一种针对PM2.5的新型动态智能除尘装置 说明书(国赛终极概要

第一篇：一种针对PM2.5的新型动态智能除尘装置 说明书(国赛终极概要

一种针对PM2.5的新型动态智能除尘装置设计说明书

摘要:当前我国空气中PM2.5污染形势严峻。PM2.5是直径小于等于2.5微米的污染物颗粒,这种颗粒本身就是污染物,它又是重金属、多环芳径等有毒物质和有害气体的载体,严重危害人们的呼吸系统和心血管系统。现有的颗粒物控制技术虽然可以达到很高的总捕集效率,但对于PM2.5的捕获率并不高。针对PM2.5颗粒物中1-2.5um颗粒的捕集,本团队设计了一种新型动态智能除尘装置。本装置核心思想在于将离心风机置于传统旋风分离器内部,通过旋转作用数十倍地提高离心力以提高对PM1-2.5颗粒的分离效率。同时装置狭长的结构特征可以充分利用离心力对颗粒进行分离。而且通过智能调节系统,可以检测出口含尘气体浓度大小,然后根据浓度自动调节电机转速,在保证PM1-2.5颗粒高效分离的同时节省装置能耗。本说明书对装置进行了结构特点及工作原理的阐述;建立了固体颗粒理论分离模型,并基于分离模型对实验机进行编程数值模拟,同时使用CFD商用软件对整机流场及颗粒相进行数值模拟分析;对此设备创新点及经济性进行深入研究。最终得出结论:此装置能够降低除尘系统能耗,对于PM1-2.5颗粒捕集能力强,在除尘领域具有极大的实用价值和应用前景。

关键词:新型除尘装置,PM2.5,智能调节,分离模型,数值模拟 作品内容简介

旋风除尘器有着结构简单、成本低廉、技术成熟的优势,但不能高效分离小于5μm以下的颗粒,更不用说处理PM2.5细颗粒。

本作品就是在传统旋风除尘器的基础上加以改进来处理PM2.5颗粒中大于1um的颗粒,在旋风除尘器内部加入高速旋转的离心叶轮,利用离心叶轮产生的强大离心力和旋风除尘器本身所产生的离心力对PM1-2.5颗粒进行分离。由于旋风除尘器在实际运行时,就有鼓风机或离心风机将气流引进旋风除尘器。本作品的巧妙之处就在于,将该风机引进旋风除尘器内部,在不增加或者少量增加成本的情况下,极大的增加对PM1-2.5颗粒的分离效率。在装置设计过程中,精心地设计装置每个环节,增加PM1-2.5颗粒运动行程,从而能有效被壁面捕集。同时装置增加了抽气部分和

二次除尘部分,进一步提高分离效率。并且在含尘浓度波动下,能通过智能调节系统调节电机转速大小,在保证分离效果的同时,降低装置能耗。本作品在工业除尘领域具有极大的实用价值和应用前景。

目前本作品已完成了理论建模和理论分析,并利用CFD商用软件对整机流场及颗粒相进行了数值模拟分析,并通过模型机进行部分实验验证。

联系人:联系电话:E-mail: 设计背景

PM2.5指的是空气动力学直径小于 2.5μm 的颗粒物。我国的能源消耗以煤 炭为主,火电厂、钢铁厂等固定点污染源是PM2.5的主要来源之一[1]。PM2.5污染

严重影响人们的身体健康,引发包括心血管、呼吸道疾病在内的各种疾病[2]。据调查显示我国85%的火力发电厂粉尘排放超标[3];一些地级以上城市PM2.5超

过国际标准的60倍[4];美国太空总署2010年公布的卫星检测全球大气颗粒物 污染指数图显示我国已称为世界上粉尘污染最严重的国家。对此2012年2月 29日中国环境保护部和国家质量监督检验检疫总局发布了新的环境空气质量标准,增加了对于PM2.5的排放要求。因此我们急需一种对超细颗粒有较好捕集能力的除尘设备,以减少PM2.5颗粒的排放。

工业中现有的除尘器中,布袋和静电除尘器分离效率高,但投资成本较高,占地面积大,布袋会带来二次污染,静电除尘对粉尘比电阻有要求。旋风分离器结构简单,操作维护简便,制作成本低,压降适中,处理量大、性能稳定,使用范围大,但对于5μm以下颗粒捕集效率较低。虽然旋风分离器的结构不断的推陈出新,出现了各种形式的

旋风分离器,如螺旋型、扩散型、蜗旋型等,细粉捕集能力不断提高,但是对于用旋风分离器分离捕集5μm以下、1μm左右超细颗粒的工业应用一直未有重要突破[3, 5-10],更不用说处理PM2.5颗粒。

本作品在传统旋风除尘器基础上进行创新性设计,巧妙地将除尘系统中的离心风机置于旋风分离器内部,通过旋转作用数十倍地提高颗粒受到的离心力以提高PM2.5颗粒的分离效率,同时通过长流程分离,有效提高PM2.5被分离的可能性,通过对作品精细设计和智能化控制,实现了针对PM1-2.5的有效处理。此作品对节约除尘系统能耗,降低PM2.5排放以及保护环境都具有重要意义。

1.工作原理及性能分析 2.1系统组成

图2-1 系统三维图

本系统三维图如图2-1所示,主要包括动力部分、智能调节系统(见图2-

2、风机段、分离筒体、灰斗、二次除尘部分和抽气部分七个部分:

1、动力部分:包括电机和联轴器等设备,为系统提供能量,带动升气管和叶轮风机段一起转动,并提供所需的转速(定速或可调。

2、智能调节系统:主要是含尘浓度监测装置和电机变频调节部分,根据含尘浓度调节电机转速,保证分离效果的同时降低装置能耗。

3、风机段:主要分为离心风机段、转弯段和扩散段,主要为分离提供能量,赋予气体切向速度。扩散段设计能降低气流轴向速度,减少压降。离心风机段设计参照现有离心风机设计的相关理论。

4、分离筒体:参照Stairmand高效型旋风分离器的设计标准,对直筒段和锥段进行重新设计,长流程设计能更好地捕集PM1-2.5颗粒。

5、灰斗:用于收集被分离的固体颗粒,并定期排灰。

6、二次除尘部分:在升气管部分增加一个环形腔体,利用升气管内的强旋流进行二次除尘,腔体下底面设置排灰口。

7、抽气部分:用于灰斗和升气管上部环形腔体的抽气,提高分离效率。2.2工作原理

图2-2 系统工作原理图

工作原理如图2-2所示,通过外部电机带动使离心叶轮转动;含尘气体被自动吸入装置,进入环形入口部分;然后沿轴向进入离心叶轮水平流道,在水平流道中相对叶轮作径向运动。水平叶片是装置离心叶轮的主要做功部分,气流在叶轮的推动作用下,作旋转运动,气流的切向速度和全压迅速增大。气流经过水平叶片,经90°转弯后进入竖直叶片段,相对叶轮轴向向下运动。竖直叶片包含扩散段,流道空间增大。气流在竖直叶片的作用下,切向速度得到保持,轴向速度减少,压降降低。气流经过叶轮后,切向速度和静压都获得了很大的提高,并从叶轮环形出口螺旋进入叶轮下部的分离筒体。螺旋气流沿着分离筒体的壁面向下运动,形成外部螺旋下行流;螺旋下行流在分离器圆锥段

末端聚集向内折返,形成内部螺旋上升气流,并由上部升气管排出。在分离筒中,由于切向速度很大,使气体中携带的固体颗粒受到了较大离心力,并克服气体的流动阻力向分离筒体内壁面运动,同时在螺旋下行流的作用下向下运动到灰斗而被分离。未被分离颗粒则随螺旋上行流向上运动,从排气口排出。

在分离筒锥体末端和灰斗之间连接一圆筒段[11],合理设计圆筒段长度,可以使漩涡在该管段内消失,从而避免漩涡进入灰斗将颗粒带走,引起二次扬尘。同时圆筒段中旋转向上的气流中夹带的一部分颗粒,也有被重新离心分离到器壁的机会。在灰斗中作抽气处理[12](仅仅抽取气体,灰斗抽气不仅有益于提升旋转气流切向速度,增加对颗粒的分离能力,还可以降低气流上行的轴向速度,从而减少气流对颗粒的携带能力[13]。利用排气管处较大强度的旋流对逃逸的颗粒进行二次分离[14],在排气管上部设置一个环形腔体,环形腔体内壁直径稍大于排气管直径,环形腔体外壁直径为分离筒直径。在装置Post-Cyclone[15]的基础上加以改进,在环形腔体外壁面中间位置设置抽吸口,吸入一部分排气管中的气流(仅仅抽取气体,使被分离的颗粒直接沉降在环形腔体内。

智能调节系统由粉尘传感器、PLC、PLC数模转换器、变频器组成。智能调节为转速自适应调节:当出口的含尘浓度检测系统检查到含尘浓度达15mg/m3,由计算机给予信号控制变频调速系统增大电机转速,使得叶轮转速逐步增加,起到促进分离的作用,若转速升高到2500r/min,含尘浓度依然高于15mg/m3,设备报警并自动关掉

电源;当含尘浓度低于10mg/m3,调节系统将降低转速,使出口含尘浓度达到10mg/m3;浓度在10mg/m3到15mg/m3之间,不进行调节。

3可行性分析

3.1 分离模型建立与数值分析

在前期研究中,本团队对本产品基于停留时间模型[16]建立了气固分离理论模型;将分离过程抽象为由4个微分方程组与1个代数方程构成的切换系统;使用龙格-库塔方法编程求解微分方程组;并使用蒙特卡洛方法分析设备对于工况的适应性以及各工况对设备的分离性能影响;使用二分法模拟特定工况下的临界粒径(50%分离粒径。

分离模型由式(3-1至式(3-5构成的切换系统组成,在编程求解微分方程时,需要同时检测相应的代数条件(各段停留时间确定条件,以此作为判断模型切换的依据。

((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 在转速改变的情况下进行了蒙特卡洛对流量和粒径的模拟,转速变化范围为1000r/min~2900r/min ,按50r/min 逐步增大随机取2000组样本点,所得结论为:转速与分离效率正相关,随着转速的提高,可分离点数由55.2%上升到83.4%。根据蒙特卡洛方法分析,随着转速增大,本产品分离性能大大提高。其中转速1450r/min 的蒙特卡洛分析如图3-1所示,2900r/min 如图3-2所示,其中能分离的工况点由黑点表示出来,分离的边界变为分离的临界粒径。

粒径 d(μm 流量 Q(m 3/s

流量 Q(m 3/s 图3-1 1450r/min 下蒙特卡洛模拟图 图3-2 2900r/min 下蒙特卡洛模拟图 使用二分法在不同转速下模拟临界粒径随流量的变化如图3-3所示;在不同流量下模拟临界粒径随转速的变化如图3-4所示。得到以下结论,设备随着流量的增大分离性能减弱,但是在高转速下,分离性能对流量波动并不敏感;随着转速升高设备分离性能增强,但进一步增大转速分离能力提高不明显存在饱和性。

临界粒径 d c(μm

流量 Q 0(m 3/s 转速 n(r/min 图3-3临界粒径随流量变化趋势 图3-4 临界粒径随转速变化趋势

通过理论建模模拟可知,本作品在1400r/min ,流量1m 3/s 工况下临界粒径达到0.8μm ,转速提高到1950r/min ,设备临界粒径达到0.2μm ,对超细粉尘捕集能力显著;在高转速下,设备对工况波动适应性优良。

3.2 CFD 模拟

计算流体力学(Computational Fluid Dynamics ,CFD ,是通过计算机模拟流体流动、传热、燃烧等物理现象的技术。通过CFD 技术,可利用计算机分析并显示流场

中的现象,能在较短时间内预测流场,为实验提供指导,为设计提供参考,节省人力、物力和时间。商业CFD 软件Fluent 在航空航天、汽车设计、石油天

然气和涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。

本作品的前期研究中就使用了Fluent软件对内部流场和颗粒相进行了模拟分析。模拟中动静交界面处理采用滑移面法,湍流模型采用雷诺应力模型,离散格式采用QUICK格式,压力插补格式采用PRESTO!格式,颗粒相模拟采用DPM 模型,并使用DRW模型考虑湍流速度脉动对颗粒的影响[17, 18]。迭代计算全部采用六面体结构网格如图3-5所示。图3.6左侧两图分别为速度云图和静压云图,最右侧的图是被捕集颗粒的轨迹图。

图3-5 网格图

图3-6速度云图、静压云图和颗粒轨迹图

图3-7 本装置与Stairmand旋风分离器分级效率曲线[19]的对比 注:以上对比是在同流量同筒径下进行的

模拟结果表明该作品对超细颗粒具有较高的分离效率,随着颗粒直径的增大,颗粒的分离效率也逐渐增大;粒径大于2.5µm时,分级分离效率达到了99.6%;对于颗粒粒径大于4µm时,分离效率达到了100%,即可以完全分离。

4、创新点及应用 4.1创新点

1、将离心风机与传统的旋风除尘器有机结合,利用离心叶轮高速旋转产生的强制离心作用,有效增大对PM2.5颗粒的捕集能力;

2、风机转弯处半径深度小,颗粒在离心力作用下径向运动到壁面的距离大大缩短,按停留时间模型分析,更有利于分离效率的提高;

3、二次除尘系统的引进,充分利用离心风机所带来的强旋流进行进一步分离;

4、利用粉尘传感器检测出口处含尘浓度,通过智能调节系统进行转速自适应调节,在保证分离效果的同时,降低装置能耗。

4.2应用前景

1、目前,火力发电、钢铁冶炼、矿石粉碎和分离、垃圾焚烧都排放出大量粉尘, 严重的影响了大气环境,本装置有望被广泛应用于环保除尘,达到PM2.5减排目标;

2、针对现在工业领域中除尘设备存在的一些不足,提出一种新型除尘装置,能 够在经济性和分离效果上达到很好地平衡。

5、经济性分析

经济性分析主要针对工业主流除尘器静电除尘器和布袋除尘器进行对比。下表为资料查询中对比的投资比例:

(《除尘装置系统及设备设计选用手册》,唐敬麟、张禄虎,化学工业出版社 以300MW电厂为例,需要至少2台电除尘器,每台电除尘器耗电约500KW,整个除尘系统耗电约1000KW。如果置换为本装置,耗电约为300KW, 以机组年运行5000h计,电除尘器年电量达到 5000MW•h,本装置耗电1500 MW•h,节约用电3500MW•h,以上网电价0.42 元 /kW•h 计,年节约的电费189万元;以发电一度340g标准煤来算,年节约标准煤1530吨;再看初投资,电除尘器造价大约1300万,本设备造价547万,初始投资约节约753万。从以上分析可以看出,整个除尘系统如果置换为本装置,不论是初投资还是年运行成本都可以大大降低。另外,相比静电除尘和布袋除尘,本作品本装置没有高压静电系统和大量的布袋材料,大幅度地减少了占地面积,并且能够适应恶劣高温环境。可见本产品具有良好的市场前景。

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