带烟囱的高塔型脱硫吸收塔有限元分析

1、带烟囱的高塔型脱硫吸收塔有限元分析所属行业：大气治理 关键词：脱硫吸收塔 烟气脱硫 脱硫工 艺 脱硫吸收塔 是工业废气脱硫系统的主要设备，具有直径大、高度高、 厚度小和大开孔率等特点。用MIDAS有限元软件作为结构分析工具， 并结合相关理论，分析了带烟囱的高塔型烟气脱硫 吸收塔塔体以及 主要构件在各种荷载作用下的强度、变形以及稳定性，最后讨论了吸 收塔设计构造等。烟气脱硫是降低煤燃烧所产生的主要污染物二氧化硫的重要措 施。吸收塔是脱硫工艺 中的主要结构，属于大型薄壁壳体钢结构， 设备受到自重、浆液、风、地震及操作压力等荷载的影响，同时塔体 的大开孔削弱了塔体强度，塔顶还自带高烟囱，使得塔体受力

2、十分复 杂，难以用经典解析方法弄清楚塔体的受力情况。文中以某自带烟囱 的高塔型脱硫吸收塔为研究对象，用MIDAS有限元软件对吸收塔进行 建模计算，分析出吸收塔在各工况下的强度及变形，并通过线性屈曲 分析的方法分析了吸收塔结构的稳定性。1工程概况本工程厂址区50年超越概率10%的地震峰值加速度为0.05g，地 震基本烈度为6度，场地土类别为II类，地面粗糙度为B类，50年 一遇基本风压为0.4k/m2。吸收塔塔体、烟道烟囱及塔体加强筋的材 料均为Q235B，材料屈服应力为235MPa，许用应力为113MPa。2吸收塔的有限元模型2.1设计参数吸收塔塔顶标高60m,塔体直径为6.3m,塔壁厚度沿高

3、度分段变 化，从下到上依次为18、14、12、8mm。塔内件主要有2层整流层、 3层喷淋装置、3层除雾器。单层整流层重量为3t；单层喷淋层本体 重量为4.2t，浆液重量为4.2t；单层除雾器重量12t。烟气入口尺 寸为：宽4.6m，高2.56m，顶部烟囱直径为3m，吸收塔内部正压为 5000Pa。吸收塔具体结构布置如图1所示。图1塔内件荷载施加示意图2.2结构建模采用MIDAS GEN有限元软件，用梁单元模拟吸收塔加强筋，用板 单元模拟吸收塔塔体及进口烟道进行建模。塔体沿高度方向均匀布置 加强环筋，进出口烟道与塔体连接处均为大开口矩形孔，开孔部位较 为薄弱，两侧用型钢进行加强；塔体和烟囱连接段

4、为变截面，较为薄 弱，用型钢进行加强。塔体底部受密度为1120kg/m3的石灰浆液静压 力作用，石灰浆的液面高度为9.6m。2.3荷载施加及边界条件吸收塔主要承受自重、内压、风荷载、地震荷载、浆液荷载以及 塔内件荷载作用。有限元模型中荷载的施加方式如下：自重：施加重力加速度g。吸收塔下部浆液荷载：Pg=Pgh，按流体压力荷载施加在塔内壁 上。塔内件荷载：将塔内件荷载转化为节点垂直荷载施加到塔壁上 （见图1）。内压：按压力面荷载施加到塔内壁上。地震荷载：按反应谱分析数据输入，地震作用角度按0、90。 两个方向施加，地震设防烈度为6度，场地类别II类，阻尼比为0.05。风荷载：选取迎风面为矩形孔正

5、面一侧，按压力荷载施加。风压为：其中，高度系数uz和风振系数的取值方法为：将吸收塔沿高度 方向均匀分层计算，从而得出不同高度的风压值。约束条件：塔底采用了 36个地脚螺栓与基础相连接，可视为固 接。3计算结果分析3.1强度分析分7种工况对脱硫塔进行强度分析：（1）塔自重（含塔内件）、浆液荷载、内压；（2）塔自重（含塔内件）、浆液荷载、风压；（3）塔自重（含塔内件）、浆液荷载、地震；（4）塔自重（含塔内件）、浆液荷载、地震、0.5倍风压；（5）塔自重（含塔内件）、浆液荷载、内压、风压；（6）塔自重（含塔内件）、浆液荷载、内压、地震；（7）塔自重（含塔内件）、浆液荷载、内压、地震、0.5倍风压。经

6、有限元分析计算发现，由于浆液荷载的作用，塔体底部有较大 的应力强度；由于开孔处应力集中的影响，进口烟道矩形孔与塔壁连 接处也有较大的应力强度。各工况下塔体下部及矩形开孔处最大强度 应力值如表1所示。表1各工况下强度应力最大值（MPa）可见，工况5为最不利组合，在工况5作用下，塔体底部最大应 力为77MPa，进口烟道矩形孔与塔体连接处最大应力为121MPa，应力 集中部位最大应力的校核条件按Smax1.5。考虑，对于工况5， Smax=1211.5X113=170MPa，满足强度要求。3.2变形分析同样分7种工况进行变形分析。从分析结果得知，在工况5作用 下，烟囱顶部存在最大变形，而其余无风荷载

7、组合的工况下，烟囱顶 部变形相对小很多。可见，风荷载在高塔型吸收塔结构的变形中起主 控作用。塔顶烟囱水平位移量的控制，可参照高耸结构设计规范 中相关规定，并结合实际，位移量控制在H/150即可。而从分析结果 得知，烟囱顶部最大位移为144mmV60000mm/150=400mm，满足设计 要求。3.3稳定性分析3.3.1基本方法稳定性分析分为屈曲分析和非屈曲分析2种，对吸收塔结构进行 非线性屈曲分析过于复杂，意义不大，因此文中采用MIDAS有限元软 件对吸收塔进行线性屈曲分析，考虑塔体自重（含塔内件），浆液荷 载，风载和地震载的组合。3.3.2计算结果及分析由屈曲分析结果可知，第1模态临界荷载

8、系数为20.1，发生失 稳处为进口烟道底部与塔壁连接处，第2模态到第6模态临界荷载系 数范围为22.125.5,发生失稳处均为烟道开孔部位附近。对屈曲分 析结果进行分析，可知：（1）吸收塔结构在相应荷载组合作用下不会发生整体失稳，仅 会发生局部失稳。（2）第1模态临界荷载系数为20.1,安全裕量较大。（3）局部失稳位置也主要在烟道开孔部位附近，说明烟道开孔 部位是整个吸收塔结构最为薄弱的地方。（4）吸收塔稳定安全系数的取值可借用圆筒外压稳定性计算时 的稳定安全系数，取其为3.0。而线性屈曲分析得出安全系数值为 20.1，远大于3，故满足稳定性要求。4结语（1）对于吸收塔这类的薄壁圆筒结构，采用有限元法进行强度