苑卫军，陈学峰，马宁，苏亚斌

（唐山科源环保技术装备有限公司  河北唐山  063020）

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摘要：

结合煤气发生炉的造气原理及不同的煤气净化冷却净化工艺，通过实例计算，揭示了不同发生炉煤气站煤气湿度的变化情况。同时指出煤气出站输送过程中，煤气通过管壁与外界环境换热，煤气中的部分饱和水冷凝析出，致使煤气湿度降低，此过程与出站煤气是否处于饱和状态无关。

关键词：发生炉煤气；热煤气；冷煤气；间接冷却；直接冷却；炉出煤气；出站煤气；湿度；大气压；煤气压力；煤气温度；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，常压固定床煤气发生炉气化技术在陶瓷、化工、冶金、机械等诸多燃耗企业应用广泛，合理调整和控制发生炉煤气的一些重要物性指标，保持其最佳的应用状态，可以有效实现炉窑系统的节能降耗。湿度是发生炉煤气的一项重要物性指标，对煤气的准确计量、湿煤气热值以及煤气燃烧效果有着重要的影响。文献^【1-3】揭示了煤气湿度对煤气流量计量的影响，并提出了相应的补偿措施，一般认为煤气处于饱和状态进行湿度补偿。但多数情况下发生炉煤气并未达到饱和状态，这就给补偿计量的精确度带来较大影响。文献^【4】揭示了不同温度下由于煤气湿度的变化对湿煤气热值的影响。文献^【5】通过实验发现含湿量20%的低热值煤气的燃烧温度和火焰稳定性远远优于含湿量为30%的煤气。文献^【6】指出随着湿煤气温度的增高，煤气含湿量增大，煤气加压机输送能力、煤气热值及炉窑热效率同时降低，致使系统能耗增加。本文结合发生炉煤气的造气原理及不同的煤气冷却净化工艺，通过实例计算，揭示不同发生炉煤气站煤气湿度的变化情况。

1 发生炉煤气(煤气发生炉)的含水与湿度

发生炉煤气由煤气站（煤气发生炉）生产供应，经过造气、煤气净化冷却、煤气终冷、煤气加压及输送过程，最终至炉窑前燃烧应用，煤气中水的形成、混入及析出贯穿于以上各个过程，各过程水的平衡项参见表1，可以看出燃烧前煤气最终含水由煤气中的饱和水蒸气和雾态机械水组成，煤气中饱和水蒸气的多少通常用煤气湿度来衡量，一般以相对湿度φ或比湿度d表示。

2 炉出发生炉煤气的湿度计算

煤气发生炉炉出发生炉煤气的湿度只与煤气发生炉的造气过程有关，鉴于灰盘水封蒸发进入煤气的水蒸气量较小，另外一般每2-3h探火一次，探火打钎为间歇操作，该操作带入的水蒸气总量有限，计算炉出发生炉煤气湿度时，以上两项可以简化忽略，简化认为炉出发生炉煤气的湿度仅与煤的水分、空气带入水分和水蒸气气化剂的分解率相关，由于炉出煤气温度较高（一般为450-550℃），以上煤中的水、空气带入水分和水蒸气气化剂的未分解水全部以气态转入煤气中。假设：煤气发生炉气化表2所示煤种，发生炉煤气成分如表3所示，煤气产量按照5000Nm³/h对炉出发生炉煤气湿度进行计算。

（1）煤带入水量计算

发生炉小时耗煤量：5000÷3=1667Kg

煤带入水：1667×8.62%

（2）空气气化剂带入水量计算

空气耗量约为3000Nm³，当空气温度为15℃，饱和时每1Nm³干空气中的含水量为13.8g/Nm³，则此时空气中的含水量为：13.8×50%=6.9g/Nm³。气化剂空气中的水约为21Kg。

（3）未分解水蒸气气化剂带入水量计算

由氢平衡简化计算气化剂水蒸气耗量W：

煤气含氢量：0.12× =0.0107kg/Nm³

W× =0.0107×5000

W=482Kg

煤气发生炉气化剂蒸汽分解率一般为80%左右，可知未分解水蒸气气化剂带入水约为 －482=120Kg。

（4）炉出煤气湿度计算

煤气发生炉炉出发生炉煤气含水蒸气总量：144+21+120=285 Kg

干发生炉煤气质量：5000×1.06=5300 Kg

煤气发生炉炉出发生炉煤气湿度：d_lc= =5.38 ×10^-2 Kg水蒸气/Kg干煤气

3 出站煤气的湿度计算

3.1 热煤气站出站煤气湿度

煤气发生炉热煤气站站内不设置煤气降温设备，煤气只在经过保温处理的旋风除尘器、隔断水封及煤气管道等处自然降温，其出站煤气温度较高（一般为350-450℃），煤气净化过程中，没有发生水的析出或吸入，所以发生炉热煤气站出站煤气湿度与炉出煤气湿度相同。

3.2 间接冷却形式的冷煤气站出站煤气湿度

煤气初冷系统和终冷系统全部采用间接冷却形式的冷煤气站，其出站煤气湿度首先与煤气发生炉炉出煤气湿度相关，另外与出站煤气的温度、压力及当地大气压（绝压）相关，即d_zc=f（p，p_v，T）≤d_lc。

d_zc=           

d_zc－出站煤气湿度（Kg水蒸气/Kg干煤气）

R_g－发生炉煤气的气体常数 J/（kg.K）

R_v－水蒸气的气体常数 J/（kg.K）

pb－当地大气压（绝压）（Pa）

P_g,y－煤气压力（Pa）

P_s,y－煤气温度对应的饱和水蒸气压力（绝压）（Pa）

以上述煤气发生炉煤气为例，R_g=328.6J/（kg.K），R_v=461.5J/（kg.K），假设，当地大气压（绝压）为101300Pa，出站煤气压力为15000Pa。当出站煤气温度为41.5℃时，对应的煤气湿度d_zc=5.38×10^-2 Kg水蒸气/Kg干煤气，出站煤气温度≥41.5℃时，煤气的湿度无任何变化，只有出站煤气温度低于41.5℃时，煤气湿度才会降低，不同温度下煤气湿度的变化如图1所示。

假设，当地大气压（绝压）为101300Pa，出站煤气温度为45℃。当出站煤气压力为40000Pa时，对应的煤气湿度dzc=5.38×10-2 Kg水蒸气/Kg干煤气，出站煤气压力≤40000Pa时，煤气的湿度不会变化，只有出站煤气温度高于40000Pa时，煤气湿度才会降低，图2所示为不同煤气压力下煤气湿度的变化。

3.3 直接水冷却形式的冷煤气站出站煤气湿度

煤气发生炉煤气站的煤气初冷系统采用直接水冷却形式的冷煤气站，其出站煤气湿度与出站煤气的温度、压力及当地大气压（绝压）相关，但其湿度不仅仅受炉出煤气湿度d_lc的限制。

（1）煤气含饱和水量计算

假设炉出煤气温度450℃，经煤气初冷塔塔降温后煤气温度为80℃，降温冷却介质为焦油和水，冷却介质流量为30t/h，冷却介质中水约占50%，冷却介质温度变化Δt’为10℃，可以通过热平衡核算煤气冷却过程中的吸水量。

Ⅰ：放热计算

① 煤气降温放热：Q_mq=V·C_PG·Δt

式中：

V—煤气量，Nm³

C_PG—煤气比热，MJ/（Nm³·℃）

Δt—煤气温度差，℃

Q_mq=5000×1.453×10^-3×（450-80）=2688MJ

② 焦油析出放热

经现场实际测算，煤气发生炉气化以上煤种，其焦油产率约为7.5Kg水蒸气/Kg干煤气，即每小时焦油产量为g_tar=1667×7.5%=125Kg。

Q_tar=g_tar×i_tar

i_tar—焦油在析出温度下的潜热，kJ/kg

Q_tar=125×355.8=44MJ

Ⅱ：吸热计算：

① 冷却介质焦油吸热：q_tar= G_tar×C_tar×Δt’

C_tar—焦油的比热，kJ/（kg·℃）

q_tar =30×1000×50%×2.09×10=313MJ

② 冷却介质水吸热：q_w1= G_w1×C_w×Δt’

C_w—水的比热，kJ/（kg·℃）

q_w1 =30×1000×50%×4.18×10=627MJ

③ 冷却介质水汽化吸热

q_w2= G_w2×i_w

i_w—水蒸气80℃下的汽化潜热，2307 KJ/Kg

Ⅲ：通过换热平衡计算煤气吸水量

Q_mq+ Q_tar = q_tar + q_w1+ q_w2

计算可知煤气降温需汽化吸水量：G_w2=777Kg

煤气中含饱和水量：G_b=777+144+21+（602-482）=1062Kg

（3）校验煤气饱和状态

大气压（绝压）为101300Pa，煤气温度为80℃，煤气压力为1500Pa时，煤气达到饱和状态时饱和水量为663g/Nm³，即煤气达到以上条件下的饱和状态时，5000Nm³煤气含饱和水约3315Kg，而初冷塔后煤气饱和水含量为1062Kg，即初冷塔后煤气处于欠饱和状态，此时煤气湿度为d_tc= =20.04×10^-2 Kg水蒸气/Kg干煤气。

（4）终冷后出站煤气湿度计算

以上述发生炉煤气为例，假设，当地大气压（绝压）为101300Pa，出站煤气压力为15000Pa。当出站煤气温度为64℃时，对应的煤气湿度d_zc=20.04×10^-2 Kg水蒸气/Kg干煤气，出站煤气温度≥64℃时，煤气的湿度无变化，当出站煤气温度低于64℃时，煤气中部分饱和水析出，煤气湿度降低，不同温度下煤气湿度的变化如图3所示。同上所述，直接水冷却形式的冷煤气站出站煤气湿度d_zc=f（p，p_v，T）≤d_tc。

4 输送过程中煤气湿度的变化

煤气出站输送过程中，延输送管道内壁流动的煤气通过管壁与外界环境换热，如果外管壁温度低于煤气温度，则煤气中的部分饱和水会冷凝析出，从而使煤气湿度降低，这与出站煤气是否处于饱和状态无关。文献^【7】假设煤气处于饱和状态时，推导出湿煤气输送过程中水蒸气理论凝结量的计算公式，当出站煤气温度较低时，煤气一般处于饱和状态，在此情况下该公式是适用的。

5 结论

（1）发生炉煤气的湿度与煤气净化冷却工艺相关，发生炉热煤气站出站煤气湿度与炉出煤气湿度d_lc相同；发生炉冷煤气站出站煤气湿度与出站煤气的温度、压力及当地大气压（绝压）相关，即d_zc=f（p，p_v，T）。

（2）煤气初冷系统和终冷系统全部采用间接冷却形式的冷煤气站，其出站煤气湿度与煤气发生炉炉出煤气湿度d_lc相关，即 d_zc≤d_lc；煤气直接水冷却形式的冷煤气站出站，其出站煤气湿度与炉出煤气湿度及煤气初冷塔吸水量的总和d_tc相关，即d_zc≤d_tc。

（3）煤气出站输送过程中，延输送管道内壁流动的煤气通过管壁与外界环境换热，煤气中的部分饱和水会冷凝析出，从而使煤气湿度降低，这与出站煤气是否处于饱和状态无关。

参考文献：

[1] 姚春荣，自动补正温度、压力、湿度的湿煤气流量计的设计［J］，自动化仪表，1984， 5：15-17

[2] 李畅，浅谈湿煤气流量测量中的湿度补偿问题与方法［J］，中国仪器仪表，2012，10：63-65

[3] 许红兵；纪纲，煤气流量测量和一般湿气体的干部分计算［J］，医药工程设计，2012，33（6）：49-53

[4] 董书云；张林，季节变化对煤气热值的影响［J］，南钢科技与管理，2012，2：355-359

[5] 焦树建；朱学雷，对某种低热值煤气燃烧室性能的评估与核算［J］，燃气轮机技术，1989，3：6-18

[6] 李国华，湿煤气温度对生产的影响及其控制［J］，冶金动力，2000，80（4）：63-65

[7] 孙立卢；李勇慧；邓俊杰，湿煤气输送中水蒸气理论凝结量的计算［J］，煤气与热力，2013，33（8）：4-5

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，本科毕业于河北理工大学，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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