CN101219318A - 声波与外加种子颗粒联合作用脱除微颗粒物的装置和方法 - Google Patents

Abstract

基于声波和外加种子颗粒联合作用脱除可吸入颗粒PM_2.5的装置和方法涉及一套脱除含尘气流中粒径小于2.5微米的可吸入颗粒物(以下简称PM_2.5)的装置和方法，它由声源、声波团聚室和种子颗粒供给装置，以及后续常规除尘设备等组成。在各类燃烧源排放的烟气或者其它含尘气流流经声波团聚室时，气流中的细颗粒在声波作用下发生不同程度的夹带，而加入的种子颗粒由于惯性较大几乎不发生夹带，同时细颗粒和种子颗粒间的重力沉降和声致漂移也存在差异，这三个因素促使两者间产生相对运动，使气流中可吸入颗粒PM_2.5和种子颗粒间产生很高的碰撞率。可吸入颗粒PM_2.5与种子颗粒碰撞后，两者发生团聚，团聚生成的团聚体由后续的常规除尘设备进一步加以脱除。

Description

声波与外加种子颗粒联合作用脱除微颗粒物的装置和方法

技术领域

本发明涉及一套脱除含尘气流中粒径小于2.5微米的可吸入颗粒物(以下简称PM_2.5)的装置和方法，属于污染控制设备制造的技术领域。

背景技术：

当今的颗粒物排放控制技术中，传统的方法是根据颗粒的惯性、扩散和静电作用等原理，采用静电除尘器、旋风分离器、布袋除尘器和陶瓷过滤器等常规脱除设备脱除颗粒。尽管这些设备脱除大于5μm的颗粒已达到非常高的效率，但是对细颗粒物PM_2.5的脱除效率较低，仍有极大数量的细颗粒物排放至大气中，不能满足目前日趋严格的环保要求。一般来说，采用改善传统除尘方法脱除效果的途径会遇到实际的困难，如采用高效旋风分离器，其阻力降会大大增加；在高效静电除尘器中增加电场数、加长电极会使原本就很大的电除尘器体积变得更庞大，而且功耗也大大增加。

由于一般的声波团聚方法在较低声强下对PM_2.5的团聚效率较低，仅有40％左右。本发明基于声波和外加种子颗粒的联合作用，作为对含尘气流中细颗粒进行声波团聚的预处理过程，再采用后续的常规除尘装置将团聚后的大颗粒作进一步脱除，最终达到高效脱除PM_2.5的目的。

在现有专利中检索，得到相关中国专利及文献如下：

1，专利号：02276809.2，立式颗粒流除尘器

2，专利号：03132195.X，旋转流化床反吹颗粒层除尘器

3，专利号：200510095431，点布结合除尘工艺及其设备

4，专利号：200510032204，烟道式烟尘除尘净化装置

5，专利号：01130066.3，凝聚式静电除尘方法及其装置

6，专利号：96105749.1，抽气型除尘方法与除尘装置

7，专利号：92102104.6，磁化吸附高效除尘器

8，专利号：99106814.9，一种超声震荡除尘方法及装置

上述检索到的有关颗粒脱除的专利中，都不能有效地脱除可吸入颗粒PM_2.5。其中第八个专利是采用超声震荡法除尘，由于较低功率下的超声波除尘效果较差，在采用较高功率的超声波时能耗较大，所以很难保证长期稳定可靠工作。本装置及其方法在稳定可靠的低频声源下，采用声波和种子颗粒联合作用方法，有效地脱除粒径范围为0.01～2.5μm的常规除尘设备难以捕集的超细颗粒。

发明内容

技术问题：本发明的目的是采用一种声波与外加种子颗粒联合作用脱除PM_2.5的装置和方法，对燃煤电厂的排烟、柴油机尾气和其它含尘气流中的可吸入颗粒物PM_2.5进行脱除，达到控制PM_2.5排放的目的。本发明利用声源，通过声波和外加种子颗粒联合作用的预处理过程，结合后续的除尘装置，可高效地脱除含尘气流中的PM_2.5。

技术方案：本发明的声波与外加种子颗粒联合作用脱除PM_2.5的装置中，含尘气流进口的水平烟道的一端与立式声波团聚室的上端相连接；种子颗粒加料器与立式声波团聚室随顶端相连接；立式声波团聚室中部的两个侧面分别通过连接法兰与水平设置的两个异径连接管相连接，两个异径连接管的另一端分别用法兰与两个声源相连接；立式声波团聚室的下部出口端与颗粒第一级分离器相连接，第一级分离器的出口再与第二级分离器相连接，第二级分离器的出口端经烟道与引风机相连接；最后由引风机将处理后的气流排出。

本发明的声波与外加种子颗粒联合作用脱除PM_2.5的装置的脱除PM_2.5的方法为：

1)声源工作频率的确定：声源的工作频率确定后，计算出在此工作频率下平面声波的波长，通过改变异径连接管的长度使得两个声源之间的间距为半波长整数倍，当两个声源安装在半波长的整数倍的位置上时，在声波团聚室中形成驻波；

2)立式声波团聚室总高度的确定：立式声波团聚室的总长度为含尘气流进出立式声波团聚室的高度差，根据处理的气体流量，确定声波团聚室的截面和总长度，保证含尘气流在声波团聚室内总的停留时间不小于3秒；

3)种子颗粒的加入：外加种子颗粒由立式声波团聚室的顶部通过种子颗粒加料器加入，种子颗粒为固体颗粒或液体颗粒，根据声波的频率选择颗粒的大小，加入的种子颗粒依靠自身的重力，汇入气流进入立式声波团聚室；

4)启动声源，同时开启立式声波团聚室顶部的颗粒加料器，以额定的给料量将种子颗粒加入立式声波团聚室中。待处理的含尘气流，由通道进入立式声波团聚团聚室后，气流中的PM_2.5同时受到声波的夹带和外加大颗粒的捕集作用，被处理后的含尘气流再进入第一级分离器与第二级分离器分离器，最后引风机排出。联合作用的理论依据及计算过程

(1)声波夹带引起的相对运动

小颗粒在声波场中由于黏性的作用，使得颗粒随气体分子的振动而振动，声波夹带是小颗粒特有的性质。细颗粒在声波场中的夹带由下式表示

$\mathrm{\η}=\frac{1}{\sqrt{1+{\left(\mathrm{\ω\τC}\right)}^2}}---\left(1\right)$

其物理意义是颗粒振动幅值和空气质点振动幅值之比。式1中的ω是角频率，ω＝2πf，f是频率；τ是颗粒的驰豫时间，表达式为

$\mathrm{\τ}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_p{d_p}^2}{18\mathrm{\μ}}---\left(2\right)$

式2中的ρ_p是颗粒密度；d_p是颗粒半径；μ_g是气体介质动力粘度。C为肯宁汉修正系数，其定义式为

$C=1+\frac{2{\mathrm{\λ}}_g}{d_p}(1.257+0.400e^{-0.55d_p/{\mathrm{\λ}}_g})---\left(3\right)$

式3中的λ_g是空气分子平均自由程。

根据式1，对于大小不同的颗粒，其夹带系数存在差异。表明了充分夹带的小颗粒与几乎不被夹带的种子颗粒间产生较大的相对速度，为颗粒碰撞团聚创造了条件。为本发明中种子颗粒捕集PM_2.5提供了理论依据。

(2)重力沉降引起的相对运动

根据颗粒在空气中沉降速度

$U_G=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{p}g{d_p}^{2}C}{18\mathrm{\μ}}---\left(4\right)$

其中g是重力加速度。大小和密度不同的颗粒沉降速度由差异。在本专利的立式声波团聚室中，尺度较大的种子颗粒与细颗粒存在不同的颗粒沉降速度，而产生相对速度。重力沉降也是增加颗粒间碰撞率的依据之一。

(3)声致漂移引起的相对运动

颗粒在声波夹带中的黏性不对称导致颗粒在驻波声场中发生漂移，颗粒的声致漂移速度由如下表示

$U_{\mathrm{drift}}=\frac{1}{24\mathrm{\μ}}{{\mathrm{kd}}_p}^2\mathrm{\η}{U}_0\sin \left(2\mathrm{kx}\right)---\left(5\right)$

其中k是波数，U₀为声波速度幅值，x为声波场中位置。从式5可知，较大的种子颗粒和可吸入颗粒PM_2.5间在声场中有不同的漂移速度，而使得颗粒间产生相对速度。

有益效果：在可靠声源与外加种子颗粒联合作用下，结合后续除尘设备，有效地脱除数浓度峰值粒径在亚微米区域内含尘气流中的PM_2.5是本发明的重要特点。通过测试，本发明的装置可使含尘气流中细颗粒PM_2.5的数浓度脱除率达到68％，质量浓度的脱除率达到80％。本装置适用于环保及空气净化有较高要求的场合。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图。其中有：烟道1、立式声波团聚室2、声源3、种子颗粒加料器4、第一级分离器5、第二级分离器6、引风机7。

具体实施方式

本发明的整个装置如图1所示分为三大部分：声源；含尘气流通道系统(团聚室)；外加颗粒系统和后续的常规除尘设备。本图中的后续常规除尘设备，作为一个例子，采用两级沉降室分离，并具有相应的切割粒径。实际使用时可采用单级或多级各类常规除尘设备。

具体的连接方式如下：含尘气流进口的水平通道的一端与立式声波团聚室的上端相连接；外加颗粒的振动给料装置与立式声波团聚室随顶端相连接；声波团聚室中部的两个侧面分别安装连接法兰，与水平设置的两个异径连接管相连接；两个异径管的另一端用法兰与两个声源相连接；声波团聚室的出口端(下端口)与颗粒分离室相连接，为保证分离效果可以串连连接设置多级常规分离装置；分离装置的下游端由法兰经烟道与引风机相连接；最后由引风机将处理后的气流排出。

声源的工作频率确定后，计算出在此工作频率下平面声波的波长，通过改变异径管的长度使得两个喇叭之间的间距为半波长整数倍。当两个声源安装在半波长的整数倍的位置上时，在声波团聚室中形成驻波。

立式声波团聚室总高度的确定：声波团聚室的总长度为含尘气流进出立式声波团聚室的高度差。根据处理的气体流量，确定声波团聚室的截面和总长度，保证含尘气流在声波团聚室内总的停留时间不小于3秒。

外加种子颗粒由声波团聚室的顶部加入。种子颗粒可以为固体颗粒或液体颗粒，根据声波的频率选择颗粒的大小，如声波频率为1kHz时，种子颗粒大小为15～20μm，相应的种子颗粒浓度量级为10⁴个/cm³，。加入的种子颗粒依靠自身的重力，汇入气流进入声波团聚室。

对分离设备的选取应确保脱除团聚后的大颗粒能全部被从气流中分离，分离设备的分割粒径选取为D₅₀不超过种子颗粒的直径，为了保证后续分离效果，可采用多级分离。

本装置系统的具体运行过程如下：启动声源，同时开启声波团聚室顶部的给料装置，以额定的给料量将种子颗粒加入声波团聚室中。待处理的含尘气流，由通道进入立式声波团聚团聚室后，气流中的PM_2.5同时受到声波的夹带和外加大颗粒的捕集作用，被处理后的含尘气流再进入常规分离设备(例如图1中的第一和第二级常规分离器)，最后引风机排出。

Claims (2)

1.一种声波与外加种子颗粒联合作用脱除PM_2.5的装置，其特征在于含尘气流进口的水平烟道(1)的一端与立式声波团聚室(2)的上端相连接；种子颗粒加料器(4)与立式声波团聚(2)室随顶端相连接；立式声波团聚室(2)中部的两个侧面分别通过连接法兰(21)与水平设置的两个异径连接管(22)相连接，两个异径连接管(22)的另一端分别用法兰与两个声源(3)相连接；立式声波团聚室(2)的下部出口端与颗粒第一级分离器(5)相连接，第一级分离器(5)的出口再与第二级分离器(6)相连接，第二级分离器(6)的出口端经烟道与引风机(7)相连接；最后由引风机将处理后的气流排出。

2.一种如权利要求1所述的声波与外加种子颗粒联合作用脱除PM_2.5的装置的脱除PM_2.5的方法，其特征在于该方法为：

1)声源(3)工作频率的确定：声源的工作频率确定后，计算出在此工作频率下平面声波的波长，通过改变异径连接管(22)的长度使得两个声源(3)之间的间距为半波长整数倍，当两个声源(3)安装在半波长的整数倍的位置上时，在声波团聚室中形成驻波；

2)立式声波团聚室(2)总高度的确定：立式声波团聚室(2)的总长度为含尘气流进出立式声波团聚室的高度差，根据处理的气体流量，确定声波团聚室的截面和总长度，保证含尘气流在声波团聚室内总的停留时间不小于3秒；

3)种子颗粒的加入：外加种子颗粒由立式声波团聚室(2)的顶部通过种子颗粒加料器(4)加入，种子颗粒为固体颗粒或液体颗粒，根据声波的频率选择颗粒的大小，加入的种子颗粒依靠自身的重力，汇入气流进入立式声波团聚室；

4)启动声源(3)，同时开启立式声波团聚室(2)顶部的颗粒加料器(4)，以额定的给料量将种子颗粒加入立式声波团聚室(2)中，待处理的含尘气流，由通道进入立式声波团聚团聚室后，气流中的PM_2.5同时受到声波的夹带和外加大颗粒的捕集作用，被处理后的含尘气流再进入第一级分离器(5)与第二级分离器(6)分离器，最后引风机排出。

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