指挥防护工程柴油发电站尾气处理装置的研究

2014-03-26李玉华

机电工程技术 2014年4期

吴萍，李玉华

（合肥通用机械研究院，安徽合肥 230088）

0 引言

指挥防护工程是国家安全的重要基础设施，是战略战役的指挥中枢，也是战争中的首选打击目标。因此，做好指挥防护工程的隐蔽和伪装尤为重要。柴油发电机作为战时的备用电源，其排放的高温浓烟暴露征候明显，需经处理后排放才能符合工程伪装的要求。本文对柴油发电站尾气处理装置的关键技术方案的确定、工作原理及自动控制系统作介绍，并通过相关试验验证装置对烟气的处理效果。

1 项目主要研究内容

该项目主要是针对指挥防护工程发电站柴油机排出的高温浓烟，研制出柴油机尾气消烟降温处理装置。柴油机尾气经该装置处理后，出口无可视烟雾，排气温度与室外环境温度保持动态一致，从而使指挥防护工程电站达到伪装、隐蔽、安全运行的目标。

1.1 装置主要技术指标

（1）烟气处理量：根据具体的柴油机型号确定；

（2）烟气排放温度：将柴油机的高温尾气降至与环境温差≤20℃；

（3）烟气排放烟度:≤1波许；

（4）装置表面温度:＜50℃；

（5）装置的尺寸和体积要尽量小，适用于电站狭小的空间，安装、维护方便。

1.2 主要技术方案的确定

1.2.1 冷却方案的确定

首先对柴油机排放烟气冷却的技术方案进行了分析对比。常用的冷却方法有水冷、风冷和机械制冷等方法。机械制冷工艺复杂，要消耗大量电力，无疑是不合适的，不宜采用。关于水冷和风冷方式具体又可分为5种方案。

（1）表面换热器水冷方案

原理：热空气通过换热器时，将热量传递给管内流动的水，实现气体和水的热交换。这是常用的冷却空气的方法之一，技术成熟，换热效果可靠。但是，换热器出口的温度最多只能降到接近冷却水的温度（一般在15℃左右），该排气温度在春季、夏季和秋季可以满足与环境温差小于20℃的要求，但在冬季室外温度较低，尤其是在北方使用时，就很难达到设计要求。

结论：尽管表面式水冷换热器换热效果可靠，但是单靠这一种办法还达不到设计要求。

（2）水喷淋或暴气水冷方案

原理：通过喷嘴将水雾化后直接与废烟气接触或将废烟气排至水池内暴气，进行热质交换。

结论：此法在降温的同时，还可以去除尾气中的部分有害物质，但用水量大，占用空间大，且在寒冷地区使用时会结冻，不宜在防护指挥工程发电站中使用。

（3）热管式换热器风冷方案

原理：热气体通过热管换热器时，热量传递给管内的媒体，媒体将热量带到另一端，再传送给柴油机进气的新风，实现柴油机排气和进风的热交换。因为经过两次传热，传热效率低于表面式热交换器。

结论：此法优点是不需要水源，但工艺复杂，造价偏高，不宜使用。

（4）大风量混合风冷方案

原理：利用环境温度和烟气的温差，通过大量新风与热风混合后达到降温的目的。特点是此方法可以实现排烟温度与环境温度协调一致，无论夏季还是冬季，只要给予一定比例的新风混合，都能使排烟温度与环境气温保持相对稳定的温差。但所需新风量太大。以新风量升温20℃，废气降温500℃计算，混合比超过25倍。

结论：设备体积大，动力消耗大，保障困难，不宜单独使用。

（5）表面式换热器水冷+新风混合冷却方案

原理：通过表面式换热器的换热，把高温烟气从500℃冷却到40℃左右，预计有95%以上的热量被水带走，然后再用新风混合进一步冷却降温，使烟气排放温度达到规定的要求。

结论：冷却效果确定，可靠，此方案克服了水冷或风冷单独使用的缺点，综合发挥了各自的优点，可以实现大幅降温和烟气排放温度随四季和昼夜气温变化而实时调节，满足战技指标的要求，该冷却方案可以采用。

确定了“表面式换热器水冷+新风混合”的方案后，需对关键冷却设备表面式换热器的结构形式进行设计计算。由于烟气温度较高，通常采用的翅片式换热器虽然传热效果好，但不耐高温，适应高温使用的翅片式换热器的换热元件较贵，而且风阻较大；椭圆光管耐高温，但换热效果差，无法在小空间完成高温烟气所携带的大量热负荷的交换。因此，在换热器设计时，结合两种换热器的优缺点，将换热器分为两级，第一级采用耐腐蚀的不锈钢椭圆光管为换热元件，将温度降到300℃左右，第二级采用耐腐蚀的椭圆翅片管换热器，将温度降到30℃左右。

1.2.2 净化方案的确定

本项目净化的目的是消除可视烟雾，使排放烟气的烟度值降到1波许以下，不考虑有害气体的净化。从一般净化技术角度看，可以去除柴油机碳烟颗粒的方法有以下几种。

（1）静电除尘

原理：在气体通道中，密布电极板，在高压电的作用下，极板之间形成电场。气流中的固体和液体颗粒通过电场时被电离，形成带电粒子，在电场力的作用下被极板吸附。

结论：静电除尘器可以耐较高的温度。但是，对于细微的烟尘，电场力较小，除尘效果差，且需专业人员维护，本项目不宜采用。

（2）陶瓷过滤器

原理：工业多孔陶瓷过滤器以刚玉砂、碳化硅、堇青石等优质原料为主料、经过成型和高温烧结而成。其结构内部均匀分布有大量开口气孔，具有微孔孔径易于控制、孔隙率高、孔径均匀等特点。

结论：该过滤元件过滤阻力小、渗透性好、耐高温、耐高压、机械强度高、再生简单使用寿命长。但体积大、净化效率不够高，无法消除柴油机出口的可视烟雾，不宜采用。

（3）纤维过滤器净化

原理：过滤器由纤维性过滤材料制成，当灰尘通过时，在啮合效应和惯性的作用下，灰尘被截留，净化后的烟气顺利排出。

结论：纤维过滤器净化效率高，可以过滤烟气中的微小颗粒，使烟气排放口无可视烟雾，且技术成熟，维护简单，运行成本低，可靠性高。

2 工作原理

2.1 装置组成

柴油机尾气处理装置是由通风换热机组和控制系统两大部分组成的。通风换热机组主要包括换热器水冷系统、过滤器除尘净化系统、风阀新风掺冷系统和风机排风系统；控制系统主要包括控制箱、触摸显示屏、温度传感器、压差传感器和变频器等。

2.2 工作原理

柴油机尾气处理装置的工作原理为：柴油发电机组排放的高温烟气经过耐高温初效过滤器过滤掉大颗粒的灰尘后，进入换热器，经换热器水冷降温，再经过换热器后的组合纤维过滤器进一步净化；自动控制装置通过温度传感器监测换热器后的排风温度与环境的温差，如与环境温差大于20℃，电动风阀开启引入新风进一步降温；如与环境温差小于20℃，电动风阀关闭。自动控制系统根据新风阀的开度将信号传输至变频器，再通过变频器来调节风机风量，从而使排放到大气中的烟气达到安全排放的标准，符合伪装的要求。