循环流化床烟气脱硫吸收塔的设计与应力校核*

陈 荣

(中冶华天工程技术有限公司， 江苏 南京 210019)

引 言

随着国家推进钢铁行业超低排放改造的持续进行，循环流化床烟气脱硫技术以其工艺流程简单，脱硫效率高，投资少，运行费用低，适应性好，不产生二次污染等特点获得越来越广泛的应用。作为核心工艺设备的吸收塔属于薄壁高耸塔式结构，规范《钢制塔式容器标准》(JB/T4710-2005)仅适用于裙座自支承塔器的设计计算，而吸收塔一般采用钢结构框架支承，不适用于此规范计算，本文通过一个工程实例探索此类塔型容器的设计和应力校核方法。

1 设计与应力校核

1.1 基本设计条件及受力分析

设置地区基本风压值q0=600 N/m2；地震烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15g；场地土类型为II类场地，地震分组为第一组；地面粗糙度为B类；基本雪压为0 kN/m2,吸收塔底部直径为5100 mm，直筒段直径为10000 mm，吸收塔方形顶部尺寸为8900×8900 mm，高度为9700 mm，吸收塔外表面附有200 mm厚的保温层，保温层密度按150 kg/m3计算，吸收塔内壁附着物厚度按100 mm考虑，密度按1300 kg/m3计算，按吸收塔支座设置在35.3 m位置,脱硫塔总高度为63.83 m。吸收塔设计压力为-6000 Pa，设计温度为150 ℃，钢板腐蚀余量为2.5 mm，钢板负公差为0.5 mm。根据经验，取直径为5100 mm的筒体有效厚度δe1=7 mm，直径10000 mm筒体有效厚度δe2=9 mm，吸收塔方形顶部有效厚度δe3=5 mm，锥段的有效厚度按大直径计算。

吸收塔筒体设计须考虑吸收塔自重，附属设备自重,风载荷和地震载荷,吸收塔内的积垢载荷,偏心载荷等因素的影响。

如图1所示，将吸收塔沿高度方向划分为8个截面，且在支座V-V截面处划分为上、下两部分：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处为V-V截面以上部分的应力集中点，主要受筒体风弯矩(或地震弯矩)以及偏心质点的弯矩导致的轴向压应力，筒体自重形成的轴向压应力，负压形成的轴向压应力；B处为V-V截面以下部分的应力集中点，主要受筒体风弯矩(或地震弯矩)形成的轴向拉应力，筒体自重生成的轴向拉应力，负压形成的轴向压应力。

图1 吸收塔多质点体系示意图

1.2 各段重量计算

根据《钢制塔式容器标准》(JB/T4710-2005)，对图1中的每段操作质量mi(i=2-9)进行计算，公式如下

mi=mi,01+mi,02+mi,03+mi,a+mi,θ

式中mi为第i段塔体的操作质量；mi,01为塔壳质量；mi,02为塔内结垢质量；mi,03为保温材料重量；mi,a为人孔接管法兰重量；mi,e为第i段偏心重量。

把吸收塔分两部分，支座上部分质量如表1所示，支座下部分质量如表2所示。

表1 支座上部吸收塔各分段质量

表2 支座下部吸收塔各分段质量

1.3 自振周期计算

在地震载荷和风载荷的计算中，均要求引用吸收塔的基本参数——自振周期。对于不等厚度、不同直径的吸收塔，可将直径、厚度沿塔高度变化的塔式容器视为一个多质点体系，如图1所示；其中直径和厚度不变的每段塔设备质量可处理为一个作用在该段高度1/2处的集中质量。由于吸收塔属于支耳式设备安装在钢框架上，设备的自振周期不仅与设备本身结构特性有关，而且与框架结构特性有关，理论计算较复杂。根据《建筑结构荷载规范》(GB5009-2001)附录F给出的框架基础塔的自振周期的经验公式进行计算。

式中H=63.83 m,D0=10 m,计算T1=0.72 s。

1.4 地震载荷计算

根据规范《钢制塔式容器标准》(JB/T4710-2005)第8.4节，带入计算条件可得，地震影响系数最大值=0.12，场地土特征周期Tg=0.35 s，吸收塔一阶自振周期大于场地土特征周期Tg，小于5Tg,水平地震影响系数位于速度控制下降段，取设备阻尼比ζ=0.035。计算衰减系数γ和阻尼调整系数η2，最终确定水平地震影响系数α，如图2所示。

图2 地震影响系数曲线

基本振型系数按以下公式计算

各分段水平地震力按下式计算，计算结果汇总如表3,4所示。

F1k=αη1kmkg

表4 支座下部地震力计算表

计算支座上部地震弯矩：

式中H为吸收塔支座高度,H=35300 mm。

计算支座下部地震弯矩：

式中H为吸收塔支座高度，H=35300 mm。

1.5 风载荷计算

根据规范《钢制塔式容器标准》(JB/T4710-2005)第8.5节，把吸收塔沿高度方向分成10段，计算各段风载荷及风弯矩。带入计算条件可得风压高度变化系数fi，脉动增大系数ξ，脉动影响系数vi，振型系数Φzi。

各计算段的风振系数按下式计算

水平风载荷

Pi=K1×K2i×q0×fi×Dei×10-6

式中 体型系数K1=0.7。结果如表5，6所示。

表5 支座上部风力计算表

表6 支座下部风力计算表

计算支座上部风弯矩

计算支座支座下部风弯矩

1.6 偏心弯矩计算

吸收塔偏心质量me=31138 kg,偏心质量到轴的距离le=8900 mm。计算偏心弯矩

Me=me×le×9.8=

31138×8900×8900=2715856360 N·mm

1.7 最大弯矩计算

塔式容器任意截面处的最大弯矩按下式计算

取其中较大值。

计算支座上部：

7801154986 N·mm<

计算支座下部：

因

1.8 塔壳强度验算和应力校核

假定直筒段加强筋间距l=2300 mm,根据标准《压力容器》(GB150-2011)第4节，直筒段的有效厚度假定δe=9 mm,圆筒外直径D0=10000 mm，D0/δe=10000/9=1111.1，L/D0=2300/10000=0.23，查图确定A=0.002，圆筒材料为普碳钢，查外压应力系数表确定B=27 MPa,圆筒许用轴向压应力按下式计算

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

吸收塔许用拉应力按下式计算

[σ]t=K[σ]tΦ

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

吸收塔筒体的稳定和强度计算如表7所示。

经过验算吸收塔材质为Q235-B,筒体有效厚度为9 mm，满足强度和稳定性要求。设定筒体的腐蚀裕量为2.5 mm,钢板的负公差为0.5 mm，所以吸收塔筒体的设计厚度为筒体的有效厚度加上筒体的腐蚀裕量及钢板的负偏差为12 mm。

表7 吸收塔筒体强度验算和应力校核表

2 结束语

循环流化床烟气脱硫吸收塔的设计和应力校核关键在于确定塔的自振周期，而由于吸收塔特殊的钢框架承载结构，吸收塔与框架是刚性连接，在风载或地震力的作用下一起摆动，自振周期计算比较复杂，通过近似计算的自振周期也能满足实际工况要求。

结合具体的工程案例，通过对吸收塔的受力分析和应力校核，确定吸收塔筒体的有效厚度，从而确定吸收塔筒体的名义厚度，为吸收塔筒体的设计提供依据。本设备已在工程中成功应用。