Вытяжные башни (или дымовые трубы) — это классический пример инженерных сооружений, предназначенных для рассеивания промышленных выбросов (отходы производства с остаточным содержанием вредных веществ выбрасываются на значительной высоте).

 

Как это работает и зачем это нужно?

Основная задача высокой дымовой трубы — не просто "выбросить" вредные вещества, а максимально их разбавить и рассеять в атмосфере до того, как они достигнут приземного слоя воздуха, где находятся люди, животные и растения.

Рассеивание. Чем выше точка выброса, тем больший объем воздуха участвует в смешивании. Это приводит к резкому уменьшению концентрации вредных веществ (пыли, диоксида серы, оксидов азота и т.д.) до безопасных уровней к моменту достижения земли.

Использование силы ветра. На большой высоте ветер практически всегда сильнее и стабильнее. Он уносит и рассеивает шлейф выбросов на большой площади, предотвращая их накопление в непосредственной близости от завода.

Преодоление инверсии температуры. Часто у поверхности земли возникает инверсия — слой холодного воздуха, который может "запирать" загрязняющие вещества. Высокая труба позволяет "перепрыгнуть" этот слой и выбросить газы в более подвижные воздушные массы.

 

Все многообразие современных промышленных дымовых труб можно систематизировать по технологическому назначению и по конструктивному решению. Промышленные дымовые трубы по технологическому назначению (по составу и температурно влажностной характеристике отводимых сред) разделяются на два принципиально отличающихся друг от друга типа:

Вытяжные (выхлопные, вентиляционные) башни (трубы) отводят прошедшие очистку, но сохраняющие определенную степень агрессивности газовые и газовоздушные смеси влажностью более 80-90,4%, содержащие конденсат и, как правило, не имеющие высокой температуры.

Дымовые (газодымовые) трубыотводят дым и газовоздушные смеси, содержащие, помимо взвесей сажи, золы и пыли, газы средней и низкой агрессивности в небольшом количестве, а также газовоздушные смеси, получаемые при сжигании топлива для обжига и плавления различных материалов и загрязненные продуктами окисления веществ, находящихся в перерабатываемом сырье; влажность отводимых дымовых и газовоздушных смесей не более 60%, температура 100-500° С.

По конструктивному решению, в зависимости от степени совмещения технологических и инженерных функций в сооружении, промышленные трубы могут быть разделены на следующие типы:

–свободно стоящие дымовые трубы (несущая и технологическая функции совмещены в одном стволе)

Представляют собой самостоятельное высотное сооружение (ствол), которое стоит на собственном фундаменте и не связано с другими конструкциями. Вся ветровая и другие нагрузки воспринимаются самим стволом трубы, который работает как консольная балка, заделанная в фундаменте. Это требует мощного фундамента и увеличения толщины стенки к низу.

–подкрепленные дымовые трубы (функции разделены: технология — в стволе, несущая — в ферме)

Ствол трубы (обычно стальной) не является самонесущим. Его устойчивость обеспечивается за счет крепления к специальной несущей конструкции — пространственной ферме или мачте. Ствол трубы внутри этой фермы выполняет только свою прямую технологическую задачу. Несущая функция (устойчивость к ветру, весу) полностью передана на внешнюю ферму и ее фундамент. Значительная экономия материала ствола (он может быть тоньше), возможность строительства более высоких труб без резкого увеличения массы, лучшее сопротивление ветровым колебаниям.

Вытяжные башни представляют собой сооружения башенного типа, характеризующиеся четким разделением инженерных и технологических функций и состоящие из стальной несущей конструкции и одного или нескольких газоотводящих стволов.

Несущей конструкцией, как правило, является решетчатая башня, а газоотводящие стволы - элемент технологических коммуникаций. По характеру конструктивного решения к вытяжным башням относятся и вытяжные сооружения типа «труба в трубе». Принципиальное отличие конструктивного решения вытяжной башни от ранее применявшихся вытяжных труб, заключающееся в четком разделении несущих и технологических функций составных элементов сооружения, является и главным преимуществом такого решения. Оно заключается в том, что для газоотводящих стволов могут быть использованы материалы, применение которых определяется в основном не прочностными характеристиками, а коррозионной стойкостью в условиях удаляемых конкретных сред. Эта же особенность сооружения позволяет в случае необходимости ограничить ремонтные работы заменой поврежденных коррозией участков газоотводящего ствола при сохранении всей несущей конструкции и неповрежденных участков ствола в проектном положении.

В современных условиях наиболее распространенной конструктивной формой является стальная несущая решетчатая башня с расположенным внутри нее газоотводящим стволом, который выполнен из коррозионностойких к отводящим газам материалов*.

*Нержавеющая сталь - коррозионностойкий материал, широко применяется для производства промышленных дымоходов благодаря своим свойствам, таким как долговечность, устойчивость к высокой температуре и химически агрессивным средам. Для дымоходов используют марки стали AISI 304, AISI 316, AISI 310, AISI 321, отличающиеся повышенным содержанием хрома и никеля, а также добавками титана и молибдена для улучшения эксплуатационных характеристик в зависимости от условий эксплуатации.

Габаритные размеры несущей башни и сооружения в целом предопределяются технологическими параметрами сооружения. К этим параметрам относятся:

1. количество газоотводящих стволов;
2. размеры стволов (диаметр и отметка выброса отходов производства в атмосферу);
3. отметка верхней площадки обслуживания;
4. отметки ввода газоотходов в башню;

5. габарит сооружения в основании из условия размещения его на генплане.

В соответствии с геометрическими схемами несущие башни можно классифицировать по следующим характеристикам:

• по количеству граней: трех––, четырех и многогранные (с количеством граней более четырех);

• по конфигурации башни: без переломов граней по высоте и с переломами граней;

• по схеме решетки: с крестовой, ромбической и треугольной решеткой, кроме того, определенную разновидность представляет башня с разреженной решеткой.

Для вытяжных башен высотой до 200 м наибольшее распространение получила схема с четырехгранной несущей башней: многогранные башни для таких высот сооружения нецелесообразны как по расходу металла, так и по другим технико- экономическим показателям. Что же касается трехгранных башен, то в ряде работ показано, что расход металла на их несущие конструкции меньше на 10-15%, чем для четырехгранных. Однако эти выводы касаются в основном только радио и телевизионных башен, т. е. сооружений, для которых решающей нагрузкой является воздействие скоростного напора ветра непосредственно на башню, а ветровая нагрузка на оборудование незначительна.

В отличие от указанных выше сооружений в вытяжных башнях основная доля всей нагрузки, воспринимаемой башней, является следствием наличия в ней газоотводящего ствола, поскольку давление ветра на него составляет 60-70% от полной ветровой нагрузки на сооружение. Кроме того, к схеме вытяжной башни предъявляются и иные требования, вызванные спецификой назначения сооружения. Существенным фактором, влияющим на выбор схемы башни, является, например, условие размещения внутри нее газоотводящего ствола.

Вследствие этого для вытяжных сооружений с одним газоотводящим стволом в качестве несущей конструкции целесообразно использовать четырехгранную башню, а для сооружений с несколькими стволами, исходя из условий их размещения и работы основных элементов башни, можно рекомендовать четырехгранную при двух газоотводящих стволах, трехгранную при трех газоотводящих стволах.

Башня как несущая конструкция сооружения должна обладать неизменяемостью и необходимой жесткостью. Основные конструктивные элементы наиболее распространенной четырехгранной несущей башни с ромбической решеткой показаны на рисунке Основные конструктивные элементы башни.

Поперечная жесткость четырехгранных и многогранных башен обеспечивается диафрагмами. Расстояние между ними, как правило, в 1,5-2,5 раза превышает ширину грани башни и составляет для рассматриваемых башен примерно 6-15 м.

Устройство диафрагм в особенности необходимо в плоскости излома граней башни. Помимо функции обеспечения поперечной жесткости сооружения, диафрагмы используются как площадки, служащие для опирания газоотводящего ствола или его секций, а также для осмотра сооружения и его ремонта. Подъем на площадки осуществляется по лестнице, а иногда и с помощью лифта. Учитывая необходимость частого подъема на большую высоту башни при наличии колебаний ее под воздействием ветровой нагрузки, лестница должна быть по возможности наиболее удобной для прохода по ней и достаточно надежной.

Силуэт несущей башни определяется соотношением ее основных размеров и контуром очертания поясов. Наиболее распространенные типы силуэтов башен с одним и двумя переломами поясов по высоте. В ряде случаев оказываются целесообразными башни без переломов поясов, с постоянным уклоном граней по всей высоте сооружения либо с параллельными поясами. Конфигурация башни выбирается при удовлетворении всех требований, предъявляемых к данному сооружению.

Наиболее ответственной и сложной по своей схеме и конструктивному решению является нижняя диафрагма, особенно если на нее опирается газоотводящий ствол. Эта диафрагма отличается большими пролетами изгибаемых элементов и многоступенчатой передачей вертикальной нагрузки. При восприятии нагрузки от веса ствола она значительно утяжеляется по сравнению с остальными диафрагмами башни. Верхняя диафрагма башни, к которой предусматривается подвеска газоотводящего ствола на период его монтажа или ремонта, не отличается особой сложностью, так как ее элементы имеют относительно небольшие пролеты и, как правило, не требуют дополнительного усиления для восприятия этой временной нагрузки.

Не менее важным назначением диафрагм является использование их в качестве площадок, необходимых для обслуживания сооружения в процессе его эксплуатации. В соответствии с этим требованием на участках вокруг газоотводящего ствола необходимо устраивать настил, который также обеспечивает подходы к поясам башни и к отдельным узлам решетки. В зависимости от абсолютного габарита башни и его относительного размера а/D разрабатывают различные схемы диафрагм и настила. В верхней части сооружения размер башни в плане определяется, как правило, исходя из условия нормального размещения ствола и проходов вокруг него. Вот почему в большинстве случаев диафрагмы в этой зоне выполняются со сплошным настилом или с настилом, имеющим небольшие просветы.

 

Газоотводящий ствол вытяжной башни находится под постоянным воздействием горизонтальных и вертикальных сил. Горизонтальные силовые воздействия возникают от давления ветрового потока и при сейсмических явлениях; вертикальные от веса ствола, теплоизоляции, антикоррозионной защиты, а также веса конденсата, пыли и других отложений на его стенках. Применяемые схемы опирания газоотводящего ствола на несущие конструкции башни обеспечивают, как правило, раздельную передачу горизонтальных и вертикальных силовых воздействий. Ветровая нагрузка, воспринимаемая газоотводящим стволом, передается им на башню в плоскости диафрагм, при этом специальными конструктивными мероприятиями обеспечивается свобода взаимных вертикальных перемещений башни и ствола.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВЫТЯЖНЫХ БАШЕН

Вытяжные башни являются одним из видов высотных специальных сооружений. Важные показатели сооружения, как технологичность его изготовления и монтажа, расход металла, эксплуатационные качества с учетом повышенных требований в условиях агрессивности среды и надежность сооружения в целом предопределяются в первую очередь именно тем, насколько удачно сконструировано сооружение. Именно поэтому при разработке конструкций вытяжных башен вопросам выбора типов сечений элементов сооружения, а также решению основных узлов их сопряжения между собой должно быть уделено особое внимание.

При проектировании вытяжных башен основной расчетной нагрузкой является воздействие скоростного напора ветра на его несущие и ограждающие конструкции. В связи с этим особое значение приобретает вопрос выбора типа сечений элементов сооружения, поскольку от размеров и формы принимаемых профилей во многом зависит суммарная величина ветровой нагрузки, действующей на сооружение.

В вытяжных башнях, как правило, основная доля ветровой нагрузки возникает от давления ветра на газоотводящий ствол, и все же тип сечений элементов несущей башни оказывает также существенное влияние на общую величину ветровой нагрузки и, следовательно, на весовые показатели сооружения в целом.

Рабочая документация металлоконструкций дымовой трубы разрабатывается на основании технологического задания.

ВЫБОР МЕТАЛЛА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ВЫТЯЖНЫХ БАШЕН

Материал для изготовления конструкций вытяжных башен определяется одновременно с выбором компоновочной схемы сооружения путем вариантного проектирования и соответствующего технико-экономического анализа.

В этом анализе в обязательном порядке необходимо учитывать, что качественные показатели материала, наряду с другими факторами, оказываю существенное влияние не только на надежность сооружения и первоначальную стоимость его строительства, но и, что особенно важно, на последующие затраты во время эксплуатации.

Учитывая различное функциональное назначение конструкций несущей башни и газоотводящего ствола, материал для их изготовления следует выбирать с учетом своих, специфических, требований и условий эксплуатации. В частности, для материала несущих конструкций важно учитывать его способность сопротивляться коррозионному воздействию окружающей атмосферы. В комплексе вопросов, связанных с предназначением материалов газоотводящих стволов, должны быть дополнительно учтены такие факторы, как проникновение коррозии, влияние изменения температуры наружного воздуха на температуру отводимых газов, приводящее к образованию конденсата, возможность нарушения нормального технологического процесса и, как следствие этого, изменения в составе отводимых газов, их температуре и влажности.

Антикоррозионная защита применяется только для малоуглеродистой и низколегированных сталей. Наибольшее значение имеет антикоррозионная защита лакокрасочными материалами, которые используются главным образом для наружной поверхности несущих конструкций и газоотводящего ствола и, в меньшей степени, для его внутренней поверхности, находящейся в контакте с отводимыми средами. Несомненным преимуществом лакокрасочной защиты строительных металлоконструкций является ее экономичность.