3 设备设计说明书

初步设计报告 SJTU设备设计说明书山西武乡21000MW火力发电机组氨法烟气脱硫设计团队：闵行F5小组成员：冯一峰 陈加航 方颖 路会超 王卫秦设计单位：上海交通大学设计时间：2017年7月目录目录1第一章 设备设计综述41.1 设备工艺选择的作用41.2 设备工艺设计的主要内容41.3 设计依据51.4项目情况概述6第二章 多功能吸收塔的设计和选型72.1设计条件72.1.1吸收塔直径82.1.2液气比92.1.3结晶池容积92.1.4喷淋层92.1.5吸收及除雾区域高度92.1.6停留时间102.2吸收塔设计计算示例102.2.1塔径设计102.2.2喷淋塔高度计算112.2.3氧化池设计172.2.4 吸收塔喷淋系统的设计182.2.5搅拌器及相关配置202.2.6吸收塔材料的选择212.2.7吸收塔壁厚的计算212.2.8 吸收塔封头的选择计算232.2.9 裙式支座选择计算242.2.10 配套结构的选择242.3脱硫塔的优化模拟242.3.1模拟条件设计及参数设置252.3.2 计算结果372.4 吸收塔最终参数的确定412.4.1 设计条件412.4.2 塔设备计算结果及选材412.5 塔设备强度核算422.6 设备条件图61第三章 换热器的选型设计623.1换热器的选型设计依据623.2换热器类型简介623.3 换热器的选用原则633.3.1 基本要求633.3.2 介质流程643.3.3 终端温差643.3.4 流速选择653.3.5 压力降653.3.6 传热膜系数663.3.7 污垢系数663.3.8 换热管663.4 换热器型号的表示方法673.5 换热器的选型软件683.6 选型范例（以E102为例）683.6.1 工艺参数确定683.6.2 EDR数据输入693.6.3 换热器结构参数确定703.6.4 详细尺寸723.6设计范例（以热管换热器为例）733.6.1 设置原因733.6.2 设计条件743.6.3计算示例753.6.4软件计算示例773.6.5 计算结果833.7 设备条件图83第四章 反应器设计844.1 反应器说明844.2 设计条件844.3计算示例854.3.1 一级氧化池体积计算854.3.2 二级氧化池体积计算854.3.3 氧化空气量及氧气管径计算854.4 搅拌桨选择864.5 氧化管874.6 动力学参数874.7 计算结果884.8 设备条件图88第五章 泵905.1 概述905.1.1 泵的应用905.1.2 泵的选用原则905.1.3 泵选型的范围905.1.4 泵的选型标准915.2 泵的初步选型915.2.1 泵的分类915.2.2 泵选型的依据945.3 泵的软件选型955.3.1智能选泵软件简介955.3.2 泵选型结果955.4 泵选型结果一览表97第六章 硫铵车间设备选型986.1 概论986.2 旋流器986.2.1 概述986.2.2 旋流器的选型986.3 离心机1006.3.1 概述1006.3.2 离心机选型1006.4 干燥机1016.4.1 概述1016.4.2 振动流化床干燥机选型102第七章 储罐1047.1概论1047.1.1储罐的应用1047.1.2编制依据1047.1.3储罐设计原则1047.1.4储罐的装量系数1057.2储罐设计1067.2.1原料罐1067.2.2事故罐1077.3强度核算1087.4 储罐选型一览表114第八章 设备选型一栏表1153第1章 设备设计综述1.1 设备工艺选择的作用 设备工艺设计是工程设计的基础。化工设备从工艺设计的角度可以分为两类：一类是标准设备或定型设备，是成批、成系列生产的设备，并可以从厂家的产品目录或手册中查到其规格及型号，可直接从设备生产厂家购买；另一类是非标设备或称非定型设备，是根据工艺要求、通过工艺计算及设备专业设计人员设计、需要专门设计的特殊设备，然后由有资格的厂家制造。 在本项目中，反应器与塔设备为非标设备，需要进行专门设计；其他设备，包括换热器、气液分离器、换热器、泵、压缩机和储罐都是标准设备，根据设计要求选择所需的型号，到制定厂家购买即可。 1.2 设备工艺设计的主要内容 (1) 确定单元操作所用设备的类型 这项工作应与工艺流程设计结合起来进行。设备设计的目的是为了满足工艺设计的需求，只有满足单元操作相关要求的设备才是需要的设备。如在完成液体混合物各组分分离过程中，既可以采用萃取方法，也可以采用蒸馏方法，具体选择需要根据混合物的物性进行确定。如组分相对挥发度较大，即优先选用蒸馏方法，否则选择萃取方法进行分离。 (2) 确定设备的材质 根据工艺操作条件（温度、压力、介质的性质）和对设备的工艺要求确定符合要求的设备材质。这项工作应与设备设计专业人员共同完成。 (3) 确定设备的设计参数 设备的设计参数是由工艺流程设计、物料衡算、热量衡算、设备的工艺计算多项工作得到的。对不同的设备，它们有不同的设计参数。 如对反应器，就需要确定反应器的类型，进出口物料的流量、组成、温度与压力以及催化剂的种类和规格等；对塔设备，需要确定进出口物料的流量、组成、温度、压力、塔径与塔的材质、填料类型与填料高度或塔板类型与塔板数等，对于精馏塔还要确定塔顶冷凝器和塔底再沸器的热负荷、换热流体的种类等；对换热器，则需要知道热负荷、换热面积、冷热流体的种类及流量；对流体输送设备，如泵，就需要确定流量、扬程、轴功率、允许吸上高度等。 (4) 确定定型设备（即标准设备）的型号或牌号以及数量 定型设备是一些加工厂成批、成系列生产的设备，即那些可以直接向生产家订货或购买的现成设备。在定型设备中，一些类型的设备是工业各行业已经广泛采用的设备，如泵、压缩机等，这些设备生产厂家多，型号也多，可供选择的范围也大；另一些设备位化工行业常见的大型还是被，如冷冻机、过滤机等，选择范围较小。 对已有标准图纸的设备，确定标准图的图号和型号。随着中国化工设备标准化的推进，有些本来用于非标设备的化工装置，已逐步走向系列化、定型化。这些设备包括换热器系列、容器系列、搪玻璃设备系列以及圆泡罩、F1 型浮阀和浮阀塔塔盘系列等，它们已经有了国家标准。 (5) 确定非标设备设计方案 对非标设备，向化工设备专业设计人员提出设计条件和设备草图，明确设备的型式、材质、基本设计参数、管口、维修安装要求、支承要求及其他要求（如防爆口、人孔、手孔、卸料口、液面计接口等）。 (6) 编制工艺设备一览表 在初步设计阶段，根据设备工艺设计的结果，编制工艺设备一览表，可按非定型工艺设备和定型工艺设备两类编制。初步设计阶段的工艺设备一览表作为设计说明书的组成部分提供给有关部门进行设计审查。 (7) 会签 当工艺设备的施工图纸完成后，与化工设备的专业设计人员进行会签。 1.3 设计依据 设备设计与选型过程中依据的标准如下所示： 钢制化工容器设计基础规定 HG/T20580 20585-2011 钢制化工容器材料选用规定 HG/T20581-2011 钢制化工容器强度计算规定 HG/T20582-2011 钢制化工容器结构设计规定 HG/T20583-2011 钢制化工容器制造技术要求 HG/T20584-2011 化工设备基础设计规定 HG/T20643-2012 化工配管用无缝及焊接钢管尺寸选用系列 HG 20553-93 钢制球形储罐型式与基本参数 GB/T17261-19981.4项目情况概述本项目中设计到的主要工艺设备是多功能吸收塔及其配套的浆池，包括一级氧化池、二级氧化池。除此之外，还涉及泵、旋流器、离心机、干燥机等设备。第2章 多功能吸收塔的设计和选型多功能吸收塔是脱硫装置的核心，是利用含氨溶液来脱去烟气中二氧化硫的主要设备，要保证较高的脱硫效率，必须对吸收塔系统进行详细的计算，包括吸收塔的尺寸设计，塔内喷嘴的配置，吸收塔底部搅拌装置的形式的选择、吸收塔材料的选择以及配套设备的选择（包括法兰、人孔等）。整个吸收塔包括电除雾段、一级吸收段、二级吸收段、浓缩段、结晶池、直排烟囱段等几个工段。根据本工艺的工艺物料及能量平衡。吸收塔设计的主要原始数据如下表：表1.1 吸收塔设计的主要原始数据项目单位数值入口烟气量Nm3/h3250000入口烟气温度110入口温度校正系数1.403入口烟气SO2含量mg/Nm37400出口烟气量Nm3/h3350000出口烟气温度50出口温度校正系数1.1832.1设计条件表2.1 吸收塔设计条件表工段项目单位选用值烟气流速m/s4.1设计压力MPa0.202烟道入口气速m/s15烟道类型方形烟道烟道宽占塔径比例%80浓缩结晶段浓缩段液气比L/m31.5浓缩段喷淋层数2浓缩段喷淋层间距m2浓缩段除雾器高度m2入口烟道上顶面到浓缩段第一喷淋层距离m4入口烟道下底面到结晶池液面距离m2烟气对结晶池液面影响的液面高度m0.5第一吸收段第一吸收段液气比L/m36.5第一吸收段喷淋层间距m3第一吸收段除雾器高度m3第二吸收段第二吸收段液气比L/m31.5第二吸收段喷淋层间距m2第二喷淋层除雾器高度m4顶层喷雾层到除雾器距离m4电除雾器变径扩大段变径角度tan2电除雾器直径m28电除雾器高度m6电除雾器下平面恒径段预留高度m2出口设计气速m/s20出口宽占塔径比例%802.1.1吸收塔直径吸收塔直径由烟气量和烟气流速确定。当入口烟气量一定时.，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、塔内件(如喷淋层、除雾器及衬里)和循环泵等的投资，因此从经济角度考息应该选择较高的烟气流速。但是过高的烟气流速会造成吸收塔的压降增加(增压风机电耗增加)。在湿法脱硫塔设计权烟气流速控制在3-4.5m/s较合理，通常烟气经济流速控制在3.8m/s左右。此外,吸收塔的设计还应满足110%的超负荷工况此时塔内烟气流速以低于4.1m/s为宜。2.1.2液气比液气比是指单位时间内吸收剂循环量和烟气流量之比，提高液气比相当于增大了吸收塔的喷淋密度，是液、气之间的接触面积增大，传质单元数将随之增大，脱硫效率也将增大。但是当液气比超过临界值后，继续提高液气比，脱硫效率增长就会及其缓慢，在实际工程中，提高液气比会使浆液循环泵的流量增大，塔内压力损失增大，从而增加设备的投资和能耗。液气比的最佳范围是1-5L/m3，其中第一吸收段为主要吸收段，由于本项目中烟气含硫量较高，所以采用较大的液气比6.5L/m3，而第二吸收段为辅助吸收段，对经过一级吸收段的烟气进行再吸收，采用较小液气比1.5L/m3,同时浓缩段喷淋主要是利用进口烟气的温度蒸发一部分水分，采用与二级吸收段相同的液气比。2.1.3结晶池容积结晶池容积主要根据浓缩循环量以及浓缩液停留时间确定，然后再根据吸收塔直径可以得到浆液的正常液位，在确定液位高度时，还需要考虑烟气进入后对液面的扰动和液位控制安全，常使液面和烟气入口下边缘具有一定的安全距离。在本项目中，结晶池循环量根据浓缩段液气比确定，浓缩液停留时间一般在10-30min，在这里取停留时间20min，同时正常液面与烟气入口下边缘距离2m。2.1.4喷淋层本项目主要在一级吸收段、二级吸收段以及浓缩段安排喷淋层。吸收段喷淋层设计主要满足脱硫效率要求，一般设计3-4层。彭玲层通常采用单独浆液循环泵供浆。本工程共设置5层喷淋层，其中第一吸收段有3层喷淋层，下边两层的吸收液是来自第一氧化池的一级循环吸收液，最上边一层是来自二级氧化池的补充吸收液，补充一级氧化池的液位损失；第二吸收段设置有2层喷淋层 浓缩段与第二吸收段的液气比相同，在喷淋层设置上也采用相同的设置，采用2层喷淋层，喷淋层间距为2m。2.1.5吸收及除雾区域高度吸收区域高度一般只烟气入口水平中心线至喷淋层中心线的距离，按照烟气流速和停留时间确定，停留时间一般取3-5s，高度实际工程多为7-10m。喷淋层与喷淋层之间的距离为2-3m。在除雾器方面，本项目采用湿式电除雾器和折流板除雾器连用的方式，在浓缩段与一级吸收段之间、一级吸收段与二级吸收段之间以及二级吸收段出口都设置了折流板除雾器。三个折流板除雾器均未在烟气出口，除雾要求不高，采用单层或者双层除雾器，每个折流板除雾器留有高度为2m的空间。湿式电除雾器具有较高的除雾效率，其规格为直径28m，高度6m2.1.6停留时间在整个流程中，吸收段气体停留时间一般选择3-5s。液体浆池的停留时间一般在10-30min，一级氧化池，具有较高的循环量和较多的待氧化量，选择停留时间为25min；二级氧化池相较之下具有较小的氧化量，则选择中等长度的停留时间16min；对于结晶池，较长的停留时间可以充分利用入口烟气的热量，而停留时间过长会致使结晶池体积太大，整体设备太高，安全性下降，在这里选择停留时间为20min。2.2吸收塔设计计算示例2.2.1塔径设计根据锅炉排放的烟气，计算运行工况下塔内烟气体积流量，此时要考虑以下几种情况引起的烟气体积流量的变化情况：塔内操作温度低于烟气进口温度；结晶池在塔内蒸发水分；由于氧化池设计与塔分离，其氧化空气通过浆池后不进入脱硫塔，所以在这里不考虑氧化空气剩余气体量对气量的影响。（1） 吸收塔进口烟气量Va（m3/s）的计算设计条件中提供了进口烟气的标准体积流量，对其进行温度校正可得Va=32500001.403=4559750 m3/s（2） 蒸发水分流量V2（m3/s）的计算烟气在进入喷淋塔后被结晶循环液直接淋洗，温度降低，吸收液蒸发，烟气流速迅速达到饱和状态，烟气水分含量提高5%，则增加水分的体积流量V2（m3/s）为：V2=0.053250000=162500 m3/s综上所述，喷淋塔实际下，塔内的气体流量Vg=Va+ V2=4559750+162500=4722250 m3/s（3） 喷淋塔直径的计算喷淋塔的设计截面为圆形，将上述因素考虑以后，可以得到实际运行状态下烟气体积流量Vg，同时选取塔内烟速u=4.1m/s，则塔径的计算公式为：Di=2Vgu其中：Vg为实际运行装塔下烟气体积流量，4722250 m3/s U为烟气速度，4.1 m3/s因此喷淋塔的内径为：Di=2Vgu= 247222503.144.1=19.97m20m2.2.2喷淋塔高度计算2.2.2.1喷淋塔吸收区高度h1计算含有二氧化硫的烟气通过喷淋塔将此过程中塔内总的二氧化硫吸收量平均到吸收区高度内的塔内容积中，即吸收塔的平均容积负荷平均溶剂吸收率，以表示。首先给出定义，喷淋塔内总的二氧化硫吸收量除以吸收容积，得到单位时间单位体积内的二氧化硫吸收量。=QV=K0Ch其中：C为标准状态下进口烟气的质量浓度，kg/m3为为给定的二氧化硫吸收率，%；本设计方案采用两段吸收 h为吸收塔内吸收区的高度K0为常数，其数值决定于烟气流速和操作温度，K0=3600u273273+t由传质方程可得喷淋塔内单位截面积上吸收二氧化硫的量为G(y1-y2)=kyahym其中：G为载气流量（可以近似看作烟气流量），kmol/(m2s)y1，y2分别为进塔气体中二氧化硫二氧化硫的摩尔分数（标准状态下的体积分数）ky为大内体积内二氧化硫以气相摩尔差为推动力的总传质系数，kg/(m3s)a为单位体积内的有效传质面积，m2/m3ym为平均推动力，即塔底推动力，ym=y1-y2ln(y1y2)所以：= G(y1-y2)/h本塔设计采用二段式吸收，总脱硫效率达到99.7%，出口烟气含量符合国家超净排放标准。第一段吸收吸收率90%，二段吸收率97%，第一段出口二氧化硫质量浓度为740mg/m3，二段出口二氧化硫质量浓度低于22.2mg/m3。（均为标准状态下）上述容积平均吸收率换成kg/(m3s)，可以表示为：=36006422.4273273+tuy1h在喷淋塔操作温度50下，烟气流速为u=3.5m/s（1） 第一吸收段第一脱硫段的脱硫效率为90%，根据原烟气的二氧化硫含量，可以得到二氧化硫的体积分数为：y1=740022.46410001000100%=0.252%总结已有经验，溶剂吸收率范围在5.5-6.5 kg/(m3s)时，取=6 kg/(m3s)，代入可得：6=36006422.4273273+504.10.002520.9h解得第一吸收段的高度h=8.98m9m（2） 第二吸收段第二吸收段的脱硫效率为99.7%，从第一吸收段出来的烟气的二氧化硫含量为740 mg/m3，同第一吸收段计算，可得：6=36006422.4273273+504.10.0002520.997h解得第二吸收段的高度为h=3.93m4m则，吸收段总高度为h1=9+4=13m。2.2.2.2 喷淋塔除雾器高度h2设计吸收塔均应装备除雾器，在正常的运行状态下除雾器的出口烟气中的雾滴浓度应该不大于75mg/m3除雾器一般设置在吸收塔顶部或者出口烟道，通常为二级除雾器。除雾器设置冲洗水，间歇冲洗除雾器。湿法烟气脱硫采用的主要是折流板除雾器。（1） 除雾器的选型折流板除雾器 折流板除雾器是利用液滴与某种固体表面相撞击而将液滴凝聚并捕集的，气体通过曲折的挡板，流线多次偏转，液滴则由于惯性而撞击在挡板被捕集下来。通常，折流板除雾器中两板之间的距离为 20-30mm，对于垂直安置，气体平均流速为23m/s；对于水平放置，气体流速一般为 610m/s。气体流速过高会引起二次夹带。 旋流板除雾器 气流在穿过除雾器板片间隙时变成旋转气流，其中的液滴在惯性作用下以一定的仰角射出作螺旋运动而被甩向外侧，汇集流到溢流槽内，达到除雾的目的，除雾率可达 9099。 喷淋塔除雾区分成两段，每层喷淋塔除雾器上下各设有冲洗喷嘴。最下层冲洗喷嘴距最上层喷淋层（3-3.5）m，距离最上层冲洗喷嘴3.4m。 除雾器的主要设计指标 a.冲洗覆盖率：冲洗覆盖率是指冲洗水对除雾器断面的覆盖程度。冲洗覆盖率一般可以选在 100 %300 %之间。 冲洗覆盖率%=nh2tg2aA100% 式中:n 为喷嘴数量，254个; 为喷射扩散角，90 A 为除雾器有效通流面积 ,185 m2 h 为冲洗喷嘴距除雾器表面的垂直距离,0.05m 所以，冲洗覆盖率%= nh2tg2aA 100% =278%b.除雾器冲洗周期：冲洗周期是指除雾器每次冲洗的时间间隔。由于除雾器冲洗期间会导致烟气带水量加大。所以冲洗不宜过于频繁,但也不能间隔太长,否则易产生结垢现象,除雾器的冲洗周期主要根据烟气特征及吸收剂确定。 c.除雾效率：指除雾器在单位时间内捕集到的液滴质量与进入除雾器液滴质量的比值。影响除雾效率的因素很多,主要包括:烟气流速、通过除雾器断面气流分布的均匀性、叶片结构、叶片之间的距离及除雾器布置形式等。 d.系统压力降：指烟气通过除雾器通道时所产生的压力损失 ,系统压力降越大 ,能耗就越高。除雾系统压降的大小主要与烟气流速、叶片结构、叶片间距及烟气带水负荷等因素有关。当除雾器叶片上结垢严重时系统压力降会明显提高 , 所以通过监测压力降的变化有助把握系统的状行状态 ,及时发现问题 ,并进行处理。 e.烟气流速：通过除雾器断面的烟气流速过高或过低都不利于除雾器的正常运行 ,烟气流速过高易造成烟气二次带水,从而降低除雾效率,同时流速高系统阻力大,能耗高。通过除雾器断面的流速过低,不利于气液分离,同样不利于提高除雾效率。设计烟气流速应接近于临界流速。根据不同除雾器叶片结构及布置形式, 设计流速一般选定在 3.55.5m/ s 之间。本方案的烟气设计流速为 6.9m/s。 f.除雾器叶片间距。除雾器叶片间距的选取对保证除雾效率 ,维持除雾系统稳定运行至关重要。叶片间距大，除雾效率低，烟气带水严重，易造成风机故障，导致整个系统非正常停运。叶片间距选取过小,除加大能耗外 ,冲洗的效果也有所下降，叶片上易结垢、堵塞，最终也会造成系统停运。叶片间距一般设计在 2095mm。目前脱硫系统中最常用的除雾器叶片间距大多在 3050mm。 g.除雾器冲洗水压：除雾器水压一般根据冲洗喷嘴的特征及喷嘴与除雾器之间的距离等因素确定，喷嘴与除雾器之间距离一般小于 1m ,冲洗水压低时,冲洗效果差,冲洗水压过高则易增加烟气带水,同时降低叶片使用寿命。 h.除雾器冲洗水量：选择除雾器冲水量除了需满足除雾器自身的要求外，还需考虑系统水平衡的要求,有些条件下需采用大水量短时间冲洗,有时则采用小水量长时间冲洗,具体冲水量需由工况条件确定,一般情况下除雾器断面上瞬时冲洗耗水量约为 1-4m3/m2.h 除雾器的最终设计参数 本设计中设定最下层冲洗喷嘴距最上层喷淋层的距离比较灵活在1m左右，距离最上层冲洗喷嘴2m。 1)数量：3 套2)类型：V 型 级数：2 级 3)作用：除去吸收塔出口烟气中的水滴，以便减少烟囱出烟口灰尘量。 4)选材：外壳：碳钢内衬玻璃鳞片；除雾元件：阻燃聚丙烯材料（PP）；冲洗管道：FRPP；冲洗喷嘴：PP。 除雾器进出口烟气条件基于锅炉 100%BMCR 工况进行设计表2.2 除雾器进出口参数 除雾器进口 除雾器出口 烟气量 - - 温度 50- 烟气压力 mmAq 113(1.11kPaG) 93(0.91kPaG) 雾滴含量 mg/m3 - 75 5)雾滴去除率：99.75% 为达到除雾器出口烟气雾滴含量小于 75mg/Nm3（干态），除雾器的雾滴去除率需要达到 99.75% 以上。 6)除雾器内烟气流速：6.9m/s a.重散布速度 大直径的雾滴颗粒可以通过除雾器元件惯性作用产生颗粒间碰撞从而去除雾滴。（平均颗粒直径大小为 100200m）。 因此，烟气流速越高，雾滴去除率越高。但是，被去除的雾滴会重新散布，而降低雾滴去除效率。这就是雾滴重散布速度的概念。 b通过除雾器的烟气流速 为了使除雾器的雾滴去除率达到 99.75% 以上，根据吸收塔出口端（即除雾器入口端）雾滴颗粒直径的实际分布状况，直径大于 17m 的雾滴颗粒必须 100完全去除。 综上所述，根据第一部分选定值和以上分析，整个设备设置3处折流板除雾器，第一段除雾器高度2m， 第二段除雾器高度3m，第三段除雾器高度为4m，则折流板除雾器占有的总高度为h2=2+3+4=9m。2.2.2.3 喷淋塔底部浓缩结晶段高度h3设计浓缩结晶段的高度包括浓缩段的高度，烟道入口的高度以及结晶池的高度。（1）烟道烟道入口尺寸计算烟道气速选用15m/s；根据选定参数表格，烟道口宽度占塔径的80%，则L=200.8=16m；根据：烟道口截面积气速=烟气流量校正值，可得：H1615=32500001.4033600解得H=5.93m，取整的烟道入口高度为H=6m。（2）结晶池高度根据浓缩段液气比1.5L/m3，可得浓缩段循环液流量：V=LVVg1.40311000=1.532500001.40311000=6840m3/h浓缩段具有两层喷淋层，每层喷淋层对应一个浓缩循环泵，考虑到循环液流量波动，选择每台泵流量为3500 m3/h结晶池停留时间为20min，据此计算得到结晶池体积350022060=2333 m3结晶池的直径和塔径相等，均为20m，由此的结晶池的液面高度:h=VS=23334202=7.5m考虑到入口烟气和搅拌对液面波动的影响，加上预留值0.5m，液面最终确定的高度为7.5+0.5=8m；同时考虑到烟气入口下底面到结晶池液面距离2m，则结晶池的的整体高度为h=8+2=10m；（3）浓缩段高度根据选定值，浓缩段第一喷淋层距离烟气入口上顶面距离为4m；喷淋层间距为2m。则，浓缩段的总高度为4+2=6m综上所述，浓缩结晶段高度为h3=6+6+10=22m2.2.2.4 电除雾段高度h4设计电除雾段的高度，包括变径（扩大）段和电除雾器段，电除雾器之后变径（缩小）段包含在之后的烟囱高度计算中。（1）电除雾器电除雾器的尺寸了直径28m，高度为6m。为烟气流量平稳，电除雾器入口段恒径段预留了2m高度，保证烟气流速。则电除雾器段高度为6+2=8m。（2）变径（扩大）段变径（扩大）段采用的变径角度的正切值为tan=2，则根据电除雾器直径28m和塔内径20米，可得出变径（扩大）段的高度为28-202tan=8m。则电除雾段高度为h4=8+8=16m2.2.3氧化池设计由于本项目中，二氧化硫含量较高，则吸收液中含有较高的亚硫酸根带氧化量，所以氧化池体积较大，所以氧化池独立于吸收塔，独立设计，每级吸收段对应一个氧化池，分别为一级氧化池和二级氧化池。（1） 一级氧化池设计根据一级吸收段的液气比6.5L/m3，可得浓缩段循环液流量：V=LVVg1.40311000=6.532500001.40311000=24990m3/h浓缩段具有两层喷淋层，每层喷淋层对应一个浓缩循环泵，考虑到循环液流量波动，选择每台泵流量为12500 m3/h结晶池停留时间为25min，据此计算得到结晶池体积1250022560=10417 m3。第一氧化池为主要的亚硫酸盐氧化工段，其直径略大于塔径，取为28m，由此的结晶池的液面高度:h=VS=104174282=16.9m在考虑通入氧化空气对影响以及液面的波动，选择液面预留值为1.1m，则一及氧化池的液面高度为18m，在考虑到生产过程中整个流程的工况波动，预留氧化池液面到氧化池顶部的距离为4m则，一级氧化池的参数为直径28m，高度22m，液面高度18m。（2） 二级氧化池二级氧化池采用类似于一级氧化池的设计，高度为22m，液面高度为18m，根据液气比1.5L/m3，同理可得其直径取整为12m。2.2.4 吸收塔喷淋系统的设计在满足吸收二氧化硫所需表面积的同时，应该尽量把喷淋造成的压力损失降低到最小，喷嘴是净化装置的最关键部分，必须满足以下条件： （1） 能产生实心锥体形状，喷射区为圆形，喷射角度为 60-120； （2） 喷嘴内液体流道大而畅通，具有防止堵塞的功能； （3） 采用特殊的合金材料制作，具有良好的防腐性能和耐磨性能； （4） 喷嘴体积小，安装清洗方便； （5） 喷雾液滴大小均匀，比表面积大而又不容易引起带水；雾化喷嘴的功能是将大量的吸收液转化为能够提供足够接触面积的雾化小液滴以有效脱除烟气中二氧化硫。采用的喷嘴一般为离心压力雾化喷嘴，可粗略分为旋转型和离心型。常用的有空心锥切线型、实心锥切线型、双空心锥切线型、实心锥型、螺旋型等 5 种。 喷嘴布置分成 2-6 层，一般情况下为 4 层；层数的安排可以根据脱硫效率的具体要求来增减。底负荷时可以停止使用某一层，层间距 1-3 米，离心式喷嘴 1.7 米。实际上从浆液池液面到除雾器，整个高度都在进行吸收反应。因而实际吸收区高度要比 h 高 6-8 米。 本方案吸收段采用 6 层喷嘴，层间距根据吸收段不同改变，一级吸收段3m，二级吸收段2m。每台吸收塔再循环泵均对应一个喷淋层，喷淋层上安装螺旋嘴，其作用是将吸收浆液雾化。吸收液液由氧化池的再循环泵输送到喷嘴，喷入烟气中。喷淋系统能使吸收液液在吸收塔内均匀分布，流经每个喷淋层的流量相等。一个喷淋层由带连接支管的母管制吸收液分布管道和喷嘴组成，喷淋组件及喷嘴的布置成均匀覆盖吸收塔的横截面，并达到要求的喷淋浆液覆盖率，使吸收液与烟气充分接触，从而保证在适当的液/气比（L/G）下可靠地实现至少各段要求的脱硫效率，且在吸收塔的内表面不产生结垢。喷嘴系统管道采用 FRP 玻璃钢，喷嘴采用 SIC,是一种脆性材料，但是特别耐磨，而且抗化学腐蚀，可以长期运行而无腐蚀、无磨损、无石膏结垢以及堵塞等问题。 2.2.4.1 喷嘴布置设计原理（1) 喷管管数的确定 根据单层浆体总流量 Q和单个喷嘴流量 Qs，可得单层喷嘴个数 n Ql =总喷淋量层数单个喷嘴流量取为 Qs=0.75L/s 单层喷嘴总数为 n=Ql /Qs 单喷管最大流量 Qmax,s =P4DmaxV 单喷淋层主喷管数 N = int（QlQmax,s）+1式中： Dmax 为单喷淋管可选最大管径，0.04m； V 为喷淋管内最大流速，6m/s。（2) 各喷管间距的确定根据脱硫塔直径、喷嘴个数等参数，各喷管之间间距： Lsp =Dim /Nsp式中： Dim 为脱硫塔内径 Nsp 为喷嘴间距 （3) 各支喷管直径的确定根据布置在主管、各支管的喷嘴个数以及单喷嘴流量，可以确定主管各段、各支管喷管直径 Di =4Qi pV式中：Qi 为节点 i 处浆体流量，m3/sDi 为节点 i 处喷管直径，m （4) 喷淋层在塔内覆盖率的确定喷淋层在脱硫塔内覆盖率为： a = AEFF/A 100%式中 AEFF 为单层喷嘴在脱硫塔内的有效覆盖面积， A 为脱硫塔面积，314m2 根据计算，本次设计选用螺旋喷嘴。对于每个喷淋层，平均每平方米布置一个喷嘴，与塔壁的距离1m，需要喷管管数为9，各喷灌间的距离为2米，并且实现了较高的重洗覆盖率278%。计算主要包括喷淋层内主喷管数、各支喷管的管径及流速、喷嘴在塔内位置等的计算及设计。根据上述设计方法、结合实际经验，确定喷淋层内各喷管直径、各个喷嘴位置等几何参数。 在确定喷嘴布置设计中，需要确定喷嘴在塔内的位置坐标在确定各支喷管直径时，要根据厂家提供的标准管径来选取。在确定各个支喷管直径后，还要根据厂家提供的喷嘴与各主、支喷管之间间距要求，对初步喷嘴位置进行调整，以避免喷出的液滴与喷管发生喷射碰撞。 在喷嘴布置完成后，需要确定喷淋层在塔内的履盖率以及多层覆盖状况，验证喷嘴布置的合理性。 2.2.4.2进行喷嘴在塔内布置设计中应该注意以下问题： （1)选择合理的喷嘴覆盖高度，通常根据喷嘴特性及两层喷淋之间距离来确定。 （2)选择合理的单层喷嘴个数。一般来说，喷嘴个数根据工艺计算来确定。 （3)当喷嘴覆盖高度确定以后，就可以计算单个喷嘴的覆盖面积， （4)当在脱硫塔内布置喷嘴时，选择合适的喷嘴之间的距离。通常根据喷嘴个数和脱硫塔直径来选择喷嘴间距，并要与连接喷嘴的喷管布置方案整体考虑。 （5)选择合理的经济流速，并根据喷管产品的标准来确定石灰石浆液母管和支管直径。 （6)当检验喷淋层在脱硫塔覆盖率时，不仅要考虑喷嘴液流与母管、支管和支撑的碰撞对覆盖率的影响，还要考虑所有喷嘴在脱硫塔内覆盖均匀度。 2.2.5搅拌器及相关配置 在经过吸收塔之后，吸收液液经过脱硫过程之后，变成了(NH4)2SO3 和 NH4HSO3，此时为了使氧化风机鼓入的空气能够充分地和(NH4)2SO3 和 NH4HSO3接触，以便充分氧化，需要(NH4)2SO3 和 NH4HSO3的混合溶液内部颗粒分布均匀，在这种情况下，需要使用搅拌器来使溶液悬浮颗粒均匀混合，同时增大和空气接触的面积。 由于底部溶液是固体悬浮溶液。根据不同搅拌过程的搅拌器型式推荐表、搅拌器型式适用条件表以及搅拌器型式使用范围表。 在吸收塔结晶池、两级氧化池的下部，沿塔径向布置四台侧进式搅拌器，其作用是使浆液的固体维持在悬浮状态，同时分散氧化空气。搅拌器安装有轴承罩、主轴、搅拌叶片、机械密封。搅拌器叶片安装在吸收塔降池内，与水平线约为 10 度倾角、与中心线约为-7 度倾角。搅拌桨型式为三叶螺旋桨，轴的密封形式为机械密封。在吸收塔旁有人工冲洗设施，提供安装和检修所需要的吊耳、吊环及其他专用滑轮。采用低速搅拌器，有效防止浆液沉降。吸收塔搅拌器的搅拌叶片和主轴的材质为合金钢。在运行时严禁触摸传动部件及拆下保护罩。向吸收塔加注浆液时，搅拌器必须不停地运行。 叶片和叶轮的材料等级是 ANSI/ASTMA17680a，搅拌器轴为固定结构，转速适当控制，不超过搅拌机的临界转速。所有接触被搅拌流体的搅拌器部件，必须选用适应被搅拌流体的特性的材料，包括具有耐磨损和腐蚀的性能。 2.2.6吸收塔材料的选择 因为脱硫塔承受压力不大，而且 16MnR 钢材综合力学性能、焊接性能以及低温韧性、冷冲压以及切削性能比较好，低温冲击韧性也比较优越，价格低廉，应用比较广泛。故塔壁面由 16MnR 钢材制造，为了节约材料和防止腐蚀，内衬橡胶板防腐层，其烟气入口部分内衬玻璃鳞片加耐酸瓷砖。2.2.7吸收塔壁厚的计算2.2.7.1 吸收塔计算壁厚的计算由于操作压力不大，假设计算壁厚小于 16 毫米，根据化工设备设计教材附录，16MnR 钢板在操作温度下的许用应力为St =170Mpa。 对于浆液池部分由于浆液会对塔壁产生压力，因此计算时还要这部分压力考虑在内，同时假设塔内的计算压力取 0.202MPa （2个标准大气压） PC=0.202+ rgh（r 为浆液密度 1020kg/m3，g=9.81m/s2,h 浆液池高度7.06m） 所以 PC=0.202+ rgh =0.202106 +10209.817.06=0.29210 6 Pa=0.292MPa （1）吸收塔（喷淋塔）的计算壁厚公式为: S=PcDi/ (2St Pc) (mm)其中： Pc 计算压力，对于浆液池以上部分取二倍大气压，0.202 MPa PC=0.292MPa Di 圆筒或者球壳内径,为 3800mm 焊接接头系数，取 =1; C壁厚附加量,取C=1.00mm C2腐蚀裕量,mm ; C1钢板厚度负偏差,mm 对于喷淋塔顶部以下浆液池以上的部分（简称上部分） 根据取腐蚀裕量 C2=1.00mm,查表可得 C1=0.25mm 则C1 + C2=0.25+1=1.25mm 计算结果圆整后取 Sn=12.00mm 因此脱硫塔上部分应该选用的壁厚为 12.00mm 的 16MnR 钢材，与上面的假设相符12.0mm16.00mm （2）对于喷淋塔结晶池液池部分（简称下部分） S= Ptc Di/(2S-Pc) (mm)根据取腐蚀裕量 C2=1.00mm ,查表可得 C1=0.5mm 则C1+ C2=0.5+1=1.5mm计算结果圆整后取 S n =12mm 2.2.7.2 吸收塔计算壁厚的液压试验校核上部分：ST=PT(Di+Se)2Se（设计试验温度为200，则S=170Mpa）其中:PT=1.25PSStSe=Sn-C因此计算可得ST=PT(Di+Se)2Se=185Mpa0.9Ss(S0.2)=257.6Mpa 所以液压试验强度符合要求。对于下部分，同理可得ST=PT(Di+Se)2Se=199Mpa0.9Ss(S0.2)=213.8 Mpa 所以液压试验符合要求。2.2.7.3 吸收塔的最小壁厚根据相关规定，塔壳圆筒不包括腐蚀裕量的最小厚度，对于碳钢和低合金钢的塔设备为0.2%的塔径，而且不小于4mm。而喷淋塔的内径为20000mm，所以最小壁厚Smin=0.2%20000=40mm根据腐蚀裕量C2=1.00mm，查的C1=0.8mm则 C1+C2=1.8mm40+C=40+1.8=41.8mm 圆整后的Sn=42mm综合以上计算壁厚和最小壁厚的结果，最终确定喷淋塔的厚度为42mm2.2.8 吸收塔封头的选择计算考虑到封头和筒体采用双面焊接的焊接方法进行焊接，根据力学知识，为了不是应力集中破坏设备，决定两端封头采用浅碟形分头，根据相关知识，在浅碟形封头内部：（1） 球面部分半径Ri不得大于筒体内径Di，一般取Ri=0.9Di（2） 折边半径r在任何情况下不得小于筒体内径的10%即2000mm，而且不应该小于3倍的封头名义厚度Sn（封头）浅碟形封头的尺寸为：Di=20000mm，Ri=0.9Di=18000mm，r=2500mm则浅碟形封头的形状系数 M=14(3+Rir)而Rir=180002500=2.83，取值为Rir=3Pc=0.292Mpa，材料选用16MnR刚才，故St=170Mpa，=1，C2=2.00mm所以S= MPcRi2St-0.5Pc= 1.50.2921800021701-0.50.292 =37.29mm负偏差C1=0.5mm，C=C1+C2=2.5mmS+C1+C2=37.29+2.5=37.79mm 圆整后取40mm此时浅碟形封头的最大允许工作压力PW= 2StfSeMRi+0.5Se =0.389Mpa0.202Mpa故强度不符合符合要求，因此再利用SW6-2011对蝶形封头进行校核，建议浅碟形封头的厚度为63mm，取65mm下端蝶形封头与塔体采用焊接方式，由于上端为直排烟囱，本设备不设置上端封头。2.2.9 裙式支座选择计算立式容器的制作主要有耳式支座、腿式支座、支承式制作和裙式支座四种。中小型直立容器采用前三种支座，高大的塔设备则采用裙式支座。本设计中，吸收塔的内径为20000mm，而吸收塔的高度为90m，根据化工设备机械基础附表选用裙座的规格为：裙座圈厚度 45mm，基础环厚度58.5mm地脚螺栓个数106，公称直径M48裙座的材料选用Q238-AR，塔体与裙座采用对接焊接，塔体接头焊接系数为1，裙座的壁厚取45mm，裙座的壁厚附加量取C=2mm。2.2.10 配套结构的选择（1） 吸收塔（喷淋塔）进料浆液管道和配套阀门的设计选择 设计时应该充分考虑到石灰石浆液对管道系统的腐蚀与磨损，一般应该选用衬胶管道或者玻璃钢管道。管道内介质流速的选择既要 考虑到应该避免浆液沉淀，同时又要考虑到管道的磨损和屹立损失减少到最小9。而且浆液管道上的阀门应该选用蝶阀，尽量少采用调节阀门。阀门的流通直径与管道一致9。 （2） 吸收塔（喷淋塔）配套结构的选择（人孔选择） 塔设备内径大于 2500mm，封头和筒体都应该开设人孔，室外露天设备，考虑清洗，检修方便，一般选用公称直径 450mm 或者 500mm 的人孔；常压大型设备，贮槽则选用公称直径为 500mm 或者 600mm 的人孔。 综上所述，本设计方案中的吸收塔应该选用公称直径为 500mm 的人孔。 dwS DD1BbB1B2H1H2螺栓直径长度5306 62058530014101216090M1652.3脱硫塔的优化模拟本部分主要对上一部分的计算结果进行模拟验证。建立控制微分方程组，把几何条件、结构尺寸和进出口状态作为定解条件，通过计算求解控制微分方程组，得到区域内的定解空间分布，预测燃烧和传热性能。这种计算机模拟技术的快速发展始于七八十年代，到目前为止，计算机模拟技术是国内外能源领域的研究者们普遍采用的手段，也趋向于实用性。通过使用计算流体力学模型，可以对混合系统、喷射系统和流动调节系统进行设计，并以此建立测试方案。通过计算流体力学模型和测试方案的联合利用，可以对设计进行仔细的修改，以满足混合均匀性、速度分布和压降的要求。根据实际的模型测试，就可完成一个全尺寸的设备设计和安装。这里运用 Fluent流体软件，模拟脱硫塔内的气液多相流动，并进行数值分析，为脱硫塔的优化设计提供理论依据。Fluent 软件是流体力学中通用性较强的一种商业软件，它既可以为工程设计服务，又可为科学研究所用。利用商业软件进行仿真与计算已是科学研究中的一项重要手段，有更多的时间和精力考虑问题的物理本质，优化算法和参数的设定等，从操作性工作中解脱出来。从研究方向、方法上进行指导。这样势必大大地提高工作效率。2.3.1模拟条件设计及参数设置2.3.1.1模型尺寸确定根据之