張偉偉
(中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)
冶煉煙氣制酸系統(tǒng)主要包括凈化、轉(zhuǎn)化、干吸等工序,其中凈化工序內(nèi)的介質(zhì)為濕煙氣和稀酸,腐蝕性較強(qiáng)。玻璃鋼因其耐腐蝕性能好、造價(jià)低廉,成為凈化工序設(shè)備的首選材質(zhì)。凈化工序通常在負(fù)壓下操作,而玻璃鋼設(shè)備承受負(fù)壓有限,一旦系統(tǒng)負(fù)壓超出設(shè)備設(shè)計(jì)值,就會(huì)造成設(shè)備損壞。為避免此類事故發(fā)生,凈化工序煙氣出口通常設(shè)置安全水封,在凈化工序的負(fù)壓超出設(shè)定值時(shí),通過安全水封可以及時(shí)向系統(tǒng)補(bǔ)入空氣,破除凈化工序的高負(fù)壓,從而有效地保護(hù)設(shè)備。
安全水封尺寸雖小,但卻是冶煉煙氣制酸系統(tǒng)必不可少的安全設(shè)施。經(jīng)過多年的發(fā)展,安全水封形成了多種形式,常用的有簡易安全水封、帶U形管的安全水封和雙水封槽安全水封。各種形式的安全水封原理基本相同,筆者以最常用的帶U形管的安全水封為例探討安全水封的作用過程、作用機(jī)理以及關(guān)鍵尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算。
安全水封的結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由內(nèi)層、中層、外層共3層圓筒以及底部的U形管構(gòu)成。其中,內(nèi)層圓筒和U形管為破真空時(shí)水流出的通道,中間層圓筒為抽氣筒,外層圓筒為水加入的通道。
圖1 安全水封構(gòu)造
安全水封是利用U形連通器的原理發(fā)展起來用以保護(hù)凈化工序設(shè)備的安全設(shè)施。安全水封兼具液封和破真空2種功能,在制酸系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),可以起到液封的作用,保證凈化工序必要的真空度;在生產(chǎn)線波動(dòng),凈化工序負(fù)壓升高時(shí),可以起到破真空的作用,避免玻璃鋼設(shè)備損壞。
安全水封的作用過程如圖2所示。
圖2 安全水封作用過程
(A)為正常運(yùn)行條件下的狀態(tài),安全水封內(nèi)部與煙氣系統(tǒng)連通,處于負(fù)壓狀態(tài),外部與大氣連通,在內(nèi)外壓差的作用下,內(nèi)側(cè)的液柱高度高于外側(cè)的液柱高度,此狀態(tài)為穩(wěn)定狀態(tài),液柱高度不發(fā)生變化。盡管如此,安全水封在整個(gè)生產(chǎn)過程中仍需持續(xù)不斷地補(bǔ)充新鮮水,以避免煙氣系統(tǒng)突然破真空而沒有及時(shí)補(bǔ)充液封水,多余的水通過溢流口流出安全水封。(B)為系統(tǒng)負(fù)壓突然升高情況下的狀態(tài),安全水封外側(cè)的液柱快速向內(nèi)側(cè)流動(dòng)并越過內(nèi)層圓筒的最高處進(jìn)入內(nèi)層圓筒內(nèi),再通過底部的U形彎管流出。此狀態(tài)持續(xù)時(shí)間很短而且變化迅速,安全水封內(nèi)的所有水會(huì)瞬間被抽干并進(jìn)入(C)所示的狀態(tài)。(C)為安全水封內(nèi)的水被完全抽干的狀態(tài)。在此狀態(tài)下,空氣通過安全水封進(jìn)入煙氣系統(tǒng),從而使系統(tǒng)的負(fù)壓降低。待整個(gè)制酸系統(tǒng)所有設(shè)備都恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài),煙氣系統(tǒng)的負(fù)壓恢復(fù)到正常操作值,安全水封重新恢復(fù)到(A)狀態(tài)。
安全水封的關(guān)鍵尺寸如圖1所示,其中:
D1——中間層圓筒直徑,mm;
D2——內(nèi)層圓筒直徑,mm;
D3——外層圓筒直徑,mm;
H1——最大液封高度,mm;
H2——U形管高度,mm;
H3——溢流口高度,mm。
為了方便計(jì)算,以凈化工序二級電除霧器出口煙氣量為100 000 m3/h,煙氣管道直徑為φ1 500 mm,二級電除霧器的正常操作壓力為-8 kPa,制酸系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力為-15 kPa為例進(jìn)行計(jì)算。
圖1所示的安全水封結(jié)構(gòu)中,D1等于安全水封的抽氣管直徑,一般設(shè)計(jì)安全水封的抽氣管直徑為凈化工序電除霧器出口主煙氣管道直徑的0.5~0.7倍[1],計(jì)算舉例中主煙氣管道為φ1 500 mm,故安全水封的抽氣管為φ(750~1 050) mm。選取抽氣管直徑為φ800 mm,故D1=800 mm。
內(nèi)層圓筒為破真空情況下水流出的通道,為了保證在負(fù)壓作用下水能夠順利地從內(nèi)層圓筒流出,內(nèi)層圓筒的截面積應(yīng)大于中間層圓筒與內(nèi)層圓筒之間圓環(huán)的截面積,即由此可得:D2>566 mm。取D2=600 mm。
安全水封中的水存在于三層圓筒之間,若安全水封持液量過多,在煙氣系統(tǒng)負(fù)壓升高時(shí),無法快速破除系統(tǒng)負(fù)壓,不能有效保護(hù)設(shè)備。因此,安全水封的持液量不宜過多,考慮到設(shè)備制造的方便,可取內(nèi)外兩層圓環(huán)之間的間距相等,即D3-D1=D1-D2。由此可得:D3=1 000 mm。
最大液封高度是安全水封非常重要的參數(shù),直接決定了凈化工序的最大操作壓力。H1的取值應(yīng)使安全水封既能在煙氣系統(tǒng)負(fù)壓超過允許值時(shí)及時(shí)降低負(fù)壓,保護(hù)凈化工序設(shè)備,又能在系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下起到液封的作用,保證系統(tǒng)正常的操作負(fù)壓。文中制酸系統(tǒng)設(shè)計(jì)負(fù)壓為-15 kPa,為安全起見,取安全水封的泄壓壓力為-14 kPa,故ρgH1=14 000,由此得出:H1=1 430 mm。
U形管僅在系統(tǒng)運(yùn)行過程中起到液封的作用而不起破真空的作用,故U形管所能形成的液封高度所對應(yīng)的壓強(qiáng)應(yīng)大于等于系統(tǒng)的最大操作負(fù)壓,即ρgH2≥14 000,由此得出:H2≥1 430 mm。取H2=1 500 mm。
制酸系統(tǒng)正常運(yùn)行過程中,安全水封需連續(xù)不斷地補(bǔ)水,以避免系統(tǒng)突然破真空而沒有及時(shí)補(bǔ)充液封水。生產(chǎn)過程中多余的水通過溢流口流出進(jìn)行回收,在此情況下,安全水封內(nèi)、外液柱的高度差所對應(yīng)的壓強(qiáng)應(yīng)大于系統(tǒng)的正常操作壓力,以保證多余的水能通過溢流口流出,而不是通過排水口流出,即ρgH1-ρgH3>8 000,由此得出:H3<614 mm??紤]到設(shè)備制造的方便,同時(shí)使系統(tǒng)具有較大的操作彈性,取H3=400 mm。
安全水封利用U形連通器的原理,可起到液封和降低系統(tǒng)負(fù)壓的雙重作用,是冶煉煙氣制酸系統(tǒng)中必不可少的安全設(shè)施,設(shè)計(jì)中某個(gè)尺寸過大或過小都會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的安全,甚至導(dǎo)致主體設(shè)備的損壞。根據(jù)文中所列舉的煙氣條件,計(jì)算得到安全水封的關(guān)鍵參數(shù)為:中間層圓筒直徑D1=800 mm,內(nèi)層圓筒直徑D2=600 mm,外層圓筒直徑D3=1 000 mm,最大液封高度H1=1 430 mm,U形管高度H2=1 500 mm,溢流口高度H3=400 mm。