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3.4 壳体的承载力验算
各荷载组合下产生的应力、组合应力等,应作
为强度验算的依据.按照粮食钢板筒仓设计规
范[2],钢材强度验算应采用第四强度理论.例如,当
烟气压强引起的壳体环向拉应力σt与壳体水平截
面轴力、弯矩引起的压应力σc进行组合时,其折算
应力如下:
σr=(σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)22=
(σt+σc)2+σ2t+σ2c
2=σ2t+σ2c+σtσc
(1)
折算应力应小于钢材的屈服强度设计值:
σr=σ2t+σ2c+σtσc≤f
(2)
除了满足强度要求外,壳体的承载力还要满足
整体稳定和局部稳定.由于壳体在整体上类似钢管
构件,其直径和长度比较接近,因此,相对来说截面
惯性矩较大而弯矩较小,壳体的整体稳定不起控制
作用,局部稳定才是壳体设计的关键所在.大直径
的薄壳体在较大的轴力作用下,会产生局部屈曲
(见图1).要提高壳体的局部稳定承载能力,可以
减小壳体直径、增加壳体厚度,或者减小壳体计算
长度.壳体的直径由工艺专业根据物料平衡等计算
确定的,一般不能更改.常用的做法是通过设置环
向加劲肋(环梁)来减小壳体计算长度,具体如图1
所示.
如果结构分析采用的是线弹性分析方法,则在
进行壳体的局部稳定承载力验算时,需要规范给出
的局部稳定验算公式.遗憾的是,我国的钢结构设
计规范并未给出壳体局部稳定承载能力公式.烟囱
设计规范[3]给出了钢烟囱筒壁局部稳定承载能力
的设计计算公式:
σcert=0.4Ek·
td=Ck·
Etr(3)
德国规范[4]给出了壳体的局部稳定承载力的
224
设计概述
吸收塔塔体(壳体)通常选择普通碳素钢作为
结构的承载材料,选择橡胶作为内衬防腐材料.壳
体上有人孔、浆液进出口、烟气进出口、排空口、测
量仪表接口、搅拌器接口、氧化空气接口、冲洗水接
口、观察孔、工艺备用口等.内部附件主要有除雾器
及其支撑结构、除雾器冲洗系统及其支撑结构、浆
液喷淋系统及其支撑结构、烟气导流板、氧化空气
分布管、搅拌器等[1].
在进行吸收塔结构设计时,应考虑的荷载有:
烟气压力、浆液静压、风荷载、雪荷载、地震作用、塔
体自重、塔内附件重、保温层重、扶梯走道和平台重
量等.在以上荷载作用下,计算或校核壳体的强度、
变形、稳定性以及考虑烟道开孔等对塔体的削弱作
用,必要时进行补强设计.吸收塔的直径一般为10
~20m,跨度较大,因此,应对附件的支撑结构作
较为详细的设计和计算,以保证吸收塔附件的正常
使用和运行.
对于导流板、支柱和支撑等的布置还应考虑堆
积污物、污垢或垢结的可能,除了在设计中考虑相
应的污物和结垢荷载以外,还应提供方便的通道使
所有表面的清洁工作易于进行.一般情况下,吸收
塔内部附件的设计应充分考虑防腐要求.
吸收塔应有足够数量、大小合适的通道门和观
察孔,通道门和观察孔应确保烟气不泄漏,而且从
走廊或专有平台上能易于接近,并且应设计成易开
易关的形式.
进行吸收塔壳体的结构分析时,有两种方法.
一种是整体分析方法,即壳体连同塔顶、设备支撑
结构、烟道进出口、加劲梁、加劲肋以及立柱等一起
建模进行整体分析,该分析方法需要借助通用的有
限元分析软件,并且该软件至少应提供备梁、板、壳
3种单元类型,也应具备进行整体稳定分析的功
能.第二种方法是按照吸收塔各个部件之间的传力
关系,把吸收塔拆分为壳体、塔顶、支撑结构等几个
部分进行独立分析和设计.整体分析方法的优点是
效率高,无需手动导荷,计算结果准确,便于进行更
改和调试;
缺点是对分析软件的要求高,也要求设
计软员有较强的结构整体概念.独立分析方法的优
点是传力明确,对分析软件的要求不高,并且容易
进行手算复核;
缺点是其模型不能反映结构的整体
特性,计算结果精确度低,并且计算效率低,导荷过
程繁琐,不利于结构方案的更改和调试.本文采用
整体分析方法.
2 结构布置
吸收塔结构的功能分区主要包括以下几个部
分:
1)喷浆部分,是吸收塔功能的最主要部分,靠喷
出的雾化浆液吸收烟气中的二氧化硫.该部分主要
包括喷浆管和喷浆管支撑结构.2)除雾部分,除雾
器的作用是将经过喷浆吸收二氧化硫后的烟气,夹
带的液滴和水雾分离出来,以控制和防治亚硫酸盐
在除雾器和后续塔壁、烟道生成结垢.为了防止液
滴在除雾器波纹板上逐渐结垢,影响烟气通路,在
上下两层除雾器的各自上下部位均设有冲洗水管.
除雾器和冲洗水管均需要设有支撑结构,以保证其
运行稳定,不产生过大变形.3)强氧化部分,包括搅
拌器、氧化空气管及其支撑结构、氧化槽(持液槽).
4)烟气进出口部分,即烟道的入口和出口,该部分
的主要特点是:
在吸收塔壳体上的开孔较大,削弱
了截面的承载能力,因此要进行补强设计.另外,烟
道进口处烟气的腐蚀性强,故防腐处理也显得非常
重要.5)吸收塔壳体部分,主要由一块块圆弧形的
钢板焊接而成,作为吸收塔的外壳以及塔内各个附
件的支撑结构.壳体上往往有大量的开孔,布有大
量的环梁、加劲肋、立柱等.6)吸收塔底板和基础,
吸收塔的底板是钢板,钢板下有角钢焊接而成的支
架,其作用是便于混凝土基础与板底以及上部壳体
的焊接连接.
3 计算分析和结构设计
无论采用整体分析方法还是独立分析方法,吸
收塔壳体的设计都是整个吸收塔结构设计的核心
部分,吸收塔壳体是整个吸收塔的主体受力结构,
几乎所有附件(包括设备及其支撑结构,烟道进出
口、塔顶等)的重量以及风荷载、地震作用等都直接
或者间接地作用于壳体结构上.
既然工艺专业的设计人员已经给出了壳体的
直径和高度,结构专业设计人员的任务无疑就是在
安全、经济的前提下选择壳体的厚度,厚度的选择
主要根据壳体的稳定性特别是局部稳定性来确定.
对于壳体厚度选择的这一过程,Mr.Heinz也提供
了Excel计算表格.下面按照该计算表格的思路,
详细介绍壳体设计的过程.其中给出的公式以及设
计方法可能与我国规范不同,因为该计算表格的编
223
增刊何喜洋,等:
湿法烟气脱硫吸收塔结构设计方法
理论公式和实际设计计算公式.其中轴向压应力作
用下壳体稳定承载力理论公式为
σx0=0.605Cx·
Etr(4)
其中Cx是一个与壳体半径r、壳体厚度t、计算长
度l有关的系数.从形式上看,两者是一致的,只是
经验系数的取值不同.因此我们认为公式(3)可以
用于吸收塔壳体的局部稳定承载力验算.
图1 局部屈曲和壳体的计算长度
图2 实例计算模型
3.5 基础设计
基础设计包括壳体与基础的连接、基础承载力
计算和地基承载力计算等等.吸收塔基础与烟囱基
础类似,其设计方法也相通,基本上可以参照烟囱
设计规范的有关条文进行,此处不再详细论述.
4 工程实例
某工程的脱硫吸收塔结构(见图2),塔顶最高
处的标高约为27m,最低处板面标高为0.300m,
壳体直径11m.各设备层,包括3个喷淋层和1个
除雾器层均支承在箱形截面横梁上,横梁的支座处
壳体局部加厚,这一点在计算模型中也得到反映.
所在地区基本风压0.60kN/m2,建筑场地土的粗
糙度为B类;
抗震设防烈度7度,水平向地面加速
度峰值为0.10g,场地类别Ⅱ类,地震分组为第一
组.
吸收塔结构的整体计算分析用有限元软件
MIDAS进行.由于篇幅所限,只列出了壳体的部
分计算结果,详见表1.表1中层号第4层的折算
应力(356.9MPa)超过了钢材的屈服强度,可能是
因为部分,设计时可以忽略该处的验算结果,或者
构造上处理一下.
表1 壳体的强度和局部稳定验算
层号壳体厚度局部稳定验算强度验算竖向
应力
稳定临界
折算
屈服
强度
/mm/MPa/MPa/MPa/MPa
11624.880.052.3215
21438.070.051.4215
31234.060.095.3215
41039.050.0356.9215
5823.040.080.4215
5 总 结
随着钢结构在我国的普及和结构功能需求的
发展,特种钢结构工程逐渐增多,其对结构设计理
论以及结构计算分析技术的要求也越来越高.钢结
构尤其是特种钢结构的设计强调的是整体稳定分
析.从计算理论看,经典的稳定设计理论应用于特
种结构设计并不存在困难,因为计算机技术和有限
元分析方法发展至今已经非常完善;
但工程实践不
等于数值运算,我们仍然需要工程经验来指导我们
的设计,仍然需要规范、标准来衡量我们的计算分
析.因此,我们热切地期待着钢结构壳体设计规范
的诞生,更希望在不久的将来,完整的钢结构梁、
板、壳结构设计标准体系能够展现在每一个结构设
计人员的面前
图2 喷淋层安装结构形式
3.2 喷嘴
喷嘴的密度由喷淋层的喷淋重叠率确定。
本工
程喷淋重叠率高达213%,喷嘴密度(喷嘴数量/m2)
不低于0.674。
喷嘴材料为SiC,能有效地抵抗浆液
的磨损及腐蚀。
每个喷嘴设计流量为980l/min。
浆液的雾化程度是影响吸收塔脱硫率的主要因素,
而雾化程度取决于喷嘴的种类和运行压力。
本工程
混合使用了3种型式的喷嘴,保证了塔内的脱硫率
不低于92%。
(1)单向实心锥喷嘴。
用于三层喷淋层靠近塔
壁的区域,喷淋角度为90°
。
此类型喷嘴的优点在
于喷嘴内部通道很大,可以有效地防止结垢堵塞;
浆
液分布较均匀。
单向实心锥喷嘴最大流量为
1200l/min,压损为80000Pa。
(2)双向偏心空心锥喷嘴。
用于第一、第二层
喷淋层中心区域,喷淋角度为120°
此类型喷嘴是
由两个不在同一中心轴上的上下对开的单向空心锥
喷嘴构成,喷淋时可同时产生上下两个喷淋区。
其
最大流量小于等于1600l/min,压损为80000Pa,向
上喷淋量/向下喷淋量等于50∶50。
该类喷嘴特别
适用于较大直径的吸收塔和较高的浆液流量。
(3)双侧向对称空心喷嘴。
第三层喷淋层由于
靠近除雾器,其中心区域采用双侧向对称空心喷嘴,
喷淋角度为110°
此类型喷嘴使得同一个方向进
入的浆液形成两个切向喷淋区域。
其最大流量小于
等于1600l/min,压损为80000Pa。
在布置喷嘴时,应特别注意避免将浆液直接喷
淋在塔壁、喷淋母管及支撑梁上而造成磨损。
3.3 氧化空气分配母管
湿法脱硫系统常用的氧化方式有:
氧化空气母
管式和喷枪式。
喷枪式氧化一般适用于中小尺寸的吸收塔。
由
于本工程的吸收塔直径较大,且入口SO2浓度较高,
为了确保氧化空气分布均匀及良好的氧化效果,采
用了氧化空气母管式。
即在塔内设4根由FRP材
料制成的DN200氧化空气母管,每根母管上均布着
许多直径为20mm的小孔。
小孔位于母管底部的左
右两侧,与管道中心线的夹角为45°
氧化空气通
过这些密布的小孔被鼓入吸收塔浆池内。
小孔的出
口介质设计流速为40~44m/s。
根据计算出的实际
氧化空气量和介质流速来设计氧化空气母管。
由于氧化风机出口的氧化空气温度很高,为了
避免对下游衬胶管道和塔内氧化空气喷管造成高温
损坏,在进入吸收塔前的氧化空气母管上设有冷却
水系统,通过喷水使得氧化空气降温。
此外,在靠近支撑梁的附近不要设置氧化空气
小孔,以避免对支撑梁造成磨损。
3.4 除雾器
V型除雾器通常有平板式和屋企式两种设计型
式。
本工程采用的屋企式除雾器为Munters公司设
计的DV210产品,出口烟气携带水滴含量控制在75
mg/Nm3。
屋企式除雾器的优点在于适合塔内较高
的烟气流速,且除雾效率高。
除雾器为两级设置,第
一级用于除去烟气中携带的大颗粒液滴,第二级则
除去烟气中剩余的细小液滴。
为了维持除雾器在低
的压损下运行,配置了冲洗水系统,对除雾器进行冲
洗,保证冲洗水的覆盖率高于150%。
除雾器的冲
洗是间断进行的,通过冲洗水的补充维持整个FGD
系统的水量平衡。
塔内除雾器及冲洗水管道采用
PP材料,能在80℃的温度下安全运行。
冲洗水喷
嘴为螺纹连接的实心喷嘴。
除雾器冲洗水的入口压力一般控制在0.2MPa
左右。
如果压力太低,会严重影响除雾器的冲洗效
果;
如果压力太高,则会在冲洗过程中消耗大量的工
艺水。
所以通常在除雾器冲洗水入口管道上安装有
压力调节阀,用于维持恒定的入口压力。
3.5 搅拌器
在吸收塔底部浆液池设有4台侧进式搅拌器,
用来使石灰石固体颗粒在浆液中保持均匀悬浮状
态,保证浆液对SO2的吸收和反应能力。
搅拌器设
置的台数是根据吸收塔浆池容积和介质参数选取
的。
搅拌器的定位精度要求较高,在水平面上,轴和
叶轮中心与吸收塔中心径向偏了4°
;
在垂直面上,
搅拌器中心轴向下倾斜10°
搅拌器的转速不能过
34
吸收塔结构尺寸设计
2.1 吸收塔直径
吸收塔的直径由烟气量和烟气流速确定。
在入
口烟气量一定的前提下,塔内烟气流速越高,塔直径
就越小。
直径较小的吸收塔可以节省塔体钢材、内
部件(如喷淋层、除雾器及衬里)和循环泵等的投
资,因此从经济角度考虑,塔内烟气流速高些较好。
但是烟气流速过高,会造成吸收塔的压降增加(增
压风机电耗增加)。
在湿法脱硫吸收塔设计中,一
般最佳烟气流速范围在3.8m/s左右。
在此区域
内,吸收塔烟气流速对电耗的影响不明显。
此外,吸
收塔的设计还应满足110%的过负荷工况,此时塔
内烟气流速以低于4.1m/s为宜。
2.2 吸收及除雾区域尺寸
吸收塔直径确定之后,再计算循环浆液量和循
环泵的数量,确定吸收及除雾区域尺寸设计参数,详
见表2。
表2 吸收及除雾区域尺寸设计参数
项 目参数值
吸收塔入口烟道占塔直径的比例/%80
塔入口烟道至第一层喷淋层的距离/m3.0
各层喷淋层之间的距离/m1.8
最后一层喷淋层至除雾器的距离/m1.3
除雾器高度/m2.7
除雾器至吸收塔出口烟道距离/m0.5
吸收塔出口烟道占塔直径的比例/%100
2.3 吸收塔氧化浆池容积
吸收塔氧化浆池的设计应考虑以下三个因素:
(1)石膏晶体成长的停留时间;
(2)石灰石溶解的停留时间;
(3)氧化反应容积和氧气从空气输送到浆液的
深度。
根据上述三个方面计算出的最大容积即为吸收
塔浆池容积。
另外应考虑因注入氧化空气引起吸收
塔浆液液位波动,一般增加0.59m的安全裕度。
2.4 吸收塔总高
吸收塔高度由吸收及除雾区域尺寸和氧化浆池
尺寸算出。
本工程吸收塔的结构尺寸见图1。
图1 吸收塔结构尺寸
3 吸收塔内部件设计
3.1 喷淋层
本工程吸收塔内设有3层喷淋层,每层喷淋层
由一根DN1000喷淋母管和许多分支管组成。
喷淋
层一侧与循环管道连接,由循环泵将浆液均匀地输
送到每个喷嘴,每层喷淋层设计流量是8000m3/h,
母管和支管的介质设计流速在1.5~3.0m/s之间。
若介质流速过高(>
3m/s),易对管道造成磨损;
若
流速过低(<
1.5m/s),则易发生浆液沉淀堵塞。
因
此,选择合适的介质流速对设计喷淋层显得至关重
要。
通过流量和介质流速可以定出喷淋母管和支管
的管径。
浆液喷淋层均采用进口FRP管,为多层缠绕结
构,包括最外部3mm厚耐磨耐腐层、6mm厚的耐腐
蚀结构层、3mm厚内表耐腐层。
树脂材料为Dera2
kane411-Ashland,耐磨填料采用经硅烷处理过的
石英砂。
为了方便检修和维护,每层喷淋层的间距设为
1.8m。
由于喷淋层跨度大,荷重大,因此,在塔内设
有支撑梁固定喷淋层。
支撑梁采用空心梁结构,表
面衬有4mm厚的橡胶内衬。
喷淋层支管是通过
FRP管固定在支撑梁上,母管则通过管座安装在支
撑梁上。
安装结构形式见图2。
33
2007年 谭学谦:
浅谈600MW机组湿法脱硫吸收塔的设计 第3期
吸收塔是石灰石-石膏湿法脱硫装置中最为核
心的设备,SO2的脱除与脱硫产物亚硫酸钙的氧化
都是在吸收塔内完成的。
因此,吸收塔设计的合理
与否,将直接决定整个脱硫项目的成败。
作者曾参
与广东某电厂600MW机组湿法脱硫工程吸收塔系
统的设计。
该电厂烟气脱硫工程于2006年8月23
日顺利通过广州市环保局的验收。
脱硫装置自投运
以来,吸收塔系统运行良好,各项性能指标均满足并
超过设计水平,其中塔内脱硫效率不低于97%,远
高于92%的设计值。
本文将简要介绍该工程吸收
塔系统的工艺设计。
1 吸收塔主要设计参数
本工程吸收塔为喷淋空塔,钢结构,直径16m,
高29.7m,底部浆池与塔体为一体结构。
其主要设
计参数见表1。
表1吸收塔主要设计参数
主要设计参数及规格数 值
吸收塔设计入口烟气量(湿态)/Nm3·
h-12341879
吸收塔入口烟气温度/℃102
吸收塔设计出口烟气量(湿态)/Nm3·
h-12443721
吸收塔出口烟气温度/℃47
吸收塔设计处理烟气压力/Pa-1000/4000
塔内pH值5~7
塔内悬浮液密度(最大值)/kg·
m-31114
塔内最大Cl-质量分数/%2.0
塔内浆液含固量/%15
吸收塔内径/mm16000
吸收塔高/mm29700
进口烟道内尺寸(高×
宽)/mm12800×
4300
进口烟道壁板材质6mm厚C-276合金
出口烟道内尺寸/mm16000×
3100
吸收塔正常液位/mm9300
吸收塔正常液位时浆池容积/m31870
主要设计参数及规格 数 值
吸收塔最高液位/mm9800
吸收塔设计脱硫效率/%≥92
除雾器形式两级,屋脊式
除雾器供应商MUNTERS
除雾器出口处烟气携带水量/mg·
Nm-3≤75
喷淋层数3
喷淋主管FRP管
喷淋支管多根FRP变径管组成
FRP管道部件供应商SELIP
喷嘴数/个3×
136
喷嘴型式三种型式喷嘴
喷嘴供应商LECHLER
每层循环浆液喷淋量/m3·
h-18000
氧化空气耗量(湿态)/Nm3·
h-18600
吸收塔防腐形式塔内碳钢表面衬胶
32
否则不利于石膏晶体的成长,且会造成叶轮磨损
严重,因此配备了减速箱控制叶轮转速。
另外,由于
搅拌器处于吸收塔腐蚀环境最为恶劣的区域,其叶
轮和轴都采用1.4529合金钢,以便有效地抵抗浆液
的腐蚀及磨损。
3.6 吸收塔滤网
为防止喷淋层喷嘴和石膏旋流器堵塞,在塔内
设置有4套滤网,其中3套安装在吸收塔循环泵入
口管道侧,另一套安装在吸收塔石膏浆液排出泵入
口管道侧。
滤网采用PP材料制成,半圆形,上面分
布着许多20mm的网孔,开孔率在46%左右。
在设
计时应确保所有网孔的面积总和要大于滤网所连接
侧的管道截面积。
滤网是通过钛合金螺栓与焊接在
塔内壁上的框架进行固定的。
此外,与吸收塔循环泵入口管道连接的滤网顶
部需安装一个可移动式盖板,用来确保滤网压力释
放安全。
当循环泵停止运行,泵出口侧管道内的浆
液就会倒流,此时盖板打开,释放滤网的压力,同时
也能将附着在滤网面上的固体颗粒冲洗干净。
当浆
液再次平衡后,盖板会因重力而自动关闭。
3.7 吸收塔顶部通风挡板
在吸收塔顶部设有一个DN800的电动快开通
风挡板,用于维持塔内气压的平衡。
在FGD正常运行期间,该通风挡板关闭。
当
FGD停机时,旁路挡板打开,FGD进、出口挡板门关
闭。
此时脱硫装置内部截留的烟气会逐渐冷却。
烟气冷却后,塔内烟气容量收缩。
为避免负压对塔
体或其他设施造成损坏,此时吸收塔的通风挡板一
定要打开。
另外,在吸收塔内部进行维护时也需将
挡板打开,将塔内滞留的烟气排出。
3.8 管口和人孔
吸收塔壁上有许多为实现工艺要求而设的管
口,主要有进、出口烟道接口、放空口、循环泵吸入
口、喷淋层接口、吸收塔石膏浆液排出泵吸入口、氧
化空气分配母管接口、搅拌器及冲洗水接口、溢放水
口、浆液回流口、取样口、液位测量口及备用口等。
上述管口都设有法兰,管口内表面和法兰面都衬胶。
为了便于安装、检修和维护,在吸收塔上配有足
够数量的人孔门,主要设在吸收塔底部、进口烟道
侧、每层喷淋层附近、除雾器区及吸收塔顶部。
此外,吸收塔系统还安装有必需的测量装置,如
液位、pH值、温度、压力、除雾器压差等测点。
4 吸收塔防腐设计
未脱硫的烟气进入吸收塔后与浆液接触冷却为
湿烟气,生成具有强腐蚀性的酸液,其pH值为4.0
~6.5,对金属表面造成强烈的腐蚀。
同时塔内浆液
一般含15%~20%的石灰石和石膏等固体颗粒,在
喷淋、搅拌等过程中会对塔体及内部件造成磨损。
因此,为了保证吸收塔的可靠性和可用率,需对塔体
和内部件进行防腐处理。
在湿法脱硫吸收塔防腐设计中,较多使用的防
腐
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