焦炉煤气废气产生量的计算及废气计量的探讨
2018/11/20 9:00:39 点击：
摘要：随着新环保法的实施，国家对企业排污行为的监控和管理上升到了前所未有的高度，对于焦化厂焦炉加热产生的废气中含有SO2，NH3-N,粉尘等污染物，污染物质的计量和排污收费也有明确的法规约束，从实际操作角度来看，排污计量上存在着诸多问题，本文探讨的就是理论废气产生量与测量值的误差问题。
一、概述 工业机械化焦炉的生产是高耗能产业，其中最主要的能源消耗来自煤气加热，从设计角度，现代化焦炉通过增加焦炉高度，减少燃烧室炉墙厚度，加强炉体保温等措施，焦炉本体的热效率较老式有了很大的提高，焦炉加热煤气自耗量从原来的50%左右发展到现在的45%左右，相应吨焦的煤气耗量也有的大大的降低，按照国家清洁生产审核的标准一级标准消耗热量为≤2150KJ/Kg标煤，三级为≤2350KJ/Kg标煤，焦炉煤气消耗量为168.45-184Nm3/吨焦(干)，按照此标准计算110万吨焦炉满负荷废气排放量约为13.86万m3/h，按照ZHJL5552D型焦炉设计值烟囱最大负荷排放废气量为180000m3/h（标况）。较在线监测数值有着极大的差距，下面就计算燃烧废气产生量量与在线监测数据进行计算及比对，探讨焦炉燃烧废气产生量与计量之间的关系。
二、焦炉燃烧计算
1、 空气量的计算：
1立方米干煤气（标况）燃烧所需理论氧量O理按照下式计算
O理=0.01【0.5（H2+CO）+2CH4+3C2H4+7.5C6H6-O2】Nm3/Nm3煤气。式中H2、CO、CH4、C2H4等分别为煤气中该成分的体积百分比。
L理=100/21 O理，Nm3/Nm3煤气
实际干空气量L实（干）=过剩系数L理，Nm3/Nm3煤气
实际湿空气量为：
L实（湿）= L实（干）{1+（H2O）空}，Nm3/Nm3干空气。
2、 废气量和废气组成的计算 完全燃烧时，废气中仅含有CO2、H2O、N2 和过剩空气中带入的氧，故废气中各种成分的体积为：
V CO2=0.01[CO2+ CO+ CH4+2 C2H4+6C6H6] Nm3/Nm3煤气
V H2O=0.01[H2+2(CH4+C2H4)+3 C6H6+(H2O)煤+ L实（干）（H2O）空] Nm3/Nm3煤气
V氮=0.01N2+0.79 L实（干）, Nm3/Nm3煤气
VO2=0.21 L实（干）- O理, Nm3/Nm3煤气
式中(H2O)煤---每m3煤气中所含水汽量，Nm3/Nm3煤气
故1m3煤气燃烧生成的废气量为：
V= V CO2 +V H2O +V氮+VO2, Nm3/Nm3煤气
例：计算空气需要量和废气生成量，计算以干煤气为准，并设过剩系数为α=1.25，饱和煤气的温度为20℃，空气温度为20℃，相对湿度0.6，计算结果如下：
以100立方米干煤气为准：
表一：某公司2014年度煤气组成平均值%（干）
|
平均值
|
55.13 |
0.76 |
6.75 |
8.22 |
23.15 |
3.29 |
2.70 |
|
氢气 |
氧气 |
氮气 |
CO |
CH4 |
CO2 |
CMHN |
表二：废气组成及废气量：
|
组成 |
含量（体积%） |
反应式 |
理论氧量 |
V CO2 |
V H2O |
V氮 |
VO2 |
V |
||
|
m3/ m3 |
m3 |
|||||||||
|
CO2 |
3.29 |
|
|
|
3.29 |
|
|
|
|
|
|
O2 |
0.76 |
|
|
-0.76 |
|
|
|
|
|
|
|
CO |
8.22 |
CO+1/2O2=CO2 |
0.5 |
4.11 |
8.22 |
|
|
|
|
|
|
CH4 |
23.15 |
CH4+2O2=CO2+2H2O |
2 |
46.3 |
23.15 |
46.3 |
|
|
|
|
|
H2 |
55.13 |
H2+1/2 O2=H2O |
0.5 |
27.565 |
|
55.13 |
|
|
|
|
|
CmHn |
2.70 |
C2H4+3O2=2CO2+2H2O C6H6+7.5O2=6CO2+3H2O |
3(x0.8) |
6.48 |
4.31 (6.48x0.666) |
4.31 |
|
|
|
|
|
7.5(x0.2) |
4.05 |
3.24 （4.05x6/7.5） |
1.32 |
|
|
|
||||
|
N2 |
6.75 |
|
|
|
|
|
6.75 |
|
|
|
|
H2O |
|
饱和温度20℃的煤气带入 |
2.35 |
|
|
|
||||
|
煤气燃烧需O理及燃烧物产量 |
87.745 |
42.21 |
109.41 |
6.75 |
|
|
||||
|
L实（干）及带入H2O,O2，N2 |
L实（干）=αL理=αO理（100/21）=1.25x87.745x（100/21）=522.3 |
|
|
522.3x0.0235x0.6=7.36 |
522.3x0.79=412.62 |
522.3x0.21-87.745=21.9 |
|
|||
|
废气中各成分量 |
42.21 |
116.77 |
419.37 |
21.9 |
600.25 |
|||||
|
废气组成 |
7.04 |
19.45 |
69.86 |
3.65 |
100 |
|||||
由计算，燃烧1m3上述的干焦炉煤气时，L实（干）=5.223Nm3/Nm3煤气
L实（湿）=5.223（1+0.6x0.0235）=5.297N米3/N米3，V=6.003Nm3/Nm3
三、 焦炉碳化室物料平衡及热平衡
表三：焦炉物料平衡
|
入方 |
出方 |
||||||
|
序号 |
项目 |
公斤 |
% |
序号 |
项目 |
公斤 |
占干煤% |
|
1 |
干煤 |
885 |
88.5 |
1 |
焦炭 |
700 |
79.1 |
|
2 |
水分 |
115 |
11.5 |
2 |
焦油 |
30 |
3.4 |
|
|
|
|
|
3 |
氨 |
1.7 |
0.2 |
|
|
|
|
|
4 |
粗苯 |
9 |
1.0 |
|
|
|
|
|
5 |
煤气 |
129.3 |
14.6 |
|
|
|
|
|
6 |
化合水 |
15 |
1.7 |
|
|
|
|
|
|
配煤水 |
115 |
|
|
|
总计 |
1000 |
100 |
|
总计 |
1000 |
100 |
表四：焦炉热平衡
|
入方 |
出方 |
||||||
|
序号 |
项目 |
千卡 |
% |
序号 |
项目 |
千卡 |
占干煤% |
|
1 2 3 4 |
煤气燃烧热 加热煤气显热 空气显热 湿煤显热 |
608081 8171 3507 6707 |
97.1 1.3 0.55 1.05 |
1 2 3 4 5 6 7 |
焦炭显热 化产显、潜热 煤气显、潜热 水汽显、潜热 废气显热 热损失 差额 |
246400 21429 80260 118248 122456 65824 -28151 |
37.64 3.27 12.26 18.05 18.72 10.06 |
|
|
|
626466 |
100 |
|
总计 |
626466 |
100 |
四、 碳化室的漏气率a计算
a={28151/【（129.3/0.47）x5000+80260】}x100=1.93%
式中：28151---（出方热—入方热），单位Kcal/m3
129.3--- 煤气产生量，单位，kg
0.47---荒煤气重度0.47/m3
5000---荒煤气发热值，单位Kcal/m3
80260---煤气显、潜热，单位Kcal
五、 在线监测系统数据及产能负荷统计
表五：
|
项目
月份 |
5.5米110万吨焦炉烟气量 在线值 单位104m3/d |
5.5米110万吨焦炉烟气量 计算值104m3/d |
4.3米60万吨 焦炉烟气量 在线值 单位104m3/d |
4.3米60万吨焦炉烟气量 计算值104m3/d |
产能负荷% |
|
|
5.5米 |
4.3米 |
|||||
|
1 |
---- |
276.0 |
291.8 |
150.3 |
63.9 |
63.8 |
|
2 |
---- |
243.6 |
428.8 |
127.5 |
56.4 |
54.1 |
|
3 |
380.4 |
174.1 |
421.0 |
105.6 |
40.2 |
44.8 |
|
4 |
327.4 |
201.7 |
466.6 |
113.8 |
46.7 |
48.3 |
|
5 |
309.8 |
246.7 |
368.0 |
126.5 |
57.1 |
53.7 |
|
6 |
248.5 |
220.3 |
313.0 |
111.9 |
51.0 |
47.5 |
|
7 |
383.7 |
182.3 |
294.0 |
114.3 |
42.2 |
48.5 |
|
8 |
418.7 |
151.6 |
313.2 |
83.9 |
35.1 |
35.6 |
|
9 |
334.9 |
105.8 |
385.2 |
66.7 |
24.5 |
28.3 |
|
10 |
269.3 |
153.8 |
537.9 |
86.5 |
35.6 |
36.7 |
|
11 |
309.9 |
169.8 |
608.7 |
98.7 |
39.3 |
41.9 |
|
12 |
469.4 |
159.4 |
407.4 |
92.1 |
36.9 |
39.1 |
|
平均值 |
345.2 |
190.5 |
402.9 |
97.1 |
44.1 |
41.2 |
|
平均值/h |
14.38 |
7.94 |
16.79 |
4.05 |
---- |
---- |
六、 废气产生量与焦炭产量对比趋势图
从上图及表五可以看出，焦炉废气计量产生量与焦炉产量没有线性关系，并且在60吨焦炉及110万吨焦炉产能负荷基本一致的情况下，60万吨焦炉的废气量反而超出110万吨焦炉废气的产生量，不符合客观规律，经计算按照上述生产负荷60万吨焦炉的废气产生量应为 40500m3/h，110万吨焦炉废气产生量为79400m3/h，在线监测数值与实际产生数值存在极大差异。
七、 产生差异的原因分析及对策
1、 原因分析：
1） 现有焦炉废气的在线监测系统（CEMS）的流量计量一般采用的是皮托管式差压流量计，该种流量计一般要求烟气流速在4-5m/s以上，在低于5米/秒的环境中存在较大误差，根据HJ/T75-2007《固定污染源烟气排放连续监测技术规范》（试行）第6.2.3节说明为了便于颗粒物和流速参比方法的校验和对比检测，烟气CEMS不宜安装在烟道内烟气流速小于5m/s的位置，在电厂锅炉、炼钢、炼铁、烧结等靠强制排风的烟囱烟气流速在10-15米/s之间，计量鲜有误差出现，而焦炉烟气的排出是靠烟囱的自然吸力，烟气的流速一般不超过2m/s（110万吨焦炉满负荷状态），在低负荷状态下烟气流速甚至低于0.3m/s，烟囱的总压差也就500-600pa左右，这就从根本上造成了焦炉烟气计量的误差在所难免。
2） 焦炉烟囱的烟气流速设计值
在焦炉烟囱的设计中，按照大流速设计，烟囱直径可以减小，但是阻力大，烟囱高度将增加，减小流速，烟囱高度可以降低，但是烟囱直径加大，所以烟囱直径应该按照烟囱的投资加以权衡，烟囱的直径按照下式计算，一般设计取值范围在3-4m/s。
式中 Q0—焦炉烟囱排出的废气量
---烟囱出口处废气的流速（标准状态），米/秒。
110万吨焦炉烟囱的设计废气量约18万m/h（标准状态），检测位置的直径是8200mm，烟囱顶部内径为4200mm，计算得出满负荷状态下顶部流速为
=3.61m/s 检测点的流速应为
，=1.85m/s，也就是说在焦化厂靠自然吸力的环境中使用CEMS系统无法得到准确的计量。
3） 烟气环境影响
在焦炉烟气中主要污染物为SO2，NOX,粉尘等，其中还含有大量的水汽，这些物质难免会对皮托管的测压孔产生堵塞和腐蚀，直接影响测量精度。
4） 皮托管流量计与超声波流量计在风洞中的测量对比测试比较：
风洞中利用皮托管及超声波流量计测定的烟气流速对比数据，从中可以看出，烟气在低流速状态下使用皮托管计量时数据无线性关系并且数据基本处于发散性状态，而超声波流量计更能反映低流速风洞中介质的实际流量，所以低流速状态难以用皮托管来计量烟气流量。
2、 对策：
1) 解决焦化厂烟气计量问题一是建议采取高精度计量仪器如超声波涡街计量，适用范围0.3-80m/s，二是采取低流速热阻式流速仪等仪器对比皮托管式计量灵敏度及精确度都会有较大提高，据有关文献记载都能满足计量要求，但是目前还未进入国家计量标准规范中，目前在河南等地已经从政策上给与支持和试点工作，虽然在经济上要比皮托管式要贵一些，但是从日益提高的排污费标准来说要经济合理的多。下图是一家公司采用超声波涡街流量计测量烟气流量与生产符合之间的趋势图（蓝色是风速，浅蓝色是生产负荷），明显可以看出成线性关系。
2) 更改现有皮托管计量仪的安装位置，由于环保及节能的需要，目前多数焦化厂都建设了烟气余热利用装置，靠强制通风来排出换热后的烟气，因此在风机出口管段内选择合适的风速计量点位来达到准确计量的目的。
参考文献：
1、《炼焦学》马鞍山钢铁学院 姚昭章主编
2、《国内外烟气流速测量标准比较分析》冯真桢 朱琳 段九祥
3、《新型超声波涡街流量计测量烟气》 宋相敏
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