第一篇：一種針對PM2.5的新型動態智能除塵裝置 說明書(國賽終極概要

一種針對PM2.5的新型動態智能除塵裝置設計說明書

摘要:當前我國空氣中PM2.5污染形勢嚴峻。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、多環芳徑等有毒物質和有害氣體的載體,嚴重危害人們的呼吸系統和心血管系統。現有的顆粒物控制技術雖然可以達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,本團隊設計了一種新型動態智能除塵裝置。本裝置核心思想在于將離心風機置于傳統旋風分離器內部,通過旋轉作用數十倍地提高離心力以提高對PM1-2.5顆粒的分離效率。同時裝置狹長的結構特征可以充分利用離心力對顆粒進行分離。而且通過智能調節系統,可以檢測出口含塵氣體濃度大小,然后根據濃度自動調節電機轉速,在保證PM1-2.5顆粒高效分離的同時節省裝置能耗。本說明書對裝置進行了結構特點及工作原理的闡述;建立了固體顆粒理論分離模型,并基于分離模型對實驗機進行編程數值模擬,同時使用CFD商用軟件對整機流場及顆粒相進行數值模擬分析;對此設備創新點及經濟性進行深入研究。最終得出結論:此裝置能夠降低除塵系統能耗,對于PM1-2.5顆粒捕集能力強,在除塵領域具有極大的實用價值和應用前景。

關鍵詞:新型除塵裝置,PM2.5,智能調節,分離模型,數值模擬 作品內容簡介

旋風除塵器有著結構簡單、成本低廉、技術成熟的優勢,但不能高效分離小于5μm以下的顆粒,更不用說處理PM2.5細顆粒。

本作品就是在傳統旋風除塵器的基礎上加以改進來處理PM2.5顆粒中大于1um的顆粒,在旋風除塵器內部加入高速旋轉的離心葉輪,利用離心葉輪產生的強大離心力和旋風除塵器本身所產生的離心力對PM1-2.5顆粒進行分離。由于旋風除塵器在實際運行時,就有鼓風機或離心風機將氣流引進旋風除塵器。本作品的巧妙之處就在于,將該風機引進旋風除塵器內部,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。在裝置設計過程中,精心地設計裝置每個環節,增加PM1-2.5顆粒運動行程,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,進一步提高分離效率。并且在含塵濃度波動下,能通過智能調節系統調節電機轉速大小,在保證分離效果的同時,降低裝置能耗。本作品在工業除塵領域具有極大的實用價值和應用前景。

目前本作品已完成了理論建模和理論分析,并利用CFD商用軟件對整機流場及顆粒相進行了數值模擬分析,并通過模型機進行部分實驗驗證。

聯系人:聯系電話:E-mail: 設計背景

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

嚴重影響人們的身體健康,引發包括心血管、呼吸道疾病在內的各種疾病[2]。據調查顯示我國85%的火力發電廠粉塵排放超標[3];一些地級以上城市PM2.5超

過國際標準的60倍[4];美國太空總署2010年公布的衛星檢測全球大氣顆粒物 污染指數圖顯示我國已稱為世界上粉塵污染最嚴重的國家。對此2012年2月 29日中國環境保護部和國家質量監督檢驗檢疫總局發布了新的環境空氣質量標準,增加了對于PM2.5的排放要求。因此我們急需一種對超細顆粒有較好捕集能力的除塵設備,以減少PM2.5顆粒的排放。

工業中現有的除塵器中,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。旋風分離器結構簡單,操作維護簡便,制作成本低,壓降適中,處理量大、性能穩定,使用范圍大,但對于5μm以下顆粒捕集效率較低。雖然旋風分離器的結構不斷的推陳出新,出現了各種形式的

旋風分離器,如螺旋型、擴散型、蝸旋型等,細粉捕集能力不斷提高,但是對于用旋風分離器分離捕集5μm以下、1μm左右超細顆粒的工業應用一直未有重要突破[3, 5-10],更不用說處理PM2.5顆粒。

本作品在傳統旋風除塵器基礎上進行創新性設計,巧妙地將除塵系統中的離心風機置于旋風分離器內部,通過旋轉作用數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,通過對作品精細設計和智能化控制,實現了針對PM1-2.5的有效處理。此作品對節約除塵系統能耗,降低PM2.5排放以及保護環境都具有重要意義。

1.工作原理及性能分析 2.1系統組成

圖2-1 系統三維圖

本系統三維圖如圖2-1所示,主要包括動力部分、智能調節系統(見圖2-

2、風機段、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:包括電機和聯軸器等設備,為系統提供能量,帶動升氣管和葉輪風機段一起轉動,并提供所需的轉速(定速或可調。

2、智能調節系統:主要是含塵濃度監測裝置和電機變頻調節部分,根據含塵濃度調節電機轉速,保證分離效果的同時降低裝置能耗。

3、風機段:主要分為離心風機段、轉彎段和擴散段,主要為分離提供能量,賦予氣體切向速度。擴散段設計能降低氣流軸向速度,減少壓降。離心風機段設計參照現有離心風機設計的相關理論。

4、分離筒體:參照Stairmand高效型旋風分離器的設計標準,對直筒段和錐段進行重新設計,長流程設計能更好地捕集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形腔體,利用升氣管內的強旋流進行二次除塵,腔體下底面設置排灰口。

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

圖2-2 系統工作原理圖

工作原理如圖2-2所示,通過外部電機帶動使離心葉輪轉動;含塵氣體被自動吸入裝置,進入環形入口部分;然后沿軸向進入離心葉輪水平流道,在水平流道中相對葉輪作徑向運動。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,作旋轉運動,氣流的切向速度和全壓迅速增大。氣流經過水平葉片,經90°轉彎后進入豎直葉片段,相對葉輪軸向向下運動。豎直葉片包含擴散段,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,并從葉輪環形出口螺旋進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

末端聚集向內折返,形成內部螺旋上升氣流,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壁面運動,同時在螺旋下行流的作用下向下運動到灰斗而被分離。未被分離顆粒則隨螺旋上行流向上運動,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],合理設計圓筒段長度,可以使漩渦在該管段內消失,從而避免漩渦進入灰斗將顆粒帶走,引起二次揚塵。同時圓筒段中旋轉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度的旋流對逃逸的顆粒進行二次分離[14],在排氣管上部設置一個環形腔體,環形腔體內壁直徑稍大于排氣管直徑,環形腔體外壁直徑為分離筒直徑。在裝置Post-Cyclone[15]的基礎上加以改進,在環形腔體外壁面中間位置設置抽吸口,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形腔體內。

智能調節系統由粉塵傳感器、PLC、PLC數模轉換器、變頻器組成。智能調節為轉速自適應調節:當出口的含塵濃度檢測系統檢查到含塵濃度達15mg/m3,由計算機給予信號控制變頻調速系統增大電機轉速,使得葉輪轉速逐步增加,起到促進分離的作用,若轉速升高到2500r/min,含塵濃度依然高于15mg/m3,設備報警并自動關掉

電源;當含塵濃度低于10mg/m3,調節系統將降低轉速,使出口含塵濃度達到10mg/m3;濃度在10mg/m3到15mg/m3之間,不進行調節。

3可行性分析

3.1 分離模型建立與數值分析

在前期研究中,本團隊對本產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個代數方程構成的切換系統;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備對于工況的適應性以及各工況對設備的分離性能影響;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構成的切換系統組成,在編程求解微分方程時,需要同時檢測相應的代數條件(各段停留時間確定條件,以此作為判斷模型切換的依據。

((12201u 00120200 2 203cos 2C(/2[0,] 2/2sin(cos(/2sin 2 p p p p c d r D m w m r d r b w dt Q w t t b D r b b b r r D r b r πμωαα πααα?'

??''' ?--=??

?????+=???=∈?++?? ??? ?=+-??=++ ????(3-1((12201u 00122012 21200 2max 2 203cos 2C(/2[,] 2/2sin(cos arctan(/2(/2sin 2 p p p p c d r D m w m r d r b w dt Q w t t t b D r b b b b b r r D D D r b r πμωαα παα?'

??' '' ?--=???????+=???=∈?++?? ???

?-?=+--???=++??(3-2 2203023230 33tan 2(2tan [,](p p p p u d r Q D m m r D b b C db w t t t dt Q w b D b πμβωπβπ??? ' ' ?? ???''--=?????-?????? ???=∈???=?-???(3-3 42340

4343432[,]22 p p p p u c d r D b m m r C t t t D b r πμω?'-'' ?-=?∈??=-??

(3-4 3555445(3(([,]s p r end D N R t r t U t t t v θπ'=+∈(3-5 在轉速改變的情況下進行了蒙特卡洛對流量和粒徑的模擬,轉速變化范圍為1000r/min~2900r/min ,按50r/min 逐步增大隨機取2000組樣本點,所得結論為:轉速與分離效率正相關,隨著轉速的提高,可分離點數由55.2%上升到83.4%。根據蒙特卡洛方法分析,隨著轉速增大,本產品分離性能大大提高。其中轉速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由黑點表示出來,分離的邊界變為分離的臨界粒徑。

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速的變化如圖3-4所示。得到以下結論,設備隨著流量的增大分離性能減弱,但是在高轉速下,分離性能對流量波動并不敏感;隨著轉速升高設備分離性能增強,但進一步增大轉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 工況下臨界粒徑達到0.8μm ,轉速提高到1950r/min ,設備臨界粒徑達到0.2μm ,對超細粉塵捕集能力顯著;在高轉速下,設備對工況波動適應性優良。

3.2 CFD 模擬

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

中的現象,能在較短時間內預測流場,為實驗提供指導,為設計提供參考,節省人力、物力和時間。商業CFD 軟件Fluent 在航空航天、汽車設計、石油天

然氣和渦輪機設計等方面都有著廣泛的應用。

本作品的前期研究中就使用了Fluent軟件對內部流場和顆粒相進行了模擬分析。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力模型,離散格式采用QUICK格式,壓力插補格式采用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構網格如圖3-5所示。圖3.6左側兩圖分別為速度云圖和靜壓云圖,最右側的圖是被捕集顆粒的軌跡圖。

圖3-5 網格圖

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行的

模擬結果表明該作品對超細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,分級分離效率達到了99.6%;對于顆粒粒徑大于4μm時,分離效率達到了100%,即可以完全分離。

4、創新點及應用 4.1創新點

1、將離心風機與傳統的旋風除塵器有機結合,利用離心葉輪高速旋轉產生的強制離心作用,有效增大對PM2.5顆粒的捕集能力;

2、風機轉彎處半徑深度小,顆粒在離心力作用下徑向運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、二次除塵系統的引進,充分利用離心風機所帶來的強旋流進行進一步分離;

4、利用粉塵傳感器檢測出口處含塵濃度,通過智能調節系統進行轉速自適應調節,在保證分離效果的同時,降低裝置能耗。

4.2應用前景

1、目前,火力發電、鋼鐵冶煉、礦石粉碎和分離、垃圾焚燒都排放出大量粉塵, 嚴重的影響了大氣環境,本裝置有望被廣泛應用于環保除塵,達到PM2.5減排目標;

2、針對現在工業領域中除塵設備存在的一些不足,提出一種新型除塵裝置,能 夠在經濟性和分離效果上達到很好地平衡。

5、經濟性分析

經濟性分析主要針對工業主流除塵器靜電除塵器和布袋除塵器進行對比。下表為資料查詢中對比的投資比例:

(《除塵裝置系統及設備設計選用手冊》,唐敬麟、張祿虎,化學工業出版社 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,整個除塵系統耗電約1000KW。如果置換為本裝置,耗電約為300KW, 以機組年運行5000h計,電除塵器年電量達到 5000MW?h,本裝置耗電1500 MW?h,節約用電3500MW?h,以上網電價0.42 元 /kW?h 計,年節約的電費189萬元;以發電一度340g標準煤來算,年節約標準煤1530噸;再看初投資,電除塵器造價大約1300萬,本設備造價547萬,初始投資約節約753萬。從以上分析可以看出,整個除塵系統如果置換為本裝置,不論是初投資還是年運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,并且能夠適應惡劣高溫環境。可見本產品具有良好的市場前景。

參考文獻

[1] Dockery D.Acute Respiratory Effects of Particulate Air Pollution[J].Annual Review of Public Health.1994, 15(1: 107-132.[2] 張軍.生產性粉塵的危害及防治[J].中國預防醫學雜志.2001(01: 82-83.[3] 王廣軍,陳紅.電廠鍋爐細粉分離器性能分析數學模型[J].中國電機工程學報.2001(09: 54-58.[4] 記者李禾.《2010年中國環境狀況公報》發布[N].科技日報,(1.[5] 沈恒根.長錐體旋風除塵器的流場測定及分割粒徑計算的研究[Z].西安冶金建筑學院學報, 19885-8.[6] 高士虎,王璐瑤,王承學.新型旋風分離器的設計與應用[J].長春工業大學學報(自然科學版.2009(04: 442-446.[7] 井伊谷剛一馬文彥譯.除塵裝置的性能[M].北京: 機械工業出版社, 1981.[8] 金國淼等.除塵設備[M].北京: 化學工業出版社, 2002.[9] 張殿印王純等.除塵器手冊[M].北京: 2004.[10] Coughlin R W, Sarofim A F, Weinstein N J.A ir pollution and its control[M].A merican Institute of Chemical Engineers, 1972: 320.[11] Hoffmann A C 霍夫曼Stein L.E.旋風分離器: 原理, 設計和工程應用[Z].化學工業出版社, 2004.[12] Stairmand C J.The design and performance of cyclone separators[J].Trans.Inst.Chem.Eng.1951, 29: 356-383.[13] 張建,金有海.灰斗抽氣對旋風分離器分離性能影響數值模擬研究[J].工程設計學報.2008, 15(5: 313-318.[14] Ray M B, Luning P E, Hoffmann A C, et al.Improving the removal efficiency of industrial-scale cyclones for particles smaller than five micrometre[J].International Journal of Mineral Processing.1998, 53(1: 39-47.[15] Ray M B, Luning P E, Hoffmann A C, et al.Post Cyclone(PoC:? An Innovative Way To Reduce the Emission of Fines from Industrial Cyclones[J].Industrial & Engineering Chemistry Research.1997, 36(7: 2766-2774.[16] Hoffmann A.C.,Stein L.E.旋風分離器--原理、設計和工程應用[M].北京: 化學工業出版社, 2004.[17] 劉賢杰.徑向噴射規整旋流分離器結構優化的參數化方法及數值模擬[D].武漢: 華中科技大學, 2012.[18] 曾克立.大型電站鍋爐及尾部管束飛灰分離和防磨的數值試驗研究[D].杭州: 浙江大學.[19] Hoekstra A J.Gas flow field and collection efficiency of cyclone separators[J].2000.