基于BIM技術(shù)的超高脫硫塔創(chuàng)新設計研究*

佘雨陽 王淞杰 李明 張小明 黎嘉琳長春工程學院 吉林 長春 130012

1 研制背景及意義

伴隨工業(yè)的發(fā)展，其對環(huán)境的影響日益凸現(xiàn)。近年各地霧霾頻現(xiàn)、全球氣候變暖，大氣污染治理是人類共同面臨的難題。而燃煤鍋爐、工業(yè)窯爐及垃圾焚燒爐等產(chǎn)生的以二氧化硫、二氧化碳為主的氣體，是其罪魁禍首。煙氣脫硫是降低煤燃燒產(chǎn)生的主要污染物二氧化硫的主要措施。脫硫塔是煙氣脫硫工藝的核心設備。

然而在傳統(tǒng)的脫硫塔施工作業(yè)中存在著各種弊端。因為各階段之間的溝通不暢以及相互之間協(xié)作能力較差，往往是一邊施工一邊改，造成了人力物力以及財力的大量浪費；傳統(tǒng)的施工圖紙是依靠平面圖再配合施工人員的想象力以及個人經(jīng)驗與能力進行具體作業(yè)，由于閱讀不詳細，人員能力不足造成施工階段質(zhì)量差，效率低等問題；傳統(tǒng)的施工中，像施工方、監(jiān)理方、業(yè)主方的領導很多都是非工程專業(yè)出身，對于專業(yè)的二維圖紙很少能夠讀懂，容易對施工環(huán)節(jié)產(chǎn)生誤解，以及造成各方之間溝通上的障礙；且傳統(tǒng)的效果展示只是停留在視覺效果上，例如應用3DMAX進行特效的展示，讓人看著非常炫麗，但是缺乏真實性。

目前，我國傳統(tǒng)的施工管理工作還沒有形成健全的管理體系，施工企業(yè)的專業(yè)能力參差不齊，工程分包不正規(guī)等問題，嚴重影響了施工進度。

在施工質(zhì)量管理上，很多管理人員沒有科學的管理計劃，具體問題表現(xiàn)在：分工不明確、權(quán)責劃分不清晰；材料設備的管理不科學等。在施工材料上也存在許多值得注意的問題，因為它對施工質(zhì)量起到?jīng)Q定性作用：材料的質(zhì)檢方法不夠科學、不夠先進，比如，沒有利用先進的計算機軟件進行數(shù)據(jù)的采集、統(tǒng)計和分析，工作量大且煩瑣，很容易出現(xiàn)錯誤[1]。

2 基于BIM技術(shù)的超高脫硫塔設計研究的創(chuàng)新點

采用高效折板除霧器，提高脫水率，在原有一層除霧器上方再增設兩層屋脊形除霧器，一共三層，使得霧滴濃度達到不大于50㎎/m3的要求。優(yōu)化噴淋裝置，提高脫硫效果，對原有噴淋層的噴嘴進行優(yōu)化選型，可明顯提高脫硫效果。節(jié)省材料，降低工程費用，利用BIM技術(shù)對該超高脫硫塔的施工過程進行動態(tài)模擬，清楚的展現(xiàn)出施工流程，并且對不同施工方案做出材料分析計劃，以便找出最優(yōu)的方案，最大限度地節(jié)省材料，降低工程費用?？s短工期，降低施工風險，利用BIM的施工仿真功能進行脫硫塔施工方案的模擬優(yōu)化，預知該超高脫硫塔施工過程中的難點與風險，提高施工效率和施工方案的安全性，減少返工，降低風險。減少煩瑣的人工操作和潛在錯誤，基于BIM模型中富含的工程信息，計算機可快速對各種構(gòu)件進行統(tǒng)計分析，大大減少了煩瑣的人工操作和潛在錯誤，實現(xiàn)了工程量信息與設計文件的統(tǒng)一[2]。

3 設計方案

3.1 原有技術(shù)方案概述

該超高脫硫塔采用石灰石-石膏法脫硫技術(shù)，主要由六部分組成。

（1）組成系統(tǒng)

①脫硫漿液制備系統(tǒng)。脫硫劑制備系統(tǒng)為3臺爐共用。脫硫劑制備系統(tǒng)主要包括粉倉、計量給料裝置、布袋除塵器、石灰石乳池、石灰石乳池攪拌器、石灰石乳泵及相應管路等[3]。②SO2吸收系統(tǒng)。為在保證高脫硫效率的同時減少運行成本，本方案設計為逆流式噴霧吸收塔布置方式，塔體材質(zhì)為碳鋼，內(nèi)襯電廠成熟的玻璃鱗片防腐，使用壽命20年以上。③吸收液循環(huán)噴淋系統(tǒng)。漿液循環(huán)系統(tǒng)包括塔釜循環(huán)池、循環(huán)泵（噴淋泵）、噴淋布漿管路及噴嘴，使吸收漿液與原煙氣進行充分的接觸。④氧化空氣系統(tǒng)。每臺脫硫塔塔釜設置一套氧化系統(tǒng)，由氧化風機和曝氣管路組成。氧化風機置于塔釜循環(huán)池附近，曝氣管路至于循環(huán)池底部。氧化風機通過曝氣管路將空氣輸送至循環(huán)池內(nèi)使亞硫酸鈣氧化為硫酸鈣，完成曝氣氧化過程。⑤脫硫廢液和副產(chǎn)物處理系統(tǒng)。副產(chǎn)物處理系統(tǒng)為3臺爐共用。主要設備有石膏泵、塔釜反應池、水力旋流器、過濾機、濾液池、濾液泵等。⑥濾液系統(tǒng)。該系統(tǒng)為3爐共用，主要設備由濾液池、濾液池攪拌器、濾液泵等，用于匯集排放管的溢流、密封泄露和設備沖洗水，漿池設一臺攪拌器，防止?jié){液沉淀。濾液池中漿液可以通過濾液泵返回脫硫塔。濾液泵設計2臺，一用一備。⑦工藝水系統(tǒng)及其他公用設施。濕法脫硫主要依靠脫硫漿液洗滌煙氣來脫除二氧化硫，所以洗滌后的煙氣將帶走大量的水分，所以必須向吸收塔中補充工藝水來實現(xiàn)水量平衡，吸收塔的水量補充主要有以下幾個途徑：①脫硫塔的補充水；②脫硫漿液的補充水；③除霧器沖洗水，要求進塔時壓力不小于0.2MPa；④其他用水點，如軸承冷卻水、氧化風冷卻水等；⑧煙氣系統(tǒng)。在脫硫塔內(nèi)，煙氣中的酸性成分SO2、SO3、HF及HCl等酸性物質(zhì)被脫除，同時脫硫塔還具有一定的除塵作用。被凈化的煙氣經(jīng)過脫硫塔頂部的除霧器除去煙氣中攜帶的液滴，分離下來的液滴返回到脫硫塔。離開脫硫塔的凈煙氣從煙囪排出。

（2）工藝流程

本技術(shù)方案采用先除塵后脫硫的凈化方案：經(jīng)布袋除塵器除塵后的煙氣進入脫硫塔脫硫，經(jīng)均氣降溫層均氣降溫后，與來自上層噴淋裝置的脫硫漿液進行充分的傳質(zhì)、吸收，吸收煙氣中的大部分SO2并繼續(xù)脫除剩余的細塵，之后煙氣經(jīng)高效折板除霧器脫水除霧后，進入煙囪達標排放。塔釜循環(huán)池排出的部分濃漿進入水力旋流器，上部清液利用水力旋流器和循環(huán)池液位的高差自動返回塔釜循環(huán)池，底部35%以上濃度的濃漿由石膏泵送入共用的通過壓濾，形成濾餅，送至灰渣廠。濾渣成分其主要為含水率10%以下的石膏及其他雜質(zhì)（主要來源于煙氣中的煙塵及脫硫劑中的雜質(zhì)）的物料體系；濾液排入清水池，通過清水泵重新參與脫硫，同時，為避免脫硫漿液中雜質(zhì)和氯離子濃度不斷提高，將一小部分排出系統(tǒng)。

3.2 技術(shù)方案的改進

本研究項目創(chuàng)新改進超高脫硫塔中的噴淋裝置和除霧器，以增加噴淋和除霧的效果，提高脫硫效率和降低煙氣含水率。主要進行了以下創(chuàng)新設計：①對噴淋層上的噴嘴進行創(chuàng)新設計，優(yōu)化噴嘴，增強脫硫效果并且可以最大程度避免阻塞。②在原有一層除霧器上方再增設兩層屋脊形除霧器，一共三層，使得霧滴濃度達到不大于50㎎/m3的要求[4]。

（1）噴淋裝置的技術(shù)改進

本系統(tǒng)設四個噴淋層。噴淋層間距的設計不僅考慮到滿足性能要求，而且充分考慮到便于工作人員進入脫硫塔對漿液分配管網(wǎng)及噴嘴進行檢修和維護。

通過對噴嘴進行優(yōu)化布置，使脫硫塔斷面上幾乎完全均勻地進行噴淋。噴淋層上的噴嘴原為實心錐陶瓷的，而我們在噴淋層上安裝進口大通道空心錐噴嘴，噴嘴材料為鈷合金或碳化硅，既可輕易輸送大顆粒漿液，又能提高霧化效果。該種噴嘴在較低的壓力降下可使噴出的漿液噴射角度精確而且霧化效果好，并提高了漿液的噴淋速率。噴嘴設計緊湊，在給定尺寸下得到最大流量，暢通的通道設計最大程度避免阻塞現(xiàn)象，而且碳化物的噴嘴材料耐磨比率很高，既保證了運行的穩(wěn)定性又提高了使用壽命，目前已廣泛用于電廠脫硫系統(tǒng)中。

噴淋系統(tǒng)能使?jié){液在脫硫塔內(nèi)均勻分布，流經(jīng)每個噴淋層的流量相等。噴淋層的總體布置增加了漿液與氣體的接觸面積和概率，保證對整個塔體有效橫截面（煙氣分布橫截面）進行不低于200%的覆蓋。

噴嘴性能的計算：脫硫塔噴嘴為脫硫塔內(nèi)部核心部件，它的選用是否適當影響整個系統(tǒng)能否正常運行以達到所要求的脫硫效率，現(xiàn)對我們所設計的噴嘴規(guī)格參數(shù)做以下介紹：

流量噴嘴流量因噴霧壓力而異，它隨噴霧壓力的增大而增大。一般說，流量和壓力的關系如下：

密度是液體的一定容量與相同容量水的質(zhì)量之比。在噴霧中，液體（除水外）密度主要影響噴霧噴嘴的流量（所列數(shù)值均以水作為噴射介質(zhì)，當應用水以外的液體時，須應用一個換算系數(shù)來確定噴嘴的流量）。

（2）除霧器的技術(shù)改進

在脫硫劑與煙氣充分吸收反應后，煙氣中攜帶大量水汽霧滴，當煙氣溫度低于露點后，煙氣中的水蒸氣會凝結(jié)結(jié)露形成酸霧，對煙道及煙囪造成腐蝕及“煙囪下雨”現(xiàn)象，所以脫硫塔出口煙氣中霧滴的濃度不宜大于75㎎/m3，而我們通過在原有一層除霧器上方再增設兩層屋脊形除霧器，一共三層，屋脊式除霧器設計流速大，經(jīng)波紋板碰撞下來的霧滴可集中流下，減輕煙氣夾帶霧滴現(xiàn)象，除霧面積也比水平式大，因此除霧效率高，使得霧滴濃度達到不大于50㎎/m3的要求。

4 BIM技術(shù)在本研究項目超高脫硫塔中的具體應用

4.1 設計階段的應用

用BIM相關軟件對該超高脫硫塔進行三維設計，它建立在平面和二維設計的基礎上，讓設計目標更立體化，更形象化。在本研究項目中，我們在設計階段應用到了BIM技術(shù)中的參數(shù)化設計和碰撞檢查功能，其中參數(shù)化設計使我們只要改一處，與其相關聯(lián)的實例均會自動更改，大大解決了以往更改圖紙時耗時耗力的現(xiàn)象，同時碰撞檢查功能為我們減少了很多返工和設計變更的問題，比如脫硫塔外側(cè)的樓梯平臺與塔體上的管道的碰撞問題，以往在設計過程中很難完全發(fā)現(xiàn)所有碰撞問題，然而利用BIM技術(shù)，我們可以在設計過程中直觀快速找到問題。并且通過做出效果圖和漫游動畫，以及利用3D打印技術(shù)制作出實體模型，可以更方便向客戶展示[5]。

4.2 施工前模擬階段的應用

利用BIM技術(shù)進行該項目脫硫塔構(gòu)件詳細信息查詢，檢查和驗收信息將被完整的保存在BIM模型中，相關單位可快捷地對任意構(gòu)件進行信息查詢和統(tǒng)計分析，在保證施工質(zhì)量的同時，能使質(zhì)量信息在運維期有據(jù)可循。結(jié)合脫硫塔的施工方案，施工模擬和現(xiàn)場視頻監(jiān)測進行基于BIM技術(shù)的虛擬施工，可以根據(jù)可視化效果看到并不了解的施工的過程和結(jié)果，可以較大程度地降低返工成本和管理成本，降低風險，增強管理者對施工過程的控制能力。

5 經(jīng)濟性分析

通過5D施工模擬，進行施工方案預演，及時找出施工過程中存在的問題，得出合理的人材機的配比，使人工費、材料費、機械費可明顯減少，而且工期也可明顯縮短。施工仿真模擬結(jié)果顯示，對于該超高脫硫塔，通過利用BIM技術(shù)，提高了施工效率與質(zhì)量，縮短了工期，減少了施工過程中的材料浪費[6]。

6 結(jié)束語

由于此脫硫塔屬于超高層建筑，工程量大，所富含的工程信息頗多，而且存在的設計錯誤與漏洞比較多，潛在風險也大，因此運用BIM技術(shù)來指導該項目的設計和施工具有重要意義。由于BIM參數(shù)模型提供的信息中包含了每一項工作所需的資源，包括人員、材料、設備等等，所以其為總承包商與各分包商之間的協(xié)作提供了基石，最大化地保證資源準時制管理、削減不必要的庫存管理工作、減少無用的等待時間、提高生產(chǎn)效率。

[1]葛清.BIM第一維度:項目不同階段的BIM應用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2013:99-101.

[2]劉廣文.BIM應用基礎[M].上海:同濟大學出版社,2013:77-78.

[3]郭東明.脫硫工程技術(shù)與設備[M].北京:化學工業(yè)出版社,2012:59.

[4]鮑學英.BIM基礎及實踐教程[M].北京:化學工業(yè)出版社,2016:17-18.

[5]葛文蘭.BIM第二維度:項目不同參與方的BIM應用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011:119-120.

[6]郭東明.脫硫工程技術(shù)與設備[M].北京:化學工業(yè)出版社,2011:149.