CN104190199A - 声波与相变耦合作用脱除细颗粒的装置和方法 - Google Patents

Abstract

声波与相变耦合作用脱除细颗粒的装置和方法，涉及除尘设备和方法。所述装置设有烟道、气体调节室、蒸汽质量流量控制器、声相变室、分离器；含尘气流进入调节室，调节室内设有蒸汽扩散式喷嘴并与蒸汽质量流量控制器连接；调节室出口与声相变室入口连接，在声相变室的同一侧面装有声源，声源依次连接功率放大器和信号发生器；声相变室的出口接分离器，分离器出口通过排放口由引风机将处理后的干净气流排出，分离器设有排灰口。基于声波与相变耦合作用，细颗粒在发生声波团聚的同时发生相变凝结长大，提高细颗粒物的团聚效率，降低声波团聚的声场强度，再采用常规除尘装置对团聚长大后的大颗粒做进一步脱除，在低声压级条件下高效脱除PM_2.5。

Description

声波与相变耦合作用脱除细颗粒的装置和方法

技术领域

本发明涉及除尘设备和方法，尤其是涉及一种声波与相变耦合作用脱除细颗粒的装置和方法。

背景技术

细颗粒物，特别是空气动力学直径小于2.5μm的颗粒物(PM_2.5)是我国城市大气的首要污染物，对人类健康及生态环境，甚至全球气候变化具有重要的影响。近来，随着雾霾天气的频发，PM_2.5污染已经引起公众的广泛关注及政府的高度重视，细颗粒物的排放控制已成为急需解决的问题。

现有的除尘设备，包括惯性除尘器、静电除尘器、袋式除尘器及湿式除尘器等，根据自身的特点，在各除尘领域已有成熟的应用。对于大颗粒物，常规除尘设备已经可以达到非常高的除尘效率，然而这些常规设备对于细颗粒物PM_2.5的脱除效率却非常低，导致大量的PM_2.5被排放到大气环境中。要提高传统除尘技术的除尘性能，往往需要以消耗大量的能耗为代价，如采用高效文丘里洗涤器，其压降会大幅增加；而提高电除尘器的除尘效率需要增加电场数和电极长度，这也导致电除尘器的体积变大，功耗增加。

采用声波团聚技术对细颗粒的团聚效率有限，而要获得高的团聚效率需要高的声压级，声压级的提高导致能耗大幅增加，而高声压级的声源非常不稳定，实际应用困难。中国专利CN103736356提出了一种声波凝聚-常规除尘技术复合的脱除细颗粒物的装置，通过在烟道管壁面设置多组声源使颗粒团聚，并与电除尘器结合脱除细颗粒；中国专利CN101637683A公开了一种声波团聚复合袋式除尘装置，使含尘颗粒先通过声波团聚室，再由袋式除尘器去除颗粒物。这两件专利均采用单独声波团聚技术，对细颗粒团聚效率的提高非常有限。为提高声波团聚效率，中国专利CN100531862C设计了一种基于声波与外加种子颗粒联合作用脱除细颗粒的装置和方法，该方法虽然有利于提高细颗粒的脱除效率，但由于固体种子颗粒添加困难，难以均匀分散于气流中，影响了团聚效果，同时，在气流中添加固体颗粒又增大了后续除尘器的除尘负荷；中国专利CN103706219A提出了声波团聚结合喷雾联合作用脱除细微颗粒物的装置与方法，该技术一定程度上解决了固体种子颗粒添加困难的问题，但由于液滴本身的表面张力很大，难以与细颗粒结合，因此，对颗粒团聚效率的提高有限。以上两种技术均利用了不同粒径的颗粒在声波场中夹带系数的差异，引起相对运动而提高细颗粒的碰撞团聚效率，从本质上讲仍属于声波团聚的范畴，因而要获得较高的团聚效率仍需要较高的声压级，如中国专利CN103706219A工作的声压级达到了140～150dB。

发明内容

本发明的目的是针对现有细颗粒脱除技术的不足，提供一种声波与相变耦合作用脱除细颗粒装置。

本发明的目的是提供一种声波与相变耦合作用脱除细颗粒的方法。

所述声波与相变耦合作用脱除细颗粒装置，设有烟道、气体调节室、蒸汽质量流量控制器、声相变室、分离器；

含尘气流经过烟道进入气体调节室，气体调节室内设有蒸汽扩散式喷嘴并与蒸汽质量流量控制器相连接；气体调节室的出口与声相变室的入口相连接，在声相变室的同一个侧面装有至少1个声源，声源依次连接功率放大器和信号发生器；声相变室的出口与分离器相连接，分离器的出口通过排放口由引风机将处理后的干净气流排出，分离器设有排灰口。

所述声相变室可采用方形声相变室，根据需要可单独启动1个或同时启动多个声源。

所述声波与相变耦合作用脱除细颗粒的方法，采用所述声波与相变耦合作用脱除细颗粒装置，包括以下步骤：

1)烟气含湿量的调节，根据初始气流的温、湿度、处理流量及所需烟气过饱和度S计算出需要添加的蒸汽量，通过蒸汽质量流量控制器及扩散式蒸汽喷嘴添加蒸汽，蒸汽扩散式喷嘴安装在靠近气体调节室烟气入口处，并以逆流的方式将蒸汽喷入气流中，确保气体调节室出口气流的过饱和度S≥1；

2)声源工作频率的确定：确定声源工作频率后，计算出在此工作频率下的声波波长，通过调节声源与声相变室连接的伸缩扩散管的长度使得声源与声相变室对侧的距离为波长的整数倍，以在声相变室内形成驻波声场；

3)待处理的含尘气流通过烟道进入气体调节室调节气流的过饱和度S≥1，调节后的高湿气流进入声相变室，同时启动声源，根据处理烟气情况可同时开启一个或多个声源，在声相变室形成一个或多个驻波声场，使细颗粒在一个或多个声波场中发生相变团聚长大；控制含尘气流的流量，确保含尘气流在声相变室中的停留时间大于3s，在声相变室内高湿气流中的颗粒物同时发生相变凝结和声波团聚耦合长大作用，处理后的含尘气流进入分离器，长大后的颗粒物从气流中分离出来，干净气流经由排放口排出，分离下来的颗粒物由排灰口排出。

在步骤2)中，所述声源的频率可采用1000～2200Hz，任意可调，声压级可为110～150dB任意可调。

本发明基于声波与相变耦合作用，用于对含尘气流中的细颗粒进行预处理，细颗粒在发生声波团聚的同时发生相变凝结长大，两种长大作用相互促进，极大提高了细颗粒物的团聚效率，有效降低了声波团聚的声场强度，再采用常规除尘装置对团聚长大后的大颗粒做进一步脱除，最终实现了在低声压级条件下高效脱除PM_2.5的目的。

本发明对燃煤电厂烟气、燃油及其它含尘气流中的细颗粒进行脱除，达到控制PM_2.5排放的目的。本发明利用声波和相变耦合作用对含尘气流进行预处理，结合常规除尘装置，可高效、低能耗脱除含尘气流中的细颗粒物。

本发明的有益效果如下：

本发明涉及的声波与相变耦合作用作为含尘气流细颗粒的预处理措施，克服了传统声波团聚效率低、声压级高、能耗大的缺点，解决了在声波场中种子颗粒添加困难、声压级高、后续处理麻烦等问题。结合后续除尘设备，实现了在低声压级条件下，高效脱除细颗粒物，极大降低了声波团聚的能耗。经过测试，本发明的装置在低声压级条件下，声压级低至120dB时，仍具有较高的脱除效率，特别适用于对烟气净化要求高的场合。

附图说明

图1是本发明所述声波与相变耦合作用脱除细颗粒装置的结构示意图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图1，所述声波与相变耦合作用脱除细颗粒装置实施例，设有烟道1、气体调节室2、蒸汽质量流量控制器3、声相变室5、分离器7。含尘气流经过烟道1进入气体调节室2，气体调节室2内设有蒸汽扩散式喷嘴4并与蒸汽质量流量控制器3相连接；气体调节室2的出口与声相变室5的入口相连接，在声相变室5的同一个侧面装有至少1个声源6，声源6依次连接功率放大器11和信号发生器12；声相变室5的出口与分离器7相连接，分离器7的出口通过排放口8由引风机将处理后的干净气流排出，分离器7设有排灰口9。

所述声相变室5可采用方形声相变室，根据需要可单独启动1个或同时启动多个声源6。

所述声波与相变耦合作用脱除细颗粒的方法，采用所述声波与相变耦合作用脱除细颗粒装置，包括以下步骤：

1)烟气含湿量的调节，根据初始气流的温、湿度、处理流量及所需烟气过饱和度S计算出需要添加的蒸汽量，通过蒸汽质量流量控制器3及扩散式蒸汽喷嘴4添加蒸汽，蒸汽扩散式喷嘴4安装在靠近气体调节室2烟气入口处，并以逆流的方式将蒸汽喷入气流中，确保气体调节室2出口气流的过饱和度S≥1；

2)声源6工作频率的确定：确定声源工作频率后，计算出在此工作频率下的声波波长，通过调节声源6与声相变室5连接的伸缩扩散管10的长度使得声源6与声相变室5对侧的距离为波长的整数倍，以在声相变室5内形成驻波声场；所述声源的频率可采用1000～2200Hz，任意可调，声压级可为110～150dB任意可调；

3)待处理的含尘气流通过烟道1进入气体调节室2调节气流的过饱和度S≥1，调节后的高湿气流进入声相变室5，同时启动声源6，根据处理烟气情况可同时开启一个或多个声源6，在声相变室5形成一个或多个驻波声场，使细颗粒在一个或多个声波场中发生相变团聚长大；控制含尘气流的流量，确保含尘气流在声相变室5中的停留时间大于3s，在声相变室5内高湿气流中的颗粒物同时发生相变凝结和声波团聚耦合长大作用，处理后的含尘气流进入分离器7，长大后的颗粒物从气流中分离出来，干净气流经由排放口8排出，分离下来的颗粒物由排灰口9排出。

以下给出本发明的声波与相变耦合作用理论依据。

(1)声波对细颗粒的汇聚作用

在声波场中，悬浮于气体中的细颗粒主要受颗粒与流体间相对运动产生的粘性力和压力梯度力作用而发生运功，其波动方程为：

$u(x,t)=\frac{\∂\mathrm{\ξ}}{\∂t}=-4\mathrm{\π}\mathrm{fA}\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{x}{\mathrm{\λ}}\right)\sin \left(2\mathrm{\πft}\right)---\left(1\right)$

式(1)中，f为频率，A为振幅，λ为波长，根据该波动方程，驻波声场能够使细颗粒物在短时间内在波节点附近产生剧烈的汇聚特性，这一汇聚作用，将细颗粒的相变区域相对集中在声相变室内的某些特定区域。根据异质核化理论，颗粒数浓度的提高在局部空间提供了更多可凝结表面，促进更多蒸汽在细颗粒表面凝结，减少其在壁面凝结的损耗，强化了过饱和蒸汽在细颗粒表面的凝结长大。

(2)声波场中细颗粒的团聚与相变凝结长大耦合作用

细颗粒在声波场中碰撞团聚，团聚过程中颗粒尺度的变化由下式表示：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}n(v_x,t)=-n(v_x,t){\∫}_0^{\∞}\mathrm{\β}(v,v_x)n(v,t)\mathrm{dv}+\frac{1}{2}{\∫}_0^{v_x}\mathrm{\β}(v_x-v,v)n(v_x-v,t)n(v,t)\mathrm{dv}---\left(2\right)$

式(2)中，n(v,t)为时间t时颗粒粒径分布函数，β(v,v_x)为碰撞核函数，式(2)右边第一项为颗粒因碰撞发生团聚后引起颗粒v_x的减少速率，第二项为碰撞团聚造成颗粒v_x的生成速率；细颗粒在声场中团聚的同时在过饱和蒸汽环境发生相变凝结长大，细颗粒增长速率方程为：

$\frac{\∂n(v,t)}{\∂t}=-\frac{\∂\{I\left(v\right)\·n(v,t)\}}{\∂v}---\left(3\right)$

式(3)中，I(v)为体积v的颗粒凝结(胚胎滴)长大速率；在声波和相变耦合作用下，细颗粒的团聚和凝结长大同时发生，声波对细颗粒的团聚作用，改变了细颗粒的成核速率，降低了核化凝结所需的过饱和度，促使过饱和蒸汽在细颗粒表面凝结；而过饱和蒸汽在细颗粒表面凝结长大，长大后的液滴与原气流中的细颗粒，由于夹带系数的差异，在声波场中产生“双模态团聚”效应，又促进了细颗粒的声波团聚长大；声波和蒸汽相变在细颗粒长大过程中的相互促进作用，极大提高了细颗粒的团聚长大效果，为本发明提供了理论依据。

根据待处理烟气的流量、温湿度等参数计算出将烟气调节到所需过饱和度S时需要的蒸汽量，烟气湿度可根据实际需要进行调整，烟气湿度越高，细颗粒团聚效率越高，但所需添加的蒸汽量也越大。通过设置在气体调节室2内的扩散式蒸汽喷嘴4及蒸汽质量流量控制器3将所需的蒸汽量添加到气流中，扩散式蒸汽喷嘴4安装在靠近气体调节室2入口处，蒸汽以逆流的方式喷入气流中，与待处理气流在气体调节室2内充分混合，确保气体调节室2出口烟气的过饱和度S≥1。

确定声源6的工作频率后，计算出在此工作频率下的声波波长，调节声源6与声相变室5连接的伸缩扩散管10的长度，使得声源6到声相变室5对侧面的距离为波长的整数倍，以在声相变室5内形成驻波声场。根据实际需要，声源频率在1000～2200Hz范围内任意可调，声压级在110～150dB范围内任意可调。

将待处理的含尘气流通过烟道1引入气体调节室2，打开蒸汽质量流量控制器3并调节到所需的蒸汽量，蒸汽通过扩散式蒸汽喷嘴以逆流的方式喷入，使其与气流在调节室2内充分混合，获得所需的湿度；调节后的高湿气流进入声相变室5，同时启动声源6，根据处理烟气情况可同时开启一个或多个声源6，在声相变室形成一个或多个驻波声场，使细颗粒在一个或多个声波场中发生相变团聚长大；控制含尘气流的流量，确保含尘气流在声相变室5中的停留时间大于3s，在声相变室5内高湿气流中的颗粒物同时发生相变凝结和声波团聚耦合长大作用，处理后的含尘气流进入分离器7，长大后的颗粒物从气流中分离出来，干净气流经由排放口8排出，分离下来的颗粒物由排灰口9排出。分离器作为后续常规除尘设备，采用最简单重力沉降分离室，在实际使用时，根据不同使用场合及实际需要，亦可采用其它常规除尘装置作为后续除尘设备。

通过气体调节室提高烟气的含湿量达到或接近饱和状态，在声相变室内装有一个或多个声源装置，高湿气流在声相变室内，过饱和蒸汽以烟气中的细颗粒为凝结核发生相变凝结长大；同时细颗粒在声波场中由于声波夹带作用迅速往声波波节点处汇聚并发生团聚长大。细颗粒在声波场中的汇聚和团聚长大在局部空间为相变提供了大量可供凝结的表面促进了蒸汽在细颗粒表面的凝结长大；凝结长大后的液滴由于与原始烟气中细颗粒粒径的差异成为声波团聚的种子颗粒极大提高了声波团聚作用，这两种作用机理相互促进，极大提高了细颗粒的团聚长大效果。本发明将声波与相变耦合作用对含尘烟气中的细颗粒进行预处理，并结合后续的除尘设备，达到了高效脱除PM_2.5的目的。该方法极大的降低了单独使用相变作用所需要的高蒸汽消耗及单独声波团聚作用需要的高声压级，实现了在低能耗下高效脱除细颗粒。

Claims (4)

1.声波与相变耦合作用脱除细颗粒装置，其特征在于设有烟道、气体调节室、蒸汽质量流量控制器、声相变室、分离器；

含尘气流经过烟道进入气体调节室，气体调节室内设有蒸汽扩散式喷嘴并与蒸汽质量流量控制器相连接；气体调节室的出口与声相变室的入口相连接，在声相变室的同一个侧面装有至少1个声源，声源依次连接功率放大器和信号发生器；声相变室的出口与分离器相连接，分离器的出口通过排放口由引风机将处理后的干净气流排出，分离器设有排灰口。

2.如权利要求1所述声波与相变耦合作用脱除细颗粒装置，其特征在于所述声相变室采用方形声相变室，根据需要单独启动1个或同时启动多个声源。

3.声波与相变耦合作用脱除细颗粒的方法，其特征在于采用如权利要求1所述声波与相变耦合作用脱除细颗粒装置，所述方法包括以下步骤：

1)烟气含湿量的调节，根据初始气流的温、湿度、处理流量及所需烟气过饱和度S计算出需要添加的蒸汽量，通过蒸汽质量流量控制器及扩散式蒸汽喷嘴添加蒸汽，蒸汽扩散式喷嘴安装在靠近气体调节室烟气入口处，并以逆流的方式将蒸汽喷入气流中，确保气体调节室出口气流的过饱和度S≥1；

2)确定声源工作频率后，计算出在此工作频率下的声波波长，通过调节声源与声相变室连接的伸缩扩散管的长度使得声源与声相变室对侧的距离为波长的整数倍，以在声相变室内形成驻波声场；

3)待处理的含尘气流通过烟道进入气体调节室调节气流的过饱和度S≥1，调节后的高湿气流进入声相变室，同时启动声源，根据处理烟气情况可同时开启一个或多个声源，在声相变室形成一个或多个驻波声场，使细颗粒在一个或多个声波场中发生相变团聚长大；控制含尘气流的流量，确保含尘气流在声相变室中的停留时间大于3s，在声相变室内高湿气流中的颗粒物同时发生相变凝结和声波团聚耦合长大作用，处理后的含尘气流进入分离器，长大后的颗粒物从气流中分离出来，干净气流经由排放口排出，分离下来的颗粒物由排灰口排出。

4.如权利要求3所述声波与相变耦合作用脱除细颗粒的方法，其特征在于在步骤2)中，所述声源的频率采用1000～2200Hz，任意可调，声压级为110～150dB，任意可调。