鋼鐵廠解凍庫(kù)送排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)淺析

王波

摘 要：北方地區(qū)鋼鐵廠為保證冬季正常生產(chǎn)，需建設(shè)解凍庫(kù)對(duì)凍車(chē)解凍，以滿足卸車(chē)需要和生產(chǎn)需要。鋼鐵廠低于250℃的廢氣直接排放，原則上不計(jì)入余熱資源。為利用低溫工業(yè)廢氣中的低品位余熱，遵循節(jié)能環(huán)保、循環(huán)經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)理念，在首鋼京唐鋼鐵廠解凍庫(kù)設(shè)計(jì)中采用燒結(jié)環(huán)冷機(jī)二段180～210℃低溫廢氣作為熱源，為解凍庫(kù)設(shè)計(jì)機(jī)械送風(fēng)、自然排風(fēng)的送排風(fēng)系統(tǒng)，利用廢氣余熱解凍。本文就送排風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量確定、送排風(fēng)形式選擇、管道設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：低溫工業(yè)廢氣 送排風(fēng)系統(tǒng) 余熱解凍 節(jié)能環(huán)保

中圖分類(lèi)號(hào)：TU926 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）11（a）-0028-03

1 工程概況

1.1 建設(shè)規(guī)模

京唐解凍庫(kù)設(shè)2列庫(kù)，每列庫(kù)內(nèi)30個(gè)車(chē)位，同時(shí)解凍60個(gè)車(chē)位，庫(kù)本體占地432×13.2×6.5m（長(zhǎng)×寬×高），暖車(chē)時(shí)間4～7h。解凍期為冬季3個(gè)月（90d），連續(xù)工作制度，計(jì)2160h，日解凍能力10800t。

1.2 庫(kù)溫要求

鐵路局規(guī)定解凍內(nèi)平均溫度≤130℃，如果超溫，會(huì)損壞車(chē)輛上的軟管、制動(dòng)缸、油箱、軸承的潤(rùn)滑油或者引起煤炭自燃。根據(jù)對(duì)多家用戶(hù)調(diào)研情況看，能夠保證庫(kù)內(nèi)溫度在100±10℃范圍內(nèi)的解凍庫(kù)，就是好用、成功的解凍庫(kù)，因此庫(kù)溫設(shè)計(jì)值取100±10℃。

2 送排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 風(fēng)量選擇計(jì)算

根據(jù)調(diào)研解凍庫(kù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)及京唐地區(qū)的氣候條件，結(jié)合《焦化設(shè)計(jì)參考資料》中提出的解凍耗熱量經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)7500kcal/t煤，噸煤耗熱量指標(biāo)取6500kcal/t（折合27300kJ），每班解凍時(shí)間取6h，對(duì)應(yīng)凍煤3600t，送風(fēng)溫度取150℃，需要的廢氣量

（1）

式中，L—廢氣量（m3/h）；

C—150℃下的空氣比熱（kJ/kg·K），取1.03kJ/kg·K；

ρ—150℃下的空氣密度（kg/m3），取0.808kg/m3；

Q—每小時(shí)解凍所需的熱量（kJ/h），（27300/6=4550kJ/h）；

tj—送風(fēng)溫度（℃），取150℃；

tp—排風(fēng)溫度（℃），取90℃；

k—風(fēng)量富裕系數(shù)，取1.2。

經(jīng)計(jì)算，L=393636m3/h，取40×104m3/h。

2.2 引風(fēng)管道設(shè)計(jì)

（1）敷設(shè)方式及流速選擇。

廢氣引風(fēng)管道采用架空敷設(shè)，與廠區(qū)綜合管網(wǎng)綜合考慮。通過(guò)采用聚四氟乙烯滑動(dòng)托座和非金屬柔性補(bǔ)償器來(lái)降低管道熱位移對(duì)固定支架的推力。

參照采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范[1]中工業(yè)通風(fēng)主管道推薦風(fēng)速6～14m/s，但考慮到廢氣中含有少許粉塵，不同于一般的通風(fēng)系統(tǒng)，燒結(jié)粉塵在水平管段內(nèi)不沉積的最小風(fēng)速要求>15m/s，因此，將引風(fēng)管道內(nèi)的風(fēng)速確定為15.7m/s，管道直徑為D3000。壁厚選擇從跨度、腐蝕裕量、使用年限等因素綜合考慮，根據(jù)鋼鐵企業(yè)通風(fēng)管道選用規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)，管道壁厚取10mm。

（2）引風(fēng)管道補(bǔ)償。

每米管道熱伸長(zhǎng)量△l（mm）

△l=α·（t2-t1） （2）

式中，α—管道的線膨脹系數(shù)，0.012mm/（m·℃）；

t2為管內(nèi)介質(zhì)溫度，取210℃；

t1為管道安裝溫度，取-10℃。

經(jīng)計(jì)算，每米管道熱伸長(zhǎng)量△l=2.64mm。

（3）跨距確定及補(bǔ)償器設(shè)計(jì)。

經(jīng)計(jì)算，D3000×10管道最大跨度可達(dá)67m，但考慮到有壓縮空氣、氮?dú)?、蒸汽?根外線管道與之共架，跨度應(yīng)從滿足各個(gè)管道跨度要求、節(jié)省土建投資、選擇合適補(bǔ)償量的補(bǔ)償器的角度綜合確定。因此，本設(shè)計(jì)管道主支架跨度選定為30m/個(gè)。根據(jù)對(duì)單位管道熱伸長(zhǎng)量的計(jì)算，兩個(gè)支架之間的管道熱伸長(zhǎng)量為79.2mm，選擇非金屬柔性補(bǔ)償器，軸向補(bǔ)償量為±100mm，管道跨度及補(bǔ)償器布置形式如圖1所示。

2.3 氣流組織

庫(kù)內(nèi)采用底部雙側(cè)送風(fēng)、屋面正壓自然排風(fēng)的送排風(fēng)形式。

（1）送風(fēng)管道設(shè)計(jì)。

庫(kù)本體送風(fēng)管道主要技術(shù)技術(shù)參數(shù)如下：

主管送風(fēng)速度：14m/s；

支管送風(fēng)速度：7m/s；

送風(fēng)口布置2m/個(gè)，單個(gè)風(fēng)口送風(fēng)量480m3/h，送風(fēng)口風(fēng)速1.9m/s，避免熱風(fēng)直接噴向軸承，風(fēng)口與水平面成30°夾角噴向火車(chē)箱體壁板，形成氣流擾動(dòng)并沿壁板上升，使庫(kù)溫均勻。

送風(fēng)系統(tǒng)主要由屋面集中送風(fēng)管道、靜壓箱及庫(kù)內(nèi)送風(fēng)支管三部分組成，管道布置形式如圖2所示。

（2）均勻送風(fēng)調(diào)節(jié)措施。

送風(fēng)系統(tǒng)通過(guò)主管集中，支管分散的方式基本確保了長(zhǎng)度方向各個(gè)區(qū)域的送風(fēng)均勻，為更好地保證每個(gè)送風(fēng)口的風(fēng)量基本相當(dāng)，設(shè)計(jì)中考慮在每個(gè)風(fēng)口前端配簡(jiǎn)易風(fēng)量調(diào)節(jié)插板。在通風(fēng)系統(tǒng)正式投運(yùn)前，對(duì)送風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量進(jìn)行平衡調(diào)試，通過(guò)測(cè)定送風(fēng)口出風(fēng)速度，調(diào)整插板開(kāi)度，對(duì)各個(gè)送風(fēng)口的送風(fēng)量進(jìn)行平衡，確保送風(fēng)均勻。原則上插板開(kāi)度一次調(diào)整完畢，后續(xù)不需要再進(jìn)行調(diào)整。

（3）排風(fēng)管道設(shè)計(jì)。

為防止大門(mén)縫隙處有室外冷空氣進(jìn)入庫(kù)內(nèi)，庫(kù)內(nèi)的正壓度參照方言樓梯間正壓度的取值范圍，解凍庫(kù)內(nèi)的正壓值按照50Pa設(shè)計(jì)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，每列庫(kù)設(shè)7根D1200自然排氣管道，分散布置，頂部安裝防雨用自然風(fēng)帽，排氣管道布置形式如圖3所示。

當(dāng)手動(dòng)蝶閥全開(kāi)時(shí)，對(duì)庫(kù)內(nèi)的正壓值P校核計(jì)算如下：

P=排氣管道處壓力損失（Ps）+排風(fēng)動(dòng)壓 （Pd）

Pd=v2·ρ （3）

Ps=Rm·l+Pz （4）endprint

Pz=ε·Pd （5）

式中，Rm—單位摩擦阻力（Pa/m），查自《鋼鐵企業(yè)采暖通風(fēng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》P704并進(jìn)行密度修正，0.267Pa/m；

l—風(fēng)管長(zhǎng)度（m）；v為管內(nèi)流速（m/s）；

ρ—廢氣密度（kg/m3）；

ε—局部阻力系數(shù)。（蝶閥全開(kāi)時(shí)取0.2，圓傘形風(fēng)帽取0.75）

經(jīng)計(jì)算，Pd=23.1Pa；Ps=22.7Pa；

P=Pd+Ps=45.8Pa。

通過(guò)校核計(jì)算看出，選擇自然排風(fēng)管道的管徑D1200滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際運(yùn)行中可以通過(guò)調(diào)節(jié)排氣管道上手動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥的開(kāi)度，對(duì)庫(kù)內(nèi)的正壓值進(jìn)行調(diào)整，原則上一次調(diào)整完畢后不用再調(diào)。

（4）庫(kù)內(nèi)溫度調(diào)節(jié)。

為保證送風(fēng)溫度<150℃，在引風(fēng)機(jī)入口設(shè)有兌冷風(fēng)電動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥，與風(fēng)機(jī)入口前管道上溫度檢測(cè)聯(lián)鎖，超溫開(kāi)啟，兌入冷風(fēng)。從系統(tǒng)投運(yùn)后反饋回來(lái)的信息，在解凍初期和末期（非最冷時(shí)期），兌冷風(fēng)閥門(mén)開(kāi)啟的頻率較高，說(shuō)明兌冷風(fēng)系統(tǒng)是必要的。

3 引風(fēng)機(jī)選擇與設(shè)計(jì)

3.1 風(fēng)機(jī)風(fēng)量和全壓選擇

通風(fēng)系統(tǒng)阻力損失由四部分組成，分別為環(huán)冷機(jī)煙罩處阻力損失、廢氣引風(fēng)管道阻力損失、庫(kù)本體送風(fēng)管道阻力損失及屋面自然排氣管道的阻力損失。經(jīng)計(jì)算系統(tǒng)總阻力損失為4830Pa，考慮20%的富裕系數(shù)，因此，風(fēng)機(jī)全壓選定為5800Pa（150℃）。

3.2 配電機(jī)功率計(jì)算

電機(jī)功率N（kW）

（6）

式中，Qf—風(fēng)量；（m3/h）；

Pf—風(fēng)機(jī)全壓；（Pa）；

k—容量安全系數(shù)，取1.3；

η—風(fēng)機(jī)效率，按有關(guān)風(fēng)機(jī)樣本選取，取0.82；

ηst—機(jī)械傳動(dòng)效率，聯(lián)軸器傳動(dòng)，取0.98；

經(jīng)計(jì)算，N=1043kW，因此選擇1250kW的高壓電機(jī)，防護(hù)等級(jí)IP44。

3.3 風(fēng)機(jī)選型與布置

根據(jù)上述技術(shù)參數(shù)，經(jīng)風(fēng)機(jī)廠選型如下：

雙吸雙支撐離心引風(fēng)機(jī)1臺(tái)（葉輪作耐磨處理）

型號(hào)：Y6-2X29No31.5F；

轉(zhuǎn)速：740r/min；

配一體式風(fēng)機(jī)入口閥電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

配電機(jī)：YKK8P/1250kW/10kV/IP44/F；

風(fēng)機(jī)本體耐溫：250℃；

風(fēng)機(jī)軸承選用自潤(rùn)滑式滑動(dòng)軸承，循環(huán)水冷卻；

電機(jī)軸承為滾動(dòng)軸承，風(fēng)冷式。

平衡標(biāo)準(zhǔn)：按JB/T9101-1999標(biāo)準(zhǔn)考核，等級(jí)≥G5.6。

風(fēng)機(jī)布置在風(fēng)機(jī)房?jī)?nèi)，為方便風(fēng)機(jī)安裝和檢修，根據(jù)風(fēng)機(jī)分體最大件重量（葉輪），選擇1臺(tái)20t的雙梁橋式起重機(jī)1臺(tái)。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）以保障庫(kù)內(nèi)溫度均勻穩(wěn)定為設(shè)計(jì)核心是正確的，送排風(fēng)系統(tǒng)由暖通專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)庫(kù)溫均勻、穩(wěn)定提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

（2）本工程通風(fēng)系統(tǒng)采用主管集中、支管分散+正壓自然排風(fēng)的送排風(fēng)方式，經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行的檢驗(yàn)，系統(tǒng)是合理的。

（3）低溫廢氣余熱利用，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益明顯，鋼鐵廠內(nèi)低溫廢氣種類(lèi)多、量大，在同類(lèi)工程中值得優(yōu)先選擇并大力推廣。

（4）暖通專(zhuān)業(yè)人員應(yīng)積極關(guān)注余熱資源，合理開(kāi)發(fā)利用。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB50019-2003采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

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[3] 施振球.動(dòng)力管道手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.endprint