变径结构在脱硫塔设计中的应用

韩松

（西安航天源动力工程有限公司，西安 710100）

石灰石-石膏湿法脱硫技术是燃煤烟气脱硫的主流技术，占现有烟气脱硫技术的90%以上。烟气脱硫塔作为湿法脱硫技术的核心设备，其设计是石灰石-石膏脱硫技术的关键。

如图所示，脱硫塔自下而上分为储浆段、进口烟气段、吸收段、除雾段、出口烟气段等部分，储浆段是主要收集并存储来自喷淋层落下的浆液、氧化浆液以形成石膏的区域；进口烟气段底部高于储浆段最高液面为1.5～3m，主要为未净化烟气提供过流通道；吸收段主要布置喷淋层及增强气液接触的塔内件，并作为液气接触的竖向空间；除雾段主要除去烟气携带的液滴；出口烟气段之后连接净烟道或塔顶部直排烟囱。

脱硫塔结构示意图

脱硫塔属于常压塔体设备，常见的为等直径薄壁钢结构，即各段按照等径设计。塔体需设有若干矩形孔和圆形孔及连接进、出口烟道的接口，壳体外设有加强圈及爬梯平台等，内设有喷淋层、除雾器及相关支撑梁等，有的塔顶设置直接排放的烟囱或湿式电除尘，结构形式较为复杂。脱硫塔所受载荷有：烟气压力、浆液重量、塔内件（喷淋层、除雾器及相关支撑梁）载荷、积灰载荷、外部风载、雪载及地震等作用力，受载荷情况复杂[1]。借助其他行业变径塔体设计的经验[2]，结合脱硫行业的特殊工况特点，经过近年来对脱硫结构设计技术的积累，变径塔的强度和稳定性从计算模型校核上及工程设计上都取得了重大突破，目前变径结构设计已在脱硫行业广泛应用，成为脱硫塔结构设计的必备技术。随着脱硫设计工况的不同，近年来出现了变径段的不同位置的应用。

（1）变径段位于出口烟气段之上

在出口烟道段正上方通过变径缩小流通面积，在其之上布置一段内部防腐的小锥度薄壁钢结构，属于典型的塔顶直排烟囱设计（或称直排烟囱）。典型的应用就是脱硫塔顶部直接设置烟囱的技术。随着湿法脱硫技术防腐技术不断进步，在取消GGH（烟气-烟气换热器）后，湿法脱硫多选用塔顶直排烟囱技术，以省略净烟道及湿烟囱等部分的投资及后期维护费用，常见于小烟气量脱硫项目中。

（2）变径段位于出口烟气段与除雾段之间

在除雾段之后通过变径增大过流面积，布置湿式电除尘器，再连接出口烟道段，属于塔顶湿电的设计方式。针对粉尘的超净排放，部分环保公司选用湿电技术。而塔顶湿电通常以塔壁为支撑，少数情况辅助以塔外立柱支撑，因湿电烟气流速低于吸收段等处流速，故塔顶湿电设计必然涉及到变径结构。相对于烟道式湿电（布置在出口烟道处），塔顶湿电流场效果好、节省钢材、占地面积小并冲洗水易于汇集入塔，应用较烟道式湿电多。

（3）变径段位于除雾段

在吸收段之后通过变径增加过流面积，之后安装除雾器，该种变径设计多见于旧塔改造项目，多因原有除雾段烟气表面流速过快，不能有效去除净烟气中的液滴，导致出现“石膏雨”现象。在更换除雾器等措施无法满足排放要求的情况下，通过变径设计修改局部过流面积的简易修改，即可达到减小气液夹带，降低出口烟气液滴含量和粉尘浓度。

（4）变径段位于吸收段

在进口烟气段上方通过变径增加烟气过流截面，以降低吸收段的烟气流速，从而增加脱硫烟气停留时间，增加脱硫效率，单独增加吸收段直径在工程上应用较少，一般选用与持液段等径，通过调整喷淋层竖向高度来增加气液接触时间。

（5）变径段位于储液段

在储液段之上通过变径设计减小烟气流通面积，之后布置进口烟气段，属于典型的“大肚塔”设计。对于等径设计时储液段液位较高的情况，多选用“大肚塔”设计：1）可有效降低塔上各处的标高，对应地可节省支架及附件的钢材用量，如进、出口烟道标高降低，其支架高度对应降低，塔外壁附着的爬梯用钢材节省。另外可有效减小施工难度，可降低吊装高度和塔内外的脚手架竖向的搭设高度；2）便于设备选型。大多习惯于采用侧进式搅拌和矛枪式氧化曝气的组合设计，在高液位选用等径设计的情况下，选用常见型号的氧化风机时，有时不得已会选用高、低两层搅拌装置，并于高层搅拌器处布置矛枪曝气管。而选用“大肚塔”设计可将液位降低至通常液位，利于侧进式+矛枪曝气的组合设计。随着近些年，脉冲悬浮搅拌和管网式氧气曝气组合工艺的成熟，为更大直径的“大肚塔”的设计提供了可能。“大肚塔”多见于高含硫烟气或高液位的工况。

综上所述，对变径结构的强度和稳定性等设计的突破，为脱硫塔结构的多样化、灵活性提供了可能，使脱硫塔的设计可根据具体的烟气参数及现场工况选择最优的结构形式。尤其是塔顶湿电、塔顶直排烟囱、“大肚塔”等的设计，因各自独特的优势，在湿法脱硫中较为常见，已被环保企业广泛采纳。同时需注意的是：选用变径设计，变径处的强度和稳定性设计成为结构设计的难点，同时施工过程中的变径处的焊接及防腐需严格把关。