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發生爐煤氣的濕度計算及分析

發布時間:2015-05-28
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苑衛軍,陳學峰,馬甯,蘇亞斌

(唐山科源環保技術裝備有限公司  河北唐山  063020

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摘要:結合發生爐煤氣的造氣原理及不同的煤氣冷卻淨化工藝,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,緻使煤氣濕度降低,此過程與出站煤氣是否處于飽和狀态無關。

關鍵詞:發生爐煤氣;熱煤氣;冷煤氣;間接冷卻;直接冷卻;爐出煤氣;出站煤氣;濕度;大氣壓;煤氣壓力;煤氣溫度;冷凝水

Humidity calculation and analysis of generator gas

YUAN Wei-jun  CHEN Xue-feng   MA-Ning   SU Ya-bin

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

Abstract: This paper is based on the gasification principles of generator gas and different gas cooling & purification process as well as through practical calculation, revealing the change of gas humidity generated by different coal gas station. Meanwhile, it also pointed out that during the transportation process, part of the saturated water in coal gas will condensate and being dissolved out as the heat exchange between pipe wall and external environment, and leads to the lower of gas humidity. This process has no relationship with whether the purified coal gas is in saturated state or not.

Key words: generator gas; crude coal gas; clean coal gas; indirect cooling; direct cooling; gasifier outlet gas; purified coal gas; humidity; atmospheric pressure; gas pressure; gas temperature; condensate water 

0 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标,保持其最佳的應用狀态,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标,對煤氣的準确計量、濕煤氣熱值以及煤氣燃燒效果有着重要的影響。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态進行濕度補償。但多數情況下發生爐煤氣并未達到飽和狀态,這就給補償計量的精确度帶來較大影響。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指出随着濕煤氣溫度的增高,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,緻使系統能耗增加。本文結合發生爐煤氣的造氣原理及不同的煤氣冷卻淨化工藝,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。

1 發生爐煤氣的含水與濕度

發生爐煤氣由煤氣站生産供應,經過造氣、煤氣淨化冷卻、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态機械水組成,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。

 

2 爐出發生爐煤氣的濕度計算

爐出發生爐煤氣的濕度隻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2-3h探火一次,探火打釺為間歇操作,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态轉入煤氣中。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,煤氣産量按照5000Nm3/h對爐出發生爐煤氣濕度進行計算。

(1)煤帶入水量計算

發生爐小時耗煤量:5000÷3=1667Kg

煤帶入水:1667×8.62%

(2)空氣氣化劑帶入水量計算

空氣耗量約為3000Nm3,當空氣溫度為15℃,飽和時每1Nm3幹空氣中的含水量為13.8g/Nm3,則此時空氣中的含水量為:13.8×50%=6.9g/Nm3。氣化劑空氣中的水約為21Kg。

(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× =0.0107kg/Nm3

W× =0.0107×5000

W=482Kg

煤氣發生爐氣化劑蒸汽分解率一般為80%左右,可知未分解水蒸氣氣化劑帶入水約為 -482=120Kg。

(4)爐出煤氣濕度計算

爐出發生爐煤氣含水蒸氣總量:144+21+120=285 Kg

幹發生爐煤氣質量:5000×1.06=5300 Kg

爐出發生爐煤氣濕度:dlc= =5.38 ×10-2 Kg水蒸氣/Kg幹煤氣

3 出站煤氣的濕度計算

3.1 熱煤氣站出站煤氣濕度

發生爐熱煤氣站站内不設置煤氣降溫設備,煤氣隻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℃),煤氣淨化過程中,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。

3.2 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=fppvT)≤dlc

dzc          

dzc-出站煤氣濕度(Kg水蒸氣/Kg幹煤氣)

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=328.6J/(kg.K),Rv=461.5J/(kg.K),假設,當地大氣壓(絕壓)為101300Pa,出站煤氣壓力為15000Pa。當出站煤氣溫度為41.5℃時,對應的煤氣濕度dzc=5.38×10-2 Kg水蒸氣/Kg幹煤氣,出站煤氣溫度≥41.5℃時,煤氣的濕度無任何變化,隻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。

假設,當地大氣壓(絕壓)為101300Pa,出站煤氣溫度為45℃。當出站煤氣壓力為40000Pa時,對應的煤氣濕度dzc=5.38×10-2 Kg水蒸氣/Kg幹煤氣,出站煤氣壓力≤40000Pa時,煤氣的濕度不會變化,隻有出站煤氣溫度高于40000Pa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。

3.3 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℃,經煤氣初冷塔塔降溫後煤氣溫度為80℃,降溫冷卻介質為焦油和水,冷卻介質流量為30t/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。

Ⅰ:放熱計算

① 煤氣降溫放熱:Qmq=V·CPG·Δt

式中:

V—煤氣量,Nm3

CPG—煤氣比熱,MJ/(Nm3·℃)

Δt—煤氣溫度差,℃

Qmq=5000×1.453×10-3×(450-80)=2688MJ

② 焦油析出放熱

經現場實際測算,煤氣發生爐氣化以上煤種,其焦油産率約為7.5Kg水蒸氣/Kg幹煤氣,即每小時焦油産量為gtar=1667×7.5%=125Kg。

Qtar=gtar×itar

itar—焦油在析出溫度下的潛熱,kJ/kg

Qtar=125×355.8=44MJ

Ⅱ:吸熱計算:

① 冷卻介質焦油吸熱:qtar= Gtar×Ctar×Δt

Ctar—焦油的比熱,kJ/(kg·℃)

qtar =30×1000×50%×2.09×10=313MJ

② 冷卻介質水吸熱:qw1= Gw1×Cw×Δt

Cw—水的比熱,kJ/(kg·℃)

qw1 =30×1000×50%×4.18×10=627MJ

③ 冷卻介質水汽化吸熱

qw2= Gw2×iw

iw—水蒸氣80℃下的汽化潛熱,2307 KJ/Kg

Ⅲ:通過換熱平衡計算煤氣吸水量

Qmq+ Qtar = qtar + qw1+ qw2

計算可知煤氣降溫需汽化吸水量:Gw2=777Kg

煤氣中含飽和水量:Gb=777+144+21+(602-482)=1062Kg

(3)校驗煤氣飽和狀态

大氣壓(絕壓)為101300Pa,煤氣溫度為80℃,煤氣壓力為1500Pa時,煤氣達到飽和狀态時飽和水量為663g/Nm3,即煤氣達到以上條件下的飽和狀态時,5000Nm3煤氣含飽和水約3315Kg,而初冷塔後煤氣飽和水含量為1062Kg,即初冷塔後煤氣處于欠飽和狀态,此時煤氣濕度為dtc= =20.04×10-2 Kg水蒸氣/Kg幹煤氣。

(4)終冷後出站煤氣濕度計算

以上述發生爐煤氣為例,假設,當地大氣壓(絕壓)為101300Pa,出站煤氣壓力為15000Pa。當出站煤氣溫度為64℃時,對應的煤氣濕度dzc=20.04×10-2 Kg水蒸氣/Kg幹煤氣,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=fppvT)≤dtc

4 輸送過程中煤氣濕度的變化

煤氣出站輸送過程中,延輸送管道内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态無關。文獻7假設煤氣處于飽和狀态時,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态,在此情況下該公式是适用的。

5 結論

(1)發生爐煤氣的濕度與煤氣淨化冷卻工藝相關,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=fppvT

(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 dzcdlc;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dzcdtc

(3)煤氣出站輸送過程中,延輸送管道内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态無關。

參考文獻:

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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,本科畢業于河北理工大學,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

地址:郵編 063300  地址 河北省唐山市豐南經濟技術開發區運河東路10号;唐山科源環保技術裝備有限公司,聯系電話:13703243469

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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