二氧化氯发生与投加设备间喷淋系统设计优化方案_陶李园.pdf

LOW CARBON WORLD 2023/6二氧化氯发生与投加设备间喷淋系统设计优化方案陶李园（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430010）【摘要】室外给水设计标准（GB 500132018）规定，二氧化氯发生与投加设备间应设喷淋装置。基于以上规范要求，讨论喷淋系统设计的作用并在实际工程中应用两种设计方案。设计方案一按二氧化氯溶液安全浓度计算，确定喷嘴选型、数量和喷淋系统的进水压力；设计方案二按中危险级消防喷淋系统设计的喷水强度计算，确定喷嘴选型、数量和喷淋系统的进水压力。经过对比，推荐采用设计方案一。【关键词】二氧化氯发生与投加设备间；喷淋装置；进水压力【中图分类号】TG172【文献标识码】A【文章编号】2095-2066（2023）06-0097-030引言根据 室外给水设计标准（GB 500132018）第9.9.27 条规定，二氧化氯发生与投加设备间应配备二氧化氯泄漏的低、高检测极限检测仪和报警设施，并应在室内设喷淋装置。该条条文解释为当室内环境空气中二氧化氯含量达到 0.4 mg/m3时，应自动开启通风装置同时进行预报报警；当室内环境空气中的二氧化氯含量达到 0.8 mg/m3时，应进行警报报警并及时关闭二氧化氯发生装置，采取应急处置措施。设备间设置喷淋设施主要用于二氧化氯水溶液和气体发生事故泄漏的紧急处理。根据该规范要求，二氧化氯发生与投加设备间应设喷淋装置，当室内环境空气中的二氧化氯含量达到 0.8 mg/m3时，关闭二氧化氯发生器后启动喷淋装置。根据规范要求，新建及改造二氧化氯发生与投加设备间应设喷淋装置。喷淋系统设计可参考消防喷淋系统设计，但二氧化氯发生与投加设备间喷淋装置的主要作用是吸收泄漏的气体二氧化氯，形成溶液后由室外的集酸井中和处理并排放。因此，二氧化氯发生与投加设备间喷淋系统设计应该主要从吸收二氧化氯、保护二氧化氯发生器的角度进行优化。1设计条件1.1二氧化氯化学性质二氧化氯为黄绿色到橙黄色气体，有类似氯气和硝酸的特殊刺激性臭味。液体为红褐色，固体为橙红色，熔点为-59，沸点为 11，气体密度为3.09 g/L，比空气密度（约为 1.29 g/L）高，泄漏后沉于空气下方。二氧化氯的腐蚀性很强。二氧化氯是强吸热化合物，只能保持在稀释状态以防爆炸性分解，而且要现合成现使用。二氧化氯可溶于水，溶解度最多可达 8 g/L，同时放热并得到暗绿色溶液，中性水溶液受光照则迅速分解，生成氯酸和盐酸的混合物，而其在碱性溶液中则剧烈水解成亚氯酸盐和氯酸盐的混合物1。美国规定二氧化氯水溶液的安全浓度为 0.81 mg/L2。1.2二氧化氯对人体的危害及解决方法当人体吸入的二氧化氯浓度高于 0.5 mg/m3时，会引起呼吸道刺激，吸入更高浓度二氧化氯可发生肺水肿，对呼吸道产生严重损伤，甚至致死，长期接触高浓度二氧化氯可导致慢性支气管炎。因此需要在二氧化氯发生和投加设备间外设置快速淋浴装置和洗眼器，配备防毒面具、呼吸器等防护用品。1.3二氧化氯发生器防护等级市面上的二氧化氯发生器防护等级可达到IP55，可承受任何角度的低压喷射。因此要求喷淋装置的喷射要求为低压（0.1 MPa 以下）。为保护二氧化氯发生器，喷淋作用时长建议不超过 10 min。2喷淋系统选材在康志娟等3的研究中，在同等浓度的二氧化氯消毒液中，碳钢（Q235B）的腐蚀最严重，其次为铜、铝，不锈钢在浓度低于 100 mg/L 的二氧化氯溶液中基本无腐蚀现象。在卢永新等4的研究和王淑梅5的研究中，高钼不锈钢耐二氧化氯溶液腐蚀的性能更强，金属钛的耐腐蚀性最强；聚氯乙烯、聚丙烯、323树脂玻璃钢在常温下可作为二氧化氯溶液收集槽的内防腐涂料或内衬。因此，为减少二氧化氯泄漏时对喷淋系统的腐蚀，喷淋系统选用的管材建议采用镀锌钢管、涂塑钢管、不锈钢管、PVCC 管、PE 管，不宜采用碳钢管、铜管、铝管。喷嘴材料建议选择不锈钢、PVC 或 PE，不建筑 节能97DOI:10.16844/10-1007/tk.2023.06.059LOW CARBON WORLD 2023/6宜选用含碳钢、铜、铝材料。3喷淋系统设计3.1设计方案一根据室外给水设计标准（GB 500132018），当二氧化氯发生与投加设备间室内环境空气中的二氧化氯含量达到 0.8 mg/m3时，关闭二氧化氯发生器后启动喷淋装置，即泄漏时，室内环境空气中的二氧化氯含量最高浓度为 0.8 mg/m3。美国规定二氧化氯水溶液的安全浓度为 0.81 mg/L2，在二氧化氯发生与投加设备间溢出的气态二氧化氯需要用水溶解到0.8 mg/L 的浓度后进行安全中和处理，即泄漏后，需要喷淋水完全吸收二氧化氯气体，成为安全浓度为0.8 mg/L 的二氧化氯溶液。喷水强度计算如下：qi=H气液t。（1）式中：qi喷水强度，L/（min m2）;气二氧化氯发生与投加设备间二氧化氯溢出的最高浓度，取0.8 mg/m3；H二氧化氯发生与投加设备间室内高度，m；液二氧化氯溶液的安全浓度，取 0.8 mg/L；t喷淋作用时间，min，为保护二氧化氯发生器，建议喷淋作用时间不超过 10 min。喷嘴流量系数计算如下：q=k10P。（2）式中：q喷嘴出水量，L/min；k喷嘴流量系数；P喷嘴工作水压，MPa，为保护二氧化氯发生器，建议喷嘴工作压力为 0.05 MPa0.1 MPa。喷嘴间距计算如下：a2+b2=2htan2()2。（3）式中：a喷嘴按长方形布置时，短边的喷嘴间距，m；b喷嘴按长方形布置时，长边的喷嘴间距，m；h喷嘴安装高度，m；喷嘴喷射角度，（）。喷淋系统管道损失计算如下：HS=iL+iV22g。（4）式中：HS水头损失，MPa；i管道单位长度的水头损失，MPa/m；L计算管道长度，m；i局部水头损失；V管道内的平均水流速度，m/s；g重力加速度，取 9.81m/s2。当管道流速 V1.2 m/s 时，管道单位长度的水头损失计算如下：i=0.009 12V2dj1.31+0.867V()0.3。（5）式 中：i管 道 单 位 长 度 的 水 头 损 失，MPa/m；V管道内的平均水流速度，m/s；dj管道计算内径，m。当管道流速 V1.2 m/s 时，管道单位长度的水头损失计算如下：i=0.010 7V2dj1.3。（6）3.2设计方案一案例南方某自来水厂二氧化氯发生与投加设备间内部空间净尺寸为 BLH=6.5 m7.9 m6.0 m。（1）喷嘴类别选择。不同喷嘴的喷射断面形状如图 1 所示。鉴于实心锥形喷嘴可形成圆形隔绝，且吸附面积大，推荐使用喷嘴类别为实心锥形。（2）喷嘴选型和平面布置。根据式（1）、式（2）、式（3）的计算，喷嘴压力 P=0.05 MPa0.1 MPa，喷水强度 qi=0.6 L/（min m2），喷嘴高度为 3.5 m，作用半径为 3.0 m，选用 4 个标准型实心锥形喷嘴，规格为DN15，单个喷嘴可喷水量 q=13.1 L/min，喷嘴喷水角度=88，喷嘴流量系数 k=18.5，喷水时间为 610 min。案例一喷淋系统如图 2 所示。（3）喷淋系统进水压力设计。根据式（2）、式（4）、式（5）、式（6）的计算，喷淋系统接入点的进水压力应不低于 0.059 MPa，且不高于 0.105 MPa，设计进水压力值取 0.1 MPa。根据需求，应在水源接入点设减压阀。图1不同喷嘴的喷射断面形状图2案例一喷淋系统建筑 节能98LOW CARBON WORLD 2023/6（4）喷淋系统启动方式。当二氧化氯泄漏检测仪检测值达到 0.8 mg/m3，信号传输至报警控制器发出指令打开喷淋电动阀；当二氧化氯泄漏检测仪检测值低于 0.05 mg/m3，信号传输至报警控制器发出指令关闭喷淋电动阀，或通过室外手动控制，喷淋作用时间为 610 min。3.3设计方案二根据 自动喷水灭火系统设计规范（GB 500842017）（简称 自动喷水）表 5.0.1 民用建筑和厂房采用湿式系统的设计基本参数，定义二氧化氯发生与投加设备间为中危险级（建筑高度小于 8 m，作用面积小于 160 m2），喷水强度为8 L/（min m2）。自动喷水条文说明 5.0.1 条表 8 国外自动喷水灭火系统基本设计数据，定义一般危险的化学品加工厂的自动喷水 灭 火 系 统 喷 水 强 度 为 5.0 8.1 L/（min m2）。因此，二氧化氯发生与投加设备间设计喷水强度q=8 L/（min m2），最不利点喷嘴压力不低于 0.05 MPa，喷嘴最大压力不大于 0.1 MPa，每只喷嘴流量系数k=80。喷嘴布置按 自动喷水 表 7.1.2，中危险级采用矩形布置，长边不大于 3.6 m，且不小于 1.8 m。喷嘴与端墙的距离不大于 1.7 m，且不小于 0.1 m。为保护二氧化氯发生器，建议喷淋作用时间小于 10 min，喷嘴工作压力为 0.05 MPa0.1 MPa。喷淋系统的进水压力按式（2）、式（4）、式（5）、式（6）计算。3.4设计方案二案例南方某污水处理厂，二氧化氯发生与投加设备间内部空间净尺寸 BLH=3.36 m8.16 m6.65 m。（1）喷嘴选择类别。按 自动喷水 选用双臂下垂型开式喷嘴。（2）喷嘴选型和平面布置。根据现场情况，单个喷嘴按 1.8 m2.1 m 布置，到端墙距离分别为 0.78 m、1.1 m、0.76 m，需布置 8 个喷嘴。案例二喷淋系统如图 3 所示。（3）喷淋系统进水压力设计。根据式（2）、式（4）、式（5）、式（6）计算，单个喷嘴喷水强度约为 80100 L/min，喷淋系统接入点的进水压力值应不低于0.11 MPa，且不高于 0.13 MPa，设计取值为 0.13 MPa。根据需求，应在水源接入点设减压阀。（4）喷淋系统启动方式。当二氧化氯泄漏检测仪检测值达到 0.8 mg/m3，信号传输至报警控制器，控制器发出指令打开雨淋阀的电磁阀，雨淋阀控制膜室压力下降，雨淋阀开启，喷淋管道中充水，开式喷嘴喷水，水力警铃同时报警；当二氧化氯泄漏检测仪检测值低于 0.05 mg/m3，信号传输至报警控制器，控制器发出指令关闭喷淋电动阀，或通过室外手动控制，喷淋作用时间不超过 10 min。4结语（1）设计方案一侧重于吸收二氧化氯气体，喷淋作用时间、喷水强度和喷水压力低于设计方案二，更有利于保护二氧化氯发生器。设计方案一更为简单，造价更低。因此推荐采用设计方案一。（2）设计方案二的喷水强度大，相较于设计方案一，设计方案二的系统报警（警示）效果、安全操作性及吸收二氧化氯的可靠性更高，因此，在要求较高时可以采用设计方案二。（3）喷淋系统选用的管材建议采用镀锌钢管、涂塑钢管、不锈钢管、PVC-C 管、PE 管。喷嘴材料建议选择不锈钢、PVC 或 PE。标准型实心锥形喷嘴在吸收二氧化氯方面更具优势。参考文献1 北京师范大学，华中师范大学，南京师范大学.无机化学（下册）M.5 版.北京：高等教育出版社，2021：36-38.2 宋鸿，奚旦立.二氧化氯的腐蚀性研究J.中国纺织业大学学报，1998（6）：83-86.3 康志娟，王奎涛，赵海栋，等.常用金属在二氧化氯消毒液中的腐蚀情况J.腐蚀与防护，2010，31（12）：984-985.4 卢永新，姜孔岩.二氧化氯耐腐蚀材料的选择J.上海造纸，1981（增刊 1）：202-218.5 王淑梅.二氧化氯作用下不锈钢和钛的腐蚀行为研究D.南京：南京林业大学，2013.作者简介：陶李园（1989），女，汉族，重庆人，硕士研究生，工程师，主要从事市政给排水设计工作。图3案例二喷淋系统建筑 节能99