循環流化床煙氣脫硫吸收塔的設計與應力校核*

陳 榮

(中冶華天工程技術有限公司， 江蘇 南京 210019)

引 言

隨著國家推進鋼鐵行業超低排放改造的持續進行，循環流化床煙氣脫硫技術以其工藝流程簡單，脫硫效率高，投資少，運行費用低，適應性好，不產生二次污染等特點獲得越來越廣泛的應用。作為核心工藝設備的吸收塔屬于薄壁高聳塔式結構，規范《鋼制塔式容器標準》(JB/T4710-2005)僅適用于裙座自支承塔器的設計計算，而吸收塔一般采用鋼結構框架支承，不適用于此規范計算，本文通過一個工程實例探索此類塔型容器的設計和應力校核方法。

1 設計與應力校核

1.1 基本設計條件及受力分析

設置地區基本風壓值q0=600 N/m2；地震烈度為7度，設計基本地震加速度為0.15g；場地土類型為II類場地，地震分組為第一組；地面粗糙度為B類；基本雪壓為0 kN/m2,吸收塔底部直徑為5100 mm，直筒段直徑為10000 mm，吸收塔方形頂部尺寸為8900×8900 mm，高度為9700 mm，吸收塔外表面附有200 mm厚的保溫層，保溫層密度按150 kg/m3計算，吸收塔內壁附著物厚度按100 mm考慮，密度按1300 kg/m3計算，按吸收塔支座設置在35.3 m位置,脫硫塔總高度為63.83 m。吸收塔設計壓力為-6000 Pa，設計溫度為150 ℃，鋼板腐蝕余量為2.5 mm，鋼板負公差為0.5 mm。根據經驗，取直徑為5100 mm的筒體有效厚度δe1=7 mm，直徑10000 mm筒體有效厚度δe2=9 mm，吸收塔方形頂部有效厚度δe3=5 mm，錐段的有效厚度按大直徑計算。

吸收塔筒體設計須考慮吸收塔自重，附屬設備自重,風載荷和地震載荷,吸收塔內的積垢載荷,偏心載荷等因素的影響。

如圖1所示，將吸收塔沿高度方向劃分為8個截面，且在支座V-V截面處劃分為上、下兩部分：V-V截面以上部分(包括m6-m9段及偏心段me段)，V-V截面以下部分(包括m2-m5段)。A處為V-V截面以上部分的應力集中點，主要受筒體風彎矩(或地震彎矩)以及偏心質點的彎矩導致的軸向壓應力，筒體自重形成的軸向壓應力，負壓形成的軸向壓應力；B處為V-V截面以下部分的應力集中點，主要受筒體風彎矩(或地震彎矩)形成的軸向拉應力，筒體自重生成的軸向拉應力，負壓形成的軸向壓應力。

圖1 吸收塔多質點體系示意圖

1.2 各段重量計算

根據《鋼制塔式容器標準》(JB/T4710-2005)，對圖1中的每段操作質量mi(i=2-9)進行計算，公式如下

mi=mi,01+mi,02+mi,03+mi,a+mi,θ

式中mi為第i段塔體的操作質量；mi,01為塔殼質量；mi,02為塔內結垢質量；mi,03為保溫材料重量；mi,a為人孔接管法蘭重量；mi,e為第i段偏心重量。

把吸收塔分兩部分，支座上部分質量如表1所示，支座下部分質量如表2所示。

表1 支座上部吸收塔各分段質量

表2 支座下部吸收塔各分段質量

1.3 自振周期計算

在地震載荷和風載荷的計算中，均要求引用吸收塔的基本參數——自振周期。對于不等厚度、不同直徑的吸收塔，可將直徑、厚度沿塔高度變化的塔式容器視為一個多質點體系，如圖1所示；其中直徑和厚度不變的每段塔設備質量可處理為一個作用在該段高度1/2處的集中質量。由于吸收塔屬于支耳式設備安裝在鋼框架上，設備的自振周期不僅與設備本身結構特性有關，而且與框架結構特性有關，理論計算較復雜。根據《建筑結構荷載規范》(GB5009-2001)附錄F給出的框架基礎塔的自振周期的經驗公式進行計算。

式中H=63.83 m,D0=10 m,計算T1=0.72 s。

1.4 地震載荷計算

根據規范《鋼制塔式容器標準》(JB/T4710-2005)第8.4節，帶入計算條件可得，地震影響系數最大值=0.12，場地土特征周期Tg=0.35 s，吸收塔一階自振周期大于場地土特征周期Tg，小于5Tg,水平地震影響系數位于速度控制下降段，取設備阻尼比ζ=0.035。計算衰減系數γ和阻尼調整系數η2，最終確定水平地震影響系數α，如圖2所示。

圖2 地震影響系數曲線

基本振型系數按以下公式計算

各分段水平地震力按下式計算，計算結果匯總如表3,4所示。

F1k=αη1kmkg

表4 支座下部地震力計算表

計算支座上部地震彎矩：

式中H為吸收塔支座高度,H=35300 mm。

計算支座下部地震彎矩：

式中H為吸收塔支座高度，H=35300 mm。

1.5 風載荷計算

根據規范《鋼制塔式容器標準》(JB/T4710-2005)第8.5節，把吸收塔沿高度方向分成10段，計算各段風載荷及風彎矩。帶入計算條件可得風壓高度變化系數fi，脈動增大系數ξ，脈動影響系數vi，振型系數Φzi。

各計算段的風振系數按下式計算

水平風載荷

Pi=K1×K2i×q0×fi×Dei×10-6

式中 體型系數K1=0.7。結果如表5，6所示。

表5 支座上部風力計算表

表6 支座下部風力計算表

計算支座上部風彎矩

計算支座支座下部風彎矩

1.6 偏心彎矩計算

吸收塔偏心質量me=31138 kg,偏心質量到軸的距離le=8900 mm。計算偏心彎矩

Me=me×le×9.8=

31138×8900×8900=2715856360 N·mm

1.7 最大彎矩計算

塔式容器任意截面處的最大彎矩按下式計算

取其中較大值。

計算支座上部：

7801154986 N·mm<

計算支座下部：

因

1.8 塔殼強度驗算和應力校核

假定直筒段加強筋間距l=2300 mm,根據標準《壓力容器》(GB150-2011)第4節，直筒段的有效厚度假定δe=9 mm,圓筒外直徑D0=10000 mm，D0/δe=10000/9=1111.1，L/D0=2300/10000=0.23，查圖確定A=0.002，圓筒材料為普碳鋼，查外壓應力系數表確定B=27 MPa,圓筒許用軸向壓應力按下式計算

式中K=1.2，[σ]t=120 MPa,計算可得[σ]cr=32.4 MPa。

吸收塔許用拉應力按下式計算

[σ]t=K[σ]tΦ

式中K=1.2，[σ]t=120 MPa， φ=0.7。計算可得[σ]t=100.8 MPa。

吸收塔筒體的穩定和強度計算如表7所示。

經過驗算吸收塔材質為Q235-B,筒體有效厚度為9 mm，滿足強度和穩定性要求。設定筒體的腐蝕裕量為2.5 mm,鋼板的負公差為0.5 mm，所以吸收塔筒體的設計厚度為筒體的有效厚度加上筒體的腐蝕裕量及鋼板的負偏差為12 mm。

表7 吸收塔筒體強度驗算和應力校核表

2 結束語

循環流化床煙氣脫硫吸收塔的設計和應力校核關鍵在于確定塔的自振周期，而由于吸收塔特殊的鋼框架承載結構，吸收塔與框架是剛性連接，在風載或地震力的作用下一起擺動，自振周期計算比較復雜，通過近似計算的自振周期也能滿足實際工況要求。

結合具體的工程案例，通過對吸收塔的受力分析和應力校核，確定吸收塔筒體的有效厚度，從而確定吸收塔筒體的名義厚度，為吸收塔筒體的設計提供依據。本設備已在工程中成功應用。