張偉偉

（中國(guó)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(guò)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(guò)多年的發(fā)展，安全水封形成了多種形式，常用的有簡(jiǎn)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(guò)程、作用機(jī)理以及關(guān)鍵尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算。

1 安全水封的結(jié)構(gòu)

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。

2 安全水封的作用過(guò)程和作用機(jī)理

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(lái)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(guò)程如圖2所示。

圖2 安全水封作用過(guò)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(guò)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(méi)有及時(shí)補(bǔ)充液封水，多余的水通過(guò)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(guò)內(nèi)層圓筒的最高處進(jìn)入內(nèi)層圓筒內(nèi)，再通過(guò)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(guò)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)。

3 安全水封的設(shè)備計(jì)算

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(jí)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(jí)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。

3.1 中間層圓筒直徑D1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。

3.2 內(nèi)層圓筒直徑D2計(jì)算

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。

3.3 外層圓筒直徑D3計(jì)算

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(guò)多，在煙氣系統(tǒng)負(fù)壓升高時(shí)，無(wú)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(guò)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。

3.4 最大液封高度H1計(jì)算

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(guò)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(jiàn)，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。

3.5 U形管高度H2計(jì)算

U形管僅在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)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(duì)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。

3.6 溢流口高度H3計(jì)算

制酸系統(tǒng)正常運(yùn)行過(guò)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(méi)有及時(shí)補(bǔ)充液封水。生產(chǎn)過(guò)程中多余的水通過(guò)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(duì)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(guò)溢流口流出，而不是通過(guò)排水口流出，即ρgH1-ρgH3＞8 000，由此得出：H3＜614 mm。考慮到設(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。

4 結(jié)語(yǔ)

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(guò)大或過(guò)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。