一種基于事故漿液箱的頂進(jìn)式攪拌機(jī)設(shè)計(jì)與加工

任高林，張學(xué)偉，王永亮，魏 強(qiáng)，雷晨輝，馬文鑫，張 振

（中國航天空氣動力技術(shù)研究院，北京 100074）

1 概述

我國現(xiàn)階段脫硫脫硝行業(yè)中，各大電廠處理廢氣，大部分使用石灰石-石膏法煙氣脫硫技術(shù)，據(jù)有關(guān)單位統(tǒng)計(jì)，石灰石-石膏法煙氣脫硫技術(shù)目前已經(jīng)占領(lǐng)中國85%的市場份額，它的操作難度小、技術(shù)可靠，在中國已有幾十年發(fā)展歷史，已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用和認(rèn)可。在傳統(tǒng)脫硫脫硝行業(yè)中，尤其是各大電廠，為了防止意外，提高容錯率，均會設(shè)置一個事故漿液箱。它的作用是一旦相關(guān)設(shè)備出現(xiàn)故障或者檢修時，為了不浪費(fèi)漿液和預(yù)留石膏晶種，可把漿液臨時轉(zhuǎn)存到事故漿液箱中。石膏本身不溶于水，易沉淀，沉淀之后，漿液排出泵將無法工作，攪拌機(jī)可防止石膏沉淀，是事故漿液箱里不可缺少的重要設(shè)備。

事故漿液箱一般都比較大，直徑普遍在10m 以上，通常在10~20m 范圍內(nèi)，在事故漿液箱的攪拌機(jī)選擇上，目前業(yè)主主流上首選側(cè)進(jìn)式攪拌機(jī)。可現(xiàn)實(shí)情況中，一個事故漿液箱往往需要至少3-6 套側(cè)進(jìn)式攪拌機(jī)同時進(jìn)行攪拌作業(yè)。加上它對密封要求高，密封結(jié)構(gòu)件容易損壞，且多為進(jìn)口產(chǎn)品，導(dǎo)致側(cè)進(jìn)式攪拌機(jī)價格居高不下。因?yàn)閿?shù)量較多，也給業(yè)主帶來了沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

本次研究的攪拌機(jī)包括電機(jī)、減速機(jī)、機(jī)架、軸承盒、攪拌器（包含攪拌軸和葉片）和底支撐。由電機(jī)作為動力源，經(jīng)齒輪箱、聯(lián)軸器帶動攪拌槳葉轉(zhuǎn)動，從而使攪拌釜中的物料不沉積，滿足脫硫脫硝技術(shù)中廢氣凈化吸收的漿液濃度要求。

下面作者以之前參與的《華電xx 電廠2×600MW 級煙氣脫硫超低排放工程》里的事故漿液箱為研究背景，進(jìn)行筒高液深頂進(jìn)式攪拌機(jī)設(shè)計(jì)。此工程中的事故漿液箱直徑15m、高15m，此直徑大小在事故漿液箱里具有一定代表性。

2 事故漿液箱工況條件

按照以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，事故漿液箱選用側(cè)進(jìn)式攪拌機(jī)設(shè)計(jì)時的結(jié)構(gòu)形式如圖1 所示。

表1 事故漿液箱運(yùn)行環(huán)境

側(cè)進(jìn)式攪拌機(jī)所屬關(guān)鍵零部件一般采用進(jìn)口品牌，其設(shè)備選型及配置清單如表2 所示。

經(jīng)過市場調(diào)研，每臺側(cè)進(jìn)式攪拌機(jī)價格約為10 萬元。事故漿液箱共選用6 套側(cè)進(jìn)式攪拌機(jī)，總費(fèi)用預(yù)算約60 萬元。

圖1 側(cè)進(jìn)式攪拌機(jī)布局圖

3 頂進(jìn)式攪拌機(jī)設(shè)計(jì)

攪拌機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算

（1）攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速

無擋板條件下的圓筒中的固相懸浮臨界攪拌轉(zhuǎn)速Nc

K-系數(shù)，參考值187-263，一般選取 263；D-攪拌罐內(nèi)徑/m；dp-固體顆粒直徑/mm；Δρ-固體顆粒與液體的密度差/g/cm3；ρ-液體密度 g/cm3；μ-液體粘度 mPa·s；V，p-固體顆粒視體積m3；V-固體顆粒真實(shí)體積m3；

代入相應(yīng)數(shù)值計(jì)算，Nc=21r/min，考慮到攪拌器槳葉為雙層，故事故漿液箱攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速確定為17r/min，攪拌器葉端線速度為4.01m/s。

（2）槳葉類型和槳葉直徑

槳葉類型分為軸向流、徑向流兩種形式，在石灰石-石膏法煙氣脫硫工程當(dāng)中，選擇軸向流槳葉，可以很好地混合固液，達(dá)到理想的工況狀態(tài)。本次設(shè)計(jì)的雙折葉攪拌器和矛形攪拌器均為軸向流，它們特殊的外形設(shè)計(jì)可以讓軸向循環(huán)更顯著，減少錐形沉積區(qū)的產(chǎn)生，從而使顆粒分布與懸浮達(dá)到最理想的狀態(tài)。槳葉直徑一般為反應(yīng)釜直徑的1/2-1/5，考慮此次為組合槳葉，因此上層雙折葉攪拌器槳葉直徑定為4500mm，下層矛形攪拌器槳葉直徑定為3000mm。

（3）攪拌機(jī)電機(jī)功率

電機(jī)功率計(jì)算公式

Np-功率準(zhǔn)數(shù)；ρ-攪拌介質(zhì)密度g/cm3；n-攪拌軸轉(zhuǎn)速r/min；Dj-槳葉直徑/m。

Np 是系數(shù)，與雷諾數(shù)Re 有關(guān)。脫硫脫硝行業(yè)，一般按經(jīng)驗(yàn)值0.81 計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，P=47.935kW?？紤]電機(jī)的使用系數(shù)fb，確保1.2≤fb≤2.0。攪拌容器小時，可以選取1.5≤fb≤2.0；攪拌容器大時，可以選取1.2≤fb≤1.5。

表2 側(cè)進(jìn)式攪拌機(jī)報價表

故，事故漿液箱攪拌機(jī)電機(jī)功率確定為P=75kW。

（4）攪拌軸直徑

攪拌軸直徑計(jì)算公式

M-攪拌軸扭矩N·M；P-攪拌軸軸功率kW；n-攪拌軸轉(zhuǎn)速 r/min；η-傳動效率（η=0.95）；γ-許用扭轉(zhuǎn)角°/m（γ=0.35）；E-剪切彈性模量 Mpa（E=79000）。

經(jīng)計(jì)算，攪拌軸直徑D=170.47mm。故此次事故漿液箱攪拌機(jī)攪拌軸選為直徑273mm，管壁24mm 厚的管軸。

（5）攪拌機(jī)載荷

公式計(jì)算攪拌機(jī)的靜動載荷，扭矩，彎矩

m-攪拌器重量 kg（m=5494kg）；H-懸臂長 mm（H=14400mm）

圖2 頂進(jìn)式攪拌機(jī)總體結(jié)構(gòu)模型

（6）攪拌機(jī)總體結(jié)構(gòu)

本文研究的頂進(jìn)式攪拌機(jī)以電機(jī)作為動力源，電機(jī)與齒輪箱減速機(jī)銷鍵聯(lián)接；齒輪箱與雙支點(diǎn)機(jī)架、雙支點(diǎn)機(jī)架與槽鋼均以法蘭聯(lián)接；40#槽鋼滿焊焊接在釜頂；齒輪箱輸出軸與剛性凸緣聯(lián)軸器、剛性凸緣聯(lián)軸器與攪拌軸均以銷鍵聯(lián)接；軸承盒安裝在雙支點(diǎn)支架里，用螺栓聯(lián)接；攪拌軸與攪拌器葉片用螺栓聯(lián)接；攪拌軸與底支撐用螺釘聯(lián)接；底支撐固定，焊接在反應(yīng)釜底，并按要求進(jìn)行防腐處理。攪拌機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

4 頂進(jìn)式攪拌機(jī)有限元分析

4.1 攪拌器幾何模型

圖3 頂進(jìn)式攪拌機(jī)幾何模型圖

攪拌機(jī)組成的各部分部件中，最核心部件是攪拌器。本文對攪拌器進(jìn)行了有限元仿真分析，其結(jié)構(gòu)如圖3，攪拌器上層雙折葉攪拌器槳葉直徑為4500mm，下層矛形攪拌器槳葉直徑為3000mm。攪拌軸為273×24mm 管軸，長度為14400mm，攪拌器離底1500mm。然后用主流三維軟件進(jìn)行數(shù)字建模，并將數(shù)模導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS。

4.2 網(wǎng)格劃分

用ANSYS 對攪拌器進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，無論是上層雙折葉攪拌器，還是下層矛形攪拌器，都是曲面造型設(shè)計(jì)，且形狀不規(guī)則，因此采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行離散處理[7]，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4 所示。

圖4 攪拌器網(wǎng)格劃分

圖5 攪拌器應(yīng)力位移云圖

圖6 攪拌器應(yīng)變云圖

圖7 底支撐加工圖紙

圖8 雙支點(diǎn)機(jī)架加工圖紙

4.3 攪拌器有限元分析

將攪拌器數(shù)模導(dǎo)入到ANSYS，進(jìn)行網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)定后，進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)有限元仿真，可以得到整個攪拌器模型里，最薄弱的地方是攪拌軸和聯(lián)軸器聯(lián)接部位，最容易發(fā)生形變的位置是矛形攪拌器拐角處（見圖5、圖 6）。

經(jīng)有限元分析，對攪拌軸與聯(lián)軸器聯(lián)接位置，采用實(shí)心軸設(shè)置，提高兩者結(jié)合處的屈服強(qiáng)度，加強(qiáng)攪拌軸的安全性。對矛形攪拌器拐角處進(jìn)行圓弧加大處理，增加此處的過渡圓弧半徑，讓此處的連接更圓滑，減小此處的應(yīng)變。

5 頂進(jìn)式攪拌機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

5.1 底支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)在電廠在事故漿液箱攪拌機(jī)選擇上首選側(cè)進(jìn)式，主要原因就在于事故漿液箱筒高液深，頂進(jìn)式攪拌機(jī)懸臂軸長度過大，極易產(chǎn)生斷裂危險。

為了避免頂進(jìn)式攪拌機(jī)軸過長易斷問題，本設(shè)計(jì)增添了一個底部支撐，讓攪拌軸增加一個支點(diǎn)。底支撐結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

底支撐組成部分：底支撐軸套、底支撐襯套、底支撐支撐座、底支撐安裝法蘭、加固角鋼、螺栓、墊片。安裝時，待整套攪拌傳動裝置（底支撐與軸配合）安裝完畢后，再將DZC-200 安裝法蘭與罐體焊接固定，以保證同軸度，整體安裝完畢后做防腐處理。

底支撐軸套與攪拌軸用螺釘聯(lián)接，底支撐襯套與底支撐支撐座用螺釘聯(lián)接，底支撐支撐座與底支撐安裝法蘭用螺栓聯(lián)接，安裝法蘭直接與事故漿液箱底焊接成一體。

5.2 雙支點(diǎn)機(jī)架設(shè)計(jì)

圖9 雙折葉攪拌器加工圖紙

圖10 矛形攪拌器加工圖紙

事故漿液箱筒高液深，攪拌軸末端不可避免劇烈振動，除了增加一個底支撐外，本文還設(shè)計(jì)增加了一個焊接雙支點(diǎn)支架，焊接支架比一般的鑄鐵支架剛性更好，而雙支點(diǎn)支架比普通支架多一個支撐點(diǎn)，讓長軸在攪拌過程中，運(yùn)行更加平穩(wěn)和安全（見圖8）。

5.3 攪拌器設(shè)計(jì)

攪拌機(jī)最核心的部分是攪拌器設(shè)計(jì)，它的成功與否，決定了整套攪拌機(jī)的可行性，本次設(shè)計(jì)的攪拌器分為上下兩層，上層是雙折葉槳葉形式，下層是矛形槳葉。

雙折葉槳葉優(yōu)點(diǎn)：

雙折葉槳葉是一種高適應(yīng)槳葉，它的槳葉分為兩部分：外葉和內(nèi)葉。外葉和內(nèi)葉成一定角度（45°）布置，槳葉在正常運(yùn)行狀態(tài)下，可以讓周圍液體形成不同旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的內(nèi)圈和外圈，這樣可以產(chǎn)生“自擾流”，用來消除渦流死區(qū)。雙折葉槳葉強(qiáng)化了葉末端的液流狀態(tài)，湍流加強(qiáng)，剪切作用明顯提高，對混和、分散、懸浮、傳熱都有增效作用。它可以一定程度上取代擋板，在沒有擋板的攪拌釜內(nèi)同樣可以得到廣泛應(yīng)用（見圖9）。

矛形槳葉優(yōu)點(diǎn)：

矛形槳葉的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是錨式槳葉，它是錨式槳葉的一種特殊優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了更適應(yīng)錐底攪拌釜，設(shè)計(jì)葉片轉(zhuǎn)彎弧度高，形似一根“長矛”。矛形槳葉取代了一般的平葉槳，它同樣提高了攪拌機(jī)的攪拌效率和適應(yīng)性。矛形槳葉有軸向分流、徑向分流，流型比平直槳葉復(fù)雜，排出能量比平直槳高，綜合效果更好。在低速轉(zhuǎn)動狀態(tài)下，矛形槳葉只產(chǎn)生切線流，剪切作用力小，軸向混合大。不僅適用于一般的平底事故漿液箱，而且可以適應(yīng)錐底事故漿液箱，而在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，錐底事故漿液箱也十分常見（見圖10）。

5.4 攪拌軸設(shè)計(jì)

事故漿液箱筒高液深，導(dǎo)致攪拌軸總長很長，考慮加工、運(yùn)輸和安裝困難，本次設(shè)計(jì)的攪拌軸采用分段式。攪拌軸采用管軸+實(shí)心軸，中間用法蘭聯(lián)接。與聯(lián)軸器相連部分，采用φ180 的實(shí)心軸，可以提高連接處的剛度，與底支撐相連部分，采用φ170 的實(shí)心軸，其余部分采用 φ273×24 管軸，總共分三段，各段之間用螺栓連接，螺栓連接部分要進(jìn)行二次襯膠處理，實(shí)心軸與管軸之間進(jìn)行焊接。具體結(jié)構(gòu)如圖11、圖12 所示。

5.5 攪拌機(jī)總體加工圖

經(jīng)過設(shè)計(jì)優(yōu)化，整套攪拌機(jī)的加工總圖如圖13 所示。

6 筒高液深頂進(jìn)式攪拌機(jī)設(shè)備選型及預(yù)算

經(jīng)對比分析，在筒高液深的事故漿液箱里，如果選用本頂進(jìn)式攪拌機(jī)代替原來的側(cè)進(jìn)式攪拌機(jī)，成本大大降低，經(jīng)濟(jì)成本下降了66.6%（見表3）。

7 結(jié)論

圖11 攪拌軸（上）加工圖

圖12 攪拌軸（下）加工圖

作者在煙氣脫硫脫硝攪拌機(jī)應(yīng)用行業(yè)從業(yè)七年，主持設(shè)計(jì)和參加過國電、華電、大唐國家三大電力集團(tuán)上千個攪拌機(jī)的設(shè)計(jì)、選型、安裝和驗(yàn)收。積累了豐富的現(xiàn)場數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。以上所述都是作者基于多年選型經(jīng)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)上進(jìn)行的選型和設(shè)計(jì)，事實(shí)上，攪拌過程往往伴隨著反應(yīng)過程，所以是一個十分復(fù)雜的混合狀態(tài)，攪拌效果很難通過攪拌器形式、大小進(jìn)行量化，從而建立起定量關(guān)系。因此如果在實(shí)際選型中，遇到特殊工況，要靈活運(yùn)用攪拌器的形式，通過經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算，做出最優(yōu)選型。

本文選取典型的事故漿液箱攪拌機(jī)作為設(shè)計(jì)對象，通過攪拌器槳葉優(yōu)化、雙支點(diǎn)支架、底支撐等設(shè)計(jì)分析，不僅完美地用頂進(jìn)式攪拌機(jī)替換了側(cè)進(jìn)式攪拌機(jī)，而且通過設(shè)計(jì)優(yōu)化，解決了筒高液深漿液箱內(nèi)，側(cè)攪拌攪拌范圍小、渦流死區(qū)多、所需設(shè)備數(shù)量多、設(shè)備總價高等問題，對以后事故漿液箱及相似筒高液深設(shè)備的選型與設(shè)計(jì)有一定的借鑒意義。

表3 頂進(jìn)式攪拌機(jī)預(yù)算表

圖13 頂進(jìn)式攪拌機(jī)加工總圖