袋式脉冲除尘器气箱花板结构特性*

摘　要：为了提高袋式除尘器使用性能，消除除尘器花板在结构选择方面的盲目性，基于有限元分析软件ANSYS研究了方形阵列和三角形阵列两种形式花板上的位移分布与应力分布情况.结果表明，在变形量方面，两种结构的分布形式相同，但三角形阵列的变形量更小；在等效应力方面，三角形阵列所受最大应力比方形阵列小，但绝大多数区域方形阵列的等效应力更小.与方形阵列相比，三角形阵列不仅满足了除尘器的设计需要，而且减少了钢材的消耗，占地面积也更小，具有更好的经济效益.

关　键　词：袋式除尘器；花板；方形阵列；三角形阵列；有限元；数值模拟；位移分布；应力分布

目前人类工业生产飞速发展，有害颗粒物的排出数量远远超出了环境的净化能力，对生活环境和生态系统造成了严重的影响，平衡产业活动和环境保护之间的关系已经成为了一个社会问题[1].为了防止工业生产对大气环境造成污染，我国制定了工业烟气排放标准，一般工业废气在排放前需要经过除尘设备的处理才能排放到大气中.袋式脉冲除尘器是应用最广的除尘设备之一，它以滤布为过滤材料来达到分离有害物质的目的，具有处理风量大、占地面积小、净化效率高、工作可靠、结构简单及维修量小等特点[2].

与国外设计水平相比，我国在除尘器结构设计方面仍有一定差距，其中花板是袋式除尘器的一个重要组成部分，也是核心技术之一.确定花板孔间距是除尘器设计的主要内容，它与滤袋的长度、直径、过滤速度及粉尘特性等因素有关[3].如果孔间距设置得太近，不仅会导致花板的局部负荷不足，也会造成滤袋间的碰撞磨擦，减少滤袋的使用寿命.但如果孔间距太大则会增加设备的尺寸和生产成本，影响设备的运输、安装且造成材料的浪费[4].根据滤袋的布置方式，花板有方形阵列和三角形阵列两种结构，但目前在选择上存在一定的盲目性.本文采用有限元法分析研究工作状态下不同阵列方式的花板受力及变形情况，对花板结构形式的正确选择具有重要意义.

1　除尘器花板结构设计

本文以某玻璃炉窑厂工况为例，首先现场监测其粉尘排放情况，经过环保人员测量得到烟气监测数据如表1所示.

表1　烟气监测数据

Tab.1　Monitoring data of flue gas

负荷往往根据滤料及含尘气体的浓度确定，通常用q表示[5].由表1可知气体浓度小于4 g/m3，此时负荷的范围为10～45 m3/(h·m2).烟气温度在200℃以上，属于高温烟气范围，滤袋材料选用耐高温针刺过滤毡，这种滤料的负荷范围在10～20 m3/(h·m2)之间，采用华罗庚优选法选取负荷值为20 m3/(h·m2).

为了检修和更换便利，所采用的滤袋均为同一规格，即直径和长度统一.滤袋的直径一般在100～600 mm之间，常用的滤袋直径范围在200～300 mm之间[6].耐高温针刺过滤毡的滤布规格选用直径为200 mm的滤袋，滤袋的长度与除尘效率和压力损失无关，根据实际空间要求选择即可.由玻璃炉窑厂的实际工况确定滤袋长度为2.5 m，故所需的滤袋数量为

式中：D为滤袋直径；L为滤袋长度.n的计算值为955.414 3，故取滤袋个数1 000，拟布置在10个除尘器中.滤袋的中心距一般是滤袋直径的1.2～1.3倍，本工况滤袋长度适中，中心距选用1.2倍，即单个除尘器中的滤袋数量为100，滤袋中心距为250 mm.

2　除尘器花板结构建模

花板材料选用Q235，密度是7.8×103 kg/m3，泊松比为0.28，弹性模量为210 GPa，抗拉强度450 MPa，厚度为6 mm，滤袋袋口直径200 mm，布袋之间的中心距为250 mm，脉冲喷吹压力为0.3 MPa.除尘器花板结构相对复杂，根据工况的特殊要求，花板配有滤袋、滤袋骨架及文氏管等其他结构[7]，但它们不承受载荷，因此要简化处理.在滤袋袋口的阵列形式上有方形阵列和三角形阵列两种，为了获得更为合理的花板结构，对两种阵列方式分别建模做进一步的分析研究，简化后的几何图形结构如图1所示(单位：mm).

图1　花板的几何结构

Fig.1　Geometrical structure of plate

由于板上有很多小孔且孔口处还配有文氏管，结构荷载情况相对比较复杂，所以采用二次四面体单元进行自由网格划分[8].网格划分后的几何模型如图2所示，正方形排布和三角形排布两种板形的有限元模型质量、节点和网格数如表2所示.

图2　网络划分后几何模型

Fig.2　Geometric model after network division

表2　花板质量、节点和网格数

Tab.2　Quality，node and grid number of plate

3　载荷和约束分析

滤板固定于上箱体和下箱体之间，当除尘器处于工作状态时，所承受的载荷包括袋笼的重力、袋子和它粘附颗粒的重力、除尘器作业过程形成的负压以及滤板的重力.单个袋笼的重量为12 N，滤袋材料选用耐高温针刺过滤毡，单个滤袋重量为30.5 N，粘附颗粒物的重量约为5 000 N，花板方形排布重量为614.34 N，三角形排布重量为487.44 N.除尘器处于脉冲喷吹状态时，除了受到与工作状态相同的载荷外还要受脉冲喷吹压力的影响，此时花板所承受的载荷最大，故对处于该状态下的花板进行受力分析，花板受荷载情况如表3所示.

4　静态有限元分析

袋式除尘器在脉冲喷吹状态下花板所承受的载荷最大，故喷吹状态下的花板满足设计要求至关重要[9].目前，花板位移变形量和所受应力是花板设计中的两个重要参量，分别分析方形阵列及三角形阵列对这两个参量的影响.

表3　花板喷吹载荷

Tab.3　Injection load of plate

经过分析和计算得到了方形排布和三角形排布的变形量如图3所示，花板的最大位移变形量如表4所示.从图3和表4可以看出，除尘器方形阵列花板的最大位移量是1.987 mm，三角形花板阵列的最大位移量是1.492 mm.在除尘器工作状态下，要求花板的最大变形量要小于花板长度的0.2%，因此两种阵列均符合设计要求.

在方形阵列中，花板位移变形量具体分布如下：有4个布袋袋口位移变形量在1.766～1.987 mm之间；有8个布袋袋口位移变形量在1.545～1.766 mm之间；有4个布袋袋口位移变形量在1.325～1.545 mm之间；有8个布袋袋口位移变形量在1.104～1.325 mm之间；有8个布袋袋口位移变形量在0.883～1.104 mm之间；有16个布袋袋口位移变形量在0.662～0.883 mm之间；有16个布袋袋口位移变形量在0.442～0.662 mm之间；有4个布袋袋口位移变形量在0.221～0.442 mm之间；有36个布袋袋口位移变形量在0～0.221 mm之间.在三角形阵列中，花板位移变形量具体分布如下：有4个布袋袋口位移变形量在1.326～1.492 mm之间；有8个布袋袋口位移变形量在1.160～1.326 mm之间；有4个布袋袋口位移变形量在0.995～1.160 mm之间；有8个布袋袋口位移变形量在0.829～0.995 mm之间；有8个布袋袋口位移变形量在0.663～0.829 mm之间；有16个布袋袋口位移变形量在0.497～0.663 mm之间；有16个布袋袋口位移变形量在0.332～0.497 mm之间；有4个布袋袋口位移变形量在0.166～0.332 mm之间；有36个布袋袋口位移变形量在0～0.166 mm之间.

图3　花板变形量分布

Fig.3　Deformation distribution of plate

表4　花板的位移极限

Tab.4　Displacement limit of plate

由于脉冲喷吹压力延轴向作用于花板的板面上，在相同的负载和约束情况下，两种阵列方式花板的位移变形量分布情况基本相似.两种阵列均是中间位移量最大，其中约有4%的布袋袋口处于最大位移处，位移量由大到小发散式向外围分布，花板最外围一周部分的变形量最小，且此部分所占面积最大，约有近40%的布袋袋口分布于这一区域内.但在位移量上，三角形阵列更具优势，在相对应的位置上，方形阵列的变形量是三角形阵列的1.3～1.5倍.相同材质和工作条件下，三角形阵列的方式更有利于分散位移，安全系数更高.

经过分析和计算得到方形排布和三角形排布的应力分布如图4所示，花板所承受的最大应力如表5所示.从图4和表5可以看出，方形阵列花板的最大当量压力为303 MPa，三角形阵列花板的最大当量压力为237 MPa.它们的最大等效压力小于滤板材料压力要求，因此符合设计要求.

图4　花板应力分布

Fig.4　Stress distribution of plate

表5　花板的应力极限

Tab.5　Stress limit of plate

在方形阵列中，花板所受应力情况具体分布如下：有极少的布袋袋口所受等效应力在270～303 MPa之间；有2个布袋袋口所受等效应力在236～270 MPa之间；有4个布袋袋口所受等效应力在202～236 MPa之间；有4个布袋袋口所受等效应力在169～202 MPa之间；有6个布袋袋口所受等效应力在135～169 MPa之间；有24个布袋袋口所受等效应力在101～135 MPa之间；有20个布袋袋口所受等效应力在67.4～101 MPa之间；有8个布袋袋口所受等效应力在33.7～67.4 MPa之间；有32个布袋袋口所受等效应力在0～33.7 MPa之间.在三角形阵列中，花板所受应力情况具体分布如下：有极少的滤袋口局部区域所受等效应力在211～237 MPa之间；有2个布袋袋口所受等效应力在185～211 MPa之间；有4个布袋袋口所受等效应力在158～185 MPa之间；有4个布袋袋口所受等效应力在132～158 MPa之间；有6个布袋袋口所受等效应力在105～132 MPa之间；有34个布袋袋口所受等效应力在79.1～105 MPa之间；有40个布袋袋口所受等效应力在52.7～79.1 MPa之间；有7个布袋袋口所受等效应力在26.4～52.7 MPa之间；有3个布袋袋口所受等效应力在0～26.4 MPa之间.

在相同的负载和约束情况下，方形阵列花板大部分区域的等效应力在18.1～61.4 MPa之间，采用三角形阵列花板大部分区域的等效应力在52.7～105 MPa之间.产生这一现象的原因在于三角形阵列方式起到了平衡内应力的作用，使最大应力较小，故三角形排布花板的最大等效应力仅为正方形排布的四分之三.方形阵列的受力面积较大，故在绝大部分区域方形阵列的等效应力要比三角形阵列小.从最大应力考虑三角形阵列更优，从应力均匀分布方面考虑方形阵列更具优势.

三角形阵列花板所用钢材约为6.5 m2，方形阵列花板所用钢材约为7.0 m2，在花板材料上三角形阵列可节约面积0.5 m2.由以上数值分析可知，三角形、方形两种阵列形式花板的性能各有利弊，但三角形花板的优势更明显，在选择花板结构时应优先考虑.

5　结　论

本文利用ANASYS有限元分析软件对气箱脉冲袋式除尘器方形阵列和三角线阵列两种花板结构的位移分布及所受应力分别进行静态有限元分析，得到了两种阵列方式对除尘器花板性能的影响规律，主要结论如下：

1) 两种阵列形式的位移分布情况相同，花板中心处的位移最大，并逐渐向外围呈不断减小的趋势，三角形阵列在每个区间内的位移量均小于方形阵列，安全性优于方形阵列.

2) 三角形阵列花板所受的最大应力比方形阵列要小，但最大应力区域在整个花板范围内所占面积极小；而方形阵列在大部分区域所受应力要小于三角形阵列，两种阵列方式各有优势但均符合要求.

3) 在布袋中心距相同的情况下，三角形阵列花板钢材消耗少.从节约能源和降低成本方面考虑，三角形排布更具优势，应优先考虑选择三角形排布花板.

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Structure characteristics of air tank plate of bag type pulse dust collector

(School of Mechanical Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China)

Abstract：In order to improve the use performance of bag type dust collector and eliminate the selection blindness of plate structure of dust collector,the displacement and stress distributions of both square array plate and triangular array plate were studied with the finite element analysis software ANSYS.The results show that in terms of deformation,the distribution form of two structures is the same,but the deformation of triangle array is smaller.In terms of equivalent stress,the maximum stress of triangle array is smaller than that of square array,but for most of regions,the equivalent stress of square array is smaller.Compared with the square array,the triangular array not only meets the design needs of dust collector,but also reduces the steel consumption.Furthermore,the triangle array needs smaller area,and has better economic benefit.

Key words：bag type dust collector; plate; square array; triangular array; finite element; numerical simulation; displacement distribution; stress distribution

作者简介：谷晓娇(1989-)，女，辽宁沈阳人，博士生，主要从事流体传动与控制等方面的研究.

*本文已于2016-03-02 16∶42在中国知网优先数字出版.网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160302.1642.004.html

袋式脉冲除尘器气箱花板结构特性*

1 除尘器花板结构设计

2 除尘器花板结构建模

3 载荷和约束分析