基于BIM技術(shù)的超高脫硫塔創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究*

佘雨陽(yáng) 王淞杰 李明 張小明 黎嘉琳長(zhǎng)春工程學(xué)院 吉林 長(zhǎng)春 130012

1 研制背景及意義

伴隨工業(yè)的發(fā)展，其對(duì)環(huán)境的影響日益凸現(xiàn)。近年各地霧霾頻現(xiàn)、全球氣候變暖，大氣污染治理是人類共同面臨的難題。而燃煤鍋爐、工業(yè)窯爐及垃圾焚燒爐等產(chǎn)生的以二氧化硫、二氧化碳為主的氣體，是其罪魁禍?zhǔn)住煔饷摿蚴墙档兔喝紵a(chǎn)生的主要污染物二氧化硫的主要措施。脫硫塔是煙氣脫硫工藝的核心設(shè)備。

然而在傳統(tǒng)的脫硫塔施工作業(yè)中存在著各種弊端。因?yàn)楦麟A段之間的溝通不暢以及相互之間協(xié)作能力較差，往往是一邊施工一邊改，造成了人力物力以及財(cái)力的大量浪費(fèi)；傳統(tǒng)的施工圖紙是依靠平面圖再配合施工人員的想象力以及個(gè)人經(jīng)驗(yàn)與能力進(jìn)行具體作業(yè)，由于閱讀不詳細(xì)，人員能力不足造成施工階段質(zhì)量差，效率低等問(wèn)題；傳統(tǒng)的施工中，像施工方、監(jiān)理方、業(yè)主方的領(lǐng)導(dǎo)很多都是非工程專業(yè)出身，對(duì)于專業(yè)的二維圖紙很少能夠讀懂，容易對(duì)施工環(huán)節(jié)產(chǎn)生誤解，以及造成各方之間溝通上的障礙；且傳統(tǒng)的效果展示只是停留在視覺(jué)效果上，例如應(yīng)用3DMAX進(jìn)行特效的展示，讓人看著非常炫麗，但是缺乏真實(shí)性。

目前，我國(guó)傳統(tǒng)的施工管理工作還沒(méi)有形成健全的管理體系，施工企業(yè)的專業(yè)能力參差不齊，工程分包不正規(guī)等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度。

在施工質(zhì)量管理上，很多管理人員沒(méi)有科學(xué)的管理計(jì)劃，具體問(wèn)題表現(xiàn)在：分工不明確、權(quán)責(zé)劃分不清晰；材料設(shè)備的管理不科學(xué)等。在施工材料上也存在許多值得注意的問(wèn)題，因?yàn)樗鼘?duì)施工質(zhì)量起到?jīng)Q定性作用：材料的質(zhì)檢方法不夠科學(xué)、不夠先進(jìn)，比如，沒(méi)有利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、統(tǒng)計(jì)和分析，工作量大且煩瑣，很容易出現(xiàn)錯(cuò)誤[1]。

2 基于BIM技術(shù)的超高脫硫塔設(shè)計(jì)研究的創(chuàng)新點(diǎn)

采用高效折板除霧器，提高脫水率，在原有一層除霧器上方再增設(shè)兩層屋脊形除霧器，一共三層，使得霧滴濃度達(dá)到不大于50㎎/m3的要求。優(yōu)化噴淋裝置，提高脫硫效果，對(duì)原有噴淋層的噴嘴進(jìn)行優(yōu)化選型，可明顯提高脫硫效果。節(jié)省材料，降低工程費(fèi)用，利用BIM技術(shù)對(duì)該超高脫硫塔的施工過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，清楚的展現(xiàn)出施工流程，并且對(duì)不同施工方案做出材料分析計(jì)劃，以便找出最優(yōu)的方案，最大限度地節(jié)省材料，降低工程費(fèi)用。縮短工期，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，利用BIM的施工仿真功能進(jìn)行脫硫塔施工方案的模擬優(yōu)化，預(yù)知該超高脫硫塔施工過(guò)程中的難點(diǎn)與風(fēng)險(xiǎn)，提高施工效率和施工方案的安全性，減少返工，降低風(fēng)險(xiǎn)。減少煩瑣的人工操作和潛在錯(cuò)誤，基于BIM模型中富含的工程信息，計(jì)算機(jī)可快速對(duì)各種構(gòu)件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，大大減少了煩瑣的人工操作和潛在錯(cuò)誤，實(shí)現(xiàn)了工程量信息與設(shè)計(jì)文件的統(tǒng)一[2]。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 原有技術(shù)方案概述

該超高脫硫塔采用石灰石-石膏法脫硫技術(shù)，主要由六部分組成。

（1）組成系統(tǒng)

①脫硫漿液制備系統(tǒng)。脫硫劑制備系統(tǒng)為3臺(tái)爐共用。脫硫劑制備系統(tǒng)主要包括粉倉(cāng)、計(jì)量給料裝置、布袋除塵器、石灰石乳池、石灰石乳池?cái)嚢杵鳌⑹沂楸眉跋鄳?yīng)管路等[3]。②SO2吸收系統(tǒng)。為在保證高脫硫效率的同時(shí)減少運(yùn)行成本，本方案設(shè)計(jì)為逆流式噴霧吸收塔布置方式，塔體材質(zhì)為碳鋼，內(nèi)襯電廠成熟的玻璃鱗片防腐，使用壽命20年以上。③吸收液循環(huán)噴淋系統(tǒng)。漿液循環(huán)系統(tǒng)包括塔釜循環(huán)池、循環(huán)泵（噴淋泵）、噴淋布漿管路及噴嘴，使吸收漿液與原煙氣進(jìn)行充分的接觸。④氧化空氣系統(tǒng)。每臺(tái)脫硫塔塔釜設(shè)置一套氧化系統(tǒng)，由氧化風(fēng)機(jī)和曝氣管路組成。氧化風(fēng)機(jī)置于塔釜循環(huán)池附近，曝氣管路至于循環(huán)池底部。氧化風(fēng)機(jī)通過(guò)曝氣管路將空氣輸送至循環(huán)池內(nèi)使亞硫酸鈣氧化為硫酸鈣，完成曝氣氧化過(guò)程。⑤脫硫廢液和副產(chǎn)物處理系統(tǒng)。副產(chǎn)物處理系統(tǒng)為3臺(tái)爐共用。主要設(shè)備有石膏泵、塔釜反應(yīng)池、水力旋流器、過(guò)濾機(jī)、濾液池、濾液泵等。⑥濾液系統(tǒng)。該系統(tǒng)為3爐共用，主要設(shè)備由濾液池、濾液池?cái)嚢杵鳌V液泵等，用于匯集排放管的溢流、密封泄露和設(shè)備沖洗水，漿池設(shè)一臺(tái)攪拌器，防止?jié){液沉淀。濾液池中漿液可以通過(guò)濾液泵返回脫硫塔。濾液泵設(shè)計(jì)2臺(tái)，一用一備。⑦工藝水系統(tǒng)及其他公用設(shè)施。濕法脫硫主要依靠脫硫漿液洗滌煙氣來(lái)脫除二氧化硫，所以洗滌后的煙氣將帶走大量的水分，所以必須向吸收塔中補(bǔ)充工藝水來(lái)實(shí)現(xiàn)水量平衡，吸收塔的水量補(bǔ)充主要有以下幾個(gè)途徑：①脫硫塔的補(bǔ)充水；②脫硫漿液的補(bǔ)充水；③除霧器沖洗水，要求進(jìn)塔時(shí)壓力不小于0.2MPa；④其他用水點(diǎn)，如軸承冷卻水、氧化風(fēng)冷卻水等；⑧煙氣系統(tǒng)。在脫硫塔內(nèi)，煙氣中的酸性成分SO2、SO3、HF及HCl等酸性物質(zhì)被脫除，同時(shí)脫硫塔還具有一定的除塵作用。被凈化的煙氣經(jīng)過(guò)脫硫塔頂部的除霧器除去煙氣中攜帶的液滴，分離下來(lái)的液滴返回到脫硫塔。離開(kāi)脫硫塔的凈煙氣從煙囪排出。

（2）工藝流程

本技術(shù)方案采用先除塵后脫硫的凈化方案：經(jīng)布袋除塵器除塵后的煙氣進(jìn)入脫硫塔脫硫，經(jīng)均氣降溫層均氣降溫后，與來(lái)自上層噴淋裝置的脫硫漿液進(jìn)行充分的傳質(zhì)、吸收，吸收煙氣中的大部分SO2并繼續(xù)脫除剩余的細(xì)塵，之后煙氣經(jīng)高效折板除霧器脫水除霧后，進(jìn)入煙囪達(dá)標(biāo)排放。塔釜循環(huán)池排出的部分濃漿進(jìn)入水力旋流器，上部清液利用水力旋流器和循環(huán)池液位的高差自動(dòng)返回塔釜循環(huán)池，底部35%以上濃度的濃漿由石膏泵送入共用的通過(guò)壓濾，形成濾餅，送至灰渣廠。濾渣成分其主要為含水率10%以下的石膏及其他雜質(zhì)（主要來(lái)源于煙氣中的煙塵及脫硫劑中的雜質(zhì)）的物料體系；濾液排入清水池，通過(guò)清水泵重新參與脫硫，同時(shí)，為避免脫硫漿液中雜質(zhì)和氯離子濃度不斷提高，將一小部分排出系統(tǒng)。

3.2 技術(shù)方案的改進(jìn)

本研究項(xiàng)目創(chuàng)新改進(jìn)超高脫硫塔中的噴淋裝置和除霧器，以增加噴淋和除霧的效果，提高脫硫效率和降低煙氣含水率。主要進(jìn)行了以下創(chuàng)新設(shè)計(jì)：①對(duì)噴淋層上的噴嘴進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，優(yōu)化噴嘴，增強(qiáng)脫硫效果并且可以最大程度避免阻塞。②在原有一層除霧器上方再增設(shè)兩層屋脊形除霧器，一共三層，使得霧滴濃度達(dá)到不大于50㎎/m3的要求[4]。

（1）噴淋裝置的技術(shù)改進(jìn)

本系統(tǒng)設(shè)四個(gè)噴淋層。噴淋層間距的設(shè)計(jì)不僅考慮到滿足性能要求，而且充分考慮到便于工作人員進(jìn)入脫硫塔對(duì)漿液分配管網(wǎng)及噴嘴進(jìn)行檢修和維護(hù)。

通過(guò)對(duì)噴嘴進(jìn)行優(yōu)化布置，使脫硫塔斷面上幾乎完全均勻地進(jìn)行噴淋。噴淋層上的噴嘴原為實(shí)心錐陶瓷的，而我們?cè)趪娏軐由习惭b進(jìn)口大通道空心錐噴嘴，噴嘴材料為鈷合金或碳化硅，既可輕易輸送大顆粒漿液，又能提高霧化效果。該種噴嘴在較低的壓力降下可使噴出的漿液噴射角度精確而且霧化效果好，并提高了漿液的噴淋速率。噴嘴設(shè)計(jì)緊湊，在給定尺寸下得到最大流量，暢通的通道設(shè)計(jì)最大程度避免阻塞現(xiàn)象，而且碳化物的噴嘴材料耐磨比率很高，既保證了運(yùn)行的穩(wěn)定性又提高了使用壽命，目前已廣泛用于電廠脫硫系統(tǒng)中。

噴淋系統(tǒng)能使?jié){液在脫硫塔內(nèi)均勻分布，流經(jīng)每個(gè)噴淋層的流量相等。噴淋層的總體布置增加了漿液與氣體的接觸面積和概率，保證對(duì)整個(gè)塔體有效橫截面（煙氣分布橫截面）進(jìn)行不低于200%的覆蓋。

噴嘴性能的計(jì)算：脫硫塔噴嘴為脫硫塔內(nèi)部核心部件，它的選用是否適當(dāng)影響整個(gè)系統(tǒng)能否正常運(yùn)行以達(dá)到所要求的脫硫效率，現(xiàn)對(duì)我們所設(shè)計(jì)的噴嘴規(guī)格參數(shù)做以下介紹：

流量噴嘴流量因噴霧壓力而異，它隨噴霧壓力的增大而增大。一般說(shuō)，流量和壓力的關(guān)系如下：

密度是液體的一定容量與相同容量水的質(zhì)量之比。在噴霧中，液體（除水外）密度主要影響噴霧噴嘴的流量（所列數(shù)值均以水作為噴射介質(zhì)，當(dāng)應(yīng)用水以外的液體時(shí)，須應(yīng)用一個(gè)換算系數(shù)來(lái)確定噴嘴的流量）。

（2）除霧器的技術(shù)改進(jìn)

在脫硫劑與煙氣充分吸收反應(yīng)后，煙氣中攜帶大量水汽霧滴，當(dāng)煙氣溫度低于露點(diǎn)后，煙氣中的水蒸氣會(huì)凝結(jié)結(jié)露形成酸霧，對(duì)煙道及煙囪造成腐蝕及“煙囪下雨”現(xiàn)象，所以脫硫塔出口煙氣中霧滴的濃度不宜大于75㎎/m3，而我們通過(guò)在原有一層除霧器上方再增設(shè)兩層屋脊形除霧器，一共三層，屋脊式除霧器設(shè)計(jì)流速大，經(jīng)波紋板碰撞下來(lái)的霧滴可集中流下，減輕煙氣夾帶霧滴現(xiàn)象，除霧面積也比水平式大，因此除霧效率高，使得霧滴濃度達(dá)到不大于50㎎/m3的要求。

4 BIM技術(shù)在本研究項(xiàng)目超高脫硫塔中的具體應(yīng)用

4.1 設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

用BIM相關(guān)軟件對(duì)該超高脫硫塔進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，它建立在平面和二維設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，讓設(shè)計(jì)目標(biāo)更立體化，更形象化。在本研究項(xiàng)目中，我們?cè)谠O(shè)計(jì)階段應(yīng)用到了BIM技術(shù)中的參數(shù)化設(shè)計(jì)和碰撞檢查功能，其中參數(shù)化設(shè)計(jì)使我們只要改一處，與其相關(guān)聯(lián)的實(shí)例均會(huì)自動(dòng)更改，大大解決了以往更改圖紙時(shí)耗時(shí)耗力的現(xiàn)象，同時(shí)碰撞檢查功能為我們減少了很多返工和設(shè)計(jì)變更的問(wèn)題，比如脫硫塔外側(cè)的樓梯平臺(tái)與塔體上的管道的碰撞問(wèn)題，以往在設(shè)計(jì)過(guò)程中很難完全發(fā)現(xiàn)所有碰撞問(wèn)題，然而利用BIM技術(shù)，我們可以在設(shè)計(jì)過(guò)程中直觀快速找到問(wèn)題。并且通過(guò)做出效果圖和漫游動(dòng)畫，以及利用3D打印技術(shù)制作出實(shí)體模型，可以更方便向客戶展示[5]。

4.2 施工前模擬階段的應(yīng)用

利用BIM技術(shù)進(jìn)行該項(xiàng)目脫硫塔構(gòu)件詳細(xì)信息查詢，檢查和驗(yàn)收信息將被完整的保存在BIM模型中，相關(guān)單位可快捷地對(duì)任意構(gòu)件進(jìn)行信息查詢和統(tǒng)計(jì)分析，在保證施工質(zhì)量的同時(shí)，能使質(zhì)量信息在運(yùn)維期有據(jù)可循。結(jié)合脫硫塔的施工方案，施工模擬和現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)測(cè)進(jìn)行基于BIM技術(shù)的虛擬施工，可以根據(jù)可視化效果看到并不了解的施工的過(guò)程和結(jié)果，可以較大程度地降低返工成本和管理成本，降低風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)管理者對(duì)施工過(guò)程的控制能力。

5 經(jīng)濟(jì)性分析

通過(guò)5D施工模擬，進(jìn)行施工方案預(yù)演，及時(shí)找出施工過(guò)程中存在的問(wèn)題，得出合理的人材機(jī)的配比，使人工費(fèi)、材料費(fèi)、機(jī)械費(fèi)可明顯減少，而且工期也可明顯縮短。施工仿真模擬結(jié)果顯示，對(duì)于該超高脫硫塔，通過(guò)利用BIM技術(shù)，提高了施工效率與質(zhì)量，縮短了工期，減少了施工過(guò)程中的材料浪費(fèi)[6]。

6 結(jié)束語(yǔ)

由于此脫硫塔屬于超高層建筑，工程量大，所富含的工程信息頗多，而且存在的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤與漏洞比較多，潛在風(fēng)險(xiǎn)也大，因此運(yùn)用BIM技術(shù)來(lái)指導(dǎo)該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工具有重要意義。由于BIM參數(shù)模型提供的信息中包含了每一項(xiàng)工作所需的資源，包括人員、材料、設(shè)備等等，所以其為總承包商與各分包商之間的協(xié)作提供了基石，最大化地保證資源準(zhǔn)時(shí)制管理、削減不必要的庫(kù)存管理工作、減少無(wú)用的等待時(shí)間、提高生產(chǎn)效率。

[1]葛清.BIM第一維度:項(xiàng)目不同階段的BIM應(yīng)用[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2013:99-101.

[2]劉廣文.BIM應(yīng)用基礎(chǔ)[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2013:77-78.

[3]郭東明.脫硫工程技術(shù)與設(shè)備[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2012:59.

[4]鮑學(xué)英.BIM基礎(chǔ)及實(shí)踐教程[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2016:17-18.

[5]葛文蘭.BIM第二維度:項(xiàng)目不同參與方的BIM應(yīng)用[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2011:119-120.

[6]郭東明.脫硫工程技術(shù)與設(shè)備[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011:149.