高爐煤氣含濕量和露點(diǎn)的計(jì)算與分析

宋瀾波，姚 旭，王 波，楊燦軍

(1.湖南華菱漣源鋼鐵有限公司能源總廠，湖南婁底 417009；2.湖南華菱漣源鋼鐵有限公司生產(chǎn)管理部，湖南婁底 417009）

前言

隨著復(fù)合針氈濾布等高溫濾布材料的發(fā)展，以及布袋脈沖反吹清灰技術(shù)的成功實(shí)施，國內(nèi)越來越多的大中型高爐采用干法布袋除塵工藝[1]。干法除塵串聯(lián)余壓透平發(fā)電（TRT）系統(tǒng)，因其除塵效率高、發(fā)電量高、節(jié)水、節(jié)電等優(yōu)勢(shì)顯著，目前已經(jīng)被眾多鋼鐵企業(yè)高爐煤氣余能回收所采用[2]。考慮到濾布材質(zhì)的問題，要求煤氣溫度一般控制在300 ℃以內(nèi)，溫度過高對(duì)濾布造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞；同時(shí)要求煤氣溫度不能過低，一般要求高于130 ℃，防止煤氣中的水與粉塵堵塞濾布使其失去過濾的功能[3]。高爐鼓風(fēng)濕度、高爐爐料結(jié)構(gòu)和高爐操作（如高爐打水）等諸多因素使得高爐煤氣中含有一定量的水蒸氣，尤其是近年來高爐噴煤量的提高導(dǎo)致高爐煤氣的含濕量不斷增加。高爐煤氣在輸配過程中，往往伴隨著溫降，所含水蒸氣將由不飽和狀態(tài)進(jìn)入到飽和狀態(tài)并析出一定數(shù)量的冷凝水[4]。由于干法除塵無法除掉煤氣中的酸性氣體，高爐煤氣中大量的氯離子溶于煤氣冷凝水形成酸露點(diǎn)腐蝕，成為煤氣管道腐蝕的主要原因[5,6]。因此，控制好高爐煤氣的含濕量和露點(diǎn)溫度，對(duì)于減緩管網(wǎng)腐蝕具有重要意義。

1 高爐煤氣含濕量計(jì)算

漣鋼6#高爐采用干法布袋除塵技術(shù)，除塵后高爐煤氣進(jìn)入TRT 透平余熱余壓發(fā)電系統(tǒng)，只有在爐頂溫度過高的情況下才會(huì)采取爐頂打水的方法來降低煤氣溫度。2018年8-10月，爐頂煤氣溫度只有80～150℃，基本可以排除人為打水降溫（當(dāng)然不能排除因設(shè)備故障導(dǎo)致水進(jìn)入煤氣中，需進(jìn)一步排查），故煤氣中的水主要來自燃料和鼓風(fēng)。具體生產(chǎn)條件如圖1所示。

計(jì)算高爐煤氣含濕量的基本過程為：

①按圖1 所示的高爐噸鐵水量氫量推演圖，采用干熄焦時(shí)，計(jì)算出入爐水量、氫量，以及入爐總氫（包括水所含氫）含量為8.52 kg/t鐵。

②根據(jù)漣鋼6#高爐的噸鐵煤氣發(fā)生量和高爐煤氣中含氫量，可計(jì)算出高爐進(jìn)入煤氣中的氫量為3.98 kg/t鐵。

③假定入爐氫在高爐反應(yīng)后，部分以分子（氫氣）形態(tài)進(jìn)入高爐煤氣，其余以原子形態(tài)進(jìn)入水，那么進(jìn)入水中的氫離子質(zhì)量為8.52-3.98=4.54 kg/t鐵，按氫、水分子量之比（2∶18）易得出水含量為40.86 kg/t 鐵，進(jìn)一步結(jié)合煤氣產(chǎn)氣率易得出煤氣含水量27.5 g/m3煤氣。

圖1 高爐噸鐵水量氫量（采用干熄焦時(shí)）推演示意圖

因此，采用干熄焦時(shí)高爐煤氣含濕量d1可計(jì)算為：

式中，ms—煤氣中水的質(zhì)量，kg；

mg—干煤氣質(zhì)量，kg；

ρg—高爐煤氣平均密度，取1.34 kg/m3。

④同理，可計(jì)算出采用濕熄焦時(shí)高爐煤氣含濕量d2=0.029 kg/kg(干煤氣)

2 高爐煤氣冷凝水排出量

采用干熄焦時(shí)，高爐出口濕煤氣含濕量為d1=0.021 kg/kg，高爐煤氣終端用戶壓力約為p1=108.3 kPa（表壓9 kPa+當(dāng)?shù)卮髿鈮簆，見式（4））25℃，查表得到對(duì)應(yīng)的水蒸氣分壓為3 kPa。終端煤氣含濕量d3為：

式中，ps—煤氣中水蒸氣分壓，kPa；

pg—干煤氣分壓，pg=p-ps，kPa；

Rg—高爐煤氣氣體常數(shù)，取275 J/(kg·K)；

Rs—水蒸氣氣體常數(shù)，取461.53 J/(kg·K)。

6#高爐煤氣發(fā)生量為384879.5 m3/h，假設(shè)水分全部析出，采用干熄焦時(shí)，按標(biāo)準(zhǔn)狀況氣體進(jìn)行估算：

式中，Qs—冷凝水排量，kg/h；

Qg—干煤氣流量，kg/h；

V—煤氣發(fā)生量，m3/h。

即干熄焦時(shí)高爐煤氣冷凝水排量為2020 kg/h。同理，可計(jì)算出采用濕熄焦時(shí)高爐煤氣冷凝水排量為6012 kg/h。

計(jì)算結(jié)果基本符合近期煤氣管網(wǎng)排水器排水量增大的情況。

3 高爐煤氣露點(diǎn)計(jì)算

露點(diǎn)溫度的概念：在氣體含濕量和氣壓一定的情況下，煙氣和水汽混合物冷卻到飽和時(shí)的溫度，即濕空氣與液態(tài)水成平衡狀態(tài)，則達(dá)到該混合物的露點(diǎn)，繼續(xù)降低溫度將會(huì)析出游離水。

婁底地區(qū)（海拔為170 m）的大氣壓為：

自高爐出口時(shí)，荒煤氣中水的蒸氣壓ps按式（5）計(jì)算。其中為：高爐頂壓215 kPa，總壓力p1=314.3 kPa；采用干熄焦時(shí)濕度d1=0.021 kg/kg。

計(jì)算得出ps=10.63 kPa。查表可得，該飽和蒸氣壓下，露點(diǎn)溫度為47°C。同理，采用濕焦情況下，露點(diǎn)溫度為53°C。正常運(yùn)行條件下，6#高爐的爐頂出口煤氣溫度控制在80～150℃，均高于兩種情況下的露點(diǎn)溫度值，理論上是合適的，對(duì)煤氣除塵及輸送基本不會(huì)產(chǎn)生較大影響。

然而，當(dāng)爐況出現(xiàn)較大波動(dòng)時(shí)，爐頂溫度顯著下降也可能會(huì)導(dǎo)致布袋入口煤氣溫度出現(xiàn)低于露點(diǎn)溫度，析出大量游離水而造成重力脫塵設(shè)備和布袋出現(xiàn)潮濕的現(xiàn)象，影響高爐煤氣過濾除塵效果和正常輸送。同樣，當(dāng)爐頂溫度較低時(shí)，經(jīng)TRT 后至終端管網(wǎng)煤氣溫度持續(xù)下降至較低溫度，此時(shí)煤氣中水蒸氣分壓更低，飽和水含量顯著降低，更加容易析出大量的酸性凝結(jié)水，從而加劇對(duì)輸送管道的腐蝕。

4 結(jié)論和建議

高爐爐頂煤氣溫度控制過低，煤氣中的水分容易析出，導(dǎo)致除塵設(shè)備出現(xiàn)潮濕和結(jié)垢的現(xiàn)象，對(duì)煤氣凈化除塵和煤氣正常輸送造成一定影響。同時(shí)，近期因高爐煤氣爐頂溫度降低導(dǎo)致沿路煤氣管道疏水器排水量較以往出現(xiàn)明顯增加，并且管道酸性凝結(jié)水量增加加劇了對(duì)管道的腐蝕。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，嚴(yán)格控制高爐煤氣爐頂溫度，可減少煤氣中的水分凝結(jié)對(duì)除塵設(shè)備的影響，并在一定程度上降低高爐煤氣輸送管道的腐蝕程度。

分析可知，高爐煤氣中的水分主要來自鼓風(fēng)中，為了降低高爐煤氣中含濕量對(duì)管道及加熱設(shè)備的影響，可以考慮進(jìn)行高爐鼓風(fēng)脫濕，在穩(wěn)定爐況和節(jié)約能源的同時(shí)還可降低后續(xù)負(fù)影響。

因干法除塵對(duì)煤氣中的酸性雜質(zhì)成分無法過濾，對(duì)煤氣管道和加熱設(shè)備燃燒器、閥門等造成一定影響，可以考慮在煤氣除塵系統(tǒng)增設(shè)脫鹽裝置緩解煤氣冷凝水酸性腐蝕。