苑衛(wèi)軍，郭健，陳玲
（唐山科源環(huán)保技術(shù)裝備有限公司 河北唐山 063020）
摘要：利用改進的Le Chatlier公式，對煤氣濕度為40g/Nm3、80g/Nm3、120g/Nm3、170g/Nm3的八組發(fā)生爐煤氣計算樣本進行爆炸極限的理論計算，發(fā)現(xiàn)在干煤氣成分不變的情況下，隨著發(fā)生爐煤氣濕度的增加，煤氣爆炸上限和下限均有不同程度的提高，但煤氣爆炸極限范圍逐漸收窄。同時指出由于應(yīng)用濕度范圍內(nèi)（32-178g/Nm3）的發(fā)生爐煤氣的爆炸極限變化較小，在發(fā)生爐煤氣的實際應(yīng)用過程中，煤氣濕度對爆炸極限的影響可以忽略不計。
關(guān)鍵詞：發(fā)生爐煤氣；濕度；爆炸極限；理論計算
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
工業(yè)可燃氣體一般多為多元混合氣體，其爆炸極限受諸多因素的影響：原始溫度越高，其爆炸極限范圍越大；系統(tǒng)初始壓力增大，其爆炸極限范圍也會擴大；惰性氣體組分百分數(shù)的增加，會使其爆炸極限范圍縮小；另外爆炸容器的材質(zhì)及幾何形狀和尺寸、點火源的能量及形式和點火位置等對爆炸極限都有較大影響。發(fā)生爐煤氣作為應(yīng)用較為廣泛的工業(yè)可燃氣體，是一種典型的多元混合氣體，其中主要含有可燃成分H2、CO和CH4，惰性氣體CO2、N2和飽和水蒸氣，另外煤氣中還含有少量的O2，本文僅就發(fā)生爐煤氣濕度對其爆炸極限的影響進行討論分析。
1 爆炸極限理論計算方法的選擇
可燃氣體爆炸極限的理論計算方法較多，文獻【1】介紹了按爆炸性氣體完全燃燒時化學理論濃度計算法、用爆炸下限計算爆炸上限法、根據(jù)含碳原子數(shù)計算爆炸極限法、北川徽三法和Le Chatlier法及經(jīng)驗公式法等六種爆炸極限的理論計算方法，分析并指出對于可燃氣體中混入N2和CO2等惰性氣體時，按可燃氣體的爆炸性及惰性氣體的爆炸抑制效果，采用全比例分配、互相組合的原則進行可燃氣體與惰性氣體的混合，利用改進的Le Chatlier公式進行計算，其計算結(jié)果更接近混合可燃氣體的實際爆炸極限。
發(fā)生爐煤氣中含有氧氣、隋性氣、水蒸氣和多種可燃氣體，對其進行爆炸極限理論計算時，首先根據(jù)干煤氣成分和煤氣濕度計算出濕煤氣各成分的體積百分比，再按照濕煤氣含氧量的比例將煤氣中的空氣部分抽出，例如：濕煤氣中氧含量為0.2%，則煤氣中抽出空氣量為（0.2÷21）=0.95%，其中O2為0.2%、N2為0.75%；然后利用改進的Le Chatlier公式對抽出空氣后的混合氣體的爆炸極限進行計算。
文獻【2】詳解了利用改進的Le Chatlier公式進行混合氣體爆炸極限計算的具體步驟。以發(fā)生爐煤氣為例，設(shè)可燃氣體濃度為Aj，j =1，2，3 ；惰性氣體濃度為Ak，k =4，5，6，將煤氣主要可燃及惰性成分編號如表1。
表1 煤氣主要可燃及惰性成分編號
煤氣成分 | CO | H2 | CH4 | CO2 | N2 | H2O |
編號 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
Aj,k=Aj （1）
Ak,j=Ak （2）
Fk,j= （3）
fk,j—第k號惰性氣體對第j號可燃氣的最大爆炸抑制系數(shù)（爆炸極限圖1、2【2，3】中可查出）
Aj,k—混合氣體中與第k號惰性氣體混合的第j號可燃氣氣體體積分數(shù)
Ak,j—混合氣體中用來抑制第j號可燃氣體的第k號惰性氣體的體積分數(shù)
Fk,j—第k號惰性氣體與第j號可燃氣體組合的爆炸抑制系數(shù)
如果Fk,j<fk,j，則可根據(jù)式（1）、（2）計算結(jié)果和爆炸極限圖1、2中不同可燃氣與不同惰氣混合時的爆炸下限Lj, k、爆炸上限Uj, k ，依據(jù)Le Chateler公式由下述式（4）、（5）計算出總的混合氣體的爆炸上、下限U和L。
L= （4）
U= （5）
最后將抽出空氣補回，計算實際發(fā)生爐煤氣的爆炸極限。設(shè)原始發(fā)生爐濕煤氣含氧量為α%；爆炸下限補回空氣量為x；爆炸上限補回空氣量為y，則：
=α% （6）
=α% （7）
Lmix=L+x （8）
Umix=U+y （9）
圖1 爆炸極限圖（1） 圖2 爆炸極限圖（2）
2 發(fā)生爐煤氣濕度對其爆炸極限的影響
以氣化煙煤的發(fā)生爐煤氣為例，干煤氣主要成分范圍參見表2，其中CH4的含量與煙煤的揮發(fā)分含量、性質(zhì)及其在發(fā)生爐內(nèi)的干餾效果相關(guān)；CO和H2及CO2的含量與氣化反應(yīng)效果相關(guān)，當這三種成分達到一定比例后，隨著氣化劑中空氣和水蒸氣的供給比例的差異，CO和H2及CO和CO2分別出現(xiàn)此消彼漲的趨勢。對于濕煤氣而言，煤氣的濕度與煙煤含水率、氣化過程水蒸氣分解率、煤氣凈化工藝及煤氣出站溫度和壓力相關(guān)，根據(jù)文獻【4】提供的煤氣濕度數(shù)據(jù)進行換算，對于水洗煤氣工藝，假設(shè)當?shù)卮髿鈮海ń^壓）為101300Pa，出站煤氣壓力為15000Pa，出站煤氣的飽和溫度為64℃，對應(yīng)的煤氣濕度約為178g/Nm3干煤氣；對于間接冷卻工藝，出站煤氣飽和溫度為41.5℃時，對應(yīng)的煤氣濕度約為48g/Nm3干煤氣；對于以上兩種凈化工藝的煤氣而言，當煤氣溫度為35℃時，對應(yīng)的煤氣濕度均為32g/Nm3干煤氣。依據(jù)以上分析確定表3所示干煤氣樣本1、2，干煤氣樣本分別對應(yīng)煤氣濕度40g/Nm3、80g/Nm3、120g/Nm3、170g/Nm3，組成濕煤氣計算樣本1-1、1-2、1-3、1-4和2-1、2-2、2-3、2-4，以上濕煤氣樣本的組分百分比參見表4，表5為發(fā)生爐濕煤氣計算樣本組分體積百分比。
表2 發(fā)生爐干煤氣主要成分范圍
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 發(fā)生爐干煤氣樣本 （%（V））
樣本/組分 | CO | H2 | CH4 | O2 | CO2 | N2 |
樣本1 | 28.0 | 14.0 | 3.5 | 0.5 | 6.0 | 48.0 |
樣本2 | 32.0 | 10.0 | 3.5 | 0.3 | 3.0 | 51.2 |
表4 發(fā)生爐濕煤氣計算樣本組分比例 （%（V））
樣本/組分 | 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 抽空氣后發(fā)生爐濕煤氣組分比例（%（V））
樣本/組分 | 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 發(fā)生爐濕煤氣爆炸極限計算結(jié)果
爆炸極限/樣本 | 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 |
將1-1、1-2、1-3、1-4和2-1、2-2、2-3、2-4的計算結(jié)果（表6）分組進行對比，當干煤氣成分不變的情況下，隨著發(fā)生爐煤氣濕度的增加，煤氣爆炸上限和下限均有不同程度的提高，但煤氣爆炸極限范圍逐漸收窄，但收窄空間較小。
3 結(jié)論
隨著煤氣冷卻工藝、煤氣出站溫度和壓力的不同，發(fā)生爐煤氣的濕度相應(yīng)發(fā)生變化，經(jīng)常應(yīng)用的發(fā)生爐煤氣的濕度一般在32-178g/Nm3范圍內(nèi)，隨著濕度的增加，發(fā)生爐煤氣的爆炸極限范圍趨于收窄，這主要是因為煤氣濕度的增大強化了水蒸汽對可燃氣體混合物的稀釋和隔離氧氣（窒息）作用。但在此濕度范圍內(nèi)的發(fā)生爐煤氣的爆炸極限變化較小，考慮到煤氣溫度、系統(tǒng)原始壓力、爆炸容器和點火源等因素對煤氣爆炸極限的影響，在發(fā)生爐煤氣的實際應(yīng)用過程中，煤氣濕度對爆炸極限的影響可以忽略不計。
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[4] 苑衛(wèi)軍；陳學峰；馬寧等，發(fā)生爐煤氣的濕度計算及分析［J］，冶金動力，2014，4：16 -18
第一作者
姓名：苑衛(wèi)軍（1968-），男，河北省霸州市，高級工程師，工程碩士，本科畢業(yè)于華北理工大學，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
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