冶煉煙氣制酸系統安全水封的設計計算探討

張偉偉

（中國恩菲工程技術有限公司，北京 100038）

冶煉煙氣制酸系統主要包括凈化、轉化、干吸等工序，其中凈化工序內的介質為濕煙氣和稀酸，腐蝕性較強。玻璃鋼因其耐腐蝕性能好、造價低廉，成為凈化工序設備的首選材質。凈化工序通常在負壓下操作，而玻璃鋼設備承受負壓有限，一旦系統負壓超出設備設計值，就會造成設備損壞。為避免此類事故發生，凈化工序煙氣出口通常設置安全水封，在凈化工序的負壓超出設定值時，通過安全水封可以及時向系統補入空氣，破除凈化工序的高負壓，從而有效地保護設備。

安全水封尺寸雖小，但卻是冶煉煙氣制酸系統必不可少的安全設施。經過多年的發展，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、作用機理以及關鍵尺寸的設計計算。

1 安全水封的結構

安全水封的結構如圖1所示，主要由內層、中層、外層共3層圓筒以及底部的U形管構成。其中，內層圓筒和U形管為破真空時水流出的通道，中間層圓筒為抽氣筒，外層圓筒為水加入的通道。

2 安全水封的作用過程和作用機理

圖1 安全水封構造

安全水封是利用U形連通器的原理發展起來用以保護凈化工序設備的安全設施。安全水封兼具液封和破真空2種功能，在制酸系統正常運行時，可以起到液封的作用，保證凈化工序必要的真空度；在生產線波動，凈化工序負壓升高時，可以起到破真空的作用，避免玻璃鋼設備損壞。

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）為正常運行條件下的狀態，安全水封內部與煙氣系統連通，處于負壓狀態，外部與大氣連通，在內外壓差的作用下，內側的液柱高度高于外側的液柱高度，此狀態為穩定狀態，液柱高度不發生變化。盡管如此，安全水封在整個生產過程中仍需持續不斷地補充新鮮水，以避免煙氣系統突然破真空而沒有及時補充液封水，多余的水通過溢流口流出安全水封。（B）為系統負壓突然升高情況下的狀態，安全水封外側的液柱快速向內側流動并越過內層圓筒的最高處進入內層圓筒內，再通過底部的U形彎管流出。此狀態持續時間很短而且變化迅速，安全水封內的所有水會瞬間被抽干并進入（C）所示的狀態。（C）為安全水封內的水被完全抽干的狀態。在此狀態下，空氣通過安全水封進入煙氣系統，從而使系統的負壓降低。待整個制酸系統所有設備都恢復到正常運行狀態，煙氣系統的負壓恢復到正常操作值，安全水封重新恢復到（A）狀態。

3 安全水封的設備計算

安全水封的關鍵尺寸如圖1所示，其中：

D1——中間層圓筒直徑，mm；

D2——內層圓筒直徑，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，制酸系統設計壓力為-15 kPa為例進行計算。

3.1 中間層圓筒直徑D1計算

圖1所示的安全水封結構中，D1等于安全水封的抽氣管直徑，一般設計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 內層圓筒直徑D2計算

內層圓筒為破真空情況下水流出的通道，為了保證在負壓作用下水能夠順利地從內層圓筒流出，內層圓筒的截面積應大于中間層圓筒與內層圓筒之間圓環的截面積，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多，在煙氣系統負壓升高時，無法快速破除系統負壓，不能有效保護設備。因此，安全水封的持液量不宜過多，考慮到設備制造的方便，可取內外兩層圓環之間的間距相等，即D3-D1=D1-D2。由此可得：D3=1 000 mm。

3.4 最大液封高度H1計算

最大液封高度是安全水封非常重要的參數，直接決定了凈化工序的最大操作壓力。H1的取值應使安全水封既能在煙氣系統負壓超過允許值時及時降低負壓，保護凈化工序設備，又能在系統正常運行情況下起到液封的作用，保證系統正常的操作負壓。文中制酸系統設計負壓為-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。

3.5 U形管高度H2計算

U形管僅在系統運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的壓強應大于等于系統的最大操作負壓，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計算

制酸系統正常運行過程中，安全水封需連續不斷地補水，以避免系統突然破真空而沒有及時補充液封水。生產過程中多余的水通過溢流口流出進行回收，在此情況下，安全水封內、外液柱的高度差所對應的壓強應大于系統的正常操作壓力，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]到設備制造的方便，同時使系統具有較大的操作彈性，取H3=400 mm。

4 結語

安全水封利用U形連通器的原理，可起到液封和降低系統負壓的雙重作用，是冶煉煙氣制酸系統中必不可少的安全設施，設計中某個尺寸過大或過小都會影響整個系統的安全，甚至導致主體設備的損壞。根據文中所列舉的煙氣條件，計算得到安全水封的關鍵參數為：中間層圓筒直徑D1=800 mm，內層圓筒直徑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。