趙亮

（秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計院有限公司 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)計尤為關(guān)鍵。煙囪的熱工設(shè)計計算在文獻［1，2］已有論述。當今出于對環(huán)境保護和節(jié)約能源兩方面問題的考慮，自然排煙的熔窯幾乎沒有，煙氣一般要經(jīng)過余熱利用、除塵、脫硫和脫硝等處理工序后，才通過煙囪排出。經(jīng)過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，因此對玻璃熔窯的煙囪熱工計算提出了新的要求。

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級玻璃熔窯為例。燃料為石油焦，助燃介質(zhì)為空氣，單位時間熔化玻璃液量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，無量綱；

22.4——氣體摩爾體積，L/mol；

44——CO2的摩爾質(zhì)量，g/mol。

則理論總煙氣生成量：

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

為了更切合實際和統(tǒng)一，不再對空氣過剩系數(shù)和熔窯漏風量單獨取值計算，把這兩個系數(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)的煙氣分析儀測得的煙氣殘氧量來推算。從目前國內(nèi)外玻璃熔窯實際運行情況來看，煙囪底部煙氣的殘氧量一般為6%～13%，在本計算中，取9%。

g系數(shù)的計算：

得出：g=1.75

則實際總煙氣量：

1.2 煙囪出口煙氣溫度

對于目前大多數(shù)正常運行的玻璃熔窯來說，煙氣的排放過程為：燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣，通過小爐和蓄熱室的余熱回收，經(jīng)過煙道，在引風機的機械牽引力作用下，通過高溫余熱利用段、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，到達煙囪根部，在煙囪的自然抽力作用下，由下而上流動，最后從煙囪頂出口排出。煙氣的整個流動過程是一個壓降和溫降的過程，是一個復(fù)雜的動力學和熱力學過程，整個過程的溫降計算是非常復(fù)雜和繁瑣的，因為它與多種因素有關(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。為了簡便起見，不對整個過程的溫降進行推導計算。

根據(jù)目前國內(nèi)外玻璃熔窯的實際運行情況來看，經(jīng)過上述一系列處理過程的流動煙氣在到達煙囪頂出口時的溫度，一般為80～150 ℃。本文中選低值進行計算，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議不斷。上世紀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50年代，德國著名窯爐熱工學者R·Günther［4］指出，煙囪出口煙氣流速與實際溫度有關(guān)，大致以煙囪高度（m）的10%來估算；但不能超過10 m/s；上世紀70年代，美國的F·V·托利［5］提出，對于自然抽力的煙囪，煙囪頂煙氣流速為1 000～3 500磅重/平方英尺/小時（相當于標準狀態(tài)下1.4～4.7 Nm/s）；上世紀80年代，聯(lián)邦德國的玻璃窯爐熱工學者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)的流動狀態(tài)，也就是說煙氣到底是層流還是湍流。

根據(jù)雷諾準數(shù)計算公式：

式中：Re——雷諾準數(shù)，無量綱；

v ——煙氣流速，m/s；

d——管道內(nèi)徑，m；

v——動力黏度，m2/s。

當Re≤2000時，煙氣為層流。即：

計算結(jié)果表明：對于煙囪出口直徑大到4 m、出口溫度低到80 ℃的煙氣來說，流速小到0.01 m/s時，煙氣流動才滿足層流狀態(tài)，這顯然是不可能的。換句話說，煙氣在煙囪內(nèi)和出煙囪口時的流動是湍流狀態(tài)。

煙氣在煙囪出口處以一個較高的速度排出是必要的，因為這樣可以減少外部環(huán)境水平橫向風造成的向煙囪內(nèi)部倒風的影響。以近年來全國氣象臺站地面觀測資料，全國陸地70 m高度層平均風速均值約為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理想最低標準值；同時，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增大煙氣抬升高度及污染物的擴散是有利的。

根據(jù)湍流圓管沿程阻力損失的計算公式：

煙囪抽力計算公式：

式中：hf——沿程阻力損失，m；

l——摩擦阻力系數(shù)，無量綱，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——標準狀態(tài)下空氣密度，kg/m3；

rg0——標準狀態(tài)下煙氣密度，kg/m3；

ta——空氣溫度，℃。

由式（3）和式（4）可知，當煙氣流速過大，大到煙囪內(nèi)的沿程阻力損失與煙囪抽力相當時，煙氣已無法上升，此時的速度應(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，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，可以計算出煙囪的出口內(nèi)徑：

式中：D——煙囪出口內(nèi)徑，m；

V0——實際總煙氣量，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)備的熔窯來說，煙氣的流動是以引風機為機械牽引力的，但是在對煙囪高度進行熱工設(shè)計時，依然要以煙囪自然抽力作用下的伯努利方程計算。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，熔窯依然能夠正常穩(wěn)定運行。

2.1 煙氣流程總阻力損失

煙氣流程總阻力損失主要來自兩部分，一是局部阻力損失；二是沿程阻力損失。其計算步驟和過程在文獻［1，2］中已有詳細介紹，本文不再贅述，僅把計算結(jié)果寫出：

2.2 煙囪幾何高度

自然排煙時煙囪出口煙氣溫度一般為300～350 ℃，在本次計算中，取低值300 ℃。當?shù)乜諝鉁囟?0 ℃?？諝鈽藴薁顟B(tài)的密度1.293 kg/m3，煙氣標準狀態(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——標準狀態(tài)下空氣密度，kg/m3；

Rg0——標準狀態(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

煙囪是一項在長期運行期間維護工作極少的裝置，因此其熱工設(shè)計計算從開始就需要準確無誤。

對安裝有余熱利用、脫硫脫硝等煙氣處理工序的熔窯來說，需要較高的煙氣排出速度才可以實現(xiàn)煙氣的合理排出。盡管引風機的牽引力是煙氣流動的主要動力，但煙囪的高度依然要滿足在單純依靠其自然抽力時的煙氣流動。