玻璃熔窑烟囱热工计算

赵亮

（秦皇岛玻璃工业研究设计院有限公司 秦皇岛 066001）

0 引言

烟囱作为玻璃熔窑唯一的排烟设备，重要性是不言而喻的，其热工设计尤为关键。烟囱的热工设计计算在文献［1，2］已有论述。当今出于对环境保护和节约能源两方面问题的考虑，自然排烟的熔窑几乎没有，烟气一般要经过余热利用、除尘、脱硫和脱硝等处理工序后，才通过烟囱排出。经过一系列处理后的烟气的物理参数和特性发生了很大变化，因此对玻璃熔窑的烟囱热工计算提出了新的要求。

1 烟囱出口内径

1.1 烟气生成量

玻璃熔窑烟气生成量包含两部分，一是燃料燃烧，二是原料熔化。

以1 000 t/d级玻璃熔窑为例。燃料为石油焦，助燃介质为空气，单位时间熔化玻璃液量41 667 kg/h，熔化玻璃液耗热量为5 650 kJ/kg，石油焦热值36 000 kJ/kg，则单位时间燃料消耗量6 540 kg/h，石油焦燃烧理论烟气生成量9.55 Nm3/kg。

由燃料燃烧产生的理论烟气量：

由原料熔化产生的理论烟气量：

式中：0.825——玻璃熔成率，无量纲；

22.4——气体摩尔体积，L/mol；

44——CO2的摩尔质量，g/mol。

则理论总烟气生成量：

关于实际烟气量的计算一直存在争议，为了燃料的充分燃烧，在实际生产操作时，空燃比要比理论计算大的多，一般称之为空气过剩系数，空气过剩系数的选取与燃料类型、喷枪的种类及玻璃厂的操作习惯不同而变化，同时又由于每个熔窑蓄热室和烟道漏风量的差异，造成不同熔窑实际烟气量与理论计算烟气量相差较大。

为了更切合实际和统一，不再对空气过剩系数和熔窑漏风量单独取值计算，把这两个系数合二为一，统一为“理论烟气增量系数g”，g系数的取值可以根据安装在烟囱内的烟气分析仪测得的烟气残氧量来推算。从目前国内外玻璃熔窑实际运行情况来看，烟囱底部烟气的残氧量一般为6%～13%，在本计算中，取9%。

g系数的计算：

得出：g=1.75

则实际总烟气量：

1.2 烟囱出口烟气温度

对于目前大多数正常运行的玻璃熔窑来说，烟气的排放过程为：燃烧产生的高温烟气，通过小炉和蓄热室的余热回收，经过烟道，在引风机的机械牵引力作用下，通过高温余热利用段、脱硫脱硝、除尘及低温余热利用段等一系列烟气处理程序后，到达烟囱根部，在烟囱的自然抽力作用下，由下而上流动，最后从烟囱顶出口排出。烟气的整个流动过程是一个压降和温降的过程，是一个复杂的动力学和热力学过程，整个过程的温降计算是非常复杂和繁琐的，因为它与多种因素有关，如燃烧烟气的起始温度、蓄热室的蓄热能力及烟气流速、烟道保温情况等。为了简便起见，不对整个过程的温降进行推导计算。

根据目前国内外玻璃熔窑的实际运行情况来看，经过上述一系列处理过程的流动烟气在到达烟囱顶出口时的温度，一般为80～150 ℃。本文中选低值进行计算，即烟囱出口烟气温度80 ℃。

1.3 烟囱出口烟气流速

关于烟囱出口烟气流速的取值更是争议不断。上世纪40年代，前苏联的金兹布尔格［3］提出，自然排烟的烟囱出口烟气流速为4～6 m/s；上世纪50年代，德国著名窑炉热工学者R·Günther［4］指出，烟囱出口烟气流速与实际温度有关，大致以烟囱高度（m）的10%来估算；但不能超过10 m/s；上世纪70年代，美国的F·V·托利［5］提出，对于自然抽力的烟囱，烟囱顶烟气流速为1 000～3 500磅重/平方英尺/小时（相当于标准状态下1.4～4.7 Nm/s）；上世纪80年代，联邦德国的玻璃窑炉热工学者W·Trier［6］指出，烟囱出口的废气排出速度为10～15 m/s。

在确定烟囱出口烟气流速之前，要先确定烟气在烟囱内的流动状态，也就是说烟气到底是层流还是湍流。

根据雷诺准数计算公式：

式中：Re——雷诺准数，无量纲；

v ——烟气流速，m/s；

d——管道内径，m；

v——动力黏度，m2/s。

当Re≤2000时，烟气为层流。即：

计算结果表明：对于烟囱出口直径大到4 m、出口温度低到80 ℃的烟气来说，流速小到0.01 m/s时，烟气流动才满足层流状态，这显然是不可能的。换句话说，烟气在烟囱内和出烟囱口时的流动是湍流状态。

烟气在烟囱出口处以一个较高的速度排出是必要的，因为这样可以减少外部环境水平横向风造成的向烟囱内部倒风的影响。以近年来全国气象台站地面观测资料，全国陆地70 m高度层平均风速均值约为5.5 m/s，那么，5.5 m/s应该就是烟囱出口烟气流速的一个理想最低标准值；同时，根据霍兰德公式：

式中：DH——烟气抬升高度，m；

v——烟气出口速度，m/s；

d——烟囱出口内径，m；

Ts——烟气温度，K；

Ta——空气温度，K。

由式（2）可知，较高的烟气排出速度对增大烟气抬升高度及污染物的扩散是有利的。

根据湍流圆管沿程阻力损失的计算公式：

烟囱抽力计算公式：

式中：hf——沿程阻力损失，m；

l——摩擦阻力系数，无量纲，取值为0.02；

l——烟气流经沿程距离，m；

v——烟气流速，m/s；

d——烟囱内径，m；

g——重力加速度，m/s2；

tg——烟气出口温度，℃；

S——烟囱抽力，mm；

H——烟囱高度，m；

ra0——标准状态下空气密度，kg/m3；

rg0——标准状态下烟气密度，kg/m3；

ta——空气温度，℃。

由式（3）和式（4）可知，当烟气流速过大，大到烟囱内的沿程阻力损失与烟囱抽力相当时，烟气已无法上升，此时的速度应该为烟气最高流速。

烟囱出口烟气温度80 ℃，环境温度20 ℃时，由式（3）和式（4）得到烟气最高流速：

因此，烟囱出口烟气流速为5.5～8.3 m/s都是合理的，考虑熔窑日后增产和后期窑炉老化的问题，本文取值6 m/s。

1.4 烟囱出口内径

已知烟气量、烟气温度、烟气流速，可以计算出烟囱的出口内径：

式中：D——烟囱出口内径，m；

V0——实际总烟气量，m3/h；

v——烟囱出口烟气流速，m/s；

T0——烟囱出口烟气温度，℃。

得出：烟囱出口内径为D=3 m。

2 烟囱几何高度

尽管对于目前带有余热利用、脱硫脱硝等烟气处理设备的熔窑来说，烟气的流动是以引风机为机械牵引力的，但是在对烟囱高度进行热工设计时，依然要以烟囱自然抽力作用下的伯努利方程计算。这是为了保证在熔窑烤窑、投产初期及烟气处理设备发生故障时，熔窑依然能够正常稳定运行。

2.1 烟气流程总阻力损失

烟气流程总阻力损失主要来自两部分，一是局部阻力损失；二是沿程阻力损失。其计算步骤和过程在文献［1，2］中已有详细介绍，本文不再赘述，仅把计算结果写出：

2.2 烟囱几何高度

自然排烟时烟囱出口烟气温度一般为300～350 ℃，在本次计算中，取低值300 ℃。当地空气温度20 ℃。空气标准状态的密度1.293 kg/m3，烟气标准状态下的密度1.32 kg/m3，带入式（6）：

式中：H——烟囱高度，m；

Sh——烟气流程总阻力损失，Pa；

Ra0——标准状态下空气密度，kg/m3；

Rg0——标准状态下烟气密度，kg/m3；

ta——空气温度，℃；t

g——烟气温度，℃。

得出：

烟囱几何高度为90 m。

3 结语

烟囱是一项在长期运行期间维护工作极少的装置，因此其热工设计计算从开始就需要准确无误。

对安装有余热利用、脱硫脱硝等烟气处理工序的熔窑来说，需要较高的烟气排出速度才可以实现烟气的合理排出。尽管引风机的牵引力是烟气流动的主要动力，但烟囱的高度依然要满足在单纯依靠其自然抽力时的烟气流动。