张伟伟

（中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038）

冶炼烟气制酸系统主要包括净化、转化、干吸等工序，其中净化工序内的介质为湿烟气和稀酸，腐蚀性较强。玻璃钢因其耐腐蚀性能好、造价低廉，成为净化工序设备的首选材质。净化工序通常在负压下操作，而玻璃钢设备承受负压有限，一旦系统负压超出设备设计值，就会造成设备损坏。为避免此类事故发生，净化工序烟气出口通常设置安全水封，在净化工序的负压超出设定值时，通过安全水封可以及时向系统补入空气，破除净化工序的高负压，从而有效地保护设备。

安全水封尺寸虽小，但却是冶炼烟气制酸系统必不可少的安全设施。经过多年的发展，安全水封形成了多种形式，常用的有简易安全水封、带U形管的安全水封和双水封槽安全水封。各种形式的安全水封原理基本相同，笔者以最常用的带U形管的安全水封为例探讨安全水封的作用过程、作用机理以及关键尺寸的设计计算。

1 安全水封的结构

安全水封的结构如图1所示，主要由内层、中层、外层共3层圆筒以及底部的U形管构成。其中，内层圆筒和U形管为破真空时水流出的通道，中间层圆筒为抽气筒，外层圆筒为水加入的通道。

2 安全水封的作用过程和作用机理

图1 安全水封构造

安全水封是利用U形连通器的原理发展起来用以保护净化工序设备的安全设施。安全水封兼具液封和破真空2种功能，在制酸系统正常运行时，可以起到液封的作用，保证净化工序必要的真空度；在生产线波动，净化工序负压升高时，可以起到破真空的作用，避免玻璃钢设备损坏。

安全水封的作用过程如图2所示。

图2 安全水封作用过程

（A）为正常运行条件下的状态，安全水封内部与烟气系统连通，处于负压状态，外部与大气连通，在内外压差的作用下，内侧的液柱高度高于外侧的液柱高度，此状态为稳定状态，液柱高度不发生变化。尽管如此，安全水封在整个生产过程中仍需持续不断地补充新鲜水，以避免烟气系统突然破真空而没有及时补充液封水，多余的水通过溢流口流出安全水封。（B）为系统负压突然升高情况下的状态，安全水封外侧的液柱快速向内侧流动并越过内层圆筒的最高处进入内层圆筒内，再通过底部的U形弯管流出。此状态持续时间很短而且变化迅速，安全水封内的所有水会瞬间被抽干并进入（C）所示的状态。（C）为安全水封内的水被完全抽干的状态。在此状态下，空气通过安全水封进入烟气系统，从而使系统的负压降低。待整个制酸系统所有设备都恢复到正常运行状态，烟气系统的负压恢复到正常操作值，安全水封重新恢复到（A）状态。

3 安全水封的设备计算

安全水封的关键尺寸如图1所示，其中：

D1——中间层圆筒直径，mm；

D2——内层圆筒直径，mm；

D3——外层圆筒直径，mm；

H1——最大液封高度，mm；

H2——U形管高度，mm；

H3——溢流口高度，mm。

为了方便计算，以净化工序二级电除雾器出口烟气量为100 000 m3/h，烟气管道直径为φ1 500 mm，二级电除雾器的正常操作压力为-8 kPa，制酸系统设计压力为-15 kPa为例进行计算。

3.1 中间层圆筒直径D1计算

图1所示的安全水封结构中，D1等于安全水封的抽气管直径，一般设计安全水封的抽气管直径为净化工序电除雾器出口主烟气管道直径的0.5～0.7倍[1]，计算举例中主烟气管道为φ1 500 mm，故安全水封的抽气管为φ(750～1 050) mm。选取抽气管直径为φ800 mm，故D1=800 mm。

3.2 内层圆筒直径D2计算

内层圆筒为破真空情况下水流出的通道，为了保证在负压作用下水能够顺利地从内层圆筒流出，内层圆筒的截面积应大于中间层圆筒与内层圆筒之间圆环的截面积，即由此可得：D2＞566 mm。取D2=600 mm。

3.3 外层圆筒直径D3计算

安全水封中的水存在于三层圆筒之间，若安全水封持液量过多，在烟气系统负压升高时，无法快速破除系统负压，不能有效保护设备。因此，安全水封的持液量不宜过多，考虑到设备制造的方便，可取内外两层圆环之间的间距相等，即D3-D1=D1-D2。由此可得：D3=1 000 mm。

3.4 最大液封高度H1计算

最大液封高度是安全水封非常重要的参数，直接决定了净化工序的最大操作压力。H1的取值应使安全水封既能在烟气系统负压超过允许值时及时降低负压，保护净化工序设备，又能在系统正常运行情况下起到液封的作用，保证系统正常的操作负压。文中制酸系统设计负压为-15 kPa，为安全起见，取安全水封的泄压压力为-14 kPa，故ρgH1=14 000，由此得出：H1=1 430 mm。

3.5 U形管高度H2计算

U形管仅在系统运行过程中起到液封的作用而不起破真空的作用，故U形管所能形成的液封高度所对应的压强应大于等于系统的最大操作负压，即ρgH2≥14 000，由此得出：H2≥1 430 mm。取H2=1 500 mm。

3.6 溢流口高度H3计算

制酸系统正常运行过程中，安全水封需连续不断地补水，以避免系统突然破真空而没有及时补充液封水。生产过程中多余的水通过溢流口流出进行回收，在此情况下，安全水封内、外液柱的高度差所对应的压强应大于系统的正常操作压力，以保证多余的水能通过溢流口流出，而不是通过排水口流出，即ρgH1-ρgH3＞8 000，由此得出：H3＜614 mm。考虑到设备制造的方便，同时使系统具有较大的操作弹性，取H3=400 mm。

4 结语

安全水封利用U形连通器的原理，可起到液封和降低系统负压的双重作用，是冶炼烟气制酸系统中必不可少的安全设施，设计中某个尺寸过大或过小都会影响整个系统的安全，甚至导致主体设备的损坏。根据文中所列举的烟气条件，计算得到安全水封的关键参数为：中间层圆筒直径D1=800 mm，内层圆筒直径D2=600 mm，外层圆筒直径D3=1 000 mm，最大液封高度H1=1 430 mm，U形管高度H2=1 500 mm，溢流口高度H3=400 mm。