一种修正炭黑生产中将富氧混入空气后流量计和燃烧模型出现偏差的方法

一种修正炭黑生产中将富氧混入空气后流量计和燃烧模型出现偏差的方法

陈佳

新疆鑫凯高色素特种炭黑有限公司 新疆昌吉州呼图壁县 831200

摘要:在炭黑生产过程中，主供风机供风量决定了炭黑生产装置的产量，为了在风机满负荷状态下提高炭黑的产量，可以采用在风机入口补充富氧空气，以提高供风空气中的氧气含量，从而提高反应炉的热负荷，以达到增加产量和提升品质的目的。

关键词：气体流量、温压补充、在线监测

引言：本文重点探讨补充富氧空气后，对供风流量计计量准确性造成的影响以及修正的方法，也依据气体燃烧模型分析空气中氧气含量变化对燃烧的影响以及修正的方法。

1、空气流量计计量准确的重要性

在炭黑生产过程中，由主供风机加压供风，配合天然气在密闭的反应炉进行燃烧，提供蒽油反应所需要的的热量，空气与燃气的配比准确性，直接影响产品的产量与质量。

2、空气流量计选型与计算

由于燃烧系统强度需要，系统要求把空气通过多级离心风机将空气压力加压到80Kpa以上，随着压力的升高，电动机将电能转换成空气的动能和热能。提高给燃烧的空气温度也随之升高。空气流量计选用标准的孔板流量计作为计量单元。

根据

（2.1）

式中：q_v—体积流量

C——流出系数

A₀——孔板开孔面积

ρ₁——工况密度

∆p——孔板前后测量的差压

β²——直径比

依上（2.1）式可见，流量计设计安装完成后C、β2、A0相应数值已确定，流量计公式可简化为:

(2.2)

式中：k——为常系数

3、影响流量计准确性分析

依2.2式可见，确保空气流量检测的准确性，不考虑设计和制作方面C、β2、A0的影响，以及∆p差压变送器测量的准确性，重点影响准确性的空气工况密度的变化。

理想气体工况温度压力补偿公式为：

(3.1)

式中：ρ₁——工况密度

ρ₂₀——20℃空气密度

P₁——工况压力（仪表测量值）

T₁——工况温度（仪表测量值）

Z——压缩系数

ρ₂₀查阅资料取值1.2046kg/m3

T₀=273.15K，P₀=101.239kPa,压缩系数Z取值为1。

P₁=P_测+101.239

T₁=T_测+273.15

从工况密度修正中可见，通过增加P_测、T_测可以对空气中的密度进行实时修正增加准确性。

修正后的流量计算将（3.1）带入2.2式，保留变量可得：

(3.2)

式中： q_v—体积流量

k——为常系数

ρ₂₀——20℃空气密度，1.2046kg/m3

P₁——工况压力（仪表测量值）

T₁——工况温度（仪表测量值）

如果空气流量组分在不发生变化的情况下，空气流量计采用通过空气压力测量、温度测量实时按照3.2式进行修正，就能确保流量检测的准确性。

4、增加富氧组分后对流量计影响分析

增加富氧后参数ρ₂₀为变量，常规空气密度是查表获得，但是补充富氧后，空气中的组分发生变化，需要增加在线氧含量检测仪，测得氧气含量O₂为20%-30%，余气同样考虑为氮气。若流量计不对氧气含量造成的影响进行修正，势必产生较大误差，造成生产误判。

依据：

（4.1）

按照混合气体密度计算方法：

ρ_20修正=（M_o2*o²%+M_N2*（1-o²%））/22.4 *273.15/293.15 （4.2）

式中：M_o2——氧气的摩尔质量，取值32

M_N2——氮气的摩尔质量，取值28

o²——在线氧气含量检测值（仪表测量值）

经计算后4.2式可简化为：

ρ20修正=（4o2%+28）/20.8717 （4.3）

将4.3式带入3.2式，保留变量可得：

（4.4）

式中： q_v—体积流量

k——为常系数

o²——在线氧气含量检测值（仪表测量值）

P₁——工况压力（仪表测量值）

T₁——工况温度（仪表测量值）

由4.4可见，增加在线氧气检测后，更能根据组分的变化，实时修正空气流量，确保准确性。

5、增加富氧组分后对燃烧的影响分析

天然气燃烧方程式：CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O

从燃烧方程可见：CH₄与O₂的燃烧比列是1:2

常规O₂的计算方式是qv*0.2，就是流量中氧气的量。q_v可以通过4.4式进行实时修正，在计算燃烧所需氧量时，也需要带入o²在线氧气含量检测值，即为q_v*o2计算出氧气量，在参与天然气的燃烧。具体按照炭黑燃烧模型计算。

6、结论

在炭黑生产过程中，在空气中混入富氧，必须增加在线氧气检测仪表，才能确保空气流量计测量准确，还要将在线测量的氧气含量修正入燃烧模型再进行燃烧计算，才能确保理论计算的准确性。

参考文献：

1. 孙淮清，王建中 流量测量节流装置设计手册 北京：化学工业出版社，2000.6

2. 王森，纪纲 仪表常用数据手册 北京：化学工业出版社，2006.6

3. 李炳炎，炭黑生产与应用手册 北京：化学工业出版社，2000.9