基于ANSYS Workbench的雙層過濾器結構設計與優化

謝求泉，吳連連，胡永珊

(江西工業工程職業技術學院，江西 萍鄉 337000)

0 引言

當前，鋼鐵焦化行業主要采用HPF法(干法和濕法)脫硫工藝對焦爐煤氣進行脫硫處理。在HPF濕法脫硫的過程中，脫硫液含鹽量逐漸增高，硫氰酸鹽、硫代硫酸鹽等組分的積累會影響到脫硫液的脫硫效果，所以會定期地排放脫硫廢液。一部分脫硫廢液去燒結工段焚燒處理，但是該廢液含有大量的硫膏、脫硫催化劑等物質，一方面會導致尾氣排放的二氧化硫、硫化氫等超標，另一方面也會對燒結礦的品質產生影響；另一部分脫硫廢液進行提鹽處理。這兩種處理都需要先對脫硫廢液進行脫色與過濾處理。工業廢水中脫硫廢液成分復雜，并帶有一定色度，單一過濾介質過濾器過濾廢水效果欠佳，為此，本文設計了一種新型的椰殼狀活性炭與活性陶瓷膜管雙層過濾器。

1 雙層過濾器過濾原理

圖1為椰殼狀活性炭與活性陶瓷膜管雙層過濾器結構示意圖。針對脫硫廢液中含有硫膏、脫硫催化劑、色度、懸浮物、大量的硫磺粉末等問題，雙層過濾器先采用改性椰殼狀活性炭進行吸附大量的顯色基團、改善脫硫廢液色度的粗過濾，然后使用陶瓷膜過濾技術完成分離脫硫廢液中的懸浮物、硫磺粉末以及附帶的細微活性炭粉末的精過濾，以確保進入燒結的脫硫液不會對燒結工段造成影響，并保證脫硫廢液提鹽工藝的效率，降低對后期設備的影響。

雙層過濾器在外壓的作用下，脫硫廢液先經過橢圓形封頭頂部8爪式不銹鋼布水器均勻地噴灑在上層活性炭濾層上，經過上層安裝的改性椰殼狀活性炭初級過濾，吸附硫膏、脫硫催化劑、懸浮物等雜質；吸附后脫硫液經過上花板安裝的不銹鋼水帽流至陶瓷膜管過濾區域，陶瓷膜管采用立式安裝，不易被廢液中的雜質沉淀淤塞濾孔，液體從陶瓷膜過濾管的外部進入，通過陶瓷膜過濾管對雜質的吸附、截留進而達到精過濾的效果，大的懸浮物、硫磺粉末、附帶的細微活性炭粉末被陶瓷膜管擋在外面，這樣更容易達到固液分離的效果。

N1-b,N1-a,N1-c-人孔；N2-進液口；N3-出液口；N4-反沖洗排污口；N5-排污口；N6-濃縮液排出氣口；N7-安全閥口

2 陶瓷膜管安裝結構優化設計

雙層過濾器過濾一段時間后，由于大量懸浮物、粉末等雜質附著在陶瓷膜管外壁，導致陶瓷膜管大部分通道被堵塞，過濾器通量大幅度下降，影響了后續相關工序，需要對陶瓷膜管進行定期更換，因此陶瓷膜管安裝結構需要進一步優化設計。

圖2為原陶瓷膜管安裝結構。使用該結構安裝陶瓷膜管需要大量時間注漿環氧樹脂膠，并且更換陶瓷膜管前，先要將上層活性炭層清理干凈，拆卸壓蓋才能進行陶瓷膜管更換，工序比較復雜。針對原安裝結構進行優化，優化后的陶瓷膜管安裝結構如圖3所示。該結構件下定位圈與下花板為螺紋連接，只需擰緊下定位圈即可使陶瓷膜管達到密封效果，再將外六角螺母擰緊防止松動即安裝了陶瓷膜管，松開外六角螺母與下定位圈可輕松拆卸陶瓷膜管。優化后的陶瓷膜管結構可減少陶瓷膜管拆裝工時，為企業降低成本提供了新的思路。

1-下花板；2-下定位圈；3，7-環氧樹脂膠；4-陶瓷膜管；5-圓墊片；6-外六角螺栓；8-上花板；9-壓蓋

1-下花板；2-外六角螺母；3-下定位圈；4，6-圓墊片；5-陶瓷膜管；7-上定位圈；8-上花板

3 過濾器支撐結構有限元分析

3.1 建立有限元模型及邊界條件設定

雙層過濾器中有上下兩層花板，每層花板下面有4根10#工字鋼橫向支撐，且花板、工字鋼與筒體內壁進行焊接固定。根據工程經驗及現場反饋情況，發現上花板與筒體內壁焊縫發生過開裂現象，主要是由于上花板承受了活性炭重力與上下水壓壓差，其變形量較下花板更大，支撐周邊焊縫承受應力更大，故需要對上花板進行數值分析，找出問題關鍵點。

采用SolidWorks與ANSYS Workbench無縫接口技術，建立陶瓷膜管和瓷砂雙層過濾器上花板的有限元模型，對上花板結構進行數值分析。上花板運用自由網格劃分方法，設置網格尺寸為默認即可，網格的節點數為34 455、單元數為5 516。設定材料為Q235B，彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.28，材料密度ρ=7 850 kg/m3。

由于上花板結構與過濾器筒體內壁焊接固定，故設定上花板與筒體接觸面為固定約束；雙層過濾器進出口管道上安裝了壓差變送器，一般設定壓差為0.06 MPa，而活性炭對花板的力可忽略不計，故對上花板表面施加0.06 MPa的壓強。劃分網格和加載后的上花板如圖4所示。

3.2 計算結果分析

通過有限元分析得出上花板的變形云圖和應力云圖，如圖5所示。上花板最大變形量為1.407 6 mm，位于花板中心圓區域內，且整個上花板受力后呈現向下的球冠形狀；花板最大等效應力為107.94 MPa，位于上花板與筒體之間焊縫位置上，且整個上花板與筒體一圈焊縫所受壓力均比較大。由于長期水壓對花板不規則沖壓，加上脫硫廢液對焊縫的腐蝕作用，最后導致花板焊縫開裂，影響了雙層過濾器的過濾效果，因此需要對過濾器支撐結構進行優化設計。

圖4 劃分網格和加載后的上花板

圖5 上花板變形云圖和應力云圖

4 過濾器支撐結構優化設計

基于花板與筒體之間焊縫所受應力值較大，對過濾器分體式兩層花板結構進行優化設計。主要優化為：上下花板之間厚度由原來的24 mm改為20 mm，上下花板之間加4根Φ76×6有縫鋼管支撐，下花板與下封頭之間加4根Φ76×6有縫鋼管支撐，并且將有縫鋼管支撐在工字梁上?；ò鍍灮?、后對比如圖6所示，將分體式上下兩層花板優化為整體框架式支撐結構，提高了抗壓能力。

圖6 花板優化前、后對比

優化過濾器支撐結構后，對其進行數值分析，得到的變形云圖和應力云圖如圖7所示?？梢钥吹?，優化后整體框架式支撐結構最大變形量為0.515 mm，位于工字梁與筒體內壁中間部分；整體框架式支撐結構最大等效應力為85.56 MPa，位于支撐鋼管上。優化后花板與筒體之間焊縫所要承受應力大大降低，優化效果非常明顯，優化前、后數據對比見表1。

圖7 優化后整體框架式支撐結構變形云圖和應力云圖

從表1可以看出：優化后花板最大總變形減少0.892 6 mm，降低了63%左右；最大應力由107.94 MPa變為85.56 MPa，降低了21%左右。優化后緩解了花板與筒體之間焊縫抗壓能力，并且整體質量也有一定降低，減少了過濾器制造企業原材料成本。

表1 花板優化前、后數據對比

5 結語

針對脫硫廢液需要進行進一步過濾處理，設計了改性椰殼狀活性炭與陶瓷膜管雙層過濾器，使得脫硫廢液先經過活性炭過濾層對脫硫廢液進行脫色、吸附粗過濾，再從陶瓷膜管外部滲入內部對脫硫廢液進行精過濾，使得雙層過濾器設備集成化，提高了過濾效果，減少了設備占地面積。

為了方便定期更換陶瓷膜管，對陶瓷膜管安裝結構進行了相關優化設計，將環氧樹脂膠密封方式變更為螺栓加軟密封結構，從而可減少陶瓷膜管拆裝工時，為企業降低成本提供了新的思路。