上海吳淞煤氣制氣有限公司 殷劍君

蒸汽系統(tǒng)選用蓄熱器的計算方法與操作實踐

上海吳淞煤氣制氣有限公司 殷劍君

間歇式制氣中所需的蒸汽負荷變化較大，工藝上一項行之有效的措施是采用蒸汽蓄熱器以平衡用汽負荷、緩解用汽矛盾、穩(wěn)定廢熱鍋爐操作。經計算探討在間歇用蒸汽系統(tǒng)中蒸汽蓄熱器的適宜容積，并提出實際操作中的要求。

蒸汽蓄熱器 容積 蒸發(fā)強度

1 常壓間歇式制氣

燃氣生產中常采用常壓間歇式制氣，如天然氣改制爐、重油裂解制氣爐和水煤氣發(fā)生爐等。

天然氣改制主要采用間歇循環(huán)催化裂解制氣技術。天然氣與水蒸汽反應生成CO和H2，稱為制氣反應，制氣反應為吸熱過程，所需的熱量由天然氣與空氣的燃燒供給，制氣和燃燒反應間歇交替進行，分別稱為鼓風階段和制氣階段，二者交替循環(huán)進行，4 min一個循環(huán)。

油煤氣是采用重油作為原料，生產過程包括制氣階段，主要有熱分解反應、脫氫反應、轉化反應、聚合反應(環(huán)化、熱疊合)，反應過程需要大量蒸汽，作為氣化劑和載體，均為吸熱過程，熱量經過加熱階段燃燒得到，二者交替循環(huán)進行，8 min一個循環(huán)。

水煤氣生產為蒸汽與炙熱的碳反應產生CO、H2、CO2。CO2又與炙熱的碳反應被還原成CO等，

制氣過程為吸熱過程，所需的熱量經鼓風燃燒得到，二者交替循環(huán)進行，3 min一個循環(huán)。

燃氣生產是一個間歇循環(huán)過程，制氣或吹掃時需要大量的蒸汽進入爐內作為氣化劑和載體，蒸汽吹掃時進入蒸汽是為了吹凈爐內煤氣，而加熱時不需要蒸汽。加熱和制氣的時間約占一個循環(huán)的50%(水煤氣發(fā)生爐略少)，因此，蒸汽的負荷變化非常大。工藝上一項行之有效的措施是采用蒸汽蓄熱器以平衡用汽負荷、緩解用汽矛盾、穩(wěn)定鍋爐操作。本文僅討論間歇用蒸汽系統(tǒng)中的蒸汽蓄熱器的適宜容積和操作要求。

2 間歇用蒸汽系統(tǒng)的常見工藝流程和流量范圍

一般來說，燃氣生產的原理是大分子變?yōu)樾》肿雍退簹夥磻幕瘜W變化過程，間歇生產中我們稱為制氣過程，都是吸熱反應。反應所需的熱量均通過鼓風加熱得到。如果要保持一定的熱效率，希望溫度變化不大，循環(huán)時間就短，常見的天然氣改制爐4 min、重油裂解制氣爐8 min和水煤氣爐3 min。這樣的生產方式，蒸汽負荷變化較大，保證蒸汽的流量和壓力穩(wěn)定可以提高產品質量和節(jié)能效率。

3種制氣爐用汽負荷變化及蒸汽生產量見表1。

表1 極端生產狀況下蒸汽用量和蒸汽生產量

3 蒸汽蓄熱器容積及蒸發(fā)強度的計算

3.1 容積及蒸發(fā)強度計算依據(jù)

蒸汽蓄熱器的功能是穩(wěn)定鍋爐操作和用汽負荷，對于蒸汽管網來說，當外界蒸汽用量小，而生產的蒸汽量不變時，多余的蒸汽凝結成過熱水，積聚在蓄熱器內；當外界蒸汽用量大時，蓄熱器中的過熱水沸騰成蒸汽，以彌補不足。理想狀態(tài)可以做到蒸汽管網壓力基本不變。蒸汽蓄熱器容積的確定有三種計算方法，即容積的充熱時間計算法和用汽負荷積分曲線法，同時容積蒸發(fā)強度計算法也是確定蒸汽蓄熱器容積的重要依據(jù)之一。根據(jù)我廠的實際情況，蒸汽管網的壓力穩(wěn)定是保證燃氣質量和提高氣化效率的有效手段之一，因此，按用汽負荷積分曲線法設計和選用合適的蒸汽蓄熱器容積是恰當?shù)?。根?jù)表1提供的數(shù)據(jù)為例，試以3臺天然氣改制爐極端生產狀況來計算蒸汽蓄熱器容積和蒸發(fā)強度。

3.2 用汽負荷積分曲線法計算容積及蒸發(fā)強度

3.2.1 容積計算

生產的蒸汽壓力為6 kg/m2的飽和蒸汽，經減壓至2 kg/m2后用于改制爐生產。從壓力6 kg/m2降到2 kg/m2時，單位水容積釋放的蓄熱蒸氣量gs為：

式中：gs——單位水容積的蓄熱量，kJ/m3；

3臺天然氣改制爐極端生產狀況下蒸汽用量見表1，其蒸汽蓄熱器所必須的蓄熱蒸氣量G=(42-14)×1 000×4/60＝1 866.67 kg(生產循環(huán)時間為4 min)；由此，可以求得所需的蒸汽蓄熱器的容積V為：

式中：η——蒸汽蓄熱器的熱效率，取0.9；

φ——充水系數(shù)，取0.7。

將G和gs的計算所得數(shù)值代入(2)式得：

3.2.2 蒸汽蓄熱器空間蒸發(fā)強度qv的計算

蒸汽蓄熱器內空間Vq的容積為：

(Vz為蒸發(fā)強度計算所得的蒸汽蓄熱器體積)

根據(jù)用汽負荷曲線計算平均負荷Dp1：

最大放汽負荷D=Dmax-Dp1=42-28=14 kg/m3

容積蒸發(fā)強度qv計算：

(v為壓力為6 kg/m2的蒸汽比容，其值從上?；W院《基礎化學工程》(1976版)查得)

3.2.3 蒸發(fā)強度計算蒸汽蓄熱器體積Vz

由《蒸汽蓄熱器應用和設計》(機械工業(yè)部出版)查得壓力為6 k/m2的飽和蒸汽許可容積蒸發(fā)強度為696.25 m3/m3h(容積有效利用系數(shù)30%)，則許可容積蒸發(fā)強度[qv]為：

當qv＝[qv]時，即12 996/Vz＝208.75，則：

3.3 計算結果分析

同理，對油制氣爐、水煤氣爐進行計算，計算結果見表2。

表2 蒸汽蓄熱器容積計算結果

根據(jù)計算結果可知，工藝上如重油裂解制氣爐的蒸汽蓄熱器體積V>V0，特別是用容積蒸發(fā)強度qv計算的所需的蒸汽蓄熱器的容積VZ>>V0，使得生產時蒸汽壓力波動大，流量不穩(wěn)定。為了達到很好的控制效果，實踐中采用通過高低壓電動或汽動調節(jié)閥控制得以彌補。

4 生產中的操作要求

為了更科學、合理地在間歇式煤氣生產制氣爐的蒸汽系統(tǒng)使用蒸汽蓄熱器，使該設備處在理想狀態(tài)運行。操作中應符合如下操作要求和注意事項：

(1)避免蒸汽用量無限制的大幅波動，以減少蒸汽蓄熱器負擔。

(2)蒸汽蓄熱器均采用高低壓調節(jié)系統(tǒng)，高低壓力信號指示調節(jié)閥啟閉，保持調節(jié)閥良好的性能和靈敏度，也是穩(wěn)定用汽負荷的關鍵。

(3)使用時要保持蒸汽蓄熱器液位在60%~70%位置，使過熱水有一定的蒸發(fā)空間和蒸發(fā)表面積。

(4)觀察液體溫度在壓力變化范圍的飽和溫度內(如130~150℃)，使之有蒸發(fā)條件，必要時要排放蒸汽蓄熱器底部冷凝水。

(5)定時檢查蒸汽蓄熱器進、出口單向閥，特別是出口單向閥泄漏，會引起大量的蒸汽從引出管倒灌。直接進入蒸汽蓄熱器蒸汽空間，筒體下部的水溫并沒有被加熱到相應的飽和溫度，失去了該設備應有的作用。

5 結語

綜上所述，對于蒸汽負荷較大的間歇式燃氣生產情況，工藝上一項行之有效的措施是管網中采用蒸汽蓄熱器以平衡用汽負荷、緩解用汽矛盾、穩(wěn)定鍋爐操作。本文通過用汽負荷積分曲線法和容積蒸發(fā)強度計算法確定蒸汽蓄熱器容積，提出了一些看法和觀點；對常見的間歇式燃氣生產工藝如天然氣改制爐、重油裂解制氣爐和水煤氣爐生產的實踐，總結了一些操作經驗，目的是為了更好地保持蒸汽蓄熱器的功能，使其在提高產品質量、節(jié)能效益中發(fā)揮應有的作用。

Calculation Methods & Practice of Choosing Heat Accumulator for Steam System

Shanghai Wusong Gas Manufacturing Co., Ltd. Yin Jianjun

To balance the load of steam consumption , to alleviate the contradiction of steam consumption，and to stabilize the operation of waste heat boiler in the intermittent gas-generating technology, a effective measure is to adopt a steam heat accumulator. By calculating，this paper discusses the available capacity of steam heat accumulator and introduces the operation requirement in practice.

steam heat accumulator, capacity, evaporation strength