一種基于事故漿液箱的頂進式攪拌機設計與加工

任高林，張學偉，王永亮，魏 強，雷晨輝，馬文鑫，張 振

（中國航天空氣動力技術研究院，北京 100074）

1 概述

我國現階段脫硫脫硝行業中，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，據有關單位統計，石灰石-石膏法煙氣脫硫技術目前已經占領中國85%的市場份額，它的操作難度小、技術可靠，在中國已有幾十年發展歷史，已經得到廣泛的應用和認可。在傳統脫硫脫硝行業中，尤其是各大電廠，為了防止意外，提高容錯率，均會設置一個事故漿液箱。它的作用是一旦相關設備出現故障或者檢修時，為了不浪費漿液和預留石膏晶種，可把漿液臨時轉存到事故漿液箱中。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，攪拌機可防止石膏沉淀，是事故漿液箱里不可缺少的重要設備。

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，在事故漿液箱的攪拌機選擇上，目前業主主流上首選側進式攪拌機。可現實情況中，一個事故漿液箱往往需要至少3-6 套側進式攪拌機同時進行攪拌作業。加上它對密封要求高，密封結構件容易損壞，且多為進口產品，導致側進式攪拌機價格居高不下。因為數量較多，也給業主帶來了沉重的經濟負擔。

本次研究的攪拌機包括電機、減速機、機架、軸承盒、攪拌器（包含攪拌軸和葉片）和底支撐。由電機作為動力源，經齒輪箱、聯軸器帶動攪拌槳葉轉動，從而使攪拌釜中的物料不沉積，滿足脫硫脫硝技術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，進行筒高液深頂進式攪拌機設計。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

按照以往設計經驗，事故漿液箱選用側進式攪拌機設計時的結構形式如圖1 所示。

表1 事故漿液箱運行環境

側進式攪拌機所屬關鍵零部件一般采用進口品牌，其設備選型及配置清單如表2 所示。

經過市場調研，每臺側進式攪拌機價格約為10 萬元。事故漿液箱共選用6 套側進式攪拌機，總費用預算約60 萬元。

圖1 側進式攪拌機布局圖

3 頂進式攪拌機設計

攪拌機參數設計計算

（1）攪拌機轉速

無擋板條件下的圓筒中的固相懸浮臨界攪拌轉速Nc

K-系數，參考值187-263，一般選取 263；D-攪拌罐內徑/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-固體顆粒真實體積m3；

代入相應數值計算，Nc=21r/min，考慮到攪拌器槳葉為雙層，故事故漿液箱攪拌機轉速確定為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中，選擇軸向流槳葉，可以很好地混合固液，達到理想的工況狀態。本次設計的雙折葉攪拌器和矛形攪拌器均為軸向流，它們特殊的外形設計可以讓軸向循環更顯著，減少錐形沉積區的產生，從而使顆粒分布與懸浮達到最理想的狀態。槳葉直徑一般為反應釜直徑的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）攪拌機電機功率

電機功率計算公式

Np-功率準數；ρ-攪拌介質密度g/cm3；n-攪拌軸轉速r/min；Dj-槳葉直徑/m。

Np 是系數，與雷諾數Re 有關。脫硫脫硝行業，一般按經驗值0.81 計算。經計算，P=47.935kW。考慮電機的使用系數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 側進式攪拌機報價表

故，事故漿液箱攪拌機電機功率確定為P=75kW。

（4）攪拌軸直徑

攪拌軸直徑計算公式

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

經計算，攪拌軸直徑D=170.47mm。故此次事故漿液箱攪拌機攪拌軸選為直徑273mm，管壁24mm 厚的管軸。

（5）攪拌機載荷

公式計算攪拌機的靜動載荷，扭矩，彎矩

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

圖2 頂進式攪拌機總體結構模型

（6）攪拌機總體結構

本文研究的頂進式攪拌機以電機作為動力源，電機與齒輪箱減速機銷鍵聯接；齒輪箱與雙支點機架、雙支點機架與槽鋼均以法蘭聯接；40#槽鋼滿焊焊接在釜頂；齒輪箱輸出軸與剛性凸緣聯軸器、剛性凸緣聯軸器與攪拌軸均以銷鍵聯接；軸承盒安裝在雙支點支架里，用螺栓聯接；攪拌軸與攪拌器葉片用螺栓聯接；攪拌軸與底支撐用螺釘聯接；底支撐固定，焊接在反應釜底，并按要求進行防腐處理。攪拌機總體結構如圖2 所示。

4 頂進式攪拌機有限元分析

4.1 攪拌器幾何模型

圖3 頂進式攪拌機幾何模型圖

攪拌機組成的各部分部件中，最核心部件是攪拌器。本文對攪拌器進行了有限元仿真分析，其結構如圖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行數字建模，并將數模導入到有限元分析軟件ANSYS。

4.2 網格劃分

用ANSYS 對攪拌器進行網格細化，無論是上層雙折葉攪拌器，還是下層矛形攪拌器，都是曲面造型設計，且形狀不規則，因此采用非結構化網格進行離散處理[7]，網格劃分結果如圖4 所示。

圖4 攪拌器網格劃分

圖5 攪拌器應力位移云圖

圖6 攪拌器應變云圖

圖7 底支撐加工圖紙

圖8 雙支點機架加工圖紙

4.3 攪拌器有限元分析

將攪拌器數模導入到ANSYS，進行網格劃分和邊界條件設定后，進行結構力學有限元仿真，可以得到整個攪拌器模型里，最薄弱的地方是攪拌軸和聯軸器聯接部位，最容易發生形變的位置是矛形攪拌器拐角處（見圖5、圖 6）。

經有限元分析，對攪拌軸與聯軸器聯接位置，采用實心軸設置，提高兩者結合處的屈服強度，加強攪拌軸的安全性。對矛形攪拌器拐角處進行圓弧加大處理，增加此處的過渡圓弧半徑，讓此處的連接更圓滑，減小此處的應變。

5 頂進式攪拌機優化設計

5.1 底支撐結構設計

現在電廠在事故漿液箱攪拌機選擇上首選側進式，主要原因就在于事故漿液箱筒高液深，頂進式攪拌機懸臂軸長度過大，極易產生斷裂危險。

為了避免頂進式攪拌機軸過長易斷問題，本設計增添了一個底部支撐，讓攪拌軸增加一個支點。底支撐結構如圖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接，底支撐襯套與底支撐支撐座用螺釘聯接，底支撐支撐座與底支撐安裝法蘭用螺栓聯接，安裝法蘭直接與事故漿液箱底焊接成一體。

5.2 雙支點機架設計

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，本文還設計增加了一個焊接雙支點支架，焊接支架比一般的鑄鐵支架剛性更好，而雙支點支架比普通支架多一個支撐點，讓長軸在攪拌過程中，運行更加平穩和安全（見圖8）。

5.3 攪拌器設計

攪拌機最核心的部分是攪拌器設計，它的成功與否，決定了整套攪拌機的可行性，本次設計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。

雙折葉槳葉優點：

雙折葉槳葉是一種高適應槳葉，它的槳葉分為兩部分：外葉和內葉。外葉和內葉成一定角度（45°）布置，槳葉在正常運行狀態下，可以讓周圍液體形成不同旋轉狀態的內圈和外圈，這樣可以產生“自擾流”，用來消除渦流死區。雙折葉槳葉強化了葉末端的液流狀態，湍流加強，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同樣可以得到廣泛應用（見圖9）。

矛形槳葉優點：

矛形槳葉的設計基礎是錨式槳葉，它是錨式槳葉的一種特殊優化設計。為了更適應錐底攪拌釜，設計葉片轉彎弧度高，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的攪拌效率和適應性。矛形槳葉有軸向分流、徑向分流，流型比平直槳葉復雜，排出能量比平直槳高，綜合效果更好。在低速轉動狀態下，矛形槳葉只產生切線流，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，而且可以適應錐底事故漿液箱，而在現實應用中，錐底事故漿液箱也十分常見（見圖10）。

5.4 攪拌軸設計

事故漿液箱筒高液深，導致攪拌軸總長很長，考慮加工、運輸和安裝困難，本次設計的攪拌軸采用分段式。攪拌軸采用管軸+實心軸，中間用法蘭聯接。與聯軸器相連部分，采用φ180 的實心軸，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，螺栓連接部分要進行二次襯膠處理，實心軸與管軸之間進行焊接。具體結構如圖11、圖12 所示。

5.5 攪拌機總體加工圖

經過設計優化，整套攪拌機的加工總圖如圖13 所示。

6 筒高液深頂進式攪拌機設備選型及預算

經對比分析，在筒高液深的事故漿液箱里，如果選用本頂進式攪拌機代替原來的側進式攪拌機，成本大大降低，經濟成本下降了66.6%（見表3）。

7 結論

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應用行業從業七年，主持設計和參加過國電、華電、大唐國家三大電力集團上千個攪拌機的設計、選型、安裝和驗收。積累了豐富的現場數據和經驗。以上所述都是作者基于多年選型經驗和理論基礎上進行的選型和設計，事實上，攪拌過程往往伴隨著反應過程，所以是一個十分復雜的混合狀態，攪拌效果很難通過攪拌器形式、大小進行量化，從而建立起定量關系。因此如果在實際選型中，遇到特殊工況，要靈活運用攪拌器的形式，通過經驗和計算，做出最優選型。

本文選取典型的事故漿液箱攪拌機作為設計對象，通過攪拌器槳葉優化、雙支點支架、底支撐等設計分析，不僅完美地用頂進式攪拌機替換了側進式攪拌機，而且通過設計優化，解決了筒高液深漿液箱內，側攪拌攪拌范圍小、渦流死區多、所需設備數量多、設備總價高等問題，對以后事故漿液箱及相似筒高液深設備的選型與設計有一定的借鑒意義。

表3 頂進式攪拌機預算表

圖13 頂進式攪拌機加工總圖