苑卫军，郭健，陈玲
（唐山科源环保技术装备有限公司 河北唐山 063020）
摘要：利用改进的Le Chatlier公式，对煤气湿度为40g/Nm3、80g/Nm3、120g/Nm3、170g/Nm3的八组发生炉煤气计算样本进行爆炸极限的理论计算，发现在干煤气成分不变的情况下，随着发生炉煤气湿度的增加，煤气爆炸上限和下限均有不同程度的提高，但煤气爆炸极限范围逐渐收窄。同时指出由于应用湿度范围内（32-178g/Nm3）的发生炉煤气的爆炸极限变化较小，在发生炉煤气的实际应用过程中，煤气湿度对爆炸极限的影响可以忽略不计。
关键词：发生炉煤气；湿度；爆炸极限；理论计算
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
工业可燃气体一般多为多元混合气体，其爆炸极限受诸多因素的影响：原始温度越高，其爆炸极限范围越大；系统初始压力增大，其爆炸极限范围也会扩大；惰性气体组分百分数的增加，会使其爆炸极限范围缩小；另外爆炸容器的材质及几何形状和尺寸、点火源的能量及形式和点火位置等对爆炸极限都有较大影响。发生炉煤气作为应用较为广泛的工业可燃气体，是一种典型的多元混合气体，其中主要含有可燃成分H2、CO和CH4，惰性气体CO2、N2和饱和水蒸气，另外煤气中还含有少量的O2，本文仅就发生炉煤气湿度对其爆炸极限的影响进行讨论分析。
1 爆炸极限理论计算方法的选择
可燃气体爆炸极限的理论计算方法较多，文献【1】介绍了按爆炸性气体完全燃烧时化学理论浓度计算法、用爆炸下限计算爆炸上限法、根据含碳原子数计算爆炸极限法、北川徽三法和Le Chatlier法及经验公式法等六种爆炸极限的理论计算方法，分析并指出对于可燃气体中混入N2和CO2等惰性气体时，按可燃气体的爆炸性及惰性气体的爆炸抑制效果，采用全比例分配、互相组合的原则进行可燃气体与惰性气体的混合，利用改进的Le Chatlier公式进行计算，其计算结果更接近混合可燃气体的实际爆炸极限。
发生炉煤气中含有氧气、隋性气、水蒸气和多种可燃气体，对其进行爆炸极限理论计算时，首先根据干煤气成分和煤气湿度计算出湿煤气各成分的体积百分比，再按照湿煤气含氧量的比例将煤气中的空气部分抽出，例如：湿煤气中氧含量为0.2%，则煤气中抽出空气量为（0.2÷21）=0.95%，其中O2为0.2%、N2为0.75%；然后利用改进的Le Chatlier公式对抽出空气后的混合气体的爆炸极限进行计算。
文献【2】详解了利用改进的Le Chatlier公式进行混合气体爆炸极限计算的具体步骤。以发生炉煤气为例，设可燃气体浓度为Aj，j =1，2，3 ；惰性气体浓度为Ak，k =4，5，6，将煤气主要可燃及惰性成分编号如表1。
表1 煤气主要可燃及惰性成分编号
煤气成分 | CO | H2 | CH4 | CO2 | N2 | H2O |
编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
Aj,k=Aj （1）
Ak,j=Ak （2）
Fk,j= （3）
fk,j—第k号惰性气体对第j号可燃气的最大爆炸抑制系数（爆炸极限图1、2【2，3】中可查出）
Aj,k—混合气体中与第k号惰性气体混合的第j号可燃气气体体积分数
Ak,j—混合气体中用来抑制第j号可燃气体的第k号惰性气体的体积分数
Fk,j—第k号惰性气体与第j号可燃气体组合的爆炸抑制系数
如果Fk,j<fk,j，则可根据式（1）、（2）计算结果和爆炸极限图1、2中不同可燃气与不同惰气混合时的爆炸下限Lj, k、爆炸上限Uj, k ，依据Le Chateler公式由下述式（4）、（5）计算出总的混合气体的爆炸上、下限U和L。
L= （4）
U= （5）
最后将抽出空气补回，计算实际发生炉煤气的爆炸极限。设原始发生炉湿煤气含氧量为α%；爆炸下限补回空气量为x；爆炸上限补回空气量为y，则：
=α% （6）
=α% （7）
Lmix=L+x （8）
Umix=U+y （9）
图1 爆炸极限图（1） 图2 爆炸极限图（2）
2 发生炉煤气湿度对其爆炸极限的影响
以气化烟煤的发生炉煤气为例，干煤气主要成分范围参见表2，其中CH4的含量与烟煤的挥发分含量、性质及其在发生炉内的干馏效果相关；CO和H2及CO2的含量与气化反应效果相关，当这三种成分达到一定比例后，随着气化剂中空气和水蒸气的供给比例的差异，CO和H2及CO和CO2分别出现此消彼涨的趋势。对于湿煤气而言，煤气的湿度与烟煤含水率、气化过程水蒸气分解率、煤气净化工艺及煤气出站温度和压力相关，根据文献【4】提供的煤气湿度数据进行换算，对于水洗煤气工艺，假设当地大气压（绝压）为101300Pa，出站煤气压力为15000Pa，出站煤气的饱和温度为64℃，对应的煤气湿度约为178g/Nm3干煤气；对于间接冷却工艺，出站煤气饱和温度为41.5℃时，对应的煤气湿度约为48g/Nm3干煤气；对于以上两种净化工艺的煤气而言，当煤气温度为35℃时，对应的煤气湿度均为32g/Nm3干煤气。依据以上分析确定表3所示干煤气样本1、2，干煤气样本分别对应煤气湿度40g/Nm3、80g/Nm3、120g/Nm3、170g/Nm3，组成湿煤气计算样本1-1、1-2、1-3、1-4和2-1、2-2、2-3、2-4，以上湿煤气样本的组分百分比参见表4，表5为发生炉湿煤气计算样本组分体积百分比。
表2 发生炉干煤气主要成分范围
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 |
表3 发生炉干煤气样本 （%（V））
样本/组分 | CO | H2 | CH4 | O2 | CO2 | N2 |
样本1 | 28.0 | 14.0 | 3.5 | 0.5 | 6.0 | 48.0 |
样本2 | 32.0 | 10.0 | 3.5 | 0.3 | 3.0 | 51.2 |
表4 发生炉湿煤气计算样本组分比例 （%（V））
样本/组分 | 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 |
表5 抽空气后发生炉湿煤气组分比例（%（V））
样本/组分 | 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 |
表6 发生炉湿煤气爆炸极限计算结果
爆炸极限/样本 | 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的计算结果（表6）分组进行对比，当干煤气成分不变的情况下，随着发生炉煤气湿度的增加，煤气爆炸上限和下限均有不同程度的提高，但煤气爆炸极限范围逐渐收窄，但收窄空间较小。
3 结论
随着煤气冷却工艺、煤气出站温度和压力的不同，发生炉煤气的湿度相应发生变化，经常应用的发生炉煤气的湿度一般在32-178g/Nm3范围内，随着湿度的增加，发生炉煤气的爆炸极限范围趋于收窄，这主要是因为煤气湿度的增大强化了水蒸汽对可燃气体混合物的稀释和隔离氧气（窒息）作用。但在此湿度范围内的发生炉煤气的爆炸极限变化较小，考虑到煤气温度、系统原始压力、爆炸容器和点火源等因素对煤气爆炸极限的影响，在发生炉煤气的实际应用过程中，煤气湿度对爆炸极限的影响可以忽略不计。
参考文献：
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[2] 王淑兰；毕明树；李岳，工业多元混合气体爆炸极限计算［J］，化工装备技术，2000， 6：28-30
[3] 项友潜；严铭卿；周传利等，混合燃气爆炸极限的确定［J］，煤气与热力，1992，6：40-45
[4] 苑卫军；陈学峰；马宁等，发生炉煤气的湿度计算及分析［J］，冶金动力，2014，4：16 -18
第一作者
姓名：苑卫军（1968-），男，河北省霸州市，高级工程师，工程硕士，本科毕业于华北理工大学，从事工作内容：煤炭气化行业，研究方向：煤气化工艺及设备，联系电话： 13703243469， E-mail：2329081462@qq.com。
联系人：苑卫军
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