玻璃熔窯煙囪熱工計(jì)算

趙亮

（秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計(jì)院有限公司 秦皇島 066001）

0 引言

煙囪作為玻璃熔窯唯一的排煙設(shè)備，重要性是不言而喻的，其熱工設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。煙囪的熱工設(shè)計(jì)計(jì)算在文獻(xiàn)［1，2］已有論述。當(dāng)今出于對(duì)環(huán)境保護(hù)和節(jié)約能源兩方面問(wèn)題的考慮，自然排煙的熔窯幾乎沒(méi)有，煙氣一般要經(jīng)過(guò)余熱利用、除塵、脫硫和脫硝等處理工序后，才通過(guò)煙囪排出。經(jīng)過(guò)一系列處理后的煙氣的物理參數(shù)和特性發(fā)生了很大變化，因此對(duì)玻璃熔窯的煙囪熱工計(jì)算提出了新的要求。

1 煙囪出口內(nèi)徑

1.1 煙氣生成量

玻璃熔窯煙氣生成量包含兩部分，一是燃料燃燒，二是原料熔化。

以1 000 t/d級(jí)玻璃熔窯為例。燃料為石油焦，助燃介質(zhì)為空氣，單位時(shí)間熔化玻璃液量41 667 kg/h，熔化玻璃液耗熱量為5 650 kJ/kg，石油焦熱值36 000 kJ/kg，則單位時(shí)間燃料消耗量6 540 kg/h，石油焦燃燒理論煙氣生成量9.55 Nm3/kg。

由燃料燃燒產(chǎn)生的理論煙氣量：

由原料熔化產(chǎn)生的理論煙氣量：

式中：0.825——玻璃熔成率，無(wú)量綱；

22.4——?dú)怏w摩爾體積，L/mol；

44——CO2的摩爾質(zhì)量，g/mol。

則理論總煙氣生成量：

關(guān)于實(shí)際煙氣量的計(jì)算一直存在爭(zhēng)議，為了燃料的充分燃燒，在實(shí)際生產(chǎn)操作時(shí)，空燃比要比理論計(jì)算大的多，一般稱(chēng)之為空氣過(guò)剩系數(shù)，空氣過(guò)剩系數(shù)的選取與燃料類(lèi)型、噴槍的種類(lèi)及玻璃廠(chǎng)的操作習(xí)慣不同而變化，同時(shí)又由于每個(gè)熔窯蓄熱室和煙道漏風(fēng)量的差異，造成不同熔窯實(shí)際煙氣量與理論計(jì)算煙氣量相差較大。

為了更切合實(shí)際和統(tǒng)一，不再對(duì)空氣過(guò)剩系數(shù)和熔窯漏風(fēng)量單獨(dú)取值計(jì)算，把這兩個(gè)系數(shù)合二為一，統(tǒng)一為“理論煙氣增量系數(shù)g”，g系數(shù)的取值可以根據(jù)安裝在煙囪內(nèi)的煙氣分析儀測(cè)得的煙氣殘氧量來(lái)推算。從目前國(guó)內(nèi)外玻璃熔窯實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看，煙囪底部煙氣的殘氧量一般為6%～13%，在本計(jì)算中，取9%。

g系數(shù)的計(jì)算：

得出：g=1.75

則實(shí)際總煙氣量：

1.2 煙囪出口煙氣溫度

對(duì)于目前大多數(shù)正常運(yùn)行的玻璃熔窯來(lái)說(shuō)，煙氣的排放過(guò)程為：燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔猓ㄟ^(guò)小爐和蓄熱室的余熱回收，經(jīng)過(guò)煙道，在引風(fēng)機(jī)的機(jī)械牽引力作用下，通過(guò)高溫余熱利用段、脫硫脫硝、除塵及低溫余熱利用段等一系列煙氣處理程序后，到達(dá)煙囪根部，在煙囪的自然抽力作用下，由下而上流動(dòng)，最后從煙囪頂出口排出。煙氣的整個(gè)流動(dòng)過(guò)程是一個(gè)壓降和溫降的過(guò)程，是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)過(guò)程，整個(gè)過(guò)程的溫降計(jì)算是非常復(fù)雜和繁瑣的，因?yàn)樗c多種因素有關(guān)，如燃燒煙氣的起始溫度、蓄熱室的蓄熱能力及煙氣流速、煙道保溫情況等。為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，不對(duì)整個(gè)過(guò)程的溫降進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算。

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外玻璃熔窯的實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看，經(jīng)過(guò)上述一系列處理過(guò)程的流動(dòng)煙氣在到達(dá)煙囪頂出口時(shí)的溫度，一般為80～150 ℃。本文中選低值進(jìn)行計(jì)算，即煙囪出口煙氣溫度80 ℃。

1.3 煙囪出口煙氣流速

關(guān)于煙囪出口煙氣流速的取值更是爭(zhēng)議不斷。上世紀(jì)40年代，前蘇聯(lián)的金茲布爾格［3］提出，自然排煙的煙囪出口煙氣流速為4～6 m/s；上世紀(jì)50年代，德國(guó)著名窯爐熱工學(xué)者R·Günther［4］指出，煙囪出口煙氣流速與實(shí)際溫度有關(guān)，大致以煙囪高度（m）的10%來(lái)估算；但不能超過(guò)10 m/s；上世紀(jì)70年代，美國(guó)的F·V·托利［5］提出，對(duì)于自然抽力的煙囪，煙囪頂煙氣流速為1 000～3 500磅重/平方英尺/小時(shí)（相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1.4～4.7 Nm/s）；上世紀(jì)80年代，聯(lián)邦德國(guó)的玻璃窯爐熱工學(xué)者W·Trier［6］指出，煙囪出口的廢氣排出速度為10～15 m/s。

在確定煙囪出口煙氣流速之前，要先確定煙氣在煙囪內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，也就是說(shuō)煙氣到底是層流還是湍流。

根據(jù)雷諾準(zhǔn)數(shù)計(jì)算公式：

式中：Re——雷諾準(zhǔn)數(shù)，無(wú)量綱；

v ——煙氣流速，m/s；

d——管道內(nèi)徑，m；

v——?jiǎng)恿︷ざ?，m2/s。

當(dāng)Re≤2000時(shí)，煙氣為層流。即：

計(jì)算結(jié)果表明：對(duì)于煙囪出口直徑大到4 m、出口溫度低到80 ℃的煙氣來(lái)說(shuō)，流速小到0.01 m/s時(shí)，煙氣流動(dòng)才滿(mǎn)足層流狀態(tài)，這顯然是不可能的。換句話(huà)說(shuō)，煙氣在煙囪內(nèi)和出煙囪口時(shí)的流動(dòng)是湍流狀態(tài)。

煙氣在煙囪出口處以一個(gè)較高的速度排出是必要的，因?yàn)檫@樣可以減少外部環(huán)境水平橫向風(fēng)造成的向煙囪內(nèi)部倒風(fēng)的影響。以近年來(lái)全國(guó)氣象臺(tái)站地面觀(guān)測(cè)資料，全國(guó)陸地70 m高度層平均風(fēng)速均值約為5.5 m/s，那么，5.5 m/s應(yīng)該就是煙囪出口煙氣流速的一個(gè)理想最低標(biāo)準(zhǔn)值；同時(shí)，根據(jù)霍蘭德公式：

式中：DH——煙氣抬升高度，m；

v——煙氣出口速度，m/s；

d——煙囪出口內(nèi)徑，m；

Ts——煙氣溫度，K；

Ta——空氣溫度，K。

由式（2）可知，較高的煙氣排出速度對(duì)增大煙氣抬升高度及污染物的擴(kuò)散是有利的。

根據(jù)湍流圓管沿程阻力損失的計(jì)算公式：

煙囪抽力計(jì)算公式：

式中：hf——沿程阻力損失，m；

l——摩擦阻力系數(shù)，無(wú)量綱，取值為0.02；

l——煙氣流經(jīng)沿程距離，m；

v——煙氣流速，m/s；

d——煙囪內(nèi)徑，m；

g——重力加速度，m/s2；

tg——煙氣出口溫度，℃；

S——煙囪抽力，mm；

H——煙囪高度，m；

ra0——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣密度，kg/m3；

rg0——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下煙氣密度，kg/m3；

ta——空氣溫度，℃。

由式（3）和式（4）可知，當(dāng)煙氣流速過(guò)大，大到煙囪內(nèi)的沿程阻力損失與煙囪抽力相當(dāng)時(shí)，煙氣已無(wú)法上升，此時(shí)的速度應(yīng)該為煙氣最高流速。

煙囪出口煙氣溫度80 ℃，環(huán)境溫度20 ℃時(shí)，由式（3）和式（4）得到煙氣最高流速：

因此，煙囪出口煙氣流速為5.5～8.3 m/s都是合理的，考慮熔窯日后增產(chǎn)和后期窯爐老化的問(wèn)題，本文取值6 m/s。

1.4 煙囪出口內(nèi)徑

已知煙氣量、煙氣溫度、煙氣流速，可以計(jì)算出煙囪的出口內(nèi)徑：

式中：D——煙囪出口內(nèi)徑，m；

V0——實(shí)際總煙氣量，m3/h；

v——煙囪出口煙氣流速，m/s；

T0——煙囪出口煙氣溫度，℃。

得出：煙囪出口內(nèi)徑為D=3 m。

2 煙囪幾何高度

盡管對(duì)于目前帶有余熱利用、脫硫脫硝等煙氣處理設(shè)備的熔窯來(lái)說(shuō)，煙氣的流動(dòng)是以引風(fēng)機(jī)為機(jī)械牽引力的，但是在對(duì)煙囪高度進(jìn)行熱工設(shè)計(jì)時(shí)，依然要以煙囪自然抽力作用下的伯努利方程計(jì)算。這是為了保證在熔窯烤窯、投產(chǎn)初期及煙氣處理設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，熔窯依然能夠正常穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1 煙氣流程總阻力損失

煙氣流程總阻力損失主要來(lái)自?xún)刹糠?，一是局部阻力損失；二是沿程阻力損失。其計(jì)算步驟和過(guò)程在文獻(xiàn)［1，2］中已有詳細(xì)介紹，本文不再贅述，僅把計(jì)算結(jié)果寫(xiě)出：

2.2 煙囪幾何高度

自然排煙時(shí)煙囪出口煙氣溫度一般為300～350 ℃，在本次計(jì)算中，取低值300 ℃。當(dāng)?shù)乜諝鉁囟?0 ℃?？諝鈽?biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的密度1.293 kg/m3，煙氣標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度1.32 kg/m3，帶入式（6）：

式中：H——煙囪高度，m；

Sh——煙氣流程總阻力損失，Pa；

Ra0——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣密度，kg/m3；

Rg0——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下煙氣密度，kg/m3；

ta——空氣溫度，℃；t

g——煙氣溫度，℃。

得出：

煙囪幾何高度為90 m。

3 結(jié)語(yǔ)

煙囪是一項(xiàng)在長(zhǎng)期運(yùn)行期間維護(hù)工作極少的裝置，因此其熱工設(shè)計(jì)計(jì)算從開(kāi)始就需要準(zhǔn)確無(wú)誤。

對(duì)安裝有余熱利用、脫硫脫硝等煙氣處理工序的熔窯來(lái)說(shuō)，需要較高的煙氣排出速度才可以實(shí)現(xiàn)煙氣的合理排出。盡管引風(fēng)機(jī)的牽引力是煙氣流動(dòng)的主要?jiǎng)恿?，但煙囪的高度依然要滿(mǎn)足在單純依靠其自然抽力時(shí)的煙氣流動(dòng)。