除尘器

高炉布袋除尘器有限元结构分析

作者:广州新瑞环保    来源:www.xinruiep.com    发布时间:2019-01-28 11:47:35

摘要:采用有限元分析技术对干式布袋除尘工艺中的核心设备-布袋除尘器结构进行了多种载荷作用下的应力、应变分析,为布袋除尘器结构优化设计提供了重要的理论依据。

关键词:高炉;煤气;布袋除尘器;有限元分析

高炉煤气布袋除尘工艺相对传统湿法除尘工艺,在节能、节水、减排等方面具有明显的优势,近年来在国内外得到了广泛了应用。但是高炉煤气布袋除尘器的受力相对复杂,同时承受内压、积灰、自重、温度、风载等多种外界载荷的作用。如何确保布袋除尘器结构在复杂工况下安全运转的前提下,实现精细化设计成为了布袋除尘工艺设备设计的重点目标之一。以往多采用或参照压力容器经验公式的计算手段,布袋除尘器的结构设计偏于保守,不利于精细化设计。本文以压力容器分析设计规范为依据,采用有限元分析技术,提出了布袋除尘器在复杂工况下的整体结构受力分析方法及局部重点构件采用子模型技术进行精细分析方法,有效解决了高炉煤气布袋除尘器的结构受力分析。

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1计算模型示例

高炉煤气布袋除尘器结构部件主要包括:筒体、封头、支座、入口、煤气进口管、煤气出口管等。有限元计算工具采用的通用有限元程序ANSYS,结构计算模型示例如图1所示。

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2荷载工况的选取

恒载荷:以结构计算几何模型为计算依据;

温度荷载:取结构最高的工作温度;

压力荷载:取结构最高的工作压力;

风载荷:取工程项目所在地的风载数据;

积灰载荷:取结构可能最大积灰分布。

3计算结果定性分析

3.1花板

煤气在经过布袋后,具有一定的压损,花板的上下表面产生一定压差。花板结构必须具备一定的刚度(挠度≤5mm)及强度要求(小于材料许用应力),保证花板结构的正常运行。可以通过调整花板的厚度及加筋布置,使得花板的强度和刚度都满足设计要求。

图2为某工程计算的花板位移及应力分布。

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花板的最大挠度为≤5mm;最大应力小于材料许用应力,出现在花板与加筋相交处;花板的强度和刚度均满足设计需求。

3.2封头

封头薄膜应力强度从直筒段到顶部先呈现一个逐步增加,在过渡段达到极值,然后逐步减小的趋势,当靠近顶部洞口时应力强度又逐渐增大。封头在大直径开孔的下,结构削弱明显。通过调整封头厚度、补强的形式,可以使得封头设计趋于合理。图3为某工程优化设计后的封头应力分布:

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3.3直筒与锥筒相接段

直筒和锥筒相接段为结构不连续处,而且同时有多种载荷直接作于与此,此处为结构设计重点部位。可以通过多种方法改善此处的受力特性,从而达到优化设计的目的。

图4为某工程直筒和锥筒相接段的应力分布。

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从图4可以看出在直筒和锥筒相接段,应力出现明显的集中,考虑到直筒与锥筒相接处为结构不连续处,同时考虑到整体计算采用shell单元模拟具有一定的计算偏差,因此此处又采用了更加精确的子模型计算手段,局部精细计算。图5为实体子模型的网格。

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通过子模型计算,可以更精确获取直筒和锥筒相接处的应力分布情况。图6是直筒和锥筒相接段的应力线性化处理结果。通过子模型线性化处理结果可以看出,通过局部调整直筒与锥筒段的结构形式,可以有效的解决此处的应力集中问题。

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3.4直筒段

直筒段的受力较为简单,对直通段受力其主要作用的为结构内压。图7为某工程直筒段的薄膜应力分布。

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直筒段受力较为简单,可以采用薄壁圆筒受压的理论公式进行计算。从图7中可以得出,在花板加筋影响区域外,薄膜应力为56.33MPa;理论公式计算的结果为56.32MPa;有限元计算结果与理论公式计算的结果相吻合,同时也验证了有限元计算结果的正确性。

4结论

(1)采用有限元计算方案可以有效解决高炉煤气布袋除尘器在复杂工况下的结构计算,为结构优化设计提供计算依据。

(2)对于高炉布袋除尘器的计算,采用整体SHELL单元计算,局部采用实体子模型相互结合的方式,可以获得较好的计算精度和较低的计算成本。

(3)高炉煤气布袋除尘器虽然与典型的压力容器受力有一定差异,但是采用有限元分析方法与压力容器分析设计规范相结合,可以获得较好的设计方案。中冶赛迪广泛采用此方法进行高炉布袋除尘器结构优化设计,取得了良好的工程效益。

有关更多高炉布袋除尘器有限元结构分析的信息,请联系广州新瑞环保的工程师13322814846。