一種針對PM25的新型動態(tài)智能除塵裝置說明書國賽終極版復(fù)習(xí)過程

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。一種針對PM25的新型動態(tài)智能除塵裝置說明書國賽終極版-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(huán)芳徑等有毒物質(zhì)和有害氣體的載體，嚴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

2、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行數(shù)值模擬分析；對此設(shè)備創(chuàng)新點及經(jīng)濟性進行深入研究。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

3、。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5m以下的顆粒，更不用說處理PM2.5細顆粒。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)機將氣流引進旋風(fēng)除塵器。本作品的巧妙之處就在于，將該風(fēng)機引進旋風(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

4、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(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行了數(shù)值模擬分析，并通過模型機進行部分實驗驗證。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2.5m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ADD

5、INNE.Ref.13C3DAB3-D6FA-4DCD-A80B-03223C68E1201。PM2.5污染嚴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ADDINNE.Ref.1DC7B316-16A8-4045-9CEF-A9B73C11DFF12。據(jù)調(diào)查顯示我國85%的火力發(fā)電廠粉塵排放超標ADDINNE.Ref.AAD24E80-55AF-4C96-B9C2-D3225689A8173；一些地級以上城市PM2.5超過國際標準的60倍ADDINNE.Ref.593ECD1A-E6B2-4D2D-8E4F-6F82A7B82B664；美國太空總署2010年公布的衛(wèi)星檢測全

6、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重的國家。對此2012年2月29日中國環(huán)境保護部和國家質(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(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5m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

7、型等，細粉捕集能力不斷提高，但是對于用旋風(fēng)分離器分離捕集5m以下、1m左右超細顆粒的工業(yè)應(yīng)用一直未有重要突破ADDINNE.Ref.F6C055BC-38CD-44D9-8C15-000EF2D4E06B3,5-10，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)約除塵系統(tǒng)能耗，降低PM2.5排放以及保護環(huán)境都具有重要意

8、義。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，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

9、筒體：參照Stairmand高效型旋風(fēng)分離器的設(shè)計標準，對直筒段和錐段進行重新設(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，進入環(huán)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

10、，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，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

11、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ADDINNE.Ref.D114E4BB-6E37-4A67-A586-0735C0F2566711，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ADDINNE.Ref.9BFE8BF5-2289-47C4-BD89-E5CD81AB51A012（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

12、少氣流對顆粒的攜帶能力ADDINNE.Ref.88377E9D-F718-4DD4-8337-6095F73254F613。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ADDINNE.Ref.B276ACB1-283C-47C9-9676-8B45FB78D84D14，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-CycloneADDINNE.Ref.8A362F4D-C07F-40EF-A72A-ED2A6CC57D1615的基礎(chǔ)上加以改進，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

13、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)：當出口的含塵濃度檢測系統(tǒng)檢查到含塵濃度達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，使出口含塵濃度達到10mg/m3;濃度在10mg/m3到15mg/m3之間，不進行調(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ADDINNE.Ref.

14、B1245587-E0A7-447D-BD27-30EC7F88CA5B16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)。（3-1）（3-2）（3-3）（3-4）（3-5）在轉(zhuǎn)速改變的情況下進行了蒙特卡洛對流量和粒徑的模擬，轉(zhuǎn)速變化范圍

15、為1000r/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。圖3-11450r/min下蒙特卡洛模擬圖圖3-22900r/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)

16、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，但進一步增大轉(zhuǎn)速分離能力提高不明顯存在飽和性。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1m3/s工況下臨界粒徑達到0.8m，轉(zhuǎn)速提高到1950r/min，設(shè)備臨界粒徑達到0.2m，對超細粉塵捕集能力顯著；在高轉(zhuǎn)速下，設(shè)備對工況波動適應(yīng)性優(yōu)良。3.2CFD模擬計算流體力學(xué)（ComputationalFluidDynamics，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

17、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Fluent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Fluent軟件對內(nèi)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(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ADDINNE.Ref.12E8BB46-DA18-484C-85E5-058F14F9823A17,18。迭代計算全部采用六面體結(jié)

18、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ADDINNE.Ref.761D64E1-AC8B-48A9-B8C3-999B7B96042219的對比注：以上對比是在同流量同筒徑下進行的模擬結(jié)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2.5m時，分級分離效率達到了99.6%；對于顆粒粒徑大于4m時，分離效率達到了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

19、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，充分利用離心風(fēng)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(diào)節(jié)系統(tǒng)進行轉(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，達到PM2.5減排目標；針對現(xiàn)在工業(yè)領(lǐng)域中除塵設(shè)備存在的一些不足，

20、提出一種新型除塵裝置，能夠在經(jīng)濟性和分離效果上達到很好地平衡。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,以機組年運行5000h計，電除塵器年電量達到5000MWh，本裝置耗電1500MWh，節(jié)約用電3500MWh，以上網(wǎng)電價0.42元/kWh計，年節(jié)約的電費189萬元;以發(fā)電一度340g標準煤來算，年節(jié)約標準煤1530噸

21、；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。可見本產(chǎn)品具有良好的市場前景。ADDINNE.Bib參考文獻1DockeryD.AcuteRespiratoryEffectsofParticulateAirPollutionJ.AnnualReviewofPublicHealth.1994,15(1):107-132.2張軍.生產(chǎn)性粉塵的危害

22、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(09):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.北京:2004.10CoughlinRW,SarofimAF,WeinsteinNJ.AirpollutionanditscontrolM.AmericanInstituteofChemicalEngineers,1972:320.11HoffmannAC霍夫曼SteinL.E.旋風(fēng)分離器:原理,設(shè)計和工程應(yīng)用Z