指揮防護工程柴油發電站尾氣處理裝置的研究

吳 萍，李玉華

（合肥通用機械研究院，安徽合肥 230088）

0 引言

指揮防護工程是國家安全的重要基礎設施，是戰略戰役的指揮中樞，也是戰爭中的首選打擊目標。因此，做好指揮防護工程的隱蔽和偽裝尤為重要。柴油發電機作為戰時的備用電源，其排放的高溫濃煙暴露征候明顯，需經處理后排放才能符合工程偽裝的要求。本文對柴油發電站尾氣處理裝置的關鍵技術方案的確定、工作原理及自動控制系統作介紹，并通過相關試驗驗證裝置對煙氣的處理效果。

1 項目主要研究內容

該項目主要是針對指揮防護工程發電站柴油機排出的高溫濃煙，研制出柴油機尾氣消煙降溫處理裝置。柴油機尾氣經該裝置處理后，出口無可視煙霧，排氣溫度與室外環境溫度保持動態一致，從而使指揮防護工程電站達到偽裝、隱蔽、安全運行的目標。

1.1 裝置主要技術指標

（1）煙氣處理量：根據具體的柴油機型號確定；

（2）煙氣排放溫度：將柴油機的高溫尾氣降至與環境溫差≤20℃；

（3）煙氣排放煙度:≤1波許；

（4）裝置表面溫度:＜50℃；

（5）裝置的尺寸和體積要盡量小，適用于電站狹小的空間，安裝、維護方便。

1.2 主要技術方案的確定

1.2.1 冷卻方案的確定

首先對柴油機排放煙氣冷卻的技術方案進行了分析對比。常用的冷卻方法有水冷、風冷和機械制冷等方法。機械制冷工藝復雜，要消耗大量電力，無疑是不合適的，不宜采用。關于水冷和風冷方式具體又可分為5種方案。

（1）表面換熱器水冷方案

原理：熱空氣通過換熱器時，將熱量傳遞給管內流動的水，實現氣體和水的熱交換。這是常用的冷卻空氣的方法之一，技術成熟，換熱效果可靠。但是，換熱器出口的溫度最多只能降到接近冷卻水的溫度（一般在15℃左右），該排氣溫度在春季、夏季和秋季可以滿足與環境溫差小于20℃的要求，但在冬季室外溫度較低，尤其是在北方使用時，就很難達到設計要求。

結論：盡管表面式水冷換熱器換熱效果可靠，但是單靠這一種辦法還達不到設計要求。

（2）水噴淋或暴氣水冷方案

原理：通過噴嘴將水霧化后直接與廢煙氣接觸或將廢煙氣排至水池內暴氣，進行熱質交換。

結論：此法在降溫的同時，還可以去除尾氣中的部分有害物質，但用水量大，占用空間大，且在寒冷地區使用時會結凍，不宜在防護指揮工程發電站中使用。

（3）熱管式換熱器風冷方案

原理：熱氣體通過熱管換熱器時，熱量傳遞給管內的媒體，媒體將熱量帶到另一端，再傳送給柴油機進氣的新風，實現柴油機排氣和進風的熱交換。因為經過兩次傳熱，傳熱效率低于表面式熱交換器。

結論：此法優點是不需要水源，但工藝復雜，造價偏高，不宜使用。

（4）大風量混合風冷方案

原理：利用環境溫度和煙氣的溫差，通過大量新風與熱風混合后達到降溫的目的。特點是此方法可以實現排煙溫度與環境溫度協調一致，無論夏季還是冬季，只要給予一定比例的新風混合，都能使排煙溫度與環境氣溫保持相對穩定的溫差。但所需新風量太大。以新風量升溫20℃，廢氣降溫500℃計算，混合比超過25倍。

結論：設備體積大，動力消耗大，保障困難，不宜單獨使用。

（5）表面式換熱器水冷+新風混合冷卻方案

原理：通過表面式換熱器的換熱，把高溫煙氣從500℃冷卻到40℃左右，預計有95%以上的熱量被水帶走，然后再用新風混合進一步冷卻降溫，使煙氣排放溫度達到規定的要求。

結論：冷卻效果確定，可靠，此方案克服了水冷或風冷單獨使用的缺點，綜合發揮了各自的優點，可以實現大幅降溫和煙氣排放溫度隨四季和晝夜氣溫變化而實時調節，滿足戰技指標的要求，該冷卻方案可以采用。

確定了“表面式換熱器水冷+新風混合”的方案后，需對關鍵冷卻設備表面式換熱器的結構形式進行設計計算。由于煙氣溫度較高，通常采用的翅片式換熱器雖然傳熱效果好，但不耐高溫，適應高溫使用的翅片式換熱器的換熱元件較貴，而且風阻較大；橢圓光管耐高溫，但換熱效果差，無法在小空間完成高溫煙氣所攜帶的大量熱負荷的交換。因此，在換熱器設計時，結合兩種換熱器的優缺點，將換熱器分為兩級，第一級采用耐腐蝕的不銹鋼橢圓光管為換熱元件，將溫度降到300℃左右，第二級采用耐腐蝕的橢圓翅片管換熱器，將溫度降到30℃左右。

1.2.2 凈化方案的確定

本項目凈化的目的是消除可視煙霧，使排放煙氣的煙度值降到1波許以下，不考慮有害氣體的凈化。從一般凈化技術角度看，可以去除柴油機碳煙顆粒的方法有以下幾種。

（1）靜電除塵

原理：在氣體通道中，密布電極板，在高壓電的作用下，極板之間形成電場。氣流中的固體和液體顆粒通過電場時被電離，形成帶電粒子，在電場力的作用下被極板吸附。

結論：靜電除塵器可以耐較高的溫度。但是，對于細微的煙塵，電場力較小，除塵效果差，且需專業人員維護，本項目不宜采用。

（2）陶瓷過濾器

原理：工業多孔陶瓷過濾器以剛玉砂、碳化硅、堇青石等優質原料為主料、經過成型和高溫燒結而成。其結構內部均勻分布有大量開口氣孔，具有微孔孔徑易于控制、孔隙率高、孔徑均勻等特點。

結論：該過濾元件過濾阻力小、滲透性好、耐高溫、耐高壓、機械強度高、再生簡單使用壽命長。但體積大、凈化效率不夠高，無法消除柴油機出口的可視煙霧，不宜采用。

（3）纖維過濾器凈化

原理：過濾器由纖維性過濾材料制成，當灰塵通過時，在嚙合效應和慣性的作用下，灰塵被截留，凈化后的煙氣順利排出。

結論：纖維過濾器凈化效率高，可以過濾煙氣中的微小顆粒，使煙氣排放口無可視煙霧，且技術成熟，維護簡單，運行成本低，可靠性高。

2 工作原理

2.1 裝置組成

柴油機尾氣處理裝置是由通風換熱機組和控制系統兩大部分組成的。通風換熱機組主要包括換熱器水冷系統、過濾器除塵凈化系統、風閥新風摻冷系統和風機排風系統；控制系統主要包括控制箱、觸摸顯示屏、溫度傳感器、壓差傳感器和變頻器等。

2.2 工作原理

柴油機尾氣處理裝置的工作原理為：柴油發電機組排放的高溫煙氣經過耐高溫初效過濾器過濾掉大顆粒的灰塵后，進入換熱器，經換熱器水冷降溫，再經過換熱器后的組合纖維過濾器進一步凈化；自動控制裝置通過溫度傳感器監測換熱器后的排風溫度與環境的溫差，如與環境溫差大于20℃，電動風閥開啟引入新風進一步降溫；如與環境溫差小于20℃，電動風閥關閉。自動控制系統根據新風閥的開度將信號傳輸至變頻器，再通過變頻器來調節風機風量，從而使排放到大氣中的煙氣達到安全排放的標準，符合偽裝的要求。

2.3 工藝流程及自動控制系統主要控制點

工藝流程及自動控制系統主要控制點如圖1所示。

2.4 自動控制系統

自動控制系統是柴油機尾氣處理裝置的重要組成部分，確保裝置安全、穩定、可靠的運行。主要控制要求如下。

①為保護風機電機不被高溫煙氣損壞，自動控制啟停順序：換熱器冷卻水→新風閥→風機，關機順序相反；對經換熱器冷卻后的煙氣溫度進行監測，當溫度大于設定溫度（50℃）時，風機停止工作，觸摸屏顯示故障原因并報警。

②電動調節閥與排風溫度連鎖，當排風溫度與環境溫差大于20℃時，新風閥開啟補新風，至排風溫度與環境溫差小于20℃，新風閥停止動作。

③檢測系統各設備運行狀態，對設備故障進行顯示、記錄及報警；控制系統具備自動與手動兩種功能。

④機組內的每個過濾器均設置壓差開關，超過設定值報警，提示維護人員進行更換。

3 性能試驗

（1）以某軍區電站配套的其中1臺柴油機尾氣處理裝置作為試驗機組，裝置具體參數如下：

①配套柴油發電機組的功率：300 kW；

②柴油機型號：12V135ZLD；

③煙氣處理量（理論）：2 613 kg/h；

④煙氣排放溫度（理論）：417℃；

⑤排放煙氣的煙度（經裝置處理后）：≤1波許；

⑥煙氣排放溫度：將柴油機的高溫尾氣降至與環境溫差≤20℃；

⑦裝置表面溫度：＜50℃。

（2）試驗地點：上海柴油機股份有限公司。

（3）試驗用柴油機型號：12V135ZLD。

（4）試驗裝置示意圖見圖2。

（5）測試項目包括如下部分。

①裝置進口：柴油機煙氣流量Q1(m3/h)、煙氣溫度T1(℃）；柴油機排放煙度（波許）、柴油機背壓Pst1（Pa）。

②換熱器：進水溫度T2(℃)、出水溫度T3(℃）、水流量Qw（t/h）、換熱器冷卻后煙氣溫度T4(℃）、換熱器出口靜壓力Pst2（Pa）。

③凈化器：出口靜壓Pst3（Pa）。

④新風進風口：新風量Q2(m3/h)、新風溫度T5(℃）、新風壓力Pst4（Pa）。

⑤裝置出口：排風溫度T6(℃）、排風煙度（波許）、排風壓力Pst5（Pa）。

⑥測試電機輸入的電氣參數：電流I（A）、功率N（kW）。

圖2 測試裝置示意圖

表1 柴油機尾氣處理裝置測試數據

（7）試驗結果

根據測試數據，試驗結果總結如下：

①按柴油機（帶增壓器）110%負荷運行，煙氣流量4 883 m3/h(2 564 kg/h)，煙氣溫度395℃。

②測試進水溫度31℃，出水溫度64.4℃，水量5.649 3 t/h，經換熱器冷卻后，煙氣溫度從395℃降至33.5℃，降溫效果明顯。

若按電站提供給裝置使用的冷卻水（溫度為15℃、水量為6 t/h）進行換算，換熱器出水溫度為46.5℃，冷卻后煙氣溫度為17℃。

該排氣溫度換算到環境極限低溫（最不利條件）-30℃，新風閥全開時（按測試風量5 260 m3/h計算），混合溫度-17.97℃，與環境溫差12.03℃，滿足技術指標要求。

③柴油機排放煙度4波許，經裝置消煙凈化后，排放煙度0.2波許，滿足技術指標要求排放煙氣溫度≤1波許的要求。

④裝置中換熱器和凈化器阻力250 Pa，在風機作用下柴油機背壓為負壓狀態，最大負壓為1 500 Pa（新風閥全關）有利于柴油機的出力。

⑤裝置表面溫度45.1℃，達到技術指標＜50℃的要求。

4 結語

指揮防護工程柴油機尾氣處理裝置目前已成功在多個指揮防護工程中應用，該裝置的研制，解決了指揮防護工程柴油機尾氣的暴露問題；且投資少，使用維護方便，使用地點不受環境和溫度的影響，在南方、北方及高原高寒地區均可使用。

［1］陸耀慶.實用供熱空調設計手冊［M］.北京：中國建筑工業出版社，2002.

［2］成大先.機械設計手冊［M］.北京：化學工業出版社，2000.

［3］商景泰.通風機手冊［M］.北京：機械工業出版社，1996.

［4］錢頌文.換熱器設計手冊［M］.北京：化學工業出版社，2006.