布袋除塵器結(jié)構(gòu)設(shè)計及強度計算
來源： 發(fā)布日期：2018/1/14 點擊次數(shù)：1606
低壓脈沖布袋除塵器廣泛應(yīng)用于電廠脫硫除塵及一般鋼廠除塵中（應(yīng)用于鋼廠及電廠的主要區(qū)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(jīng)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(huán)保部門規(guī)定的50mg/m3。
低壓脈沖布袋除塵器的工作原理：含塵氣體由導(dǎo)流管進入各單元，大顆粒粉塵經(jīng)分離后直接落入灰斗、其余粉塵隨氣流進入中箱體過濾區(qū)，過濾后的潔凈氣體透過濾袋經(jīng)上箱體、排風(fēng)管排出。隨著過濾工況的進行，當(dāng)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(shè)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(tǒng)排出。
低壓脈沖除塵器的主要結(jié)構(gòu)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(fēng)量調(diào)節(jié)閥，如果有的話）、進風(fēng)裝置、中箱體、上箱體、噴吹系統(tǒng)、離線裝置、內(nèi)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(jié)構(gòu)簡圖如下：除塵器的設(shè)計過程中，應(yīng)當(dāng)對除塵器的載荷（包括靜載、動載、風(fēng)載、雪載及地震載荷等，單位KN）、除塵器承受的設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計人員可以查閱相關(guān)的機械設(shè)計手冊，以加深自己對這方面的理解。
如下的設(shè)計過程僅供除塵設(shè)備制造廠家及相關(guān)設(shè)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(jié)構(gòu)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(shè)計經(jīng)驗，靜載荷在除塵器基礎(chǔ)上的分布，一般是，最外面一圈基礎(chǔ)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(nèi)圈載荷。內(nèi)圈載荷高于外圈載荷，但內(nèi)外圈載荷最大差別不得超過300KN。這樣設(shè)計載荷的目的是保證本體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的地基穩(wěn)定性。關(guān)于載荷部分的詳細分配及計算過程可以參考《建筑荷載設(shè)計規(guī)范》手冊。
1.2動載的確定按樓面及屋面活荷載取標(biāo)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(biāo)準值，A1除塵器平面投影面積，A2平臺扶梯平面投影面積。 設(shè)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(jié)構(gòu)多的部分取偏大值，結(jié)構(gòu)少的部分取較小值。結(jié)構(gòu)設(shè)計人員應(yīng)合理安排，綜合考慮影響動載荷分布的各種因素。
1.3風(fēng)載的確定根據(jù)GB50009-2001，查全國基本風(fēng)壓分布圖，可得相關(guān)值。風(fēng)載的計算，也可以按經(jīng)驗公式：Kn=υ^2/1600（單位KN/m2）來計算，式中，υ為風(fēng)速，單位m/s。 設(shè)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(nèi)圈載荷點為平均載荷值的150%。
附：風(fēng)載的設(shè)計，主要是考慮橫向風(fēng)的影響。一般地說，除塵設(shè)備都安裝在平地上，不必考慮風(fēng)從高空俯吹的影響。有些除塵設(shè)備廠家在計算風(fēng)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(fā)地區(qū)，必須考慮地震對結(jié)構(gòu)強度的影響。設(shè)計單位在與用戶簽定除塵設(shè)備技術(shù)協(xié)議時，必須明確地震的烈度。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)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(biāo)準值：FEK=α1 Geq 拉（壓）力標(biāo)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(jù)GB50009-2001，查全國基本雪壓分布圖，得雪壓相關(guān)值。 基于安全考慮，實際設(shè)計時，單個承載點的設(shè)計值建議是平均承載值的120～200%。
除塵器載荷確定完畢后，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員就可以將載荷圖提交給土建專業(yè)，由土建專業(yè)根據(jù)載荷的大小及相關(guān)特性確定土建部分包括混凝土配筋的規(guī)格、數(shù)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(jié)構(gòu)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(guī)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(guī)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(shè)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(wěn)定安全系數(shù)，μ長度系數(shù)， 確定后應(yīng)檢查柔度λ是否符合要求，
2.2底柱的撓度計算撓度因風(fēng)載而產(chǎn)生。計算公式，f=PL^3/（3EI）式中，P風(fēng)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(jīng)過計算后，撓度均難以達到設(shè)計要求。需要增加斜撐。將風(fēng)載的力，轉(zhuǎn)為由斜撐來承擔(dān)。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(jié)構(gòu)設(shè)計 滑塊主要是消除鋼材在溫度變化時產(chǎn)生的線膨脹應(yīng)力?；瑝K固定于底柱頂端。中箱體帶動其上的所有與高溫?zé)煔饨佑|的部件可以在滑塊上自由膨脹（收縮）滑動。
設(shè)計滑塊結(jié)構(gòu)時，應(yīng)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(shè)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(jié)合的結(jié)構(gòu)。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?；骞潭ㄓ诘字敳科矫嫔?。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(shè)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(shù)αl有關(guān)（見《機械設(shè)計手冊》表1-1-14）。本處設(shè)計計算從略，滑板的設(shè)置一定要考慮到熱膨脹的位移量。滑板的設(shè)計要有一定的裕量，應(yīng)保證在鋼板發(fā)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(jié)構(gòu)設(shè)計計算過程同底柱類似，本處從略。
5．灰斗組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計 灰斗上部與中箱體、頂柱連續(xù)焊接，下部接輸灰裝置。本工程共設(shè)置6個單獨灰斗和兩個船形灰斗，分兩排布置?；叶吠獗砻婢P有蒸汽加熱管。設(shè)計灰斗，除根據(jù)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?；叶方M件同其后介紹的進風(fēng)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(guī)定的最大負壓（或規(guī)定正壓）下能滿足除塵器的正常運行，不會發(fā)生被細癟（凹陷）的現(xiàn)象。灰斗壁板的厚度一般為5mm。
5.1單獨灰斗最大側(cè)板的結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算為安全起見，對單獨灰斗壁板的強度設(shè)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(guī)格?；叶吠獗砻娴募訌娦弯撘话銥榻卿摗Ｓ嬎愎?，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(dǎo)流板的設(shè)計導(dǎo)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(fēng)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(dǎo)流板減緩速度沉降于灰斗底部，減輕濾袋過濾的負荷。導(dǎo)流板一般按經(jīng)驗進行布置。其布置也可以通過專業(yè)軟件對煙氣流的理論模擬而確定。
6．進風(fēng)裝置的設(shè)計進風(fēng)裝置由下風(fēng)管、風(fēng)量調(diào)節(jié)閥和矩形進風(fēng)管組成。對進風(fēng)裝置進行設(shè)計，主要是考慮風(fēng)管壁板的耐負壓程度。風(fēng)量調(diào)節(jié)閥可以作為廠通件，其內(nèi)的閥板一般采用5mm厚度的16Mn鋼板制作。此外，進風(fēng)裝置的合理布置也很重要：應(yīng)保證煙塵在經(jīng)過進風(fēng)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(nèi)濾袋及壁板的沖刷，煙氣離開進風(fēng)裝置，通過矩形進風(fēng)管的風(fēng)速一般控制在4m/s以下。進風(fēng)裝置耐負壓強度一般按風(fēng)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(jié)構(gòu)設(shè)計中箱體由若干件壁板連接后連續(xù)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(zé)將塵氣室和凈氣室隔離開。中箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)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(fēng)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(jié)構(gòu)設(shè)計上箱體在整個除塵器的設(shè)計中是屬于關(guān)鍵部位的設(shè)計，它的設(shè)計好壞直接關(guān)系到除塵器能否正常運行。設(shè)計上箱體時，應(yīng)考慮到花板孔在上箱體內(nèi)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(nèi)旁通的情況下，還要考慮到離線孔與內(nèi)旁通孔的位置關(guān)系。當(dāng)然，對上箱體結(jié)構(gòu)強度的驗算也是同等的重要。上箱體在設(shè)計時，應(yīng)考慮設(shè)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(nèi)應(yīng)該均勻布置。根據(jù)現(xiàn)場實際情況及工廠制造經(jīng)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(nèi)部空間時，氣流流向均衡，不會發(fā)生由于上箱體截面太小而造成氣流阻力太大，甚至造成風(fēng)機吸力不夠、無法正常工作的情況發(fā)生。根據(jù)多年來的設(shè)計經(jīng)驗，通過上箱體橫截面的風(fēng)速不應(yīng)當(dāng)超過3m/s。
8.3離線孔大小及方位經(jīng)過上箱體每個倉室離線孔的風(fēng)速一般控制在6～12m/s左右。理論上來說，經(jīng)過離線孔的風(fēng)速越低越好，這樣可以使除塵器結(jié)構(gòu)阻力降低到最低。但在實際工程中，這卻是不必要的，因為風(fēng)速越低，勢必會使離線孔徑變大，同時導(dǎo)致整個上箱體結(jié)構(gòu)向外側(cè)延伸變大，浪費材料，很不經(jīng)濟。
8.4離線孔與內(nèi)旁通孔的方位布置內(nèi)旁通孔徑的設(shè)計過程同離線孔是相同的。需要注意的是：通過內(nèi)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(shè)計的目的是保證煙氣在走旁通時，除塵器進出風(fēng)口差壓不超過1500Pa。（阻力與風(fēng)速的平方成正比）在某些除塵器上箱體個別倉室內(nèi)，會出現(xiàn)即有離線又有旁通的結(jié)構(gòu)。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(dāng)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(fēng)煙道內(nèi)，此種情況下，需要將離線設(shè)置在煙氣流的背側(cè)。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(nèi)。
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(tǒng)的設(shè)計噴吹系統(tǒng)由脈沖閥、噴吹氣包、噴吹管及管道連接件組成。噴吹系統(tǒng)是布袋除塵器的核心部件，它的設(shè)計好壞可以決定除塵器能否正常使用。設(shè)計噴吹系統(tǒng)時，應(yīng)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(jié)構(gòu)的設(shè)計。
9.1脈沖閥的選取有的脈沖閥廠家還提供關(guān)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(biāo)準狀態(tài)下的氣量，不是工作壓力下的氣量。我們可以將標(biāo)準狀態(tài)下的氣量轉(zhuǎn)換成工作狀態(tài)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(tài)下的壓縮氣量為：500×0.1/0.5=100L（0.1MPa為標(biāo)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(nèi)的工作壓力下降到原工作壓力的70%。在進行氣包容量的設(shè)計時，應(yīng)按最小容量進行設(shè)計，確定氣包的最小體積，然后在此基礎(chǔ)上，對氣包的體積進行擴容。氣包體積越大，氣包內(nèi)的工作氣壓就越穩(wěn)定。我們也可以先設(shè)計氣包的規(guī)格，然后用最小工作容量進行校正，設(shè)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(jié)構(gòu)強度的設(shè)計參考《鋼制壓力容器》/GB150-1998進行。
9.4噴吹管結(jié)構(gòu)的設(shè)計噴吹管的設(shè)計，主要考慮噴吹管直徑、噴嘴孔徑及噴嘴數(shù)量、噴吹短管的結(jié)構(gòu)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(shè)計規(guī)范，一般是，噴吹管直徑與脈沖閥口徑相對應(yīng)。比如，采用3寸的脈沖閥，則噴吹管直徑也為3寸。國內(nèi)大多數(shù)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(yīng)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(jīng)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(shù)量噴嘴直徑及噴嘴數(shù)量是整個噴吹管設(shè)計的核心。在脈沖閥型號確定后的情況下，噴嘴數(shù)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(lǐng)的噴嘴數(shù)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(jù)澳大利亞高原公司和國內(nèi)上海袋配等知名廠家的多年試驗，在中壓噴吹的狀態(tài)下，噴吹管上所有噴嘴口徑的面積之和應(yīng)該為噴吹管內(nèi)徑的60～80%，即：（60～80%）A噴吹管=nA噴嘴。
應(yīng)當(dāng)注意，靠近脈沖閥側(cè)的噴嘴比遠離脈沖閥側(cè)的噴嘴口徑大0.5～1mm（澳大利亞高原公司建議），這樣設(shè)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(nèi)）。 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(shè)計噴吹短管的作用是導(dǎo)向和引流（誘導(dǎo)噴嘴周圍的數(shù)倍于噴吹氣流的上箱體內(nèi)凈氣流一同對濾袋進行噴吹清灰）。根據(jù)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(dāng)噴吹氣流通過噴嘴后，將不會垂直于噴吹管，產(chǎn)生吹偏現(xiàn)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(shè)備制造廠家稱其為導(dǎo)流管）。
澳大利亞高原公司提供的噴吹短管的規(guī)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(dǎo)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(yīng)控制在φ2內(nèi)。
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(dǎo)風(fēng)量的影響。理論上來說，二次誘導(dǎo)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(xiàn)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(dǎo)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(nèi)急劇膨脹，抖落覆著在濾袋外表面的積灰。根據(jù)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(dǎo)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?。ㄕT導(dǎo)氣流相對減少，噴吹濾袋的數(shù)量減少）。
