正负压复合除尘系统的节能优化研究_覃新莲.pdf

第 41 卷，总第 237 期2023 年 1 月，第 1 期 节 能 技 术 ENEGY CONSEVATION TECHNOLOGYVol.41，Sum.No.237Jan 2023，No.1正负压复合除尘系统的节能优化研究覃新莲1，秦宋林2，李刚2，李婷婷2，王维1(1 哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院，黑龙江哈尔滨150001;2 中电建河南万山绿色建材有限公司，河南洛阳471000)摘要:为解决目前矿山使用布袋除尘技术的振筛机因单负压口引起除尘阻力大和功耗高的问题，本文以河南万山现有除尘设备为模板对该设备进行正负压复合优化设计。通过采用正负压相复合除尘设计方案，从除尘设备阻力、功率、有效除尘体积比三个方面对振筛机的除尘效果及能耗展开研究。研究结果表明，不同方案对除尘效果和能耗的影响不同。结合几个指标综合判断，方案 3 为最优方案。与原始方案相比，方案 3 的有效除尘体积比增加 1 2%，除尘阻力减少 4 5 kPa，功率减少 245 kW。关键词:除尘系统;气流组织;数值模拟;除尘效率;节能优化中图分类号:TK7;TK9文献标识码:A文章编号:1002 6339(2023)01 0038 04Investigation on Energy saving Optimization of Dust emoval Systemby Positive and Negative Pressure CombinationQIN Xin lian1，QIN Song lin2，LI Gang2，LI Ting ting2，WANG Wei1(1 School of Energy Science and Technology，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China;2 PowerChina Henan Wanshan Green Building Materials Co，Ltd，Huoyang 471000，China)Abstract:In order to solve the problem of large dust removal resistance and high power consumptioncaused by single negative pressure port of the vibrating screen machine using bag dust removal technologyin mines，this paper uses the existing dust removal equipment in Wanshan，Henan Province as the tem-plate to optimize the positive and negative pressure compound design of this equipment By using the pos-itive and negative pressure composite dust removal design，the dust removal effect and energy consump-tion are studied from three aspects，i e，resistance，power and effective dust removal volume ratio of theequipment The results show that different schemes have different effects on dust removal effectivenessand energy efficiency Combining several indicators，Option 3 is the best solution Compared with the o-riginal solution，solution 3 has 1 2%more effective dust removal volume，4 5 kPa less dust removal re-sistance and 245 kW less powerKey words:dedusting system;airflow organization;numerical simulation;dust removal efficiency;ener-gy saving optimization收稿日期2022 12 10修订稿日期2022 12 22基金项目:国家自然科学基金(52106082)作者简介:覃新莲(1999 )，女，硕士研究生，从事 CFD 仿真模拟，对流强化传热领域研究。近年来，随着科学技术的飞速进步，能源、环境的可持续发展已成为我国重点关注的问题1。矿产资源为人类提供了 95%以上的能源、80%的工业83原材料和 70%的农业生产资料，但同时也是最大的碳排放来源之一，对此我国提出“碳达峰，碳中和”战略2。“双碳”背景下，矿产企业的绿色低碳转型成为自身高质量发展的必由之路。“双碳”目标下绿色矿山建设的新要求主要体现在煤炭开采工艺过程中的节能和减排环节3。除尘是矿山绿色节能生产的重要环节，不仅关系着矿山的产能与安全，还直接影响矿山的生态环境建设4。高效除尘技术对实现矿产资源开发与生态环境保护的协调发展至关重要。近年来，相关学者就除尘结构进行了研究。齐辉5 等人研究了冲天炉分别在加料口上方和下方抽气的两种方案，(什么)除尘效果明显，袋式除尘器自身压力得到缓解。李少平6 研究了水泥厂除尘系统中除尘口的大小、进风速度和角度对除尘效果的影响。除尘进风管口除了需达到一定的风速外，还要满足适当的角度和尺寸，这样不仅可以防堵还能改善除尘效果。目前绝大多数矿山除尘都采用布袋除尘技术。该技术拥有较好的分离效率，但单负压吸尘口导致振筛机除尘阻力大、功耗高，从而使石料产品成本大大增加。对于振筛机正负压除尘口的设计亟待研究7。为解决矿山除尘振筛机因单负压口而引起的除尘阻力大、功耗高和环境污染等问题，本文以河南万山现有除尘设备为模板，采用数值分析的方法对该设备运行时内部气体流动情况进行研究;通过对振筛机系统正负压复合除尘结构进行优化，得到最优设计方案。1项目背景介绍制造流程中混合的废料可由输送机输送到车间筛分处理，未通过筛板的石料再由输运机传输到中碎生产车间。经过中碎生产车间筛分后将产生四批石料，分别为粒径大于 31 5 mm，粒径为 31 5 26 5 mm，粒径为 3 26 5 mm 和粒径小于 3 mm 的石料。粒径大于 31 5 mm 的石料将会由皮带机输送到工作车间进行重复细破碎处理，其余石料可直接送至成品仓库储存。振筛机将经过初筛的不同粒径的物料，再次通过复合振动筛筛选成不同等级的过程称为筛分，筛分孔径依次为 31 5 mm、20 mm、10 mm、5 mm 和 3 mm。2振筛机除尘数值模型2 1物理模型本研究采用的除尘振筛机左右对称，模拟采用的物理模型尺寸如图 1 所示。振筛机由箱体、负压除尘口和出料口三部分组成。其中负压口设置在顶部，六个出料口设置在箱体下部，箱体内部设置有5 层不同大小孔径的振筛板。石料进入除尘设备后由振筛板分离成不同的粒径尺寸。除尘口与大气环境相连通，在负压作用下气体裹挟灰尘向负压口方向流动，实现除尘。模型的网格划分如图 2 所示。图 1振筛机尺寸图图 2网格示意图2 2数值模型分析除尘振筛机的数学模型及除尘效果等特性，为便于求解，假定:(1)振筛机内存在大量粒径分布不均的石子，但由于除尘风速不高，气体单相与多相流动在一定程度上具有相似性。故可将气固两相流动简化为气体单相流动，通过模拟设备内部气体单相流动探究其内部除尘情况;(2)由于设备内气体马赫数低于 0 3，故认为气体不可压缩。本文运用单相的连续性方程和动量方程对振筛机内部气体流动情况进行数值模拟，见下式(1)和(2)t+xi(ui)=0(1)t(ui)+xj(uiuj)=xj(uixj uiuj)pxi+gi(2)式中 物质密度/kg m3;u 某一坐标方向的时均速度/m s1;动力粘度系数/N s m2;u 某一坐标方向的脉动速度/m s1;p 静压/Pa;93gi 作用于单位体积的重力/N m3。同时，使用 ealizable k e 湍流模型对振筛机内的湍流情况进行模拟。与标准 k e 模型相比，该模型对回流区有较好的模拟效果。计算域入口设置为压力入口 P1，压力值为大气压具体数值;出口设置为压力出口 P2，具体数字或表示符号;振筛机壁面设置为绝热。流体近壁区域的湍动能采用壁面函数法处理，流体为标准状况下的空气7。2 3网格无关性验证本文采用非结构化网格划分方式，分别使用数量为5 万、10 万、20 万、50 万和100 万的5 组网格对振筛机模型进行了计算。通过监测振筛机中间截面的平均速度，对不同尺寸网格的划分方式与数值模拟结果之间进行无关性验证。网格无关性验证结果如图 3 所示，最终选用 50 万网格数目的模型为本次研究的数值模型。2 4评价指标除尘效果和能耗7 是衡量振筛机的重要指标。为了定量评价除尘效果，使用有效除尘体积百分比，见下式=VeV(3)式中Ve 流速在除尘范围内的体积/m3;V 整个振筛机体积/m3。为了定量评价除尘能耗，使用电耗 P(e)和设备除尘阻力 P，见下式P(e)=(QW P)/(3 600 1 000 1 2)(4)P=P1 P2(5)式中Qw 除尘风量/m3 s1;P 负压口压力/Pa;1 风机内效率，取值 0 85;2 机械效率，取值 0 9。3结果分析及讨论3 1除尘风量的影响本节通过调节负压出口的压力大小，对除尘风量分别为 5 万 m3/h、10 万 m3/h、15 万 m3/h、20 万m3/h、25 万 m3/h 条件下的振筛机进行数值模拟，探究不同除尘风量对除尘效能的影响。图 3 为不同除尘风量下中间截面的速度分布云图。从图中可以观察到除尘风量的大小对内部的速度分布有着直接影响，风量越大，各点速度越大。同时，机体右下角存在一速度较小的死区。由于箱体的结构设置，该区域流体不参与主流体流动，只在原地做局部运动，从而导致粉尘堆积，大大降低了除尘效率。图 3不同正压值下的速度云图不同除尘风量下振筛机负压口的压力值、有效除尘体积百分比、电耗和除尘阻力大小如表 1 所示。随着除尘风量的增加，设备的除尘阻力和电耗也随之增加，而有效除尘体积百分比先增加后减少，在除尘风量为15 万 m3/h 时达到最大。这是因为当除尘风量增加时振筛机内部速度也随之增大，但除尘风速是有一定范围的，导致有效除尘体积百分比先增加后减少。表 1不同除尘风量下参数指标Qw/104(m3/h)510152025P1/kPa981909723593358/%06116430428303P(e)/kW5813813 1 5795 3 05015 9455P/kPa32105290420655结合实际应用情况，有效除尘体积百分比对矿山除尘效能十分重要。给定不同的除尘风量，当风量为15 万 m3/h 时有效除尘体积百分比达到最大值43%，除尘风量为 20 万 m3/h 时的电耗比除尘风量为 15 万 m3/h 时增加约一倍。综上可知，除尘风量为 15 万 m3/h 为最优风量。3 2正压压力的影响本节分别对正压值 Pg(表压)为 0 Pa、20 Pa、40 Pa、60 Pa 工况下的振筛机进行数值模拟，从而探04究不同正压值对振筛机除尘效能的影响。图 4 为对应不同正压值的振筛机中间截面速度的分布云图。从图中可以看出，正压值越大，死区部分流速越大。正压主要调节死区部分流动情况，对左边区域流场分布的影响较小。这是因为正压值很小，导致左边区域的流动主要受负压和左边出口影响。图 4不同风量下的速度云图对应不同正压值的振筛机性能参数如表 2 所示。从表中看出，振筛机所需的电耗和除尘阻力均随着压力的升高而减小，但有效除尘体积的百分比差别不大。这是因为正压主要影响振筛机的内部流动，使局部区域的有效除尘体积发生变化，而增大正压后负压相应减小，左边区域有效除尘体积改变导致两者差别较小。正压主要用于改善死区流动，(经实验或文献所得)正压 0 Pa 时死区速度太小，而大于20 Pa 时死区部分速度过大，因此20 Pa 为最佳正压值。表 2振筛机不同正压值下的参数指标Pg/Pa/0204060P1/kPa72 372 872 973 0730/%43 043 242 442 6427P(e)/kW1 579 5 1 552 3 1 546 9 1 541 51 5416P/kPa29 028 528 428 32833 3正负压口位置分布的影响本节研究正负压口对振筛机除尘效果的影响。如图 5 所示，通过对初始模型模拟流动的结果分析，提出三个不同位置正压口的除尘方案。图中箭头方向体现了气流方向。图 5不同优化方案示意图图6 为不同正负压口除尘模型在 Qw为15 万 m3/h、Pg=20 Pa 的工况下，振筛机中间截面的速度分布云图。从图中可以看出，额外的正负压通风口设置对速度分布有很大的影响。通过对正负压出风口压的调节，振筛机内部流体流动情况与原始方案相比，死区部分流动得到极大改善。这是因为在负压与正压的共同作用下，振筛机内部气流的流动路径发生变化，死区区域流体参与到主流体的流动中。图 6不同优化方案下中间截面速度云图不同正负压口除尘方案的除尘设备各项参数如表 3 所示。与原始方案相比，优化后的设备在电耗和除尘阻力方面的性能均有所提高。三个方案在有效除尘体积百分比上产生了不同的结果，方案 3 相比于原始方案增加了，而其余优化方案则减少了。方案 3 中正压口位置的布置着重改善了原始方案中死区的流动情况，使得有效除尘体积增加。综上可知最佳正压口设置确定为方案 3。表 3不同优化方案下的参数指标方案原始方案方案 1方案 2方案 3P1/kPa723729768768/%430424425442P(e)/kW1 57951 54691 33451 3345P/kPa290284245245(下转第 46 页)144结论本文利用传统汽轮机模型与带回热器的汽轮机模型，进行了频域特性分析，得出了由于回热器对汽轮机整体动态特性的影响，研究结果表明，考虑回热器时，汽轮机的相频特性差异区间主要在 f=0003 0318 Hz，其幅频特性差异主要表现为在低频段时，幅值较低，本文结合回热器实际运行过程对这一特性差异给出了分析。之后，本文利用某 660 MW 超临界空冷燃煤发电机组的实际运行数据，分别以传统汽轮机模型与带回热器的汽轮机模型作为模型基础，以调节剂压力为输入，以再热压力为仿真输出，通过将仿真再热压力与实际再热压力比较验证了研究结果的准确性。参考文献 1田云峰，郭嘉阳，刘永奇，等 用于电网稳定性计算的再热凝汽式汽轮机数学模型 J 电网技术，2007，31(5):39 44 2 谷俊杰，陈顺青 适用电网稳定性计算的一种超临界汽轮机动态数学模型 J 汽轮机技术，2013，55(3):175 177 3张小敏，马呈霞，钱康，等 回热系统抽汽效应对汽轮机频率调节的影响 J 热力发电，2012，41(7):86 88 4 于达仁，徐基豫 汽轮机调节系统对发电机稳定的影响 J 电力系统自动化，1996，20(1):23 26 5 刘辉，田云峰，吴涛 考虑机组协调控制的汽轮机调速器模型及其应用J 电力系统自动化，2008，32(22):103 107 6 戴义平，田云峰 变转速给水泵汽轮机调节系统的特性研究 J 汽轮机技术，1997，39(3):151 156 7 刘康宁 汽轮机调节原理分析J 自动化博览，2016(6):86 93 8于达仁，郭钰锋，王晓娟，等 计及回热器蓄热效应的汽轮机动态模型 J 中国电机工程学报，2005(14):84 88(上接第 41 页)4结论本文研究了振筛机除尘风量对除尘效能的影响，并对不同正压值和正负压口设置的模拟结果进行了分析，主要结论如下:(1)风机电耗和除尘设备阻力随着除尘风量的增加而增加，有效除尘体积百分比随着除尘风量的增加而减少。(2)通过对正负压口在流动死区的合理布置，相比于原始方案，有效除尘体积百分比提升1 2%，电耗减少245 kW，设备除尘阻力减少 4 5 kPa。(3)最终获得当负压收尘口压力为 72 3 kPa，正压口压力为 20 Pa 时为最佳解决方案。参考文献 1窦飞，刘国静，吴垠，等 考虑需求不确定性的电网综合能源配置优化研究 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