CN100531875C - 用于混合流体流以使颗粒聚结的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种空气动力学聚结设备(10)，促进了气流中污染颗粒的混合和聚结，以便于随后从气流中去除所述颗粒。该聚结设备(10)安装在一个气流流过的管道(11)内。该聚结设备(10)包括多个平行板(12)，所述平行板(12)沿整个气流动方向延伸，并被与输送管道(11)的宽度横向交叉地间隔开，以将所述管道分隔为许多平行通道。输送管道(11)中配置有和/或具有在所述通道上游的气流内部产生大规模湍流的构件。每个管道内都设有一个叶片组件(13)，用于产生小规模湍流区，所述小规模湍流区的大小和/或强度使污染颗粒能够被带入湍流内。每个叶片组件(13)都安装在其各自通道的中心位置，并包括多个边缘锋利的叶片(15)，所述叶片(15)沿整个气流方向连续间隔排列。支流内的大规模湍流使得各支流穿过其各自通道中的小规模湍流区，使得其中的颗粒经受该小规模湍流。

Description

用于混合流体流以使颗粒聚结的方法和设备

技术领域

本发明主要涉及用于混合流体流以使颗粒聚结的方法和设备。本发明更具体地，但不仅仅，适用于从气流中去除污染微粒的污染控制。

本发明的一个优选实施例涉及空气动力学颗粒聚结，其中使用颗粒规模大小的湍流来增强颗粒之间的相互作用和聚结，由此便于进一步的过滤或其它从空气流中去除粒子的操作。

本申请要求澳大利亚专利申请No.2003902014和No.2004900593号的优先权，上述两项申请的公开内容并入本文以供参考。

背景技术

很多工业过程都会向大气中排放有害的微粒。这些颗粒通常包括非常细的亚微米有毒化合物颗粒。由于这些微粒能够进入人体的呼吸系统，因此他们对公众健康造成了严重的危害。毒性再加上易于呼入的细合特性的认识促使全世界的政府制定法律，更加严格控制直径小于10微米(PM10)的颗粒、特别是小于25微米(PM25)的颗粒的排放。

大气排放中的更小的微粒也是大气污染中低能见度情况的主要影响因素。举例来说，在煤燃烧装置中，烟道不透明度在很大程度上取决于飞灰的微粒部分，因为消光系数峰值与光的波长0.1-1微米非常接近。

微粒控制的重要性可通过考虑一次排放中的污染颗粒数目而不是污染物总重量来衡量。一次典型的煤燃烧过程释放的飞灰中，小于2微米的污染颗粒可能只占总污染物的7％，但占到总颗粒数目的97％。除去所有大于2微米颗粒的方法可能看上去非常有效，因为它除去了93％的污染物质，但还有97％的污染颗粒没有除去，其中包含着更能吸入的有毒颗粒。

已经有了很多种用于从空气流中除去灰尘和其他污染颗粒的方法。尽管这些方法总的来说都适合于从空气流中除去较大的颗粒，但他们通常对过滤掉更小的颗粒、尤其是PM2.5的颗粒，效果就要差得多。

很多污染控制方法都依赖于特定种类的各成分之间的接触以促进有利于随后去除废气流中有关污染组分的反应或相互作用。比如，活性炭一类的吸附剂可喷入污染气流中用于去除汞(吸附)，或者可以喷入钙以去除二氧化碳(化学吸附)。另外，颗粒可以通过碰撞/黏附作用聚结成更大颗粒，进而提高颗粒的可收集性，或者，还可以将单个颗粒的物理特性改变为聚结体的物理性能，进而更易于收集和/或过滤。

然而，为了产生这些相互作用，必须引入这些有关物质。对于很多在标准烟道内的工业污染物来说，由于一些原因这是非常困难的。比如，反应/相互作用的时间范围非常短(通常0.5-1秒)，引入物质在废气中分布量非常少(相对于大量的流体流)，烟道的尺寸相对于污染颗粒尺寸来说非常大。

一般来说，工业过程排放的废气被引入一个大的输送管道，所述输送管道将它们均一地输送到一些下游收集装置(比如一个静电除尘器、袋式过滤器或旋风除尘器)，并尽可能少地产生湍流/能量损失。这种湍流在输送过程中产生，通常是气体围绕旋转的叶片、围绕管道内部支架/刚性元件、穿过扩散隔板及其类似物体进行的大规模转向。这种湍流总是具有整个输送管道的大小，并尽可能简短地达到改变流向的要求。

同样地，当为了具体用途，比如特定污染物的吸收而使用混合设备时，这些混合设备通常会产生大规模湍流场(即和输送通道的宽度或高度相当的湍流场)，并被设置成气体必须通过的简单帘幕(curtain)。

已知还可以在混合设备中使用涡流发生器来促进流体流的混合。而且，已知的涡流混合器产生与输送通道或腔室尺寸相当的大规模湍流。

无论工业排烟道中较为难以收集的污染物是颗粒状(比如飞灰)、气态(比如SO₂)、雾状(比如NO_x)，还是元素态(比如汞)，它们都具有微米(即：10^-6m)尺寸的直径。由于这些颗粒尺寸很小，它们在整个气流中占据非常小的体积比。举例来说，一百万个1μm直径的颗粒在1cm³的气体中只占据小于0.00005％的体积(假定这些颗粒都是球形的)。即使是10μm直径的颗粒，这个比例也只是升至0.05％。当考虑到像汞这样的污染物可能只占总污染物的百万分之几(ppm)时，显然相对于颗粒大小来说，工业烟道气体所输送的污染物之间的间隔/距离是非常大的。因此，大规模的混合，甚至通过涡流发生器的混合，也都是不确定的事件，效率非常之低。

此外，流体流所携带的微粒有一个特性：如果没有足够的力使其脱离流体流，它们会在流体流中流线流动。也就是说，如果流体流的粘性力支配颗粒的惯性力，那么颗粒将随流体流一起流动。已知管道规模的湍流混合方式要比颗粒规模的湍流的幅度大得多。当从颗粒的角度看时，他们远不是混乱状态，相对来说还有些平顺。而颗粒在通过管道中的湍流或通过标准混合区域时可能会有很多次方向改变，这些改变的范围相对于颗粒的尺寸或规模来说都太大了。因此流体流中的颗粒或多或少都沿着相同的路线流动，不会与它们周围的颗粒相互作用。很少有在颗粒规模上的混合，因此已知混合方法的颗粒聚结效率非常低。

因此，试图使在总流体流中占据很低体积比的非常微小的污染物的碰撞率最大化的系统，应当产生小规模湍流，即颗粒规模的湍流，以获得最大化的效果。颗粒规模的湍流将造成微粒沿着不同的轨道以不同的速度运动，因此促进相互作用和聚结。遗憾的是，目前的设计原则尚未充分履行这些标准。

本发明的目的是提供用于颗粒聚结的流体流混合方法和设备，以达到改进流体流动中微粒与相同成分或其他引入其中的更大颗粒成分的混合或相互作用，由此促使更有效的颗粒聚结或更有效地被大颗粒吸收。

发明内容

在一个宽的范围内，本发明提供一种促进流体流内物质混合的方法，包括以下步骤：

在流体流内产生大规模湍流；

将所述流体流分隔为多个支流；

在每个支流内提供一种构件，以在所述构件附近产生小规模湍流区；以及

使每个支流穿过其相应的小规模湍流区，以使其经受所述小规模湍流。

另一方面，本发明提供了促进流体流内物质混合的设备，包括

用于流体流的管道；

位于所述管道内的多个通道，所述通道用于将流体流分隔为流过相应的所述通道的支流；

用于在多个通道的上游在流体流内产生大规模湍流的装置；以及

位于每个通道内的一种构件，所述构件用于在所述构件附近产生小规模湍流区；

其中，在使用中，大规模湍流使得各通道内的支流穿过小规模湍流区。

每个构件优选位于各自支流的中心，可以适当地包括多个在沿整个流体流动方向延伸的平面上连续排列的间隔叶片。所述叶片应当隔开，也应当足够紧密以便足够产生一个连续的小规模湍流区，叶片可以安装在位于通道中心平面并沿流体流的整个流动方向延伸的一个大致平面的框架内。

每个叶片通常都是细长部件，该细长部件具有与所述流体流的流动方向呈倾角的锋利的边缘部分。叶片可非必要地有带齿的边缘部分。

上述聚结设备可以包括许多平行的大致平面的部件，所述部件沿所述流体流的整个流动方向延伸，并间隔排开与所述管道横向交叉。所述通道被限定于相邻两个平面部件之间。然而，可以理解，所述通道不必通过固体间隔物形成，也可以是各支流的假想通道。

在本发明的一个实施例中，所述管道是通风管道，所述流体流是工业过程中产生的废气流，所述物质包括污染颗粒。在这个实施例中，本发明包括使用湍流操控废气流中微米或亚微米大小的污染颗粒的位置、速度和轨道，以提高它们彼此之间和/或和气流中其它粒子之间的碰撞机率以便聚结成更大更易去除的颗粒，和/或增加它们与为去除污染粒子而引入气流中的其它更大种类的颗粒之间的碰撞和相互作用的机率。

此过程包括以下的基本步骤：

(i)  产生适当范围的大规模湍流，使废气流内产生大湍流；

(ii)将气流分隔为进入各自通道内的支流；以及

(iii)使支流进行小规模湍流。

术语“大规模湍流”和“大湍流”都是指输送管道尺度的湍流，即其影响遍及整个管道的湍流

术语“小规模湍流”、“微湍流”和“颗粒规模的湍流”都是指足够小规模内的湍流，以便能够将单个颗粒带入到湍流中，并因此提高颗粒的空气动力学聚结。这种湍流通常局限于在叶片紧邻的区域。

在通常沿每个通道的中央部分纵向延伸的小规模湍流区域内，颗粒被完全带入，并经受湍流。这种湍流促进了小颗粒之间的碰撞和相互作用，导致它们之间的聚结。

上游的大规模湍流通常由管道本身的几何构造产生，比如弯曲、分支、收缩和扩张等。然而，如果流体流在进入通道时没有足够大规模的湍流，就需要通过在通道上游的管道内引入诸如支柱和挡板的障碍物来给予流体流额外的大规模湍流。

当湍流的流体流被分隔为各自通道中的支流时，支流也经受到这种大规模湍流。这样每个支流内的颗粒通过其各自通道中的小规模湍流区域，并经受颗粒规模的湍流。

小规模湍流的使用是违反直觉的。通常希望气流中的压力下降尽可能地低。由于这一原因，已知的颗粒混合系统通常使用大规模湍流。然而，如以上所提到的，大规模湍流效率非常低。小规模湍流促使颗粒之间更好地混合，但也造成了很大的压力损失。而本发明只在每个通道内的有限区域使用了小规模湍流，从而使压降最小化。每个通道内流体流支流中的大规模湍流确保每个支流内的颗粒都通过该区域并经受颗粒规模的混合。

小规模湍流可以是利用锋利边缘的叶片而产生的涡旋形式。优选地，可以利用许多小的低强度的涡旋将单个的微粒完全卷入其中，使它们经受湍流，由此产生颗粒之间的碰撞和相互作用，以及颗粒之间更有效的聚结。微粒之间可以通过聚结形成大颗粒。微粒还可以和流体流内的大颗粒发生聚结。随后可以用现有的方法从气流中更容易地去除该聚结后的颗粒。

在另一个实施例中，一种或几种大颗粒被引入到气流中以去除污染粒子。当这些污染粒子与大颗粒物接触时，它们倾向于附着在大颗粒上或与之发生反应，因此能够利用大颗粒物将这些污染粒子从气流中除去。污染微粒被小规模湍流区域的涡旋卷入其中，但在每个支流中的大颗粒并没有被卷入，或者被卷入的程度较小。大小颗粒之间的相互运动导致了它们之间更高频率的碰撞，以及更高效地通过较大的(去除)颗粒去除细微的(污染)微粒。

优选地，可以选择由涡旋产生的小规模湍流的运动粘度数，以便能够使细微的污染颗粒被卷入，而较大的去除颗粒不被卷入。通常，运动粘度数小于1就能够保证细微的污染颗粒被卷入。较大的去除物颗粒的运动粘度数应当大于1，以便它们不被卷入。实际上在气流中产生的旋涡或涡旋大约为10mm大小。

污染粒子可能是气相、液相或固相。较大的颗粒物可以是液相或固相，比如液滴。

去除物可以是一种化学物质，比如钙，它可以和污染颗粒(比如二氧化硫)发生化学反应生成第三种化合物(比如硫酸钙)。或者，去除物颗粒也可以通过吸收或者吸附(碳颗粒吸附污染的汞颗粒)除去污染粒子，或者去除物颗粒可以通过和污染物碰撞粘附而产生的聚结来去除微细污染物。

为使本发明可以更好地被理解和实现，现在将参照附图仅通过实施例对实施方式进行描述。

附图简述

图1是本发明一种实施方式的带有聚结设备的输送管道的平面图。

图2是图1中聚结设备的平面图。

图3是图1中聚结设备的叶片组中一部分的截面图。

图4是图3中叶片组中一个叶片的透视图。

图5是图1中聚结设备部分的截面图，示出了大规模湍流。

图6是图3中叶片组中一部分的截面图，示出了小规模湍流区域。

图7(a)-(e)都是可选用叶片的透视图。

具体实施方式

图1-6描述了根据本发明一个实施例的一种空气动力学聚结设备。该聚结设备10安装在一个输送管道11内，该输送管道通常接收工业过程中排放的废气流，如图1所示。

聚结设备10包括多个大体平面的部件，比如金属板12，其沿着输送管道11纵向(也就是气体流动的整个方向上)延伸，并间隔横穿管道的整个宽度方向。在金属板12之间形成了通道，气流在流过各通道时被分隔为若干支流。尽管金属板12如图2所示垂直安装，但在需要的时候也可以水平安装。而且，金属板12不一定是致密的。需要时也可使用多孔板。

在金属板12之间安装了叶片组13。每个叶片组件13都安装在两个相邻金属板12之间的各自通道的中央位置，如图5所更为清楚地显示，沿金属板12平行延伸。

图3和4中更为详细地示出了每个叶片组件13的结构。每个叶片组件13包括一个大体平面的矩形框架14，在使用时该矩形框架可以从相邻一对金属板12之间的通道内的管道顶部中央悬挂下来。每个框架14带有多个间隔的竖直叶片15，所述叶片15通常安装在框架平面内。每个叶片15通常都是一个“Z”字形截面的金属带，和通过通道的气流方向成一定角度。每个叶片15的垂直边缘17优选带有圆齿，以形成一个深度为T_d、间距或节距为T_p的叶齿16。

叶片长度V_l是指叶片15的主体在气流方向上的尺寸，如图3所示。叶片间距V_s是连续两个叶片之间的距离，不包括叶齿。叶片宽度V_w是叶片15的主体在垂直气流方向上的尺寸。通道宽度P_w是相邻金属板12之间的内部间隔或距离。

提供了足够的金属板12以将管道11的整个宽度分隔为若干通道，并提供了足够的叶片组13以便在每相邻金属板之间的通道中心安装一个叶片组。通常的通道宽度大约为275mm，但通道宽度通常可在100mm-750mm之间，只要通道宽度P_w和叶片宽变V_w之比维持在最小2.5和最大25之间即可。

在每个框架14中的叶片15纵向间隔排列，以便连续的叶片处于在前叶片的尾流或遮蔽中。连续叶片15之间的间距V_s大致与前导叶片产生的尾流尺寸相当。如此，相邻叶片产生的微湍流之间出现重叠，或者至少有一连续区域的微湍流。

叶片15所产生的尾流与叶片在垂直气流方向上的宽度V_w和叶片在平行气流方向上的长度V_l之间成一定比例。在列举的实施方式中，V_s与V_l近似相等。叶片间距V_s可以适当地在0.5V_w到8V_w之间。同样地，叶片长度V_l也可以适当地在0.5V_w到8V_w之间。

如果叶片上使用叶齿，叶齿深度通常为0.25V_w到2V_w之间，叶齿间距通常为0.5V_w到2V_w之间。

需要注意的是，该聚结设备10是元源的，也就是说，聚结设备的组件不需要任何意义程度上的充电或带电。

在使用中，输送管道11中的气流将经受大规模湍流或大湍流。一般地，在工业排气管道中通常存在的扩张、收缩、弯曲、分支、挡板、叶片、支柱或其他物理构件将足以在气流中引入大规模湍流。举例来说，用于引导气流方向的挡板叶片18，造成气流内的分隔和长距离的湍流。然而如果在气流到达聚结设备10时气流中的大湍流还不够，可以在管道11中增加流动搅动装置来提供需要的大湍流。举例来说，如果直接处于聚结设备10前方没有湍流引发构件的输送管道很长(比如管道长度是管道直径的4倍)，那么就应当在管道中增加流动搅动装置。

一个合适的流动搅动装置是一列安装在管道11中的100mm直径的管子9(或者也可选择100mm×100mm角形截面)，以便它们完全伸展穿过气流以产生大规模湍流。这样的管子9应当安装为与管道11横向相距不超过1m。如果在聚结设备10正前方没有足够的大规模湍流，可以在聚结设备10上游采用许多各种物理构件以在气流中引入大湍流，这对本领域技支术人员是显而易见的。

当气流过聚结设备10时，其被分隔成多个支流，所述支流流过相邻平板13之间的各自通道。在支流中还继续保留有气流的大湍流，使得每个支流中的颗粒通过相应通道内的叶片组件13，如图5中的流线所示。支流内大规模、长距离的湍流确保基本上通道中所有的支流流通过位于通道中央的叶片组件13。

当一个支流通过叶片组件13时，就会经受小规模湍流或微湍流，如图6中的阴影部分19所示。成一定角度的叶片15会产生颗粒规模的湍流，促使每个通道内部支流中颗粒之间的碰撞和相互作用，提高了颗粒的聚结。由于在叶片11附近形成了小规模湍流，支流内的颗粒被卷入湍流中，导致碰撞和附着机率明显增加。粘附过程可能是一和表面作用(比如吸附、化学吸附或吸收过程)、一种分子作用(范德瓦耳斯力作用的结果)、或者是一种润湿过程(薄雾与其它雾滴或固体颗粒碰撞的结果)。

小规模湍流或微湍流会具有许多通常是10-15mm的小旋涡的性质。叶片15的成角度的表面、锋利边缘以及间断或Z字形的结构充当了涡流发生器，沿着各个支流产生了许多旋涡。这些旋涡的尺寸都非常小，将污染微粒卷入气流中。

叶片15产生的旋涡模式被认为包括一个线性平行于叶片的横向涡旋运动，其尺寸取决于叶片间距、叶片长度和叶片宽度，旋涡模式还包括一系列反旋转的涡流结构，其尺寸取决于叶片的叶齿16。叶片15附近的流速被认为基本上低于平均流速。

尽管微湍流的区域仅局限于每个通道中心，但是每个支流内的大湍流确保了支流通过这个区域，以便支流内的颗粒经受颗粒规模的湍流。而且，通过将小规模湍流局限在每个通道的中心区域，通过聚结设备的总压降也被最小化。

以上描述的仅是本发明的一种实施方式，在不偏离如所附权利要求中限定的本发明范围的情况下，另外还可以进行对本领域技术人员来说显而易见的改进。比如，尽管本发明具体参照气流中颗粒的混合进行了说明，但本发明也可以应用于其它流体流、例如液体中的混合。

此外，叶片的形状和构造也可以改变。图7(a)-(e)举出了可以用于以上所述聚结设备中的一些可供选择的叶片形状。

尽管叶片15优选带有叶齿16，以加强微湍流并将其集中在叶片紧接着的下游区域，但这些对形成微湍流并不是必须的。小规模湍流区域可以通过任何适当构形的叶片产生(比如杆状、条状、翅状等)，如果叶片在前导叶片的尾流中一个紧接着一个排列，并被间隔为使尾流完全形成于两个连续叶片之间，那么就能够将小规模湍流区集中于两个连续叶片之间。

Claims (16)

1、一种用于混合流体流以使颗粒聚结的方法，包括以下步骤：

在流体流内产生大规模湍流；

将所述流体流分隔为多个支流；

在每个支流内提供一种构件，以在所述构件附近产生小规模湍流区；以及

使每个支流穿过其相应的小规模湍流区，以使其经受所述小规模湍流。

2、如权利要求1所述方法，其中，所述每个构件相对于其相应的支流设置在中心上。

3、如权利要求2所述方法，其中，所述构件包括多个间隔开的叶片，所述叶片连续排列在沿所述流体流的整个流动方向延伸的平面内，所述叶片间隔得足够近以便产生连续的小规模湍流区。

4、如权利要求1所述方法，其中，所述流体流是来自于工业过程中的废气流，所述颗粒包括污染颗粒。

5、如权利要求4所述方法，其中，所述颗粒包括添加到流体流中以便与污染颗粒聚结的颗粒。

6、如权利要求1所述方法，其中，将所述流体流分隔为多个支流的步骤包括引导流体流进入多个通道，以便使每个支流流过相应的通道。

7、一种用于混合流体流以使颗粒聚结的设备，包括

用于流体流的管道；

位于所述管道内的多个通道，所述通道用于将流体流分隔为流过相应的所述通道的支流；

用于在多个通道的上游在流体流内产生大规模湍流的装置；以及

位于每个通道内的一种构件，所述构件用于在所述构件附近产生小规模湍流区；

其中，在使用中，大规模湍流使得各通道内的支流穿过小规模湍流区。

8、如权利要求7所述设备，其中，每个构件相对于其相应的通道设置在中心上，其产生的小规模湍流区位于该构件的附近。

9、如权利要求8所述设备，其中，每个构件包括多个间隔开的叶片，所述叶片连续排列在沿所述流体流的整个流动方向延伸的平面内。

10、如权利要求9所述设备，其中，各通道内的构件的叶片安装在一个大致为平面的框架内，所述框架相对于通道设置在大致中心位置上并沿所述流体流的整个流动方向延伸。

11、如权利要求9所述设备，其中，每个叶片都是细长部件，该细长部件具有与所述流体流的整个流动方向呈倾角的锋利边缘部分。

12、如权利要求11所述设备，其中，每个叶片都具有带齿的边缘部分。

13、如权利要求7所述设备，进一步包括多个平行的大体为平面的部件，所述部件沿所述流体流的整个流动方向延伸，并与所述管道横向交叉间隔开，所述通道被限定在相邻一对平面部件之间。

14、如权利要求7所述设备，进一步包括位于通道上游的管道内的附加构件，用于促进在流体流内的大规模湍流。

15、如权利要求7所述设备，其中所述管道是通风管道，所述流体流是来自于工业过程中的废气流，所述颗粒包括污染颗粒。

16、一种用于促进气流中污染颗粒的混合和聚结的非激励的流体流动力学聚结设备，所述聚结设备包括：

用于接收气流的管道；

安装在所述管道内的多个平行的大体上为平面的部件，所述平面部件沿所述气流的整个流动方向延伸，并横向交叉于所述管道的基本上整个宽度被间隔开，每对相邻所述平面部件在它们之间限定出一个通道；

所述管道中被构造成和/或具有流动改变部件，用于促进在所述通道上游在气流内部产生大规模湍流；

位于各通道内的一种构件，所述构件用于产生小规模涡流区，所述小规模湍流区的大小和/或强度使污染颗粒被带入湍流内，各构件相对于其通道设置在中心位置上，并包括多个间隔开的边缘锋利的叶片，所述叶片连续排列在沿所述流体流的整个流动方向上延伸的平面内；

其中，在使用中，气流被分隔为多个流过相应通道的支流，所述支流内的大规模湍流使得各支流穿过其相应的通道中的小规模湍流区，从而使得其中的颗粒经受小规模湍流。

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