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布袋除塵器結構設計及強度計算

2016/7/29   來源:    點擊:

  · 布袋除塵器結構設計及強度計算

  低壓脈沖布袋除塵器廣泛應用于電廠脫硫除塵及一般鋼廠除塵中(應用于鋼廠及電廠的主要區別是除塵器外表是否需要保溫、煙氣對鋼板的腐蝕程度及濾料的選擇等),脫硫后的煙塵經過該除塵器后,其排放到大氣中的濃度基本控制在20~30mg/m3,低于國家環保部門規定的50mg/m3。

  低壓脈沖布袋除塵器的工作原理:含塵氣體由導流管進入各單元,大顆粒粉塵經分離后直接落入灰斗、其余粉塵隨氣流進入中箱體過濾區,過濾后的潔凈氣體透過濾袋經上箱體、排風管排出。隨著過濾工況的進行,當濾袋表面積塵達到一定量時,由清灰控制裝置(差壓或定時、手動控制)按設定程序打開電磁脈沖閥噴吹,抖落濾袋上的粉塵。落入灰斗中的粉塵借助輸灰系統排出。

  低壓脈沖除塵器的主要結構組成如下:底柱組件、滑塊組件、頂柱組件、灰斗組件(含三通及風量調節閥,如果有的話)、進風裝置、中箱體、上箱體、噴吹系統、離線裝置、內旁路裝置(外旁路,可供選擇)、平臺扶梯、防雨棚、氣路配管及控制元件等組成。其結構簡圖如下:

  除塵器的設計過程中,應當對除塵器的載荷(包括靜載、動載、風載、雪載及地震載荷等,單位KN)、除塵器承受的設計負壓(單位Pa)、板件材料的屈服極限及抗拉伸極限等(單位MPa),要有一定程度的了解。必要時,結構設計人員可以查閱相關的機械設計手冊,以加深自己對這方面的理解。

  如下的設計過程僅供除塵設備制造廠家及相關設計單位參考。

  1.除塵器載荷的確定:

  1.1靜載的確定:G靜載=∑Gi(i=1~5)

  式中,G1本體鋼結構部分的重量,G2濾袋總重,G3袋籠總重,G4濾袋表面積灰5mm的重量,G5灰斗允許積灰重量。

  按本公司多年來的設計經驗,靜載荷在除塵器基礎上的分布,一般是,最外面一圈基礎柱樁的載荷為總靜載分布在所有柱樁上的平均值Gp的110%。次外圈一圈柱樁的載荷為Gp的120~200%,以此類推,直到最內圈載荷。內圈載荷高于外圈載荷,但內外圈載荷最大差別不得超過300KN。這樣設計載荷的目的是保證本體結構系統的地基穩定性。關于載荷部分的詳細分配及計算過程可以參考《建筑荷載設計規范》手冊。

  1.2動載的確定

  按樓面及屋面活荷載取標準值2.5KN/m2(檢修平臺按4KN/m2)來計算。

  除塵器總動載荷:F=KA0A1+KA1A2,KA1檢修平臺活荷載取標準值,A1除塵器平面投影面積,A2平臺扶梯平面投影面積。

  設計時,單個承載點荷載值是平均值的100~120%左右。具體分布時,可以是平臺扶梯結構多的部分取偏大值,結構少的部分取較小值。結構設計人員應合理安排,綜合考慮影響動載荷分布的各種因素。

  1.3風載的確定

  根據GB50009-2001,查全國基本風壓分布圖,可得相關值。風載的計算,也可以按經驗公式:Kn=υ^2/1600(單位KN/m2)來計算,式中,υ為風速,單位m/s。

  設計時,單個承載點荷載值是平均值的120~150%左右。具體分布時,最外一圈的載荷點為平均載荷值的120%,內圈載荷點為平均載荷值的150%。

  附:風載的設計,主要是考慮橫向風的影響。一般地說,除塵設備都安裝在平地上,不必考慮風從高空俯吹的影響。有些除塵設備廠家在計算風載時,特別考慮俯吹的影響,其實,那是不必要的。

  1.4震載的確定

  在一些地震多發地區,必須考慮地震對結構強度的影響。設計單位在與用戶簽定除塵設備技術協議時,必須明確地震的烈度。

  根據《鋼結構設計規范》(GB50017-2003),地震載荷的計算可以分為水平方向的剪力計算和豎直方向的拉(壓)力計算。

  公式如下:

  剪力標準值:FEK=α1 Geq

  拉(壓)力標準值:FEK=α1 Geq

  各承載點的震載計算過程可以按照上面的計算步驟來進行。

  1.5雪載的確定

  根據GB50009-2001,查全國基本雪壓分布圖,得雪壓相關值。

  基于安全考慮,實際設計時,單個承載點的設計值建議是平均承載值的120~200%。

  除塵器載荷確定完畢后,結構設計人員就可以將載荷圖提交給土建專業,由土建專業根據載荷的大小及相關特性確定土建部分包括混凝土配筋的規格、數量及混凝土開挖的深度及混凝土澆鑄的樣式。

  2.底柱組件的結構計算

  對底柱的計算,主要是考慮底柱的柔度和撓度。

  2.1底柱的柔度計算

  因型鋼的規格未知,無法求出柔度(長細比)λ,無法判斷使用的公式。先采用歐拉公式計算,求出型鋼的規格后,再檢查是否滿足歐拉公式使用條件。(具體過程可以參考《機械設計手冊》第一卷1-178頁)

  慣性矩計算公式:Imin=Pc(μL)^2/(Eπ^2)〕

  式中,Pc底柱的臨界載荷,E彈性模量,Ss穩定安全系數,μ長度系數,

  確定后應檢查柔度λ是否符合要求,

  2.2底柱的撓度計算

  撓度因風載而產生。

  計算公式,f=PL^3/(3EI)

  式中,P風載作用于底柱頂端的最大推力,L底柱長度,E彈性模量,I慣性矩。

  其實,一般說,經過計算后,撓度均難以達到設計要求。需要增加斜撐。將風載的力,轉為由斜撐來承擔。在受拉的情況下,斜撐只要保證其受力截面面積符合要求。

  3.滑塊組件的結構設計

  滑塊主要是消除鋼材在溫度變化時產生的線膨脹應力。滑塊固定于底柱頂端。中箱體帶動其上的所有與高溫煙氣接觸的部件可以在滑塊上自由膨脹(收縮)滑動。

  設計滑塊結構時,應考慮到滑塊的布置、滑塊的承載、滑動能力及材料以及滑動范圍。

  3.1滑塊的承載

  滑塊承受除立柱外除塵器的所有垂直向下的重量載荷。重量載荷在滑塊組的分布一般是,靠近除塵器中心的四個滑點為平均承重的300%,其余均為250%。這樣設計的目的是為了保證滑塊材料有足夠的強度支撐。

  3.2滑塊的滑動能力及材料的選擇

  滑塊采用光滑不銹鋼板和滑板相結合的結構。不銹鋼板焊接于頂柱底部平面上,能在固定的滑板上自由滑動。不銹鋼板采用普通304材料制造,表面光潔度為6.3μm,厚度為2mm。滑板固定于底柱頂部平面上。切記:滑板的材料不能是鋼,否則可能造成不銹鋼板與滑板的膠著粘合而失去滑動功能(見《機械設計》第四版)。

  3.3滑板材料的確定

  滑板一般采用聚四氟乙烯。

  3.4滑塊的滑動范圍

  滑塊的滑動范圍與碳鋼的線膨脹系數αl有關(見《機械設計手冊》表1-1-14)。本處設計計算從略。

  滑板的設置一定要考慮到熱膨脹的位移量。滑板的設計要有一定的裕量,應保證在鋼板發生熱膨脹后,除塵器的全部載荷必須全部作用在滑板上。

  4.頂柱組件的結構設計

  計算過程同底柱類似,本處從略。

  5.灰斗組件的結構設計

  灰斗上部與中箱體、頂柱連續焊接,下部接輸灰裝置。本工程共設置6個單獨灰斗和兩個船形灰斗,分兩排布置。灰斗外表面均盤有蒸汽加熱管。

  設計灰斗,除根據工藝要求確定灰斗的容積和下灰口尺寸外,還要對其強度進行計算。灰斗組件同其后介紹的進風裝置、中箱體和上箱體一樣,是屬于負壓裝置。對其強度計算的目的是保證其在規定的最大負壓(或規定正壓)下能滿足除塵器的正常運行,不會發生被細癟(凹陷)的現象。灰斗壁板的厚度一般為5mm。

  5.1單獨灰斗最大側板的結構設計及計算

  為安全起見,對單獨灰斗壁板的強度設計主要是考慮其外表面均布的加強型鋼能承受的載荷,確定外表面加強型鋼的規格。灰斗外表面的加強型鋼一般為角鋼。

  計算公式,Imin= qL^4/(384fE)

  式中,q單根型鋼承受的載荷,L型鋼長度,f型鋼允許的變形撓度,E彈性模量。

  5.2灰斗導流板的設計

  導流板由若干組耐磨角鋼板(材料為Q345A)組成,一般交錯布置在灰斗進風口。它的主要作用是均衡煙氣流,同時使煙氣中大顆粒粉塵通過碰撞導流板減緩速度沉降于灰斗底部,減輕濾袋過濾的負荷。

  導流板一般按經驗進行布置。其布置也可以通過專業軟件對煙氣流的理論模擬而確定。

  6.進風裝置的設計

  進風裝置由下風管、風量調節閥和矩形進風管組成。對進風裝置進行設計,主要是考慮風管壁板的耐負壓程度。風量調節閥可以作為廠通件,其內的閥板一般采用5mm厚度的16Mn鋼板制作。此外,進風裝置的合理布置也很重要:應保證煙塵在經過進風裝置時,煙氣流向合理,對管壁的沖刷降低到最低。

  為防止高濃度含塵煙氣對中箱體內濾袋及壁板的沖刷,煙氣離開進風裝置,通過矩形進風管的風速一般控制在4m/s以下。

  進風裝置耐負壓強度一般按風機的全壓來計算。其計算過程同灰斗部分類似。本處從略。

  7.中箱體的結構設計

  中箱體由若干件壁板連接后連續焊接而成。中箱體壁板一般采用厚度為5mm的普通鋼板制造。

  在靠近中箱體中間部位有斜隔板組件,負責將塵氣室和凈氣室隔離開。中箱體的結構設計,主要是考慮壁板的耐負壓程度和斜隔板的耐負壓程度。

  中箱體耐負壓強度一般按風機的全壓來計算。其計算過程同灰斗部分類似。本處從略。

  8.上箱體的結構設計

  上箱體在整個除塵器的設計中是屬于關鍵部位的設計,它的設計好壞直接關系到除塵器能否正常運行。設計上箱體時,應考慮到花板孔在上箱體內的合理布置、上箱體橫截面高度、離線孔的大小及方位。在有內旁通的情況下,還要考慮到離線孔與內旁通孔的位置關系。當然,對上箱體結構強度的驗算也是同等的重要。上箱體在設計時,應考慮設計有一定的斜度,以利于雨水的順利排放。

  8.1花板孔布置。

  花板孔在上箱體內應該均勻布置。根據現場實際情況及工廠制造經驗,在濾袋長度不超過8m的情況下,孔與孔之間的間隙為濾袋直徑的1.5倍。舉例來說,如果采用160×6000的濾袋,則孔與孔之間的距離為240mm。

  8.2上箱體橫截面高度

  對上箱體橫截面高度進行控制,主要是保證凈化后的氣體在通過上箱體內部空間時,氣流流向均衡,不會發生由于上箱體截面太小而造成氣流阻力太大,甚至造成風機吸力不夠、無法正常工作的情況發生。

  根據多年來的設計經驗,通過上箱體橫截面的風速不應當超過3m/s。

  8.3離線孔大小及方位

  經過上箱體每個倉室離線孔的風速一般控制在6~12m/s左右。理論上來說,經過離線孔的風速越低越好,這樣可以使除塵器結構阻力降低到最低。但在實際工程中,這卻是不必要的,因為風速越低,勢必會使離線孔徑變大,同時導致整個上箱體結構向外側延伸變大,浪費材料,很不經濟。

  8.4離線孔與內旁通孔的方位布置

  內旁通孔徑的設計過程同離線孔是相同的。需要注意的是:通過內旁通孔徑的速度一般可以允許達到16m/s,但最大不允許超過18m/s。這樣設計的目的是保證煙氣在走旁通時,除塵器進出風口差壓不超過1500Pa。(阻力與風速的平方成正比)

  在某些除塵器上箱體個別倉室內,會出現即有離線又有旁通的結構。此時,就需要考慮一下離線與旁通的合理布置了。一般來說,當旁通打開時,大量煙氣通過旁通口直接進入上箱體凈氣室匯風煙道內,此種情況下,需要將離線設置在煙氣流的背側。同時,要求離線必須有可靠的密封措施,防止大量煙塵灰透過縫隙進入上箱體倉室內。

  8.5花板框架強度計算

  花板框架上面覆蓋有花板。濾袋及袋籠安裝時,對花板平整度有極其嚴格的要求,其平面度允差一般為1:1000。在這種情況下,要求花板框架必須有足夠的安全強度,防止濾袋過濾表面積灰和操作人員檢修維護時,對花板的平整度有不利的影響。

  計算公式,Imin= qL^4/(384fE)

  式中,q單根型鋼承受的載荷,L型鋼長度,f型鋼允許的變形撓度,E彈性模量。

  壁板強度計算也按此公式進行。

  9.噴吹系統的設計

  噴吹系統由脈沖閥、噴吹氣包、噴吹管及管道連接件組成。噴吹系統是布袋除塵器的核心部件,它的設計好壞可以決定除塵器能否正常使用。設計噴吹系統時,應該注意脈沖閥的選擇、噴吹氣包容量的大小及噴吹管詳細結構的設計。

  9.1脈沖閥的選取

  有的脈沖閥廠家還提供關于噴吹氣量、工作壓力與噴吹脈寬的曲線圖。在看這類曲線圖時,要注意噴吹氣量是標準狀態下的氣量,不是工作壓力下的氣量。我們可以將標準狀態下的氣量轉換成工作狀態下的氣量。比如,在0.5Mpa的工作壓力下,該脈沖閥噴吹氣量500L,那么實際上,該脈沖閥所消耗的工作狀態下的壓縮氣量為:500×0.1/0.5=100L(0.1MPa為標準大氣壓,0.5MPa為工作氣壓)。

  9.2氣包容量的確定

  氣包的工作最小容量為單個脈沖閥噴吹一次后,氣包內的工作壓力下降到原工作壓力的70%。在進行氣包容量的設計時,應按最小容量進行設計,確定氣包的最小體積,然后在此基礎上,對氣包的體積進行擴容。氣包體積越大,氣包內的工作氣壓就越穩定。我們也可以先設計氣包的規格,然后用最小工作容量進行校正,設計容量要大于(最好遠遠大于)最小工作容量,一般來說,氣包工作容量為最小容量的2~3倍為好。

  9.3氣包結構強度的設計

  參考《鋼制壓力容器》/GB150-1998進行。

  9.4噴吹管結構的設計

  噴吹管的設計,主要考慮噴吹管直徑、噴嘴孔徑及噴嘴數量、噴吹短管的結構形式及噴吹短管端面距離濾袋口的高度。

  9.4.1噴吹管直徑

  按澳大利亞高原脈沖閥廠家的設計規范,一般是,噴吹管直徑與脈沖閥口徑相對應。比如,采用3寸的脈沖閥,則噴吹管直徑也為3寸。國內大多數廠家,例如,上海袋配、蘇州蘇苑、浙江奧斯托等,也都遵照噴吹管直徑與脈沖閥口徑相對應的原則。噴吹管的板厚,一般是,2.5寸以上采用4mm,2.5寸以下采用3mm的焊接鋼管制作。從經濟的角度考慮,不推薦使用無縫鋼管來制造噴吹管。

  9.4.2噴嘴直徑及數量

  噴嘴直徑及噴嘴數量是整個噴吹管設計的核心。在脈沖閥型號確定后的情況下,噴嘴數量不能無限制增多,它要受到噴吹氣量、噴吹壓力及噴吹濾袋長度等各類因素的綜合影響。目前,3寸脈沖閥所帶領的噴嘴數量建議最多不要超過20只(一般來說,16只以下比較合適)。根據澳大利亞高原公司和國內上海袋配等知名廠家的多年試驗,在中壓噴吹的狀態下,噴吹管上所有噴嘴口徑的面積之和應該為噴吹管內徑的60~80%,即:

  (60~80%)A噴吹管=nA噴嘴。

  應當注意,靠近脈沖閥側的噴嘴比遠離脈沖閥側的噴嘴口徑大0.5~1mm(澳大利亞高原公司建議),這樣設計的目的,是要保證噴吹管上所有噴嘴噴射出的壓縮氣流均衡(壓縮氣量和壓力的差別控制在10%以內)。

  若采用低壓噴吹,噴嘴口徑還要進一步加大2~3mm。

  9.4.3噴吹短管的設計

  噴吹短管的作用是導向和引流(誘導噴嘴周圍的數倍于噴吹氣流的上箱體內凈氣流一同對濾袋進行噴吹清灰)。根據澳大利亞高原控制有限公司的多年噴吹試驗,高速脈沖噴吹氣流通過噴嘴后,氣流沿噴吹軸線成20°角度(0.3Mpa的工作壓力下)向軸線周圍超音速膨脹(擴散錐形角為40°)。還有些時候,由于噴吹管上噴嘴的加工制造有缺陷,造成噴嘴略微歪向一邊。這樣,當噴吹氣流通過噴嘴后,將不會垂直于噴吹管,產生吹偏現象。為了解決這個問題,便引入了噴吹短管的概念(有些除塵設備制造廠家稱其為導流管)。

  澳大利亞高原公司提供的噴吹短管的規格:在使用3寸脈沖閥時,建議采用φ36×3的圓管,長度L=50mm。在遠離噴吹管一段距離20mm處,鉆一φ20通孔(初次誘導氣流與輔助糾偏)。噴吹短管與噴吹管間點焊固定即可。需要特別注意的是,噴吹短管與噴嘴的同軸度至少應控制在φ2內。

  9.4.4噴吹短管端面距離濾袋口(花板)高度的確定

  噴吹短管端面距離濾袋口(花板)的高度受氣流沿噴吹軸線成20°角度和二次誘導風量的影響。理論上來說,二次誘導氣量越多越好,也就是加大噴吹短管距離濾袋口的高度。但高度不能無限制抬高,氣流沿噴吹軸線成20°角度擴散的現象注定其只能是一個確定的值。該值恰好能保證擴散的原始氣流連同誘導的氣流同時超音速進入濾袋口。進入濾袋的氣流瞬間吹到濾袋底部,在濾袋底部形成一定的壓力。然后,氣流反沖向上,在濾袋內急劇膨脹,抖落覆著在濾袋外表面的積灰。根據澳大利亞高原公司的試驗,脈沖氣流在袋底的沖擊力約1500~2500Pa。

  實際上,噴吹壓力越大,氣流沿噴吹軸線的擴散角度就越小,噴吹短管端面距離濾袋口(花板)的高度就可以加大(誘導更多氣流,能噴吹更多的濾袋);反之,噴吹壓力越小,氣流沿噴吹軸線的擴散角度就越大,噴吹短管端面距離濾袋口(花板)的高度就需要減小(誘導氣流相對減少,噴吹濾袋的數量減少)。

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