王蒙蒙，李蘇瀧，許遠(yuǎn)超

(1．南京理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，江蘇 南京 210094;

2．機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450007)

0 引言

工業(yè)生產(chǎn)中，某些工藝過程往往會產(chǎn)生高溫高濕的含塵廢氣，若除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)時不采取相應(yīng)的措施，運(yùn)行時含塵廢氣的溫度一旦低于其露點(diǎn)溫度，會產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象。如解決不當(dāng)，粉塵會粘結(jié)在除塵系統(tǒng)表面，造成除塵系統(tǒng)的阻力陡增，效率急劇下降［1］。當(dāng)環(huán)境溫度低于0℃以下時，甚至?xí)霈F(xiàn)淌水凍結(jié)的危害，造成除塵系統(tǒng)表面結(jié)霜，整個系統(tǒng)癱瘓無法運(yùn)行。例如:干混砂漿工藝過程中，砂漿經(jīng)烘干機(jī)烘干后排放的廢氣溫度高達(dá)100℃，含濕量極大，露點(diǎn)溫度為50℃左右［2］，如果設(shè)計(jì)時除塵器未采取保溫措施，則冬季廢氣經(jīng)烘干機(jī)進(jìn)入除塵器時由于自然溫降，都有可能產(chǎn)生結(jié)露，對工藝過程產(chǎn)生危害。

目前，國內(nèi)外高溫高濕空氣的相關(guān)參數(shù)尚未有相應(yīng)的焓濕圖可供查詢，相關(guān)資料也比較少，計(jì)算都較復(fù)雜。露點(diǎn)溫度的測量也有很大難度，雖然有露點(diǎn)儀可以測量，但露點(diǎn)儀是一個復(fù)雜精密的儀器，價格昂貴，對測試人員專業(yè)水平要求較高，一旦出現(xiàn)操作失誤，如:鏡面污染會改變鏡面本底散射水平并產(chǎn)生拉烏爾效應(yīng)，給測量結(jié)果造成極大誤差［3］。因此，設(shè)計(jì)人員只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算露點(diǎn)溫度，這往往會使保溫層厚度計(jì)算的不合理。 保溫層厚度選擇過大，會大量增加初投資，選擇過小，會引起除塵系統(tǒng)結(jié)露，設(shè)備一直處于低效率狀態(tài)下運(yùn)行。所以確定露點(diǎn)溫度變成為設(shè)計(jì)除塵系統(tǒng)保溫的關(guān)鍵。

1 露點(diǎn)溫度的計(jì)算

有關(guān)文獻(xiàn)［1］中曾提出根據(jù)道爾頓分壓定律推算高溫高濕含塵廢氣(煙氣)的露點(diǎn)溫度，認(rèn)為煙氣中水蒸氣分壓力pi下的飽和溫度就是煙氣的露點(diǎn)溫度。但筆者認(rèn)為這種說法不太合理，因?yàn)榈罓栴D分壓定律適用條件為理想氣體，但高溫高濕廢氣溫度和壓力都相對較高，此時分壓定律已不再適用。本文從較容易測量的干濕球溫度著手推導(dǎo)露點(diǎn)溫度的計(jì)算式。

1．1 計(jì)算式推導(dǎo)

濕空氣的飽和含濕量dW可用式(1)［4］計(jì)算

式中 ps——濕球溫度TW下的飽和蒸汽壓;pb——濕空氣的總壓力。

飽和水蒸氣壓力方程很多，采用較簡單的Antoine［5］方程

式中，Antoine 常數(shù)A =23．1964，B =3816．44，C= －46．13。該式壓力適用范圍為1．3 ～200kPa。

將式(2)代入式(1)得

計(jì)算濕空氣的含濕量dq可用文獻(xiàn)［6］的方法進(jìn)行計(jì)算，對1 kg 干空氣，由其能量平衡方程式(4)得

式中 cp——濕空氣比熱，當(dāng)溫度變化范圍不大時，

cρ=1．01 +1．88dq;

rw——濕球溫度下的汽化潛熱。rw可根據(jù)Watson 提出的經(jīng)驗(yàn)公式［7］進(jìn)行計(jì)算

式中 rb——標(biāo)準(zhǔn)沸騰下的汽化潛熱，rb=2257．3kJ/kg;

Tb——沸騰溫度，Tb=100℃;

Tc——水的臨界狀態(tài)溫度，Tc=374．15℃;n——指數(shù)，n=0．38。代入后

將式(3)和式(5)代入式(4)中可得

濕空氣中的水蒸氣分壓力可由下式計(jì)算

再根據(jù)文獻(xiàn)［8］的經(jīng)驗(yàn)公式(9)和式(10)，便可算出高溫高濕含塵廢氣的露點(diǎn)溫度。

tL=f(pq)，當(dāng)tL=0 ～70℃時，tL= －35．28896－2．03222lnpq+1．17025 (lnpq)2

當(dāng)tL= －60 ～0℃時，tL= －60．23484 +7．03841 lnpq+0．37359 (lnpq)2

1．2 含有酸性氣體高溫高濕廢氣的露點(diǎn)溫度

若采用的燃料含硫量高的話，含塵廢氣的露點(diǎn)溫度還與產(chǎn)生酸性氣體有很大關(guān)系，這些酸性氣體會使煙氣露點(diǎn)溫度大幅度提升。其中SO2在相當(dāng)大的濃度范圍內(nèi)，對露點(diǎn)溫度的影響不超過1℃，一般可忽略不計(jì)。主要是SO2轉(zhuǎn)化成SO3進(jìn)而溶于水生成H2SO4蒸汽對煙氣露點(diǎn)溫度的影響。

但由于煙氣中SO3和H2SO4的濃度測量較為麻煩。計(jì)算時，一般采用估算法，誤差較大。目前，資料都比較認(rèn)可的是對蘇聯(lián)1973 標(biāo)準(zhǔn)的修正式(11)［9］，修訂值K 為排放系數(shù)，取0．75。

式中 tL——只含水蒸氣的露點(diǎn)溫度;

Sar．zs、Aar．zs——收到基折算硫分和灰分，即為

對應(yīng)于煤發(fā)熱量為4 190 kJ/kg 時的成分;

afh——飛灰占燃料灰分的份額;

β——與爐膛出口過量空氣系數(shù)有關(guān)的常數(shù)，

一般取125。

從上式可看出:

(1)Sar．zs的增大煙氣露點(diǎn)溫度升高。這是因?yàn)槿剂虾蛄康脑黾?，燃燒后SO2的生成量增加，SO2轉(zhuǎn)變?yōu)镾O3量也加大，使得煙氣中硫酸蒸汽的濃度增加，煙氣露點(diǎn)溫度升高;

(2)Aar．zs的增加使露點(diǎn)溫度下降，因?yàn)闊煔庵谐史稚顟B(tài)的飛灰顆粒會吸附和中和煙氣中SO3，煙氣中硫酸蒸汽濃度減少;

(3)afh的增大使硫酸蒸汽在煙氣中的分壓力降低導(dǎo)致露點(diǎn)溫度下降，另一方面，煙氣中含氧量的增加使SO2轉(zhuǎn)化成SO3成分增加，使露點(diǎn)溫度升高，但后者的影響小前者，煙氣露點(diǎn)溫度還是下降的。

2 保溫層厚度的計(jì)算

除塵系統(tǒng)的保溫分為除塵器保溫和管道保溫，為了正確的選擇保溫材料、確定保溫結(jié)構(gòu)及對保溫工程進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，都必須進(jìn)行管道或設(shè)備的散熱損失計(jì)算。

防止除塵系統(tǒng)結(jié)露就是要控制含塵廢氣的溫度在露點(diǎn)溫度以上。一般經(jīng)過烘干機(jī)進(jìn)入除塵器的廢氣含水率在15%以上，露點(diǎn)溫度為40 ～50℃，如果燃料含硫量高，露點(diǎn)溫度還會升高。從經(jīng)濟(jì)性和安全性角度考慮，要求除塵器入口溫度比露點(diǎn)溫度高20 ～50℃，出口溫度高于露點(diǎn)溫度5 ～10℃。這樣，除塵器內(nèi)煙氣的溫降就限定了，一般為25℃左右［10］。

根據(jù)傳熱學(xué)［11］基本原理可以得出平壁和圓筒壁的散熱損失計(jì)算公式平壁

圓筒壁

式中

Φ1——通過除塵器向外散熱量/W;

tf1——除塵器內(nèi)煙氣的平均溫度/℃;

tf2——周圍空氣的溫度/℃;

δ——保溫層厚度/m;

h1——煙氣與除塵器內(nèi)壁的對流換熱系數(shù)/W·m－2·℃－1;

h2——除塵器外壁與周圍空氣的對流換熱系數(shù)/W·m－2·℃－1;

λ——保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)/W·m－1·℃－1。煙氣在除塵器內(nèi)散失的熱量為

式中 Φ2——除塵器內(nèi)煙氣的散熱量/W;

C——煙氣的比熱容/J·kg－1·℃－1;

G——除塵器處理的煙氣質(zhì)量流量/kg·s－1。

根據(jù)熱量平衡:Φ1=Φ2，即可算出除塵設(shè)備的保溫層厚度δ平壁

考慮到圓筒壁保溫結(jié)構(gòu)外表面熱阻1/πd2h2較小，一般占保溫管道向周圍空氣熱阻的10%左右，為了計(jì)算方便，可忽略不計(jì)。

圓筒壁

輸送含塵廢氣進(jìn)入除塵器的管道也會產(chǎn)生溫降，距離越遠(yuǎn)，溫度降低越多。前面已經(jīng)敘述除塵器入口廢氣的溫度要高于露點(diǎn)溫度20 ～50℃。這樣，經(jīng)排氣罩進(jìn)入除塵器這段管道的溫降也就確定了，即

式中 t1——廢氣的初始溫度/℃;

t2——除塵器入口廢氣的溫度，即為td+(20 ～50)℃。

同理，知道了管道內(nèi)廢氣的溫降，根據(jù)傳熱學(xué)和熱平衡原理即可算出管道保溫層的厚度。整個系統(tǒng)的保溫層厚度也都確定了。

3 圓管保溫層的臨界厚度

對式(13)求導(dǎo)并令其等于零得出保溫層臨界厚度

如果圓管外徑小于D0，則隨著D0的增加散熱量將增大;若圓管外徑大于D0，則散熱量隨D0的增加而減小。這就要求生活中涉及到的保溫管道裸管直徑必須大于D0時才能通過敷設(shè)保溫層保溫。實(shí)際上，取代表性數(shù)值——λ=0．1 W/(m·℃)，h=9 W/(m2·℃)分析，算出D0=22 mm，而除塵器連接風(fēng)管的直徑一般在1 m 以上，無需考慮保溫層臨界厚度的問題。從安全性角度來考慮，保溫層厚度越厚越好，但厚度的增加會增大初投資。因此，只需保證系統(tǒng)煙氣溫度在露點(diǎn)溫度以上，不產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象即可，從而保證除塵系統(tǒng)高效穩(wěn)定的運(yùn)行。

4 結(jié)語

本文推導(dǎo)出了以干濕球溫度表示的高溫高濕含塵廢氣露點(diǎn)溫度的計(jì)算式。與傳統(tǒng)的復(fù)雜計(jì)算方法相比，形式簡單，物理意義明確，所需參數(shù)少。在這個基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討了除塵系統(tǒng)設(shè)備和管道保溫層的相關(guān)計(jì)算，得出了一整套實(shí)用的計(jì)算方法，為后續(xù)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行保溫層厚度的設(shè)計(jì)計(jì)算提供了理論依據(jù)。

［1］張吉光．防止除塵系統(tǒng)結(jié)露的設(shè)計(jì)計(jì)算方法［J］．通風(fēng)除塵，1994(2):28 －32．

［2］呂輝祥，董衛(wèi)良．烘干設(shè)計(jì)［C］．第五屆(中國)國際建筑干混砂漿生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)研討會，2012:150 －156．

［3］潘建良．淺談露點(diǎn)儀選型和使用注意事項(xiàng)［C］．江蘇省計(jì)量測試學(xué)會學(xué)術(shù)會議，2013:113 －115．

［4］沈維道，鄭配芝，蔣志敏編．工程熱力學(xué)［M］．北京:高等教育出版社，1984．

［5］Kccy R．B． Introduction to industrial drying operations．Scientific publishing co．Amsterdam．1978．

［6］田德允，翁志剛． 濕空氣含濕量的解析計(jì)算［J］． 佳木斯大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，1999(2)．

［7］楊思文，金六一編． 高等工程熱力學(xué)［M］． 北京:高等教育出版社，1988．

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［11］楊世銘．傳熱學(xué)［M］．北京:高等教育出版社，2010．