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發生爐煤氣濕度對爆炸極限的影響分析

發布時間:2017-03-20
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苑衛軍,郭健,陳玲

(唐山科源環保技術裝備有限公司  河北唐山  063020

摘要:利用改進的Le Chatlier公式,對煤氣濕度為40g/Nm3、80g/Nm3、120g/Nm3、170g/Nm3的八組發生爐煤氣計算樣本進行爆炸極限的理論計算,發現在幹煤氣成分不變的情況下,随着發生爐煤氣濕度的增加,煤氣爆炸上限和下限均有不同程度的提高,但煤氣爆炸極限範圍逐漸收窄。同時指出由于應用濕度範圍内(32-178g/Nm3)的發生爐煤氣的爆炸極限變化較小,在發生爐煤氣的實際應用過程中,煤氣濕度對爆炸極限的影響可以忽略不計。

關鍵詞:發生爐煤氣;濕度;爆炸極限;理論計算

Analysis of Influence of Humidity of Producer Gas on Explosion Limit

Yuan Weijun, Guo Jian, Chen ling

 (Tangshan Keyuan Environmental Protection Technology and Equipment Co.,Ltd   Tangshan, Hebei  063020)

Abstract: Based on the improved Le Chatlier formula, the explosion limit theoretical calculation was carried out on eight groups of producer gas samples whose humidity are 40g/Nm3, 80g/Nm3, 120g/Nm3 and 170g/Nm3 and it was found that with the dry gas composition unchanged, the upper and lower gas explosion limits are increased with the increase of the humidity of the gas, but the gas explosion limit range are gradually narrow. At the same time, it is pointed out that because the explosion limit change of the producer gas in the humidity range(32-178g/Nm3)is small, the influence of gas humidity on the explosion limit is negligible in the practical application of the producer gas.

Keywords: Producer gas; Humidity; Explosion limit; Theoretical calculation

0 引言

工業可燃氣體一般多為多元混合氣體,其爆炸極限受諸多因素的影響:原始溫度越高,其爆炸極限範圍越大;系統初始壓力增大,其爆炸極限範圍也會擴大;惰性氣體組分百分數的增加,會使其爆炸極限範圍縮小;另外爆炸容器的材質及幾何形狀和尺寸、點火源的能量及形式和點火位置等對爆炸極限都有較大影響。發生爐煤氣作為應用較為廣泛的工業可燃氣體,是一種典型的多元混合氣體,其中主要含有可燃成分H2、CO和CH4,惰性氣體CO2、N2和飽和水蒸氣,另外煤氣中還含有少量的O2,本文僅就發生爐煤氣濕度對其爆炸極限的影響進行讨論分析。

1 爆炸極限理論計算方法的選擇

可燃氣體爆炸極限的理論計算方法較多,文獻1介紹了按爆炸性氣體完全燃燒時化學理論濃度計算法、用爆炸下限計算爆炸上限法、根據含碳原子數計算爆炸極限法、北川徽三法和Le Chatlier法及經驗公式法等六種爆炸極限的理論計算方法,分析并指出對于可燃氣體中混入N2和CO2等惰性氣體時,按可燃氣體的爆炸性及惰性氣體的爆炸抑制效果,采用全比例分配、互相組合的原則進行可燃氣體與惰性氣體的混合,利用改進的Le Chatlier公式進行計算,其計算結果更接近混合可燃氣體的實際爆炸極限。

發生爐煤氣中含有氧氣、隋性氣、水蒸氣和多種可燃氣體,對其進行爆炸極限理論計算時,首先根據幹煤氣成分和煤氣濕度計算出濕煤氣各成分的體積百分比,再按照濕煤氣含氧量的比例将煤氣中的空氣部分抽出,例如:濕煤氣中氧含量為0.2%,則煤氣中抽出空氣量為(0.2÷21)=0.95%,其中O2為0.2%、N2為0.75%;然後利用改進的Le Chatlier公式對抽出空氣後的混合氣體的爆炸極限進行計算。

文獻2詳解了利用改進的Le Chatlier公式進行混合氣體爆炸極限計算的具體步驟。以發生爐煤氣為例,設可燃氣體濃度為Ajj =1,2,3 ;惰性氣體濃度為Akk =4,5,6,将煤氣主要可燃及惰性成分編号如表1。

1 煤氣主要可燃及惰性成分編号

煤氣成分

CO

H2

CH4

CO2

N2

H2O

編号

1

2

3

4

5

6

Aj,k=Aj           (1)

Ak,j=Ak            (2)

 Fk,j=                   (3)

fk,j—第k号惰性氣體對第j号可燃氣的最大爆炸抑制系數(爆炸極限圖1、223中可查出)

Aj,k—混合氣體中與第k号惰性氣體混合的第j号可燃氣氣體體積分數

Ak,j—混合氣體中用來抑制第j号可燃氣體的第k号惰性氣體的體積分數

Fk,j—第k号惰性氣體與第j号可燃氣體組合的爆炸抑制系數

如果Fk,j<fk,j,則可根據式(1)、(2)計算結果和爆炸極限圖1、2中不同可燃氣與不同惰氣混合時的爆炸下限Lj, k、爆炸上限Uj, k ,依據Le Chateler公式由下述式(4)、(5)計算出總的混合氣體的爆炸上、下限UL

L=           (4)

U=           (5)

最後将抽出空氣補回,計算實際發生爐煤氣的爆炸極限。設原始發生爐濕煤氣含氧量為α%;爆炸下限補回空氣量為x;爆炸上限補回空氣量為y,則:

 =α%         (6)

 =α%         (7)

Lmix=L+x               (8)

Umix=U+y              (9)

1 爆炸極限圖(1                    2 爆炸極限圖(2

2 發生爐煤氣濕度對其爆炸極限的影響

以氣化煙煤的發生爐煤氣為例,幹煤氣主要成分範圍參見表2,其中CH4的含量與煙煤的揮發分含量、性質及其在發生爐内的幹餾效果相關;CO和H2及CO2的含量與氣化反應效果相關,當這三種成分達到一定比例後,随着氣化劑中空氣和水蒸氣的供給比例的差異,CO和H2及CO和CO2分别出現此消彼漲的趨勢。對于濕煤氣而言,煤氣的濕度與煙煤含水率、氣化過程水蒸氣分解率、煤氣淨化工藝及煤氣出站溫度和壓力相關,根據文獻4提供的煤氣濕度數據進行換算,對于水洗煤氣工藝,假設當地大氣壓(絕壓)為101300Pa,出站煤氣壓力為15000Pa,出站煤氣的飽和溫度為64℃,對應的煤氣濕度約為178g/Nm3幹煤氣;對于間接冷卻工藝,出站煤氣飽和溫度為41.5℃時,對應的煤氣濕度約為48g/Nm3幹煤氣;對于以上兩種淨化工藝的煤氣而言,當煤氣溫度為35℃時,對應的煤氣濕度均為32g/Nm3幹煤氣。依據以上分析确定表3所示幹煤氣樣本1、2,幹煤氣樣本分别對應煤氣濕度40g/Nm3、80g/Nm3、120g/Nm3、170g/Nm3,組成濕煤氣計算樣本1-1、1-2、1-3、1-4和2-1、2-2、2-3、2-4,以上濕煤氣樣本的組分百分比參見表4,表5為發生爐濕煤氣計算樣本組分體積百分比。

2 發生爐幹煤氣主要成分範圍

主要成分

CO

H2

CH4

O2

CO2

N2

%(V)

28-32

10-14

2.5-3.5

0.2-0.5

3-6

47-52

3 發生爐幹煤氣樣本 %V))

樣本/組分

CO

H2

CH4

O2

CO2

N2

樣本1

28.0

14.0

3.5

0.5

6.0

48.0

樣本2

32.0

10.0

3.5

0.3

3.0

51.2

4 發生爐濕煤氣計算樣本組分比例 %V))

樣本/組分

CO

H2

CH4

O2

CO2

N2

H2O

1-1

26.6

13.3

3.3

0.5

5.7

46.5

5.0

1-2

25.5

12.7

3.2

0.5

5.5

43.7

8.9

1-3

24.4

12.2

3.0

0.4

5.2

41.8

13.0

1-4

23.2

11.6

2.9

0.4

5.0

39.8

17.1

2-1

30.4

9.5

3.3

0.3

2.9

48.6

5.0

2-2

29.1

9.1

3.2

0.3

2.7

46.6

9.0

2-3

27.8

8.7

3.0

0.3

2.6

44.5

13.1

2-4

26.6

8.3

2.9

0.2

2.5

42.5

17.0

5 抽空氣後發生爐濕煤氣組分比例(%V))

樣本/組分

CO

H2

CH4

CO2

N2

H2O

1-1

27.1

13.6

3.4

5.8

44.6

5.5

1-2

26.0

13.0

3.3

5.6

42.7

9.4

1-3

24.9

12.4

3.1

5.3

41.2

13.2

1-4

23.2

11.6

3.0

5.1

39.1

17.3

2-1

30.4

9.5

3.3

2.9

48.0

5.0

2-2

29.4

9.2

3.2

2.7

45.9

9.6

2-3

28.1

8.8

3.0

2.6

43.8

13.7

2-4

26.9

8.4

2.9

2.5

42.2

17.1

6 發生爐濕煤氣爆炸極限計算結果

爆炸極限/樣本

1-1

1-2

1-3

1-4

2-1

2-2

2-3

2-4

Umix%(V)

64

64.3

64.5

64.8

63.9

64.3

64.8

64.8

Lmix%(V)

19.4

20.2

21.1

22.0

21.4

22.4

23.5

24.5

Umix-Lmix%(V)

44.6

44.1

43.4

42.8

42.5

41.9

41.3

40.3

   将1-1、1-2、1-3、1-4和2-1、2-2、2-3、2-4的計算結果(表6)分組進行對比,當幹煤氣成分不變的情況下,随着發生爐煤氣濕度的增加,煤氣爆炸上限和下限均有不同程度的提高,但煤氣爆炸極限範圍逐漸收窄,但收窄空間較小。

3 結論

随着煤氣冷卻工藝、煤氣出站溫度和壓力的不同,發生爐煤氣的濕度相應發生變化,經常應用的發生爐煤氣的濕度一般在32-178g/Nm3範圍内,随着濕度的增加,發生爐煤氣的爆炸極限範圍趨于收窄,這主要是因為煤氣濕度的增大強化了水蒸汽對可燃氣體混合物的稀釋和隔離氧氣(窒息)作用。但在此濕度範圍内的發生爐煤氣的爆炸極限變化較小,考慮到煤氣溫度、系統原始壓力、爆炸容器和點火源等因素對煤氣爆炸極限的影響,在發生爐煤氣的實際應用過程中,煤氣濕度對爆炸極限的影響可以忽略不計。

參考文獻:

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[2] 王淑蘭;畢明樹;李嶽,工業多元混合氣體爆炸極限計算[J],化工裝備技術,2000, 6:28-30

[3] 項友潛;嚴銘卿;周傳利等,混合燃氣爆炸極限的确定[J],煤氣與熱力,1992,6:40-45

[4] 苑衛軍;陳學峰;馬甯等,發生爐煤氣的濕度計算及分析[J],冶金動力,2014,4:16 -18

第一作者

姓名:苑衛軍(1968-),男,河北省霸州市,高級工程師,工程碩士,本科畢業于華北理工大學,從事工作内容:煤炭氣化行業,研究方向:煤氣化工藝及設備,聯系電話: 13703243469, E-mail:2329081462@qq.com

聯系人:苑衛軍

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