蒸汽系统选用蓄热器的计算方法与操作实践

上海吴淞煤气制气有限公司 殷剑君

蒸汽系统选用蓄热器的计算方法与操作实践

上海吴淞煤气制气有限公司 殷剑君

间歇式制气中所需的蒸汽负荷变化较大，工艺上一项行之有效的措施是采用蒸汽蓄热器以平衡用汽负荷、缓解用汽矛盾、稳定废热锅炉操作。经计算探讨在间歇用蒸汽系统中蒸汽蓄热器的适宜容积，并提出实际操作中的要求。

蒸汽蓄热器 容积 蒸发强度

1 常压间歇式制气

燃气生产中常采用常压间歇式制气，如天然气改制炉、重油裂解制气炉和水煤气发生炉等。

天然气改制主要采用间歇循环催化裂解制气技术。天然气与水蒸汽反应生成CO和H2，称为制气反应，制气反应为吸热过程，所需的热量由天然气与空气的燃烧供给，制气和燃烧反应间歇交替进行，分别称为鼓风阶段和制气阶段，二者交替循环进行，4 min一个循环。

油煤气是采用重油作为原料，生产过程包括制气阶段，主要有热分解反应、脱氢反应、转化反应、聚合反应(环化、热叠合)，反应过程需要大量蒸汽，作为气化剂和载体，均为吸热过程，热量经过加热阶段燃烧得到，二者交替循环进行，8 min一个循环。

水煤气生产为蒸汽与炙热的碳反应产生CO、H2、CO2。CO2又与炙热的碳反应被还原成CO等，

制气过程为吸热过程，所需的热量经鼓风燃烧得到，二者交替循环进行，3 min一个循环。

燃气生产是一个间歇循环过程，制气或吹扫时需要大量的蒸汽进入炉内作为气化剂和载体，蒸汽吹扫时进入蒸汽是为了吹净炉内煤气，而加热时不需要蒸汽。加热和制气的时间约占一个循环的50%(水煤气发生炉略少)，因此，蒸汽的负荷变化非常大。工艺上一项行之有效的措施是采用蒸汽蓄热器以平衡用汽负荷、缓解用汽矛盾、稳定锅炉操作。本文仅讨论间歇用蒸汽系统中的蒸汽蓄热器的适宜容积和操作要求。

2 间歇用蒸汽系统的常见工艺流程和流量范围

一般来说，燃气生产的原理是大分子变为小分子和水煤气反应的化学变化过程，间歇生产中我们称为制气过程，都是吸热反应。反应所需的热量均通过鼓风加热得到。如果要保持一定的热效率，希望温度变化不大，循环时间就短，常见的天然气改制炉4 min、重油裂解制气炉8 min和水煤气炉3 min。这样的生产方式，蒸汽负荷变化较大，保证蒸汽的流量和压力稳定可以提高产品质量和节能效率。

3种制气炉用汽负荷变化及蒸汽生产量见表1。

表1 极端生产状况下蒸汽用量和蒸汽生产量

3 蒸汽蓄热器容积及蒸发强度的计算

3.1 容积及蒸发强度计算依据

蒸汽蓄热器的功能是稳定锅炉操作和用汽负荷，对于蒸汽管网来说，当外界蒸汽用量小，而生产的蒸汽量不变时，多余的蒸汽凝结成过热水，积聚在蓄热器内；当外界蒸汽用量大时，蓄热器中的过热水沸腾成蒸汽，以弥补不足。理想状态可以做到蒸汽管网压力基本不变。蒸汽蓄热器容积的确定有三种计算方法，即容积的充热时间计算法和用汽负荷积分曲线法，同时容积蒸发强度计算法也是确定蒸汽蓄热器容积的重要依据之一。根据我厂的实际情况，蒸汽管网的压力稳定是保证燃气质量和提高气化效率的有效手段之一，因此，按用汽负荷积分曲线法设计和选用合适的蒸汽蓄热器容积是恰当的。根据表1提供的数据为例，试以3台天然气改制炉极端生产状况来计算蒸汽蓄热器容积和蒸发强度。

3.2 用汽负荷积分曲线法计算容积及蒸发强度

3.2.1 容积计算

生产的蒸汽压力为6 kg/m2的饱和蒸汽，经减压至2 kg/m2后用于改制炉生产。从压力6 kg/m2降到2 kg/m2时，单位水容积释放的蓄热蒸气量gs为：

式中：gs——单位水容积的蓄热量，kJ/m3；

3台天然气改制炉极端生产状况下蒸汽用量见表1，其蒸汽蓄热器所必须的蓄热蒸气量G=(42-14)×1 000×4/60＝1 866.67 kg(生产循环时间为4 min)；由此，可以求得所需的蒸汽蓄热器的容积V为：

式中：η——蒸汽蓄热器的热效率，取0.9；

φ——充水系数，取0.7。

将G和gs的计算所得数值代入(2)式得：

3.2.2 蒸汽蓄热器空间蒸发强度qv的计算

蒸汽蓄热器内空间Vq的容积为：

(Vz为蒸发强度计算所得的蒸汽蓄热器体积)

根据用汽负荷曲线计算平均负荷Dp1：

最大放汽负荷D=Dmax-Dp1=42-28=14 kg/m3

容积蒸发强度qv计算：

(v为压力为6 kg/m2的蒸汽比容，其值从上海化工学院《基础化学工程》(1976版)查得)

3.2.3 蒸发强度计算蒸汽蓄热器体积Vz

由《蒸汽蓄热器应用和设计》(机械工业部出版)查得压力为6 k/m2的饱和蒸汽许可容积蒸发强度为696.25 m3/m3h(容积有效利用系数30%)，则许可容积蒸发强度[qv]为：

当qv＝[qv]时，即12 996/Vz＝208.75，则：

3.3 计算结果分析

同理，对油制气炉、水煤气炉进行计算，计算结果见表2。

表2 蒸汽蓄热器容积计算结果

根据计算结果可知，工艺上如重油裂解制气炉的蒸汽蓄热器体积V>V0，特别是用容积蒸发强度qv计算的所需的蒸汽蓄热器的容积VZ>>V0，使得生产时蒸汽压力波动大，流量不稳定。为了达到很好的控制效果，实践中采用通过高低压电动或汽动调节阀控制得以弥补。

4 生产中的操作要求

为了更科学、合理地在间歇式煤气生产制气炉的蒸汽系统使用蒸汽蓄热器，使该设备处在理想状态运行。操作中应符合如下操作要求和注意事项：

(1)避免蒸汽用量无限制的大幅波动，以减少蒸汽蓄热器负担。

(2)蒸汽蓄热器均采用高低压调节系统，高低压力信号指示调节阀启闭，保持调节阀良好的性能和灵敏度，也是稳定用汽负荷的关键。

(3)使用时要保持蒸汽蓄热器液位在60%~70%位置，使过热水有一定的蒸发空间和蒸发表面积。

(4)观察液体温度在压力变化范围的饱和温度内(如130~150℃)，使之有蒸发条件，必要时要排放蒸汽蓄热器底部冷凝水。

(5)定时检查蒸汽蓄热器进、出口单向阀，特别是出口单向阀泄漏，会引起大量的蒸汽从引出管倒灌。直接进入蒸汽蓄热器蒸汽空间，筒体下部的水温并没有被加热到相应的饱和温度，失去了该设备应有的作用。

5 结语

综上所述，对于蒸汽负荷较大的间歇式燃气生产情况，工艺上一项行之有效的措施是管网中采用蒸汽蓄热器以平衡用汽负荷、缓解用汽矛盾、稳定锅炉操作。本文通过用汽负荷积分曲线法和容积蒸发强度计算法确定蒸汽蓄热器容积，提出了一些看法和观点；对常见的间歇式燃气生产工艺如天然气改制炉、重油裂解制气炉和水煤气炉生产的实践，总结了一些操作经验，目的是为了更好地保持蒸汽蓄热器的功能，使其在提高产品质量、节能效益中发挥应有的作用。

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