基于ANSYS Workbench的双层过滤器结构设计与优化

谢求泉，吴连连，胡永珊

(江西工业工程职业技术学院，江西 萍乡 337000)

0 引言

当前，钢铁焦化行业主要采用HPF法(干法和湿法)脱硫工艺对焦炉煤气进行脱硫处理。在HPF湿法脱硫的过程中，脱硫液含盐量逐渐增高，硫氰酸盐、硫代硫酸盐等组分的积累会影响到脱硫液的脱硫效果，所以会定期地排放脱硫废液。一部分脱硫废液去烧结工段焚烧处理，但是该废液含有大量的硫膏、脱硫催化剂等物质，一方面会导致尾气排放的二氧化硫、硫化氢等超标，另一方面也会对烧结矿的品质产生影响；另一部分脱硫废液进行提盐处理。这两种处理都需要先对脱硫废液进行脱色与过滤处理。工业废水中脱硫废液成分复杂，并带有一定色度，单一过滤介质过滤器过滤废水效果欠佳，为此，本文设计了一种新型的椰壳状活性炭与活性陶瓷膜管双层过滤器。

1 双层过滤器过滤原理

图1为椰壳状活性炭与活性陶瓷膜管双层过滤器结构示意图。针对脱硫废液中含有硫膏、脱硫催化剂、色度、悬浮物、大量的硫磺粉末等问题，双层过滤器先采用改性椰壳状活性炭进行吸附大量的显色基团、改善脱硫废液色度的粗过滤，然后使用陶瓷膜过滤技术完成分离脱硫废液中的悬浮物、硫磺粉末以及附带的细微活性炭粉末的精过滤，以确保进入烧结的脱硫液不会对烧结工段造成影响，并保证脱硫废液提盐工艺的效率，降低对后期设备的影响。

双层过滤器在外压的作用下，脱硫废液先经过椭圆形封头顶部8爪式不锈钢布水器均匀地喷洒在上层活性炭滤层上，经过上层安装的改性椰壳状活性炭初级过滤，吸附硫膏、脱硫催化剂、悬浮物等杂质；吸附后脱硫液经过上花板安装的不锈钢水帽流至陶瓷膜管过滤区域，陶瓷膜管采用立式安装，不易被废液中的杂质沉淀淤塞滤孔，液体从陶瓷膜过滤管的外部进入，通过陶瓷膜过滤管对杂质的吸附、截留进而达到精过滤的效果，大的悬浮物、硫磺粉末、附带的细微活性炭粉末被陶瓷膜管挡在外面，这样更容易达到固液分离的效果。

N1-b,N1-a,N1-c-人孔；N2-进液口；N3-出液口；N4-反冲洗排污口；N5-排污口；N6-浓缩液排出气口；N7-安全阀口

2 陶瓷膜管安装结构优化设计

双层过滤器过滤一段时间后，由于大量悬浮物、粉末等杂质附着在陶瓷膜管外壁，导致陶瓷膜管大部分通道被堵塞，过滤器通量大幅度下降，影响了后续相关工序，需要对陶瓷膜管进行定期更换，因此陶瓷膜管安装结构需要进一步优化设计。

图2为原陶瓷膜管安装结构。使用该结构安装陶瓷膜管需要大量时间注浆环氧树脂胶，并且更换陶瓷膜管前，先要将上层活性炭层清理干净，拆卸压盖才能进行陶瓷膜管更换，工序比较复杂。针对原安装结构进行优化，优化后的陶瓷膜管安装结构如图3所示。该结构件下定位圈与下花板为螺纹连接，只需拧紧下定位圈即可使陶瓷膜管达到密封效果，再将外六角螺母拧紧防止松动即安装了陶瓷膜管，松开外六角螺母与下定位圈可轻松拆卸陶瓷膜管。优化后的陶瓷膜管结构可减少陶瓷膜管拆装工时，为企业降低成本提供了新的思路。

1-下花板；2-下定位圈；3，7-环氧树脂胶；4-陶瓷膜管；5-圆垫片；6-外六角螺栓；8-上花板；9-压盖

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

3 过滤器支撑结构有限元分析

3.1 建立有限元模型及边界条件设定

双层过滤器中有上下两层花板，每层花板下面有4根10#工字钢横向支撑，且花板、工字钢与筒体内壁进行焊接固定。根据工程经验及现场反馈情况，发现上花板与筒体内壁焊缝发生过开裂现象，主要是由于上花板承受了活性炭重力与上下水压压差，其变形量较下花板更大，支撑周边焊缝承受应力更大，故需要对上花板进行数值分析，找出问题关键点。

采用SolidWorks与ANSYS Workbench无缝接口技术，建立陶瓷膜管和瓷砂双层过滤器上花板的有限元模型，对上花板结构进行数值分析。上花板运用自由网格划分方法，设置网格尺寸为默认即可，网格的节点数为34 455、单元数为5 516。设定材料为Q235B，弹性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.28，材料密度ρ=7 850 kg/m3。

由于上花板结构与过滤器筒体内壁焊接固定，故设定上花板与筒体接触面为固定约束；双层过滤器进出口管道上安装了压差变送器，一般设定压差为0.06 MPa，而活性炭对花板的力可忽略不计，故对上花板表面施加0.06 MPa的压强。划分网格和加载后的上花板如图4所示。

3.2 计算结果分析

通过有限元分析得出上花板的变形云图和应力云图，如图5所示。上花板最大变形量为1.407 6 mm，位于花板中心圆区域内，且整个上花板受力后呈现向下的球冠形状；花板最大等效应力为107.94 MPa，位于上花板与筒体之间焊缝位置上，且整个上花板与筒体一圈焊缝所受压力均比较大。由于长期水压对花板不规则冲压，加上脱硫废液对焊缝的腐蚀作用，最后导致花板焊缝开裂，影响了双层过滤器的过滤效果，因此需要对过滤器支撑结构进行优化设计。

图4 划分网格和加载后的上花板

图5 上花板变形云图和应力云图

4 过滤器支撑结构优化设计

基于花板与筒体之间焊缝所受应力值较大，对过滤器分体式两层花板结构进行优化设计。主要优化为：上下花板之间厚度由原来的24 mm改为20 mm，上下花板之间加4根Φ76×6有缝钢管支撑，下花板与下封头之间加4根Φ76×6有缝钢管支撑，并且将有缝钢管支撑在工字梁上。花板优化前、后对比如图6所示，将分体式上下两层花板优化为整体框架式支撑结构，提高了抗压能力。

图6 花板优化前、后对比

优化过滤器支撑结构后，对其进行数值分析，得到的变形云图和应力云图如图7所示。可以看到，优化后整体框架式支撑结构最大变形量为0.515 mm，位于工字梁与筒体内壁中间部分；整体框架式支撑结构最大等效应力为85.56 MPa，位于支撑钢管上。优化后花板与筒体之间焊缝所要承受应力大大降低，优化效果非常明显，优化前、后数据对比见表1。

图7 优化后整体框架式支撑结构变形云图和应力云图

从表1可以看出：优化后花板最大总变形减少0.892 6 mm，降低了63%左右；最大应力由107.94 MPa变为85.56 MPa，降低了21%左右。优化后缓解了花板与筒体之间焊缝抗压能力，并且整体质量也有一定降低，减少了过滤器制造企业原材料成本。

表1 花板优化前、后数据对比

5 结语

针对脱硫废液需要进行进一步过滤处理，设计了改性椰壳状活性炭与陶瓷膜管双层过滤器，使得脱硫废液先经过活性炭过滤层对脱硫废液进行脱色、吸附粗过滤，再从陶瓷膜管外部渗入内部对脱硫废液进行精过滤，使得双层过滤器设备集成化，提高了过滤效果，减少了设备占地面积。

为了方便定期更换陶瓷膜管，对陶瓷膜管安装结构进行了相关优化设计，将环氧树脂胶密封方式变更为螺栓加软密封结构，从而可减少陶瓷膜管拆装工时，为企业降低成本提供了新的思路。