的，对煤气除尘及输送基本不会产生较大影响。

然而，当炉况出现较大波动时，炉顶温度显著下降也可能会导致布袋入口煤气温度出现低于露点温度，析出大量游离水而造成重力脱尘设备和布袋出现潮湿的现象，影响高炉煤气过滤除尘效果和正常输送。同样，当炉顶温度较低时，经TRT 后至终端管网煤气温度持续下降至较低温度，此时煤气中水蒸气分压更低，饱和水含量显著降低，更加容易析出大量的酸性凝结水，从而加剧对输送管道的腐蚀。

4 结论和建议

高炉炉顶煤气温度控制过低，煤气中的水分容易析出，导致除尘设备出现潮湿和结垢的现象，对煤气净化除尘和煤气正常输送造成一定影响。同时，近期因高炉煤气炉顶温度降低导致沿路煤气管道疏水器排水量较以往出现明显增加，并且管道酸性凝结水量增加加剧了对管道的腐蚀。

在实际生产过程中，严格控制高炉煤气炉顶温度，可减少煤气中的水分凝结对除尘设备的影响，并在一定程度上降低高炉煤气输送管道的腐蚀程度。

分析可知，高炉煤气中的水分主要来自鼓风中，为了降低高炉煤气中含湿量对管道及加热设备的影响，可以考虑进行高炉鼓风脱湿，在稳定炉况和节约能源的同时还可降低后续负影响。

因干法除尘对煤气中的酸性杂质成分无法过滤，对煤气管道和加热设备燃烧器、阀门等造成一定影响，可以考虑在煤气除尘系统增设脱盐装置缓解煤气冷凝水酸性腐蚀。