烟塔合一脱硫塔设计特点

2022-09-10

伴随工业的发展, 对环境的影响日益凸现。近年各地雾霾频现、全球气候变暖, 大气污染治理是人类共同面临的难题。而燃煤锅炉、工业窑炉及垃圾焚烧炉等产生的以二氧化硫、二氧化碳等气体, 是其罪魁祸首。烟气脱硫是降低煤燃烧产生的主要污染物二氧化硫的主要措施。脱硫塔是烟气脱硫工艺的核心设备。

由于国家排放标准进一步提高, 原有脱硫装置须改造, 受工期限制, 采用临时烟囱置于脱硫塔顶直排烟气, 之间设置烟气挡板门, 待后期出口烟道及原有烟囱防腐结束后关闭挡板门, 烟气改由出口烟道排至原烟囱。由于挡板门无法传递弯矩, 上部烟囱需要依靠钢支架导向支撑。在处理此类方案时, 常规做法是从地面立钢架直至烟囱上部。此方案结构简单、安全可靠。但是, 钢架占地面积大, 需要预留场地。对于改造项目, 布置不一定可行。另外, 如此高耸的钢架, 造价相当可观, 施工周期长。

本文介绍一种更加经济可行的设计方案及其特点。钢架焊接在塔顶部, 借助塔体作为基础。无须占地, 布置适应性好, 尤其对于改造项目。附着在塔顶, 省掉了相当高一段钢架, 节省了大量材料、人工成本以及施工周期。只要正确建模计算, 保证塔体有足够的强度、刚度和稳定性, 结构安全性毋庸置疑。但是, 也给设计带来一定难度。这也是烟塔合一脱硫塔设计的特殊性。

另外, 由于装置整体高度大, 一般在60m至100m之间, 而常规脱硫塔20米至40米之间;高径比大, 一般5至20, 而常规脱硫塔远小于5;应力较常规脱硫塔大很多, 整体稳定性差。这些结构设计特点也给设计者带来一定挑战, 在任何一个关键环节都需要谨慎。

下面以笔者参与的工程项目为实例, 剖析此类设备结构设计特点。

1 工程概况

本工程位于辽宁葫芦岛市, 某石化企业锅炉烟气脱硫。收集的地勘报告显示:抗震设防烈度为6度, 50年一遇基本风压500Pa, 极端最高气温:-41.5℃, 属于高寒地区。

外形尺寸:脱硫塔下部浆池直径7.1m, 上部吸收区、除雾区直径6m, 塔高28.55m;烟囱直径2.8m, 高41.45m, 烟塔合计总高70m。脱硫塔与烟囱之间设置烟气挡板门。

2 分析与构思

2.1 设计标准的选取:

根据设备总高以及高径比, 采用《JB/T4710-2005》 (钢制塔式容器) [1]作为主要设计标准。

2.2 整体结构构思:

塔体采用地脚螺栓裙座固定于土建基础, 烟囱与脱硫塔之间增加钢架。钢架附着于塔顶, 用于支撑烟囱。

3 结构设计要点

本项目由于工艺要求, 烟囱与塔体之间设置有挡板门。挡板门为螺栓法兰弱连接, 仅能传递较小轴力, 且无法传递弯矩。

经初步计算, 烟囱段 (含保温、梯子平台等) 总质量m2为56吨。水平风荷载为FW为191KN, 水平地震力FK为35KN。通过以上计算数据分析, 烟囱质量较大, 重量直接作用在挡板门上, 容易损坏挡板门。水平风力很大, 和地震力, 水平力和弯矩很大。在塔顶焊接钢架, 用于烟囱的导向、平衡其水平力。钢架设置三层, 总高14.8m, 层高分别为5.4m、4.7m、4.7m, 如图1所示。第一层钢架梁顶设置4个支座, 用于支撑烟囱重量;第三层钢架设置4个导向支座, 平衡烟囱受到的水平风力FW和地震力FK。根据CAD图形尺寸, 通过PKPM软件建立钢架初步模型, 导入以上荷载进行组合[2], 校核钢架。经过多次核算, 得到安全、经济的型钢规格。三层钢梁规格梁HN500X200X10X16, 内部次梁规格梁HN400X200X8X13, 4根柱子为钢管Φ325x12, 斜撑钢管Φ180x8。

底层承重支座的设计:根据单个支座最大竖向荷载140KN, 参照《JB/T4725-1992》 (耳式支座) [3]选取B型8#支座 (承载力250KN) , 并做加固设计。

上层导向支座设计:参照《GB50051-2002》 (烟囱设计规范) [4]中塔架式钢烟囱之滑道式连接节点设计。在烟囱加固圈上侧向焊接短截HN400X200X8X13作为悬臂梁, 两侧分别采用L125×12件作限位块。

本项目烟囱材质为碳钢, 自身有足够的强度、刚度确保钢架以上烟囱的稳定性, 钢架仅须设置2-3层, 节省材料。如烟囱为FRP等非金属材质, 由于其强度较低、易脆, 支架须设置到烟囱顶端附近。

除了以上特殊性外, 仍须注意以下特点:

3.1 本项目位于高寒地区, 防钢材低温冷脆, 材质选择Q345。

3.2 变径段的加固。在变径段存在应力突变现象, 在容器设计时, 通常采用局部增加壁厚以降低应力。本项目采用型钢加固的方式进行补强, 锥段上下设置环肋, 利用8根纵肋连成圆台型骨架。

3.3 进、出口烟道的大开孔补强。容器开孔补强的常规措施有面积法和压力面积法。经过试算, 不难发现, 面积法计算的烟道厚度非常厚, 已不符合工程实际应用。而压力面积法同样由于开孔较大, 补强也较厚, 不经济。目前工程上, 常借鉴钢结构杆件结构, 将切除的壳体转化为杆件结构分析。本项目, 在开孔上下部位环向, 各设置一道型钢加固圈, 开孔处两侧各设置1根型钢柱子, 开孔内部设1根置钢管柱子方管300X16, 组合成框架结构。通过计算开孔截面处轴向拉、压应力, 折算到开孔处的集中拉压力P, 按照两端固定的轴心受力柱子计算稳定性[5]。

综上, 本项目按照塔顶设立钢架支撑烟囱的方案进行设计, 在壳体断开或者削弱处, 将壳体结构转化为杆系结构进行补强, 将壳体和杆系模型有机结合, 节省了大量钢材、施工成本, 缩短施工周期确保工程顺利完工。经过1年多的运行检验, 烟塔整体稳定性正常。