摘要：結(jié)合煤氣發(fā)生爐的造氣原理及不同的煤氣凈化冷卻凈化工藝，通過(guò)實(shí)例計(jì)算，揭示了不同發(fā)生爐煤氣站煤氣濕度的變化情況。同時(shí)指出煤氣出站輸送過(guò)程中，煤氣通過(guò)管壁與外界環(huán)境換熱，煤氣中的部分飽和水冷凝析出，致使煤氣濕度降低，此過(guò)程與出站煤氣是否處于飽和狀態(tài)無(wú)關(guān)。
關(guān)鍵詞：發(fā)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
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(fā)生爐氣化技術(shù)在陶瓷、化工、冶金、機(jī)械等諸多燃耗企業(yè)應(yīng)用廣泛，合理調(diào)整和控制發(fā)生爐煤氣的一些重要物性指標(biāo)，保持其最佳的應(yīng)用狀態(tài)，可以有效實(shí)現(xiàn)爐窯系統(tǒng)的節(jié)能降耗。濕度是發(fā)生爐煤氣的一項(xiàng)重要物性指標(biāo)，對(duì)煤氣的準(zhǔn)確計(jì)量、濕煤氣熱值以及煤氣燃燒效果有著重要的影響。文獻(xiàn)【1-3】揭示了煤氣濕度對(duì)煤氣流量計(jì)量的影響，并提出了相應(yīng)的補(bǔ)償措施，一般認(rèn)為煤氣處于飽和狀態(tài)進(jìn)行濕度補(bǔ)償。但多數(shù)情況下發(fā)生爐煤氣并未達(dá)到飽和狀態(tài)，這就給補(bǔ)償計(jì)量的精確度帶來(lái)較大影響。文獻(xiàn)【4】揭示了不同溫度下由于煤氣濕度的變化對(duì)濕煤氣熱值的影響。文獻(xiàn)【5】通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)含濕量20%的低熱值煤氣的燃燒溫度和火焰穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于含濕量為30%的煤氣。文獻(xiàn)【6】指出隨著濕煤氣溫度的增高，煤氣含濕量增大，煤氣加壓機(jī)輸送能力、煤氣熱值及爐窯熱效率同時(shí)降低，致使系統(tǒng)能耗增加。本文結(jié)合發(fā)生爐煤氣的造氣原理及不同的煤氣冷卻凈化工藝，通過(guò)實(shí)例計(jì)算，揭示不同發(fā)生爐煤氣站煤氣濕度的變化情況。
1 發(fā)生爐煤氣(煤氣發(fā)生爐)的含水與濕度
發(fā)生爐煤氣由煤氣站（煤氣發(fā)生爐）生產(chǎn)供應(yīng)，經(jīng)過(guò)造氣、煤氣凈化冷卻、煤氣終冷、煤氣加壓及輸送過(guò)程，最終至爐窯前燃燒應(yīng)用，煤氣中水的形成、混入及析出貫穿于以上各個(gè)過(guò)程，各過(guò)程水的平衡項(xiàng)參見(jiàn)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態(tài)機(jī)械水組成，煤氣中飽和水蒸氣的多少通常用煤氣濕度來(lái)衡量，一般以相對(duì)濕度φ或比濕度d表示。
2 爐出發(fā)生爐煤氣的濕度計(jì)算
煤氣發(fā)生爐爐出發(fā)生爐煤氣的濕度只與煤氣發(fā)生爐的造氣過(guò)程有關(guān)，鑒于灰盤(pán)水封蒸發(fā)進(jìn)入煤氣的水蒸氣量較小，另外一般每2-3h探火一次，探火打釬為間歇操作，該操作帶入的水蒸氣總量有限，計(jì)算爐出發(fā)生爐煤氣濕度時(shí)，以上兩項(xiàng)可以簡(jiǎn)化忽略，簡(jiǎn)化認(rèn)為爐出發(fā)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(guān)，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態(tài)轉(zhuǎn)入煤氣中。假設(shè)：煤氣發(fā)生爐氣化表2所示煤種，發(fā)生爐煤氣成分如表3所示，煤氣產(chǎn)量按照5000Nm3/h對(duì)爐出發(fā)生爐煤氣濕度進(jìn)行計(jì)算。
（1）煤帶入水量計(jì)算
發(fā)生爐小時(shí)耗煤量：5000÷3=1667Kg
煤帶入水：1667×8.62%
（2）空氣氣化劑帶入水量計(jì)算
空氣耗量約為3000Nm3，當(dāng)空氣溫度為15℃，飽和時(shí)每1Nm3干空氣中的含水量為13.8g/Nm3，則此時(shí)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(jì)算
由氫平衡簡(jiǎn)化計(jì)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(fā)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(jì)算
煤氣發(fā)生爐爐出發(fā)生爐煤氣含水蒸氣總量：144+21+120=285 Kg
干發(fā)生爐煤氣質(zhì)量：5000×1.06=5300 Kg
煤氣發(fā)生爐爐出發(fā)生爐煤氣濕度：dlc= =5.38 ×10-2 Kg水蒸氣/Kg干煤氣
3 出站煤氣的濕度計(jì)算
3.1 熱煤氣站出站煤氣濕度
煤氣發(fā)生爐熱煤氣站站內(nèi)不設(shè)置煤氣降溫設(shè)備，煤氣只在經(jīng)過(guò)保溫處理的旋風(fēng)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℃），煤氣凈化過(guò)程中，沒(méi)有發(fā)生水的析出或吸入，所以發(fā)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(tǒng)和終冷系統(tǒng)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(fā)生爐爐出煤氣濕度相關(guān)，另外與出站煤氣的溫度、壓力及當(dāng)?shù)卮髿鈮海ń^壓）相關(guān)，即dzc=f（p，pv，T）≤dlc。
dzc= 
dzc－出站煤氣濕度（Kg水蒸氣/Kg干煤氣）
Rg－發(fā)生爐煤氣的氣體常數(shù) J/（kg.K）
Rv－水蒸氣的氣體常數(shù) J/（kg.K）
pb－當(dāng)?shù)卮髿鈮海ń^壓）（Pa）
Pg,y－煤氣壓力（Pa）
Ps,y－煤氣溫度對(duì)應(yīng)的飽和水蒸氣壓力（絕壓）（Pa）
以上述煤氣發(fā)生爐煤氣為例，Rg=328.6J/（kg.K），Rv=461.5J/（kg.K），假設(shè)，當(dāng)?shù)卮髿鈮海ń^壓）為101300Pa，出站煤氣壓力為15000Pa。當(dāng)出站煤氣溫度為41.5℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的煤氣濕度dzc=5.38×10-2 Kg水蒸氣/Kg干煤氣，出站煤氣溫度≥41.5℃時(shí)，煤氣的濕度無(wú)任何變化，只有出站煤氣溫度低于41.5℃時(shí)，煤氣濕度才會(huì)降低，不同溫度下煤氣濕度的變化如圖1所示。
假設(shè)，當(dāng)?shù)卮髿鈮海ń^壓）為101300Pa，出站煤氣溫度為45℃。當(dāng)出站煤氣壓力為40000Pa時(shí)，對(duì)應(yīng)的煤氣濕度dzc=5.38×10-2 Kg水蒸氣/Kg干煤氣，出站煤氣壓力≤40000Pa時(shí)，煤氣的濕度不會(huì)變化，只有出站煤氣溫度高于40000Pa時(shí)，煤氣濕度才會(huì)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
煤氣發(fā)生爐煤氣站的煤氣初冷系統(tǒng)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(dāng)?shù)卮髿鈮海ń^壓）相關(guān)，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(jì)算
假設(shè)爐出煤氣溫度450℃，經(jīng)煤氣初冷塔塔降溫后煤氣溫度為80℃，降溫冷卻介質(zhì)為焦油和水，冷卻介質(zhì)流量為30t/h，冷卻介質(zhì)中水約占50%，冷卻介質(zhì)溫度變化Δt’為10℃，可以通過(guò)熱平衡核算煤氣冷卻過(guò)程中的吸水量。
Ⅰ：放熱計(jì)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(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)算，煤氣發(fā)生爐氣化以上煤種，其焦油產(chǎn)率約為7.5Kg水蒸氣/Kg干煤氣，即每小時(shí)焦油產(chǎn)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(jì)算：
① 冷卻介質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(guò)換熱平衡計(jì)算煤氣吸水量
Qmq+ Qtar = qtar + qw1+ qw2
計(jì)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(yàn)煤氣飽和狀態(tài)
大氣壓（絕壓）為101300Pa，煤氣溫度為80℃，煤氣壓力為1500Pa時(shí)，煤氣達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)飽和水量為663g/Nm3，即煤氣達(dá)到以上條件下的飽和狀態(tài)時(shí)，5000Nm3煤氣含飽和水約3315Kg，而初冷塔后煤氣飽和水含量為1062Kg，即初冷塔后煤氣處于欠飽和狀態(tài)，此時(shí)煤氣濕度為dtc= =20.04×10-2 Kg水蒸氣/Kg干煤氣。
（4）終冷后出站煤氣濕度計(jì)算
以上述發(fā)生爐煤氣為例，假設(shè)，當(dāng)?shù)卮髿鈮海ń^壓）為101300Pa，出站煤氣壓力為15000Pa。當(dāng)出站煤氣溫度為64℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的煤氣濕度dzc=20.04×10-2 Kg水蒸氣/Kg干煤氣，出站煤氣溫度≥64℃時(shí)，煤氣的濕度無(wú)變化，當(dāng)出站煤氣溫度低于64℃時(shí)，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=f（p，pv，T）≤dtc。
4 輸送過(guò)程中煤氣濕度的變化
煤氣出站輸送過(guò)程中，延輸送管道內(nèi)壁流動(dòng)的煤氣通過(guò)管壁與外界環(huán)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(huì)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態(tài)無(wú)關(guān)。文獻(xiàn)【7】假設(shè)煤氣處于飽和狀態(tài)時(shí)，推導(dǎo)出濕煤氣輸送過(guò)程中水蒸氣理論凝結(jié)量的計(jì)算公式，當(dāng)出站煤氣溫度較低時(shí)，煤氣一般處于飽和狀態(tài)，在此情況下該公式是適用的。
5 結(jié)論
（1）發(fā)生爐煤氣的濕度與煤氣凈化冷卻工藝相關(guān)，發(fā)生爐熱煤氣站出站煤氣濕度與爐出煤氣濕度dlc相同；發(fā)生爐冷煤氣站出站煤氣濕度與出站煤氣的溫度、壓力及當(dāng)?shù)卮髿鈮海ń^壓）相關(guān)，即dzc=f（p，pv，T）。
（2）煤氣初冷系統(tǒng)和終冷系統(tǒng)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(fā)生爐爐出煤氣濕度dlc相關(guān)，即 dzc≤dlc；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(guān)，即dzc≤dtc。
（3）煤氣出站輸送過(guò)程中，延輸送管道內(nèi)壁流動(dòng)的煤氣通過(guò)管壁與外界環(huán)境換熱，煤氣中的部分飽和水會(huì)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態(tài)無(wú)關(guān)。
參考文獻(xiàn)：
[1] 姚春榮，自動(dòng)補(bǔ)正溫度、壓力、濕度的濕煤氣流量計(jì)的設(shè)計(jì)［J］，自動(dòng)化儀表，1984， 5：15-17
[2] 李暢，淺談濕煤氣流量測(cè)量中的濕度補(bǔ)償問(wèn)題與方法［J］，中國(guó)儀器儀表，2012，10：63-65
[3] 許紅兵；紀(jì)綱，煤氣流量測(cè)量和一般濕氣體的干部分計(jì)算［J］，醫(yī)藥工程設(shè)計(jì)，2012，33（6）：49-53
[4] 董書(shū)云；張林，季節(jié)變化對(duì)煤氣熱值的影響［J］，南鋼科技與管理，2012，2：355-359
[5] 焦樹(shù)建；朱學(xué)雷，對(duì)某種低熱值煤氣燃燒室性能的評(píng)估與核算［J］，燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，1989，3：6-18
[6] 李國(guó)華，濕煤氣溫度對(duì)生產(chǎn)的影響及其控制［J］，冶金動(dòng)力，2000，80（4）：63-65
[7] 孫立盧；李勇慧；鄧俊杰，濕煤氣輸送中水蒸氣理論凝結(jié)量的計(jì)算［J］，煤氣與熱力，2013，33（8）：4-5
第一作者
姓名：苑衛(wèi)軍（1968-），男，河北省霸州市，高級(jí)工程師，工程碩士，本科畢業(yè)于河北理工大學(xué)，從事工作內(nèi)容：煤炭氣化行業(yè)，研究方向：煤氣化工藝及設(shè)備，聯(lián)系電話： 13703243469， E-mail：2329081462@qq.com。
聯(lián)系人：苑衛(wèi)軍
地址：郵編 063300 地址 河北省唐山市豐南經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)運(yùn)河?xùn)|路10號(hào)；唐山科源環(huán)保技術(shù)裝備有限公司，聯(lián)系電話：13703243469
此專(zhuān)題內(nèi)所有文章禁止轉(zhuǎn)載或者拷貝上傳到其他網(wǎng)站上
辦 公 室：0315-3185606
銷(xiāo)售熱線：0315-3183698（國(guó)內(nèi)）
銷(xiāo)售熱線：0315-3183189（國(guó)際）
技術(shù)咨詢(xún)：0315-3183368
