脈沖噴吹袋式除塵器的結構設計優化

鞠省偉，馬文鎖

（河南科技大學，河南 洛陽 471003）

脈沖噴吹袋式除塵器的結構設計優化

鞠省偉，馬文鎖

（河南科技大學，河南 洛陽 471003）

探討袋式除塵器的結構設計優化方法。針對目前在袋式除塵器大型化設計方面的鋼耗量大、結構笨重的特點，通過某個工程實例，在設備選型、結構設計方面進行探討，提出改進思路，達到結構優化的目的。

袋式除塵器；結構；設計優化；鋼耗量

袋式除塵器的發展已經有一百多年的歷史了，早期的袋式除塵器結構很簡單，既沒有殼體，也沒有清灰裝置，采用人工拍打清灰方式。后來人們為了縮小體積，增加除灰能力，有意識地將濾布縫成袋子形狀，并裝在一定的容器里，才有了袋式除塵器的雛形。袋式除塵器的技術發展得益于兩個方面：第一是新濾料的不斷出現；第二是清灰方式的不斷創新?？梢哉f，不管哪方面的進步都會使袋式除塵技術產生一次飛躍。近年來，出現了更好的耐高溫、耐腐蝕、強度高的濾料，更是把袋式除塵器向大型化方面逐步推進。后來發明了自動機械清灰、反吹風清灰和脈沖清灰等。尤其是脈沖清灰，由于其清灰強度高，自動化程度好，不但提高了清灰效果，降低了動力消耗，而且使得過濾速度也大大提高。因此，脈沖清灰技術的發明被稱為袋式除塵器技術發展史上的一次革命。隨著袋式除塵技術的不斷發展，袋除塵器也在不斷向大型化、標準化和專業化方面發展。傳統袋式除塵器的鋼耗量一般為25 kg/m2左右。隨著技術發展，在借助于先進的計算機軟件情況下，袋式除塵器結構不斷優化，鋼耗量也逐步降低到了20 kg/m2。袋式除塵器的設計選型最主要的是濾袋的選擇。在除塵器的結構設計優化中，各項性能參數都與濾袋質量有關，其鋼耗量也逐步為各設備廠家重視。

1 以某廠除塵器項目設計條件及參數為例

國外某公司需要一臺水泥磨袋式除塵器，其處理風量720000 m3/h，要求過濾風速＜0.95 m/min，入口濃度650 g/Nm3，負壓12000 Pa，這屬于高濃度、高負壓除塵器。由于位置受限，必須進行結構優化，減少占地面積（表1）。

表1 設計參數

該項目是在原廠擴建基礎上，預留給除塵系統的位置狹小。因此，必須對常規除塵器設計進行結構優化，以滿足設計要求。

2 方案選擇和結構設計優化措施

（1）濾袋規格的選擇。一般情況下，長袋低壓脈沖除塵器濾。袋的長度都選擇6～8m，袋口的規格從φ 120～168不等。在常規思路中，盡量在有限的空間布置更多的濾袋，提高過濾面積。然而，濾袋受到過濾風速、噴吹系統要求、濾袋間距等因素的影響。其中濾袋直徑選擇，也是重要參數之一。過濾面積與所占地面積之比，稱之為除塵器的“面積布置密度”。目前，低壓脈沖噴吹系統主要以淹沒閥和柱塞閥為主。脈沖閥的大小與濾袋直徑和長度均有關系。采用3寸柱塞閥，每個閥可噴吹的濾袋面積為40～60 m2，長度不超過8 m；采用4寸淹沒閥可噴吹濾袋面積為60～80 m2，長度不超過8.5 m。根據數據分析和實際情況，該項目采用直徑φ 160濾袋，以滿足設計需要。

（2）凈氣室的結構優化。上箱體又叫凈氣室，是袋式除塵器的關鍵部件，內含花板、噴吹管、支撐和密封門等，對凈氣室強度及安裝精度要求都高。在濾袋規格確定的情況下，根據濾袋的縱向、橫向布置可確定除塵器的占地面積。濾袋的橫向布置也與脈沖閥的選擇有關，通常選用的3寸脈沖閥，濾袋橫向間距必須大于230 mm；再根據脈沖閥的瞬間噴吹氣量和壓力，確定脈沖閥噴吹16條濾袋。為保證噴吹管與花板孔的對中度，采用整體式凈氣室制作。每個凈氣室選擇11個脈沖閥，凈氣室最大寬度2 760 mm，滿足運輸條件。采用整體凈氣室結構設計，雖然增加了加工成本，但對于保證除塵器安裝精度和穩定運行很有好處。整體式凈氣室主要以鋼板為主體，用扁鋼對壁板加固，滿足了結構的強度要求。

（3）中箱體結構設計優化。中箱體就是除塵器的濾室，為儲存濾袋的空間，濾室高度與濾袋長度一致，內有隔板，把濾室分成若干個小室，便于離線清灰和離線檢修。中箱體上部與上箱體對接，下部與灰斗對接，為主要的受力和承壓部件（該項目要求 負壓高達13 000 Pa）。在方案結構計算中，為了得到最優的結構設計，采用整體建模的辦法，給出主要側板的約束條件，用國際上通用的Aasys分析軟件對結構進行受力分析。有限元法是近似求解一般連續場問題的數值方法，可以分析物體受力后內部各個點的應力分布規律，物體受力后內部各個點溫度的變化規律。分析結果表明，預定尺寸符合設計要求。相較于原除塵器，結構穩定，節約鋼材15%，制作加工方便，為理想的除塵結構設計。

（4）灰斗結構設計。除塵器的灰斗作用是儲灰，尤其要考慮設備輸灰故障狀態灰斗滿灰的影響，在給出除塵器的恒載和裝滿灰的活載后進行數學建模，分析各方面的受力情況。灰斗壁板的選擇要考慮受力和耐磨，一般厚度要大于中箱體壁板厚度1 mm，為便于加工和安裝，厚度不超過6 mm為宜，下部積灰段可采用耐磨16 Mn板制作。灰斗與中箱體的對接采用圈梁的方式。由于灰斗大小不一，選擇的橫梁大小也要通過結構設計軟件計算。因此，需要把灰斗和圈梁作為一個整體建模，采用Ansys分析軟件進行應力、溫度、位移等參數的分析，通常灰斗內部加管撐設計，外部可以選擇較小的加筋。

（5）鋼支架的結構優化方法與原則。袋式除塵器支撐框架有鋼支架和混凝土支撐兩種形式。隨著結構力學的完善，目前采用鋼支架結構支撐的也越來越多了。采用鋼支架的制作減少了混凝土的凝固周期，縮短了安裝周期，外形美觀。鋼支架的計算軟件較多，針對袋式除塵器通常把灰斗以上部分按照均勻載荷考慮，再加上風載和地震載荷、設備的膨脹量。主要考慮的是結構最優，用鋼量最省，造價最低，這是優化目標。根據采用的優化方法和約束條件，鋼支架結構的布置步驟如下：①確定結構構件的截面尺寸；②采用變截面桿件有限元進行力學分析、強度驗算；③根據實際荷載效應、約束條件，重新選擇結構桿件各截面尺寸；④驗算變形。再重復優化計算尺寸，直到構件的各點變形達到最佳的效果。

3 結語

隨著目前國際、國內袋式除塵器的發展，我們針對袋除塵的結構特點和工作原理，摸索了一套袋式除塵器結構設計優化思路和方法，改進了袋式除塵器結構設計的不足，具有一定的理論應用價值；對于規范設計，節約成本具有一定的積極作用。在完成袋式除塵器結構設計方案以后，利用軟件對所設計的各個部件進行分析和優化，既能滿足設計要求，又能達到節省材料的目的，在結構優化設計控制方面，保證袋式除塵器的鋼耗量≤20 kg/m2是完全可行的。

X701.2

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1671-0711（2016）10（上）-0049-02