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

1、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

2、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(jìn)行編程數(shù)值模擬，同時使用CFD商用軟件對整機流場及顆粒 相進(jìn)行數(shù)值模擬分析；對此設(shè)備創(chuàng)新點及經(jīng)濟性進(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，在除塵領(lǐng)域具有極大的實 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

3、，但不能高效分離小于5叩以下的顆粒，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)除塵器在實際運行時，就有鼓風(fēng)機或離心風(fēng)機將氣流引進(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顆粒運動行程，從而能有效被壁面捕集。同時裝置增加了抽氣部分

4、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商用軟件對整機流場及 顆粒相進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，并通過模型機進(jìn)行部分實驗驗證。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2.5卩的顆粒物。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(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

5、火力發(fā)電廠粉塵排放超標(biāo)3; 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

6、范圍大，但對于5叩以 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5ym以下、1ym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，實現(xiàn)了針對PM1-2.5的有效處理。此作品對節(jié)約除

7、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 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(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)測裝置和電機變頻調(diào)節(jié)部分，根據(jù)含塵濃 度調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，保證分離效果的同時降低裝置能耗。3、風(fēng)機段:主要分為離心風(fēng)機段、轉(zhuǎn)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(shè)計能降低氣流軸向速度

8、 ，減少壓降。離心風(fēng)機段設(shè)計參照 現(xiàn)有離心風(fēng)機設(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

9、 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(zhuǎn)運動,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(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

10、，并克服氣體的流動 阻力向分離筒體內(nèi)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(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度的旋流對逃逸的顆粒進(jìn)行二次分離14,在排氣管上

11、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-Cyclone15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，由計算機給予信號控制變頻調(diào)速系統(tǒng)增大電機轉(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10

12、mg/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

13、判斷模型切換的依據(jù)。(12201u001202002203cos 2C (/20,2/2si n (cos (/2si n 2p p p p c d r D m w m r d r b wdtQ w t tb D r b b b r r D r b rnwaana ? a? ? _=? ? ? ? +=? = ? +? ? 、 ? ? =+-? =+?(3-1 (12201u00122012212002max2203cos 2C (/2,2/2si n (cos arctan (/2(/2sin 2p p p p c d r D m w m r d r b w dt Q w t tt b D

14、r b bb b b r r D D Dr b r nwaanoc?aII? _=? ? ? ? ? +=? = ? +? ? ?-? =+-? =+? (3-2 220302323033ta n 2(2ta n ,(P P P P ud r Q D m mr D b b C dbw t tt dt Q w b D b冗卩?:?*? npn?II-=? ? -? ? ? = ? =? _? (3-3 423404343432,22p p p p u c d r D b m m r C t tt D b r n ji 3_=? ? =_?(3-4 3555445(3(,s p r end D N

15、 R t r t U t t tv On =+(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1OOOr/min2900r/min，按50r/min逐步增大隨機取2000組樣本點,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由黑點表示 出來,分離的邊界變?yōu)榉蛛x的臨界粒徑。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

16、 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，但進(jìn)一步增大轉(zhuǎn)速分離能力提高不明顯存在飽和性。145（、rhuin可分器 的點_”丄!可分 離的點臨界粒徑d c ( i m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

17、徑達(dá)到 0.8卩昭速提高到1950r/min，設(shè)備臨界粒徑達(dá)到0.2卩n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，為實驗提供指導(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Flue nt在航空航天、汽車設(shè)計、石油天然氣和渦輪機設(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 Flue nt軟件對內(nèi)部流場和顆粒相進(jìn)行了模擬分 析。

18、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。入口部甘網(wǎng)幡葉哋盪道屈分裔筐體網(wǎng)機圖3-5網(wǎng)格圖入口部分網(wǎng)格分離簡體網(wǎng)格fjjjil h_ ”11 1 S 1 lrH.iiJ粒徑dp uni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

19、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2.5 m時,分級分離效率達(dá)到了 99.6%;對于顆粒 粒徑大于4 pm時，分離效率達(dá)到了 100%，即可以完全分離。4、創(chuàng)新點及應(yīng)用4.1創(chuàng)新點1、將離心風(fēng)機與傳統(tǒng)的旋風(fēng)除塵器有機結(jié)合，利用離心葉輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的強 制離心作用，有效增大對PM2.5顆粒的捕集能力；2、風(fēng)機轉(zhuǎn)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(tǒng)的引進(jìn)，充分利用離心風(fēng)機所帶來的強旋流進(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

20、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)濟性和分離效果上達(dá)到很好地平衡。5、經(jīng)濟性分析經(jīng)濟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：旋風(fēng)除塵器電式除塵器袋式除塵壽中效高效中效高效振打 清灰氣環(huán) 清灰脈清初投資129.5156.69.46.8年成本11.53.86.54.26.95（除塵裝置系

21、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,以機組年運行 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行成本

22、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)1 Dockery D. Acute Respiratory Effects of Particulate Air Pollutio nJ. Ann ual Review of Public Health. 1994, 15(1: 107-132.2 張軍.生產(chǎn)性粉塵的危害及防治J.中國預(yù)防醫(yī)學(xué)雜志.2001(01: 82-83.3 王廣軍，陳紅.電廠鍋爐細(xì)粉分離器性能分析數(shù)學(xué)模型J.中國電機工程學(xué)報. 2001(0

23、9: 54-58.4 記者李禾.2010年中國環(huán)境狀況公報發(fā)布N.科技日報，(1.5 沈恒根.長錐體旋風(fēng)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(xué)院學(xué)報，19885-8.6 高士虎，王璐瑤,王承學(xué).新型旋風(fēng)分離器的設(shè)計與應(yīng)用J.長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報 (自然科學(xué)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(yè)出版社,1981.8 金國淼等.除塵設(shè)備M.北京：化學(xué)工業(yè)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 controlM.A merican In stitute of Chemical Engin eers, 1972: 320.11 Hoffmann A C霍夫曼Stein L. E.旋風(fēng)分離器：原理，設(shè)計和工程應(yīng)用Z.化 學(xué)工業(yè)出版社，2004.12 Stairma nd C J. The desig n and performa nee of cycl one separ