第一篇：一種針對PM2.5的新型動態(tài)智能除塵裝置 說明書(國賽終極概要

一種針對PM2.5的新型動態(tài)智能除塵裝置設(shè)計說明書

摘要:當(dāng)前我國空氣中PM2.5污染形勢嚴(yán)峻。PM2.5是直徑小于等于2.5微米的污染物顆粒,這種顆粒本身就是污染物,它又是重金屬、多環(huán)芳徑等有毒物質(zhì)和有害氣體的載體,嚴(yán)重危害人們的呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)?，F(xiàn)有的顆粒物控制技術(shù)雖然可以達(dá)到很高的總捕集效率,但對于PM2.5的捕獲率并不高。針對PM2.5顆粒物中1-2.5um顆粒的捕集,本團(tuán)隊設(shè)計了一種新型動態(tài)智能除塵裝置。本裝置核心思想在于將離心風(fēng)機(jī)置于傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器內(nèi)部,通過旋轉(zhuǎn)作用數(shù)十倍地提高離心力以提高對PM1-2.5顆粒的分離效率。同時裝置狹長的結(jié)構(gòu)特征可以充分利用離心力對顆粒進(jìn)行分離。而且通過智能調(diào)節(jié)系統(tǒng),可以檢測出口含塵氣體濃度大小,然后根據(jù)濃度自動調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,在保證PM1-2.5顆粒高效分離的同時節(jié)省裝置能耗。本說明書對裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理的闡述;建立了固體顆粒理論分離模型,并基于分離模型對實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行編程數(shù)值模擬,同時使用CFD商用軟件對整機(jī)流場及顆粒相進(jìn)行數(shù)值模擬分析;對此設(shè)備創(chuàng)新點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行深入研究。最終得出結(jié)論:此裝置能夠降低除塵系統(tǒng)能耗,對于PM1-2.5顆粒捕集能力強(qiáng),在除塵領(lǐng)域具有極大的實(shí)用價值和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞:新型除塵裝置,PM2.5,智能調(diào)節(jié),分離模型,數(shù)值模擬 作品內(nèi)容簡介

旋風(fēng)除塵器有著結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、技術(shù)成熟的優(yōu)勢,但不能高效分離小于5μm以下的顆粒,更不用說處理PM2.5細(xì)顆粒。

本作品就是在傳統(tǒng)旋風(fēng)除塵器的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)來處理PM2.5顆粒中大于1um的顆粒,在旋風(fēng)除塵器內(nèi)部加入高速旋轉(zhuǎn)的離心葉輪,利用離心葉輪產(chǎn)生的強(qiáng)大離心力和旋風(fēng)除塵器本身所產(chǎn)生的離心力對PM1-2.5顆粒進(jìn)行分離。由于旋風(fēng)除塵器在實(shí)際運(yùn)行時,就有鼓風(fēng)機(jī)或離心風(fēng)機(jī)將氣流引進(jìn)旋風(fēng)除塵器。本作品的巧妙之處就在于,將該風(fēng)機(jī)引進(jìn)旋風(fēng)除塵器內(nèi)部,在不增加或者少量增加成本的情況下,極大的增加對PM1-2.5顆粒的分離效率。在裝置設(shè)計過程中,精心地設(shè)計裝置每個環(huán)節(jié),增加PM1-2.5顆粒運(yùn)動行程,從而能有效被壁面捕集。同時裝置增加了抽氣部分和

二次除塵部分,進(jìn)一步提高分離效率。并且在含塵濃度波動下,能通過智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速大小,在保證分離效果的同時,降低裝置能耗。本作品在工業(yè)除塵領(lǐng)域具有極大的實(shí)用價值和應(yīng)用前景。

目前本作品已完成了理論建模和理論分析,并利用CFD商用軟件對整機(jī)流場及顆粒相進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,并通過模型機(jī)進(jìn)行部分實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

聯(lián)系人:聯(lián)系電話:E-mail: 設(shè)計背景

PM2.5指的是空氣動力學(xué)直徑小于 2.5μm 的顆粒物。我國的能源消耗以煤 炭為主,火電廠、鋼鐵廠等固定點(diǎn)污染源是PM2.5的主要來源之一[1]。PM2.5污染

嚴(yán)重影響人們的身體健康,引發(fā)包括心血管、呼吸道疾病在內(nèi)的各種疾病[2]。據(jù)調(diào)查顯示我國85%的火力發(fā)電廠粉塵排放超標(biāo)[3];一些地級以上城市PM2.5超

過國際標(biāo)準(zhǔn)的60倍[4];美國太空總署2010年公布的衛(wèi)星檢測全球大氣顆粒物 污染指數(shù)圖顯示我國已稱為世界上粉塵污染最嚴(yán)重的國家。對此2012年2月 29日中國環(huán)境保護(hù)部和國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局發(fā)布了新的環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),增加了對于PM2.5的排放要求。因此我們急需一種對超細(xì)顆粒有較好捕集能力的除塵設(shè)備,以減少PM2.5顆粒的排放。

工業(yè)中現(xiàn)有的除塵器中,布袋和靜電除塵器分離效率高,但投資成本較高,占地面積大,布袋會帶來二次污染,靜電除塵對粉塵比電阻有要求。旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)簡單,操作維護(hù)簡便,制作成本低,壓降適中,處理量大、性能穩(wěn)定,使用范圍大,但對于5μm以下顆粒捕集效率較低。雖然旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)不斷的推陳出新,出現(xiàn)了各種形式的

旋風(fēng)分離器,如螺旋型、擴(kuò)散型、蝸旋型等,細(xì)粉捕集能力不斷提高,但是對于用旋風(fēng)分離器分離捕集5μm以下、1μm左右超細(xì)顆粒的工業(yè)應(yīng)用一直未有重要突破[3, 5-10],更不用說處理PM2.5顆粒。

本作品在傳統(tǒng)旋風(fēng)除塵器基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計,巧妙地將除塵系統(tǒng)中的離心風(fēng)機(jī)置于旋風(fēng)分離器內(nèi)部,通過旋轉(zhuǎn)作用數(shù)十倍地提高顆粒受到的離心力以提高PM2.5顆粒的分離效率,同時通過長流程分離,有效提高PM2.5被分離的可能性,通過對作品精細(xì)設(shè)計和智能化控制,實(shí)現(xiàn)了針對PM1-2.5的有效處理。此作品對節(jié)約除塵系統(tǒng)能耗,降低PM2.5排放以及保護(hù)環(huán)境都具有重要意義。

1.工作原理及性能分析 2.1系統(tǒng)組成

圖2-1 系統(tǒng)三維圖

本系統(tǒng)三維圖如圖2-1所示,主要包括動力部分、智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)(見圖2-

2、風(fēng)機(jī)段、分離筒體、灰斗、二次除塵部分和抽氣部分七個部分:

1、動力部分:包括電機(jī)和聯(lián)軸器等設(shè)備,為系統(tǒng)提供能量,帶動升氣管和葉輪風(fēng)機(jī)段一起轉(zhuǎn)動,并提供所需的轉(zhuǎn)速(定速或可調(diào)。

2、智能調(diào)節(jié)系統(tǒng):主要是含塵濃度監(jiān)測裝置和電機(jī)變頻調(diào)節(jié)部分,根據(jù)含塵濃度調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,保證分離效果的同時降低裝置能耗。

3、風(fēng)機(jī)段:主要分為離心風(fēng)機(jī)段、轉(zhuǎn)彎段和擴(kuò)散段,主要為分離提供能量,賦予氣體切向速度。擴(kuò)散段設(shè)計能降低氣流軸向速度,減少壓降。離心風(fēng)機(jī)段設(shè)計參照現(xiàn)有離心風(fēng)機(jī)設(shè)計的相關(guān)理論。

4、分離筒體:參照Stairmand高效型旋風(fēng)分離器的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),對直筒段和錐段進(jìn)行重新設(shè)計,長流程設(shè)計能更好地捕集PM1-2.5顆粒。

5、灰斗:用于收集被分離的固體顆粒,并定期排灰。

6、二次除塵部分:在升氣管部分增加一個環(huán)形腔體,利用升氣管內(nèi)的強(qiáng)旋流進(jìn)行二次除塵,腔體下底面設(shè)置排灰口。

7、抽氣部分:用于灰斗和升氣管上部環(huán)形腔體的抽氣,提高分離效率。2.2工作原理

圖2-2 系統(tǒng)工作原理圖

工作原理如圖2-2所示,通過外部電機(jī)帶動使離心葉輪轉(zhuǎn)動;含塵氣體被自動吸入裝置,進(jìn)入環(huán)形入口部分;然后沿軸向進(jìn)入離心葉輪水平流道,在水平流道中相對葉輪作徑向運(yùn)動。水平葉片是裝置離心葉輪的主要做功部分,氣流在葉輪的推動作用下,作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,氣流的切向速度和全壓迅速增大。氣流經(jīng)過水平葉片,經(jīng)90°轉(zhuǎn)彎后進(jìn)入豎直葉片段,相對葉輪軸向向下運(yùn)動。豎直葉片包含擴(kuò)散段,流道空間增大。氣流在豎直葉片的作用下,切向速度得到保持,軸向速度減少,壓降降低。氣流經(jīng)過葉輪后,切向速度和靜壓都獲得了很大的提高,并從葉輪環(huán)形出口螺旋進(jìn)入葉輪下部的分離筒體。螺旋氣流沿著分離筒體的壁面向下運(yùn)動,形成外部螺旋下行流;螺旋下行流在分離器圓錐段

末端聚集向內(nèi)折返,形成內(nèi)部螺旋上升氣流,并由上部升氣管排出。在分離筒中,由于切向速度很大,使氣體中攜帶的固體顆粒受到了較大離心力,并克服氣體的流動阻力向分離筒體內(nèi)壁面運(yùn)動,同時在螺旋下行流的作用下向下運(yùn)動到灰斗而被分離。未被分離顆粒則隨螺旋上行流向上運(yùn)動,從排氣口排出。

在分離筒錐體末端和灰斗之間連接一圓筒段[11],合理設(shè)計圓筒段長度,可以使漩渦在該管段內(nèi)消失,從而避免漩渦進(jìn)入灰斗將顆粒帶走,引起二次揚(yáng)塵。同時圓筒段中旋轉(zhuǎn)向上的氣流中夾帶的一部分顆粒,也有被重新離心分離到器壁的機(jī)會。在灰斗中作抽氣處理[12](僅僅抽取氣體,灰斗抽氣不僅有益于提升旋轉(zhuǎn)氣流切向速度,增加對顆粒的分離能力,還可以降低氣流上行的軸向速度,從而減少氣流對顆粒的攜帶能力[13]。利用排氣管處較大強(qiáng)度的旋流對逃逸的顆粒進(jìn)行二次分離[14],在排氣管上部設(shè)置一個環(huán)形腔體,環(huán)形腔體內(nèi)壁直徑稍大于排氣管直徑,環(huán)形腔體外壁直徑為分離筒直徑。在裝置Post-Cyclone[15]的基礎(chǔ)上加以改進(jìn),在環(huán)形腔體外壁面中間位置設(shè)置抽吸口,吸入一部分排氣管中的氣流(僅僅抽取氣體,使被分離的顆粒直接沉降在環(huán)形腔體內(nèi)。

智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)由粉塵傳感器、PLC、PLC數(shù)模轉(zhuǎn)換器、變頻器組成。智能調(diào)節(jié)為轉(zhuǎn)速自適應(yīng)調(diào)節(jié):當(dāng)出口的含塵濃度檢測系統(tǒng)檢查到含塵濃度達(dá)15mg/m3,由計算機(jī)給予信號控制變頻調(diào)速系統(tǒng)增大電機(jī)轉(zhuǎn)速,使得葉輪轉(zhuǎn)速逐步增加,起到促進(jìn)分離的作用,若轉(zhuǎn)速升高到2500r/min,含塵濃度依然高于15mg/m3,設(shè)備報警并自動關(guān)掉

電源;當(dāng)含塵濃度低于10mg/m3,調(diào)節(jié)系統(tǒng)將降低轉(zhuǎn)速,使出口含塵濃度達(dá)到10mg/m3;濃度在10mg/m3到15mg/m3之間,不進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3可行性分析

3.1 分離模型建立與數(shù)值分析

在前期研究中,本團(tuán)隊對本產(chǎn)品基于停留時間模型[16]建立了氣固分離理論模型;將分離過程抽象為由4個微分方程組與1個代數(shù)方程構(gòu)成的切換系統(tǒng);使用龍格-庫塔方法編程求解微分方程組;并使用蒙特卡洛方法分析設(shè)備對于工況的適應(yīng)性以及各工況對設(shè)備的分離性能影響;使用二分法模擬特定工況下的臨界粒徑(50%分離粒徑。

分離模型由式(3-1至式(3-5構(gòu)成的切換系統(tǒng)組成,在編程求解微分方程時,需要同時檢測相應(yīng)的代數(shù)條件(各段停留時間確定條件,以此作為判斷模型切換的依據(jù)。

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(3-4 3555445(3(([,]s p r end D N R t r t U t t t v θπ'=+∈(3-5 在轉(zhuǎn)速改變的情況下進(jìn)行了蒙特卡洛對流量和粒徑的模擬,轉(zhuǎn)速變化范圍為1000r/min~2900r/min ,按50r/min 逐步增大隨機(jī)取2000組樣本點(diǎn),所得結(jié)論為:轉(zhuǎn)速與分離效率正相關(guān),隨著轉(zhuǎn)速的提高,可分離點(diǎn)數(shù)由55.2%上升到83.4%。根據(jù)蒙特卡洛方法分析,隨著轉(zhuǎn)速增大,本產(chǎn)品分離性能大大提高。其中轉(zhuǎn)速1450r/min 的蒙特卡洛分析如圖3-1所示,2900r/min 如圖3-2所示,其中能分離的工況點(diǎn)由黑點(diǎn)表示出來,分離的邊界變?yōu)榉蛛x的臨界粒徑。

粒徑 d(μm 流量 Q(m 3/s

流量 Q(m 3/s 圖3-1 1450r/min 下蒙特卡洛模擬圖 圖3-2 2900r/min 下蒙特卡洛模擬圖 使用二分法在不同轉(zhuǎn)速下模擬臨界粒徑隨流量的變化如圖3-3所示;在不同流量下模擬臨界粒徑隨轉(zhuǎn)速的變化如圖3-4所示。得到以下結(jié)論,設(shè)備隨著流量的增大分離性能減弱,但是在高轉(zhuǎn)速下,分離性能對流量波動并不敏感;隨著轉(zhuǎn)速升高設(shè)備分離性能增強(qiáng),但進(jìn)一步增大轉(zhuǎn)速分離能力提高不明顯存在飽和性。

臨界粒徑 d c(μm

流量 Q 0(m 3/s 轉(zhuǎn)速 n(r/min 圖3-3臨界粒徑隨流量變化趨勢 圖3-4 臨界粒徑隨轉(zhuǎn)速變化趨勢

通過理論建模模擬可知,本作品在1400r/min ,流量1m 3/s 工況下臨界粒徑達(dá)到0.8μm ,轉(zhuǎn)速提高到1950r/min ,設(shè)備臨界粒徑達(dá)到0.2μm ,對超細(xì)粉塵捕集能力顯著;在高轉(zhuǎn)速下,設(shè)備對工況波動適應(yīng)性優(yōu)良。

3.2 CFD 模擬

計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics ,CFD ,是通過計算機(jī)模擬流體流動、傳熱、燃燒等物理現(xiàn)象的技術(shù)。通過CFD 技術(shù),可利用計算機(jī)分析并顯示流場

中的現(xiàn)象,能在較短時間內(nèi)預(yù)測流場,為實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo),為設(shè)計提供參考,節(jié)省人力、物力和時間。商業(yè)CFD 軟件Fluent 在航空航天、汽車設(shè)計、石油天

然氣和渦輪機(jī)設(shè)計等方面都有著廣泛的應(yīng)用。

本作品的前期研究中就使用了Fluent軟件對內(nèi)部流場和顆粒相進(jìn)行了模擬分析。模擬中動靜交界面處理采用滑移面法,湍流模型采用雷諾應(yīng)力模型,離散格式采用QUICK格式,壓力插補(bǔ)格式采用PRESTO!格式,顆粒相模擬采用DPM 模型,并使用DRW模型考慮湍流速度脈動對顆粒的影響[17, 18]。迭代計算全部采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格如圖3-5所示。圖3.6左側(cè)兩圖分別為速度云圖和靜壓云圖,最右側(cè)的圖是被捕集顆粒的軌跡圖。

圖3-5 網(wǎng)格圖

圖3-6速度云圖、靜壓云圖和顆粒軌跡圖

圖3-7 本裝置與Stairmand旋風(fēng)分離器分級效率曲線[19]的對比 注:以上對比是在同流量同筒徑下進(jìn)行的

模擬結(jié)果表明該作品對超細(xì)顆粒具有較高的分離效率,隨著顆粒直徑的增大,顆粒的分離效率也逐漸增大;粒徑大于2.5μm時,分級分離效率達(dá)到了99.6%;對于顆粒粒徑大于4μm時,分離效率達(dá)到了100%,即可以完全分離。

4、創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用 4.1創(chuàng)新點(diǎn)

1、將離心風(fēng)機(jī)與傳統(tǒng)的旋風(fēng)除塵器有機(jī)結(jié)合,利用離心葉輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的強(qiáng)制離心作用,有效增大對PM2.5顆粒的捕集能力;

2、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)彎處半徑深度小,顆粒在離心力作用下徑向運(yùn)動到壁面的距離大大縮短,按停留時間模型分析,更有利于分離效率的提高;

3、二次除塵系統(tǒng)的引進(jìn),充分利用離心風(fēng)機(jī)所帶來的強(qiáng)旋流進(jìn)行進(jìn)一步分離;

4、利用粉塵傳感器檢測出口處含塵濃度,通過智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)速自適應(yīng)調(diào)節(jié),在保證分離效果的同時,降低裝置能耗。

4.2應(yīng)用前景

1、目前,火力發(fā)電、鋼鐵冶煉、礦石粉碎和分離、垃圾焚燒都排放出大量粉塵, 嚴(yán)重的影響了大氣環(huán)境,本裝置有望被廣泛應(yīng)用于環(huán)保除塵,達(dá)到PM2.5減排目標(biāo);

2、針對現(xiàn)在工業(yè)領(lǐng)域中除塵設(shè)備存在的一些不足,提出一種新型除塵裝置,能 夠在經(jīng)濟(jì)性和分離效果上達(dá)到很好地平衡。

5、經(jīng)濟(jì)性分析

經(jīng)濟(jì)性分析主要針對工業(yè)主流除塵器靜電除塵器和布袋除塵器進(jìn)行對比。下表為資料查詢中對比的投資比例:

(《除塵裝置系統(tǒng)及設(shè)備設(shè)計選用手冊》,唐敬麟、張祿虎,化學(xué)工業(yè)出版社 以300MW電廠為例,需要至少2臺電除塵器,每臺電除塵器耗電約500KW,整個除塵系統(tǒng)耗電約1000KW。如果置換為本裝置,耗電約為300KW, 以機(jī)組年運(yùn)行5000h計,電除塵器年電量達(dá)到 5000MW?h,本裝置耗電1500 MW?h,節(jié)約用電3500MW?h,以上網(wǎng)電價0.42 元 /kW?h 計,年節(jié)約的電費(fèi)189萬元;以發(fā)電一度340g標(biāo)準(zhǔn)煤來算,年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1530噸;再看初投資,電除塵器造價大約1300萬,本設(shè)備造價547萬,初始投資約節(jié)約753萬。從以上分析可以看出,整個除塵系統(tǒng)如果置換為本裝置,不論是初投資還是年運(yùn)行成本都可以大大降低。另外,相比靜電除塵和布袋除塵,本作品本裝置沒有高壓靜電系統(tǒng)和大量的布袋材料,大幅度地減少了占地面積,并且能夠適應(yīng)惡劣高溫環(huán)境?？梢姳井a(chǎn)品具有良好的市場前景。

參考文獻(xiàn)

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