蒸汽系統(tǒng)選用蓄熱器的計(jì)算方法與操作實(shí)踐

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(jì)算方法與操作實(shí)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(fù)荷變化較大，工藝上一項(xiàng)行之有效的措施是采用蒸汽蓄熱器以平衡用汽負(fù)荷、緩解用汽矛盾、穩(wěn)定廢熱鍋爐操作。經(jīng)計(jì)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(shí)際操作中的要求。

蒸汽蓄熱器 容積 蒸發(fā)強(qiáng)度

1 常壓間歇式制氣

燃?xì)馍a(chǎn)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(shù)。天然氣與水蒸汽反應(yīng)生成CO和H2，稱為制氣反應(yīng)，制氣反應(yīng)為吸熱過(guò)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(yīng)間歇交替進(jìn)行，分別稱為鼓風(fēng)階段和制氣階段，二者交替循環(huán)進(jìn)行，4 min一個(gè)循環(huán)。

油煤氣是采用重油作為原料，生產(chǎn)過(guò)程包括制氣階段，主要有熱分解反應(yīng)、脫氫反應(yīng)、轉(zhuǎn)化反應(yīng)、聚合反應(yīng)(環(huán)化、熱疊合)，反應(yīng)過(guò)程需要大量蒸汽，作為氣化劑和載體，均為吸熱過(guò)程，熱量經(jīng)過(guò)加熱階段燃燒得到，二者交替循環(huán)進(jìn)行，8 min一個(gè)循環(huán)。

水煤氣生產(chǎn)為蒸汽與炙熱的碳反應(yīng)產(chǎn)生CO、H2、CO2。CO2又與炙熱的碳反應(yīng)被還原成CO等，

制氣過(guò)程為吸熱過(guò)程，所需的熱量經(jīng)鼓風(fēng)燃燒得到，二者交替循環(huán)進(jìn)行，3 min一個(gè)循環(huán)。

燃?xì)馍a(chǎn)是一個(gè)間歇循環(huán)過(guò)程，制氣或吹掃時(shí)需要大量的蒸汽進(jìn)入爐內(nèi)作為氣化劑和載體，蒸汽吹掃時(shí)進(jìn)入蒸汽是為了吹凈爐內(nèi)煤氣，而加熱時(shí)不需要蒸汽。加熱和制氣的時(shí)間約占一個(gè)循環(huán)的50%(水煤氣發(fā)生爐略少)，因此，蒸汽的負(fù)荷變化非常大。工藝上一項(xiàng)行之有效的措施是采用蒸汽蓄熱器以平衡用汽負(fù)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(jiàn)工藝流程和流量范圍

一般來(lái)說(shuō)，燃?xì)馍a(chǎn)的原理是大分子變?yōu)樾》肿雍退簹夥磻?yīng)的化學(xué)變化過(guò)程，間歇生產(chǎn)中我們稱為制氣過(guò)程，都是吸熱反應(yīng)。反應(yīng)所需的熱量均通過(guò)鼓風(fēng)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(shí)間就短，常見(jiàn)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(chǎn)方式，蒸汽負(fù)荷變化較大，保證蒸汽的流量和壓力穩(wěn)定可以提高產(chǎn)品質(zhì)量和節(jié)能效率。

3種制氣爐用汽負(fù)荷變化及蒸汽生產(chǎn)量見(jiàn)表1。

表1 極端生產(chǎn)狀況下蒸汽用量和蒸汽生產(chǎn)量

3 蒸汽蓄熱器容積及蒸發(fā)強(qiáng)度的計(jì)算

3.1 容積及蒸發(fā)強(qiáng)度計(jì)算依據(jù)

蒸汽蓄熱器的功能是穩(wěn)定鍋爐操作和用汽負(fù)荷，對(duì)于蒸汽管網(wǎng)來(lái)說(shuō)，當(dāng)外界蒸汽用量小，而生產(chǎn)的蒸汽量不變時(shí)，多余的蒸汽凝結(jié)成過(guò)熱水，積聚在蓄熱器內(nèi)；當(dāng)外界蒸汽用量大時(shí)，蓄熱器中的過(guò)熱水沸騰成蒸汽，以彌補(bǔ)不足。理想狀態(tài)可以做到蒸汽管網(wǎng)壓力基本不變。蒸汽蓄熱器容積的確定有三種計(jì)算方法，即容積的充熱時(shí)間計(jì)算法和用汽負(fù)荷積分曲線法，同時(shí)容積蒸發(fā)強(qiáng)度計(jì)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(shí)際情況，蒸汽管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定是保證燃?xì)赓|(zhì)量和提高氣化效率的有效手段之一，因此，按用汽負(fù)荷積分曲線法設(shè)計(jì)和選用合適的蒸汽蓄熱器容積是恰當(dāng)?shù)?。根?jù)表1提供的數(shù)據(jù)為例，試以3臺(tái)天然氣改制爐極端生產(chǎn)狀況來(lái)計(jì)算蒸汽蓄熱器容積和蒸發(fā)強(qiáng)度。

3.2 用汽負(fù)荷積分曲線法計(jì)算容積及蒸發(fā)強(qiáng)度

3.2.1 容積計(jì)算

生產(chǎn)的蒸汽壓力為6 kg/m2的飽和蒸汽，經(jīng)減壓至2 kg/m2后用于改制爐生產(chǎn)。從壓力6 kg/m2降到2 kg/m2時(shí)，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(tái)天然氣改制爐極端生產(chǎn)狀況下蒸汽用量見(jiàn)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(chǎn)循環(huán)時(shí)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(jì)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(qiáng)度qv的計(jì)算

蒸汽蓄熱器內(nèi)空間Vq的容積為：

(Vz為蒸發(fā)強(qiáng)度計(jì)算所得的蒸汽蓄熱器體積)

根據(jù)用汽負(fù)荷曲線計(jì)算平均負(fù)荷Dp1：

最大放汽負(fù)荷D=Dmax-Dp1=42-28=14 kg/m3

容積蒸發(fā)強(qiáng)度qv計(jì)算：

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

3.2.3 蒸發(fā)強(qiáng)度計(jì)算蒸汽蓄熱器體積Vz

由《蒸汽蓄熱器應(yīng)用和設(shè)計(jì)》(機(jī)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(qiáng)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(qiáng)度[qv]為：

當(dāng)qv＝[qv]時(shí)，即12 996/Vz＝208.75，則：

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

同理，對(duì)油制氣爐、水煤氣爐進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 蒸汽蓄熱器容積計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)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(qiáng)度qv計(jì)算的所需的蒸汽蓄熱器的容積VZ>>V0，使得生產(chǎn)時(shí)蒸汽壓力波動(dòng)大，流量不穩(wěn)定。為了達(dá)到很好的控制效果，實(shí)踐中采用通過(guò)高低壓電動(dòng)或汽動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制得以彌補(bǔ)。

4 生產(chǎn)中的操作要求

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

(1)避免蒸汽用量無(wú)限制的大幅波動(dòng)，以減少蒸汽蓄熱器負(fù)擔(dān)。

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

(3)使用時(shí)要保持蒸汽蓄熱器液位在60%~70%位置，使過(guò)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(nèi)(如130~150℃)，使之有蒸發(fā)條件，必要時(shí)要排放蒸汽蓄熱器底部冷凝水。

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

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，對(duì)于蒸汽負(fù)荷較大的間歇式燃?xì)馍a(chǎn)情況，工藝上一項(xiàng)行之有效的措施是管網(wǎng)中采用蒸汽蓄熱器以平衡用汽負(fù)荷、緩解用汽矛盾、穩(wěn)定鍋爐操作。本文通過(guò)用汽負(fù)荷積分曲線法和容積蒸發(fā)強(qiáng)度計(jì)算法確定蒸汽蓄熱器容積，提出了一些看法和觀點(diǎn)；對(duì)常見(jiàn)的間歇式燃?xì)馍a(chǎn)工藝如天然氣改制爐、重油裂解制氣爐和水煤氣爐生產(chǎn)的實(shí)踐，總結(jié)了一些操作經(jīng)驗(yàn)，目的是為了更好地保持蒸汽蓄熱器的功能，使其在提高產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)能效益中發(fā)揮應(yīng)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