脉冲喷吹袋式除尘器的结构设计优化

鞠省伟，马文锁

（河南科技大学，河南 洛阳 471003）

脉冲喷吹袋式除尘器的结构设计优化

鞠省伟，马文锁

（河南科技大学，河南 洛阳 471003）

探讨袋式除尘器的结构设计优化方法。针对目前在袋式除尘器大型化设计方面的钢耗量大、结构笨重的特点，通过某个工程实例，在设备选型、结构设计方面进行探讨，提出改进思路，达到结构优化的目的。

袋式除尘器；结构；设计优化；钢耗量

袋式除尘器的发展已经有一百多年的历史了，早期的袋式除尘器结构很简单，既没有壳体，也没有清灰装置，采用人工拍打清灰方式。后来人们为了缩小体积，增加除灰能力，有意识地将滤布缝成袋子形状，并装在一定的容器里，才有了袋式除尘器的雏形。袋式除尘器的技术发展得益于两个方面：第一是新滤料的不断出现；第二是清灰方式的不断创新。可以说，不管哪方面的进步都会使袋式除尘技术产生一次飞跃。近年来，出现了更好的耐高温、耐腐蚀、强度高的滤料，更是把袋式除尘器向大型化方面逐步推进。后来发明了自动机械清灰、反吹风清灰和脉冲清灰等。尤其是脉冲清灰，由于其清灰强度高，自动化程度好，不但提高了清灰效果，降低了动力消耗，而且使得过滤速度也大大提高。因此，脉冲清灰技术的发明被称为袋式除尘器技术发展史上的一次革命。随着袋式除尘技术的不断发展，袋除尘器也在不断向大型化、标准化和专业化方面发展。传统袋式除尘器的钢耗量一般为25 kg/m2左右。随着技术发展，在借助于先进的计算机软件情况下，袋式除尘器结构不断优化，钢耗量也逐步降低到了20 kg/m2。袋式除尘器的设计选型最主要的是滤袋的选择。在除尘器的结构设计优化中，各项性能参数都与滤袋质量有关，其钢耗量也逐步为各设备厂家重视。

1 以某厂除尘器项目设计条件及参数为例

国外某公司需要一台水泥磨袋式除尘器，其处理风量720000 m3/h，要求过滤风速＜0.95 m/min，入口浓度650 g/Nm3，负压12000 Pa，这属于高浓度、高负压除尘器。由于位置受限，必须进行结构优化，减少占地面积（表1）。

表1 设计参数

该项目是在原厂扩建基础上，预留给除尘系统的位置狭小。因此，必须对常规除尘器设计进行结构优化，以满足设计要求。

2 方案选择和结构设计优化措施

（1）滤袋规格的选择。一般情况下，长袋低压脉冲除尘器滤。袋的长度都选择6～8m，袋口的规格从φ 120～168不等。在常规思路中，尽量在有限的空间布置更多的滤袋，提高过滤面积。然而，滤袋受到过滤风速、喷吹系统要求、滤袋间距等因素的影响。其中滤袋直径选择，也是重要参数之一。过滤面积与所占地面积之比，称之为除尘器的“面积布置密度”。目前，低压脉冲喷吹系统主要以淹没阀和柱塞阀为主。脉冲阀的大小与滤袋直径和长度均有关系。采用3寸柱塞阀，每个阀可喷吹的滤袋面积为40～60 m2，长度不超过8 m；采用4寸淹没阀可喷吹滤袋面积为60～80 m2，长度不超过8.5 m。根据数据分析和实际情况，该项目采用直径φ 160滤袋，以满足设计需要。

（2）净气室的结构优化。上箱体又叫净气室，是袋式除尘器的关键部件，内含花板、喷吹管、支撑和密封门等，对净气室强度及安装精度要求都高。在滤袋规格确定的情况下，根据滤袋的纵向、横向布置可确定除尘器的占地面积。滤袋的横向布置也与脉冲阀的选择有关，通常选用的3寸脉冲阀，滤袋横向间距必须大于230 mm；再根据脉冲阀的瞬间喷吹气量和压力，确定脉冲阀喷吹16条滤袋。为保证喷吹管与花板孔的对中度，采用整体式净气室制作。每个净气室选择11个脉冲阀，净气室最大宽度2 760 mm，满足运输条件。采用整体净气室结构设计，虽然增加了加工成本，但对于保证除尘器安装精度和稳定运行很有好处。整体式净气室主要以钢板为主体，用扁钢对壁板加固，满足了结构的强度要求。

（3）中箱体结构设计优化。中箱体就是除尘器的滤室，为储存滤袋的空间，滤室高度与滤袋长度一致，内有隔板，把滤室分成若干个小室，便于离线清灰和离线检修。中箱体上部与上箱体对接，下部与灰斗对接，为主要的受力和承压部件（该项目要求 负压高达13 000 Pa）。在方案结构计算中，为了得到最优的结构设计，采用整体建模的办法，给出主要侧板的约束条件，用国际上通用的Aasys分析软件对结构进行受力分析。有限元法是近似求解一般连续场问题的数值方法，可以分析物体受力后内部各个点的应力分布规律，物体受力后内部各个点温度的变化规律。分析结果表明，预定尺寸符合设计要求。相较于原除尘器，结构稳定，节约钢材15%，制作加工方便，为理想的除尘结构设计。

（4）灰斗结构设计。除尘器的灰斗作用是储灰，尤其要考虑设备输灰故障状态灰斗满灰的影响，在给出除尘器的恒载和装满灰的活载后进行数学建模，分析各方面的受力情况。灰斗壁板的选择要考虑受力和耐磨，一般厚度要大于中箱体壁板厚度1 mm，为便于加工和安装，厚度不超过6 mm为宜，下部积灰段可采用耐磨16 Mn板制作。灰斗与中箱体的对接采用圈梁的方式。由于灰斗大小不一，选择的横梁大小也要通过结构设计软件计算。因此，需要把灰斗和圈梁作为一个整体建模，采用Ansys分析软件进行应力、温度、位移等参数的分析，通常灰斗内部加管撑设计，外部可以选择较小的加筋。

（5）钢支架的结构优化方法与原则。袋式除尘器支撑框架有钢支架和混凝土支撑两种形式。随着结构力学的完善，目前采用钢支架结构支撑的也越来越多了。采用钢支架的制作减少了混凝土的凝固周期，缩短了安装周期，外形美观。钢支架的计算软件较多，针对袋式除尘器通常把灰斗以上部分按照均匀载荷考虑，再加上风载和地震载荷、设备的膨胀量。主要考虑的是结构最优，用钢量最省，造价最低，这是优化目标。根据采用的优化方法和约束条件，钢支架结构的布置步骤如下：①确定结构构件的截面尺寸；②采用变截面杆件有限元进行力学分析、强度验算；③根据实际荷载效应、约束条件，重新选择结构杆件各截面尺寸；④验算变形。再重复优化计算尺寸，直到构件的各点变形达到最佳的效果。

3 结语

随着目前国际、国内袋式除尘器的发展，我们针对袋除尘的结构特点和工作原理，摸索了一套袋式除尘器结构设计优化思路和方法，改进了袋式除尘器结构设计的不足，具有一定的理论应用价值；对于规范设计，节约成本具有一定的积极作用。在完成袋式除尘器结构设计方案以后，利用软件对所设计的各个部件进行分析和优化，既能满足设计要求，又能达到节省材料的目的，在结构优化设计控制方面，保证袋式除尘器的钢耗量≤20 kg/m2是完全可行的。

X701.2

A

1671-0711（2016）10（上）-0049-02