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摘 要：北方地区钢铁厂为保证冬季正常生产，需建设解冻库对冻车解冻，以满足卸车需要和生产需要。钢铁厂低于250℃的废气直接排放，原则上不计入余热资源。为利用低温工业废气中的低品位余热，遵循节能环保、循环经济的设计理念，在首钢京唐钢铁厂解冻库设计中采用烧结环冷机二段180～210℃低温废气作为热源，为解冻库设计机械送风、自然排风的送排风系统，利用废气余热解冻。本文就送排风系统风量确定、送排风形式选择、管道設计等方面进行了阐述。
关键词：低温工业废气 送排风系统 余热解冻 节能环保
中图分类号：TU926 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）11（a）-0028-03
1 工程概况
1.1 建设规模
京唐解冻库设2列库，每列库内30个车位，同时解冻60个车位，库本体占地432×13.2×6.5m（长×宽×高），暖车时间4～7h。解冻期为冬季3个月（90d），连续工作制度，计2160h，日解冻能力10800t。
1.2 库温要求
铁路局规定解冻内平均温度≤130℃，如果超温，会损坏车辆上的软管、制动缸、油箱、轴承的润滑油或者引起煤炭自燃。根据对多家用户调研情况看，能够保证库内温度在100±10℃范围内的解冻库，就是好用、成功的解冻库，因此库温设计值取100±10℃。
2 送排风系统设计
2.1 风量选择计算
根据调研解冻库实际运行数据及京唐地区的气候条件，结合《焦化设计参考资料》中提出的解冻耗热量经验指标7500kcal/t煤，吨煤耗热量指标取6500kcal/t（折合27300kJ），每班解冻时间取6h，对应冻煤3600t，送风温度取150℃，需要的废气量
（1）
式中，L—废气量（m3/h）；
C—150℃下的空气比热（kJ/kg·K），取1.03kJ/kg·K；
ρ—150℃下的空气密度（kg/m3），取0.808kg/m3；
Q—每小时解冻所需的热量（kJ/h），（27300/6=4550kJ/h）；
tj—送风温度（℃），取150℃；
tp—排风温度（℃），取90℃；
k—风量富裕系数，取1.2。
经计算，L=393636m3/h，取40×104m3/h。
2.2 引风管道设计
（1）敷设方式及流速选择。
废气引风管道采用架空敷设，与厂区综合管网综合考虑。通过采用聚四氟乙烯滑动托座和非金属柔性补偿器来降低管道热位移对固定支架的推力。
参照采暖通风与空气调节设计规范[1]中工业通风主管道推荐风速6～14m/s，但考虑到废气中含有少许粉尘，不同于一般的通风系统，烧结粉尘在水平管段内不沉积的最小风速要求>15m/s，因此，将引风管道内的风速确定为15.7m/s，管道直径为D3000。壁厚选择从跨度、腐蚀裕量、使用年限等因素综合考虑，根据钢铁企业通风管道选用规范和经验，管道壁厚取10mm。
（2）引风管道补偿。
每米管道热伸长量△l（mm）
△l=α·（t2-t1） （2）
式中，α—管道的线膨胀系数，0.012mm/（m·℃）；
t2为管内介质温度，取210℃；
t1为管道安装温度，取-10℃。
经计算，每米管道热伸长量△l=2.64mm。
（3）跨距确定及补偿器设计。
经计算，D3000×10管道最大跨度可达67m，但考虑到有压缩空气、氮气、蒸汽等4根外线管道与之共架，跨度应从满足各个管道跨度要求、节省土建投资、选择合适补偿量的补偿器的角度综合确定。因此，本设计管道主支架跨度选定为30m/个。根据对单位管道热伸长量的计算，两个支架之间的管道热伸长量为79.2mm，选择非金属柔性补偿器，轴向补偿量为±100mm，管道跨度及补偿器布置形式如图1所示。
2.3 气流组织
库内采用底部双侧送风、屋面正压自然排风的送排风形式。
（1）送风管道设计。
库本体送风管道主要技术技术参数如下：
主管送风速度：14m/s；
支管送风速度：7m/s；
送风口布置2m/个，单个风口送风量480m3/h，送风口风速1.9m/s，避免热风直接喷向轴承，风口与水平面成30°夹角喷向火车箱体壁板，形成气流扰动并沿壁板上升，使库温均匀。
送风系统主要由屋面集中送风管道、静压箱及库内送风支管三部分组成，管道布置形式如图2所示。
（2）均匀送风调节措施。
送风系统通过主管集中，支管分散的方式基本确保了长度方向各个区域的送风均匀，为更好地保证每个送风口的风量基本相当，设计中考虑在每个风口前端配简易风量调节插板。在通风系统正式投运前，对送风系统风量进行平衡调试，通过测定送风口出风速度，调整插板开度，对各个送风口的送风量进行平衡，确保送风均匀。原则上插板开度一次调整完毕，后续不需要再进行调整。
（3）排风管道设计。
为防止大门缝隙处有室外冷空气进入库内，库内的正压度参照方言楼梯间正压度的取值范围，解冻库内的正压值按照50Pa设计。根据经验数据，每列库设7根D1200自然排气管道，分散布置，顶部安装防雨用自然风帽，排气管道布置形式如图3所示。
当手动蝶阀全开时，对库内的正压值P校核计算如下：
P=排气管道处压力损失（Ps）+排风动压 （Pd）
Pd=v2·ρ （3）
Ps=Rm·l+Pz （4） Pz=ε·Pd （5）
式中，Rm—单位摩擦阻力（Pa/m），查自《钢铁企业采暖通风设计手册》P704并进行密度修正，0.267Pa/m；
l—风管长度（m）；v为管内流速（m/s）；
ρ—废气密度（kg/m3）；
ε—局部阻力系數。（蝶阀全开时取0.2，圆伞形风帽取0.75）
经计算，Pd=23.1Pa；Ps=22.7Pa；
P=Pd+Ps=45.8Pa。
通过校核计算看出，选择自然排风管道的管径D1200满足设计要求。实际运行中可以通过调节排气管道上手动调节蝶阀的开度，对库内的正压值进行调整，原则上一次调整完毕后不用再调。
（4）库内温度调节。
为保证送风温度<150℃，在引风机入口设有兑冷风电动调节蝶阀，与风机入口前管道上温度检测联锁，超温开启，兑入冷风。从系统投运后反馈回来的信息，在解冻初期和末期（非最冷时期），兑冷风阀门开启的频率较高，说明兑冷风系统是必要的。
3 引风机选择与设计
3.1 风机风量和全压选择
通风系统阻力损失由四部分组成，分别为环冷机烟罩处阻力损失、废气引风管道阻力损失、库本体送风管道阻力损失及屋面自然排气管道的阻力损失。经计算系统总阻力损失为4830Pa，考虑20%的富裕系数，因此，风机全压选定为5800Pa（150℃）。
3.2 配电机功率计算
电机功率N（kW）
（6）
式中，Qf—风量；（m3/h）；
Pf—风机全压；（Pa）；
k—容量安全系数，取1.3；
η—风机效率，按有关风机样本选取，取0.82；
ηst—机械传动效率，联轴器传动，取0.98；
经计算，N=1043kW，因此选择1250kW的高压电机，防护等级IP44。
3.3 风机选型与布置
根据上述技术参数，经风机厂选型如下：
双吸双支撑离心引风机1台（叶轮作耐磨处理）
型号：Y6-2X29No31.5F；
转速：740r/min；
配一体式风机入口阀电动执行机构
配电机：YKK8P/1250kW/10kV/IP44/F；
风机本体耐温：250℃；
风机轴承选用自润滑式滑动轴承，循环水冷却；
电机轴承为滚动轴承，风冷式。
平衡标准：按JB/T9101-1999标准考核，等级≥G5.6。
风机布置在风机房内，为方便风机安装和检修，根据风机分体最大件重量（叶轮），选择1台20t的双梁桥式起重机1台。
4 结语
（1）以保障库内温度均匀稳定为设计核心是正确的，送排风系统由暖通专业设计对库温均匀、稳定提供了强有力的技术支撑。
（2）本工程通风系统采用主管集中、支管分散+正压自然排风的送排风方式，经过实际运行的检验，系统是合理的。
（3）低温废气余热利用，经济效益和环保效益明显，钢铁厂内低温废气种类多、量大，在同类工程中值得优先选择并大力推广。
（4）暖通专业人员应积极关注余热资源，合理开发利用。
参考文献
[1] 中华人民共和国建设部.GB50019-2003采暖通风与空气调节设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003.
[2] 孙一坚.工业通风[M].3版.北京：中国建筑工业出版社， 1994.
[3] 施振球.动力管道手册[M].北京：机械工业出版社，1994.
关键词：低温工业废气 送排风系统 余热解冻 节能环保
中图分类号：TU926 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）11（a）-0028-03
1 工程概况
1.1 建设规模
京唐解冻库设2列库，每列库内30个车位，同时解冻60个车位，库本体占地432×13.2×6.5m（长×宽×高），暖车时间4～7h。解冻期为冬季3个月（90d），连续工作制度，计2160h，日解冻能力10800t。
1.2 库温要求
铁路局规定解冻内平均温度≤130℃，如果超温，会损坏车辆上的软管、制动缸、油箱、轴承的润滑油或者引起煤炭自燃。根据对多家用户调研情况看，能够保证库内温度在100±10℃范围内的解冻库，就是好用、成功的解冻库，因此库温设计值取100±10℃。
2 送排风系统设计
2.1 风量选择计算
根据调研解冻库实际运行数据及京唐地区的气候条件，结合《焦化设计参考资料》中提出的解冻耗热量经验指标7500kcal/t煤，吨煤耗热量指标取6500kcal/t（折合27300kJ），每班解冻时间取6h，对应冻煤3600t，送风温度取150℃，需要的废气量
（1）
式中，L—废气量（m3/h）；
C—150℃下的空气比热（kJ/kg·K），取1.03kJ/kg·K；
ρ—150℃下的空气密度（kg/m3），取0.808kg/m3；
Q—每小时解冻所需的热量（kJ/h），（27300/6=4550kJ/h）；
tj—送风温度（℃），取150℃；
tp—排风温度（℃），取90℃；
k—风量富裕系数，取1.2。
经计算，L=393636m3/h，取40×104m3/h。
2.2 引风管道设计
（1）敷设方式及流速选择。
废气引风管道采用架空敷设，与厂区综合管网综合考虑。通过采用聚四氟乙烯滑动托座和非金属柔性补偿器来降低管道热位移对固定支架的推力。
参照采暖通风与空气调节设计规范[1]中工业通风主管道推荐风速6～14m/s，但考虑到废气中含有少许粉尘，不同于一般的通风系统，烧结粉尘在水平管段内不沉积的最小风速要求>15m/s，因此，将引风管道内的风速确定为15.7m/s，管道直径为D3000。壁厚选择从跨度、腐蚀裕量、使用年限等因素综合考虑，根据钢铁企业通风管道选用规范和经验，管道壁厚取10mm。
（2）引风管道补偿。
每米管道热伸长量△l（mm）
△l=α·（t2-t1） （2）
式中，α—管道的线膨胀系数，0.012mm/（m·℃）；
t2为管内介质温度，取210℃；
t1为管道安装温度，取-10℃。
经计算，每米管道热伸长量△l=2.64mm。
（3）跨距确定及补偿器设计。
经计算，D3000×10管道最大跨度可达67m，但考虑到有压缩空气、氮气、蒸汽等4根外线管道与之共架，跨度应从满足各个管道跨度要求、节省土建投资、选择合适补偿量的补偿器的角度综合确定。因此，本设计管道主支架跨度选定为30m/个。根据对单位管道热伸长量的计算，两个支架之间的管道热伸长量为79.2mm，选择非金属柔性补偿器，轴向补偿量为±100mm，管道跨度及补偿器布置形式如图1所示。
2.3 气流组织
库内采用底部双侧送风、屋面正压自然排风的送排风形式。
（1）送风管道设计。
库本体送风管道主要技术技术参数如下：
主管送风速度：14m/s；
支管送风速度：7m/s；
送风口布置2m/个，单个风口送风量480m3/h，送风口风速1.9m/s，避免热风直接喷向轴承，风口与水平面成30°夹角喷向火车箱体壁板，形成气流扰动并沿壁板上升，使库温均匀。
送风系统主要由屋面集中送风管道、静压箱及库内送风支管三部分组成，管道布置形式如图2所示。
（2）均匀送风调节措施。
送风系统通过主管集中，支管分散的方式基本确保了长度方向各个区域的送风均匀，为更好地保证每个送风口的风量基本相当，设计中考虑在每个风口前端配简易风量调节插板。在通风系统正式投运前，对送风系统风量进行平衡调试，通过测定送风口出风速度，调整插板开度，对各个送风口的送风量进行平衡，确保送风均匀。原则上插板开度一次调整完毕，后续不需要再进行调整。
（3）排风管道设计。
为防止大门缝隙处有室外冷空气进入库内，库内的正压度参照方言楼梯间正压度的取值范围，解冻库内的正压值按照50Pa设计。根据经验数据，每列库设7根D1200自然排气管道，分散布置，顶部安装防雨用自然风帽，排气管道布置形式如图3所示。
当手动蝶阀全开时，对库内的正压值P校核计算如下：
P=排气管道处压力损失（Ps）+排风动压 （Pd）
Pd=v2·ρ （3）
Ps=Rm·l+Pz （4） Pz=ε·Pd （5）
式中，Rm—单位摩擦阻力（Pa/m），查自《钢铁企业采暖通风设计手册》P704并进行密度修正，0.267Pa/m；
l—风管长度（m）；v为管内流速（m/s）；
ρ—废气密度（kg/m3）；
ε—局部阻力系數。（蝶阀全开时取0.2，圆伞形风帽取0.75）
经计算，Pd=23.1Pa；Ps=22.7Pa；
P=Pd+Ps=45.8Pa。
通过校核计算看出，选择自然排风管道的管径D1200满足设计要求。实际运行中可以通过调节排气管道上手动调节蝶阀的开度，对库内的正压值进行调整，原则上一次调整完毕后不用再调。
（4）库内温度调节。
为保证送风温度<150℃，在引风机入口设有兑冷风电动调节蝶阀，与风机入口前管道上温度检测联锁，超温开启，兑入冷风。从系统投运后反馈回来的信息，在解冻初期和末期（非最冷时期），兑冷风阀门开启的频率较高，说明兑冷风系统是必要的。
3 引风机选择与设计
3.1 风机风量和全压选择
通风系统阻力损失由四部分组成，分别为环冷机烟罩处阻力损失、废气引风管道阻力损失、库本体送风管道阻力损失及屋面自然排气管道的阻力损失。经计算系统总阻力损失为4830Pa，考虑20%的富裕系数，因此，风机全压选定为5800Pa（150℃）。
3.2 配电机功率计算
电机功率N（kW）
（6）
式中，Qf—风量；（m3/h）；
Pf—风机全压；（Pa）；
k—容量安全系数，取1.3；
η—风机效率，按有关风机样本选取，取0.82；
ηst—机械传动效率，联轴器传动，取0.98；
经计算，N=1043kW，因此选择1250kW的高压电机，防护等级IP44。
3.3 风机选型与布置
根据上述技术参数，经风机厂选型如下：
双吸双支撑离心引风机1台（叶轮作耐磨处理）
型号：Y6-2X29No31.5F；
转速：740r/min；
配一体式风机入口阀电动执行机构
配电机：YKK8P/1250kW/10kV/IP44/F；
风机本体耐温：250℃；
风机轴承选用自润滑式滑动轴承，循环水冷却；
电机轴承为滚动轴承，风冷式。
平衡标准：按JB/T9101-1999标准考核，等级≥G5.6。
风机布置在风机房内，为方便风机安装和检修，根据风机分体最大件重量（叶轮），选择1台20t的双梁桥式起重机1台。
4 结语
（1）以保障库内温度均匀稳定为设计核心是正确的，送排风系统由暖通专业设计对库温均匀、稳定提供了强有力的技术支撑。
（2）本工程通风系统采用主管集中、支管分散+正压自然排风的送排风方式，经过实际运行的检验，系统是合理的。
（3）低温废气余热利用，经济效益和环保效益明显，钢铁厂内低温废气种类多、量大，在同类工程中值得优先选择并大力推广。
（4）暖通专业人员应积极关注余热资源，合理开发利用。
参考文献
[1] 中华人民共和国建设部.GB50019-2003采暖通风与空气调节设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003.
[2] 孙一坚.工业通风[M].3版.北京：中国建筑工业出版社， 1994.
[3] 施振球.动力管道手册[M].北京：机械工业出版社，1994.