CN106377985A - 一种气气混合吸引器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气气混合吸引器，包括：用于废气流通过的流量喷咀管道，用于向废气流中输送反应气体的载气管和皮托管，及安装在流量喷咀管道上用于使载气管通过的孔眼结构；载气管通过孔眼结构从流量喷咀管道的外部延伸到流量喷咀管道的内部；皮托管轴向设置，与载气管的末端连接，并向废气流的流动方向延伸，用于将抽吸的气体输送到废气流中。本发明将其设计成流量喷咀管道的形式，由于气气混合吸引器收缩段/管和发散段/管的设计结构，可以消除汽蚀和分层现象。

Description

一种气气混合吸引器
技术领域
本发明属于工业废气治理技术领域，涉及一种气体混合吸引器，特别是涉及一种用于臭氧或氯气这类气体与锅炉废气流中气体混合的装置。
背景技术
大型工业和发电厂产生的锅炉废气流中通常会含有NO和/或SO2这类污染物，为了降低废气中NO和/或SO2这类污染物的含量，可通过气气混合吸引器向锅炉废气流中引入能与其发生反应的原料气体。图1所示的是现有技术中经典的气气混合吸引器结构示意图，在烟道(0100)的不同位置选择4个切入点作为进气口，原料气体(0104)通过这4个进气口处的管结构进入，并与锅炉废气流(0101)混合。如O3这类原料气体(0104)与废气流(0101)混合，使O3与废气流中的目标污染物NO混合，从而使废气流中的NO转化成NO2。但是，一方面，由于摩擦造成的压强差通常会在烟道内产生汽蚀和分层现象，使得该应用并不能将NO100%的转化成NO2；另一方面，在经典气气混合吸引器的应用中，需要额外的气体，NO：O3为1：1½（摩尔比）以将所有的NO转化成NO2；此外，还需要关注的另一个问题是用于将NO转化成NO2的多余的O3可能会发生 臭氧逃逸，排放到大气中，而对于O3（臭氧）有其严格的规定，任何臭氧逃逸都有可能违反相关规定。
此外，在经典气气混合吸引器的应用中，保持恒定压力(0107)下的原料气体管可以避免废气流的回吹(0105)（废气进入原料气体管(0104)进而流入臭氧设备）影响。
发明内容
为了克服现有技术中的缺陷，本发明公开了一种气气混合吸引器，将其设计成流量喷咀管道的形式，由于气气混合吸引器收缩段/管和发散段/管的设计结构，可以消除汽蚀和分层现象；汽蚀和分层现象的消除，使被引入废气流中的O3可以与废气流中的NO充分接触，进而将废气流中全部的NO转化成NO2；无需向气气混合吸引器中引入额外的气体，将NO：O3按1：1½（摩尔比）就可以将所有的NO转化成NO2；此外，在本发明气气混合器中由于皮托管的方向与废气流的流动相一致，废气流的流速可对皮托管进料管线造成恒定的吸力，以将原料气体引入废气流中，而无需像经典气气混合吸引器那样使原料气体管保持恒定压力下。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种气气混合吸引器，包括：用于废气流通过的流量喷咀管道，用于向废气流中输送反应气体的载气管和无缝管，及安装在流量喷咀管道上用于使载气管通过的孔眼结构；载气管通过孔眼结构从流量喷咀管道的外部延伸到流量喷咀管道的内部；无缝管轴向安装，与载气管的末端连接，并向废气流的流动方向延伸，用于将抽吸的气体输送到废气流中。
作为一种优选实施方式，所述流量喷咀管道是由进气管、收缩管、气流中间管、发散管和出气管组成的，其中，气流中间管的半径小于进气管和出气管的半径，进气管和出气管的半径相等，无缝管位于进气管上，且无缝管的出气口向进气管下游方向延伸。
作为一种优选实施方式，该气气混合吸引器，可以包括：用于废气流通过的流量喷咀管道，用于向废气流中输送反应气体的载气管和无缝管，及均匀分布在流量喷咀管道同一截面上用于使载气管通过的孔眼结构；载气管通过等距离分布的孔眼结构从流量喷咀管道的外部延伸到流量喷咀管道的内部；长短交错均匀分布在流量喷咀管道内部的无缝管轴向安装，与载气管的末端连接，并向废气流的流动方向延伸。
作为一种优选实施方式，在无缝管的末端设有一个弯部，在无缝管进气端附近设有隔板，并在隔板和弯部之间的无缝管上设有用于防止无缝管在气气混合吸引器内滑动的垫圈。
作为一种优选实施方式，收缩管侧壁与水平方向所成的夹角范围为20-70°。
作为一种优选实施方式，无缝管弯部与水平方向所成的夹角为45°。
作为一种优选实施方式，所述无缝管为皮托管。
作为一种优选实施方式，输送至气气混合吸引器中的包含NO的废气流与载气管输送来的O3接触，将NO转化成NO2，形成包含NO2和未转化的NO的废气流。
当然，还可以输送至气气混合吸引器中的包含SO2的废气流与Cl2接触，将SO2转化成SCl2。
作为一种优选实施方式，载气管与臭氧发生器连通，臭氧发生器将O2转化为O3。
一方面，本发明公开了一种用于将大量臭氧、氯气和/或其它气体与大型工业和发电厂锅炉废气流混合的装置和方法。该装置和方法包括流量喷咀管道，设置在流量喷咀管道内部不同位置和深度的皮托管，用于引导气体（如：臭氧）进入锅炉废气流来与如NO（一氧化氮）这类目标污染物的废气流接触混合，使NO与臭氧O3接触并发生反应，从而使NO 转化成NO2。气体或液体流经流量喷咀管道被描述为一种在不引起熵的增减的情况下流过狭窄开口的运动。每当气体被迫进入管道或烟道时，气体分子会因管壁的存在而发生运动方向的偏转。如果气体的速度远小于声速，气体的密度将会保持不变，而流体速度将会增加。然而，当流体速度与声速相近时，需考虑气体可压缩性的影响，气体的密度将与其所在的位置有关。同时，在考虑流体流经管道或烟道时的状态的情况时，当流体的流速缓慢降低又缓慢增加后，流体可恢复至之前的正常的流速状态时，这是一个可逆过程。
另一方面，在本发明的一个或多个实施例中，还包括流量计，可以通过气气混合吸引器在 (0.03psi到0.5psi)的微正压条件下，将气体(O3)引导进入废气流，以确保气体(O3)均匀进入废气流，并完成这两种气体的混合。气气混合吸引器安装在静电除尘器或袋滤捕尘室（袋式除尘器）之后的锅炉废气流中，锅炉废气流的温度为150℃-270℃。混合如臭氧(O3)这类参与反应的气体需要一定的停滞时间（约3秒），因此，气气混合吸引器的安装要考虑停滞时间这一因素。在吸引器中，气体流经横截面积缩小再扩大的管道，从而产生流量体积的变化。当管道变窄时，管内气体的压力将减小。在这个狭窄流通区域中流体的流速必将提高，以保持其连续性。由于文丘里效应，皮托管内部会被抽至真空。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例和现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
0001 图1显示了现有技术中经典气气混合吸引器的装置示意图。
0002 图2显示了本发明中气气混合吸引器的装置示意图。
0003 图3 为一维正激波的示意图。
0004 图4为吸引器控制面板示意图。
0005 图5为吸引器应用到锅炉废气流的示意图。
具体实施方式
为对本发明有更透彻的理解，下面将结合说明书附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，并在以下实施例的详细说明中对许多细节进行阐述。然而，对于本领域技术人员而言，即使没有这些细节描述，本发明也可以实施。除此之外，本发明并没有对公知常识进行详细的介绍，以避免因不必要的描述而冗长。
图2展示了本发明一个或多个实施例中典型气气混合吸引器的侧视图和后视图。此外，本发明的一个或多个实施例中展示的气气混合吸引器是由304/316L不锈钢(0208)制造而成的，另外，本发明的一个或多个实施例中的吸引器端部到相邻收缩段/管(0209)的尺寸减少或缩小了约4英尺。本发明一个或多个实施例中气气混合吸引器的收缩段/管(0209)到发散段/管(0210)之间的距离为8英尺。发散段/管 (0210)的表面积增加恢复到吸引器初始端原来的大小。本发明流体通过流量喷咀的运动，参考《热力学基础》是一种关于热力学中一维流体通过流量喷咀的技术。此外，控制体积的动量方程被导出并应用于解决这类相同问题。声速通过热力学性质定义，并提到马赫数对于这种可变的不可压缩流体的重要性。
本发明的一个或多个实施例中还公开了将在吸引器的0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°上分别安装皮托管，其中，有4根伸向吸引器中的长皮托管(0211)，其余为4根伸向吸引器中的短皮托管(0212)。这8根皮托管安装在吸引器的不同角度，并长短交错分布。
本发明一个或多个实施例中公开的皮托管是用来测量流动流体中给定点处的局部流速，而不是管道或导管中的平均流速。“管”通常适用于锅炉、热交换器和仪器仪表中的管状结构，而不像管道、压力管、机械管（皮托管）通常是根据其制造方法和加工精度（光洁度）而划分的。
此外，由图2可知在本发明的一个或多个实施例中，皮托管安装在气气混合吸引器上，而隔板配件安装在皮托管的末端自吸引器外表面1.5英寸 (0213)的高度。316不锈钢垫圈(0214)焊接在隔板下的皮托管上，用于防止皮托管在吸引器上为皮托管准备的管孔/孔眼中发生滑动。隔板始端到45°弯部的距离为3英寸(0215)，而皮托管45°弯部(0216)到末端的距离为2英寸(0217)。管道排布方式为安装到吸引器上的短皮托管(0212)，皮托管按顺序分布，间隔插入吸引器。当在吸引器上安装带配件的皮托管时，将皮托管安装在吸引器内部朝向废气流方向的45°弯部，使臭氧能跟随废气流一同流动。
此外，由图2可知在本发明的一个或多个实施例中，长皮托管和短皮托管的安装方式相似，而隔板配件安装在皮托管的末端自吸引器外表面1.5英寸 (0218)的高度。316不锈钢垫圈(0219)焊接在隔板下的皮托管上，用于防止皮托管在吸引器上为皮托管准备的管孔/孔眼而发生滑动。隔板始端到45°弯部的距离为1英尺零4英寸(0220)，而皮托管45°弯部(0221)到末端的距离为2英寸(0223)。管道排布方式为安装到吸引器上的长皮托管(0211)，皮托管按顺序分布，间隔插入吸引器。当在吸引器上安装带配件的皮托管时，将皮托管安装在吸引器内部朝向废气流方向的45°弯部，使臭氧能跟随废气流一同流动。
此外，如图2所示在本发明的一个或多个实施例中，废气流(0224)和被吸入到废气流中的次要气体流经气气混合吸引器。可通过引入等熵滞止状态概念以及与此相关的性质，来简化很多关于流体问题的论证和方程式。等熵滞止状态是一种物质在可逆绝热过程中减速为零时，将会达到的状态。
喷咀是一种可使其中物质的动能在绝热状态下增加的装置。动能的增加是通过压力的降低和流通面积的适当改变实现的。扩散器是一个具有相反功能的设备，即，通过降低物质的速度来增加压力。为了最大限度的使术语简单统一化，以后部分将喷咀和扩散器都称之为喷咀。
在本发明的一个或多个实施例中，将讨论冲击波是一种状态会发生极其迅速且突然的变化的一种波。在正激波中，这种变化常发生在与流动方向垂直的横截面处。图3显示的为包含正激波(0326)的正常操纵面(0325)。我们现在可以确定掌管流体流动的关系式。假定这是一个稳态、稳流过程，可以写出如下关系式，式中的下标X(0327)和Y(0328)分别表示上游(0329)和下游冲击波。
第一定律：
连续性方程：
动量方程：
值得注意的是，该关系式是在操纵面(0330)上没有热量传递和做功的条件下成立的。
总之，需要指出的是，前面所考虑的正激波，都是在忽略了粘度和导热系数影响的情况下进行的。而实际的正激波具有一定的厚度。然而，这里给出了正激波一个很好的性质说明给出了一个相当准确的量化结果。
现在我们要考虑的蒸汽是作为一种以气相存在但有一定程度上的过热的物质。因此，蒸汽很可能与理想气体之间存在很大的偏差，蒸汽易发生冷凝这一性质一定要考虑到。如：通过锅炉烟道喷咀的热烟气。
为了对本发明有更透彻的理解，在以下本发明实施例的详细说明中，将会对许多细节进行阐述。然而，对于本领域技术人员来讲，即使没有这些细节的阐述，本发明也可以实施。除此之外，本发明并没有对公知常识进行详细的介绍，以避免因不必要描述而复杂化。
在一般情况下，通过本发明的实施例公开了一种用于将一种气体与另一种气体混合的设备和方法。更具体地说，通过本发明的一个或多个实施例公开了一种将如O3这类气体与锅炉废气流混合来达到使O3与锅炉废气流中NO接触的目的。本发明还公开了将废气流中的NO转化成NO2，并引入H2O将生成物冷凝形成硝酸。
根据本发明的一个或多个实施例可以看出，气体与气体混合设备（吸引器）包括流量喷咀管道，可以由但并不仅限于金属，如不锈钢制成的发散型和收缩型设备。为了使气体充分混合，将皮托管分布在流量喷咀管道的8个不同方向上。此外，在本发明的一个或多个实施例中，流量计直接引导气体(O3)进入吸引器，并均匀分布到锅炉废气流中。尽管本发明所公开的实施例中的指明了流量计的数量和按特定顺序组合的气气混合吸引器，但流量计的顺序或数量并不仅限于本发明所公开的这些布局排列形式。本领域的技术人员应该了解，在不脱离本发明公开范围的情况下，流量计数量和顺序的任何改变都是允许的。例如：在设备中使用任何数量的皮托管、流量计、控制阀都不脱离本发明所公开的范围。因此，本发明一个或多个实施例中所公开的灵活性强、模块化的装置，可适用于从不同类型的工业废气流的气体混合应用。
本发明一个或多个实施例中的气气混合吸引器能够将产自于工业厂房废气中的污染物（如氮氧化物）进行转化，这里的工业厂房涉及到多个市场领域的加工和制造业，包括但不限于食品加工和包装、纸浆和造纸、印刷、化工及相关产品、橡胶、塑料、医院、大学、金属工业、药品生产、废水和污水处理、饮料、公用事业、焚烧、钢铁、化妆品、纺织品、电子产品和石油精炼。
为了除去不需要的和/或目标污染物，如NO和SO2，需要借助某些反应才能实现。下面介绍了一些用于除去废气中这些污染物的反应和方法。
NO+O3
NOx是一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)的总称。NO和NO2都是由燃烧过程中空气中的氮和氧发生反应而形成的。NO2可以通过将NO2与水、水蒸汽或烟气流中的蒸汽接触生成废水，然后再将废水收集并引流至废水处理厂进行中和处理。由于NO不能通过与水接触的方式除去，因此，需要将NO通过化学反应转化成NO2，这种转化可以通过在废气中通入臭氧(O3)而发生如下反应：
NO + O3 → NO2 + O2
SO2+Cl2
二氧化硫(SO2)和氯气(Cl2)是两种广泛用于各行各业的气体，由于这两种气体反应生成的主要产物为磺酰氯，这是一种有毒的发烟液体，因此，这两种气体很少一起加入作为反应物。然而，在适当的条件下，这两种气体混合也可以生成硫酸。
在本发明的一个或多个实施例中，图4展示的是气气混合吸引器的控制面板，其中，控制面板(0431)是由不锈钢或喷漆钢制成的，用于防止灰尘、光和间接飞溅，从而使其具有耐候、防尘、防爆作用。此外，在本发明的一个或多个实施例中，气气混合吸引器内设有8个手动流量计(0432)，而每个流量计以手动调节的形式向每个管路(0436)中供应微正压气体(O3)，并将气体引入吸引器以使气体充分混合。此外，在本发明的一个或多个实施例中，在流量计上边或下边安装有手动截止阀(0433)，用于方便更换损坏的流量计。控制面板中的控制阀(0435)安装在流量计的下方，用于向流量计供应主气体。控制阀(0435)是常闭阀，只有当需要气体供应时才打开。控制阀(0435)不是调节阀，只能用于装置的开启或关闭，而流量计可控制进入吸引器气体的流量。本发明还设有泄压阀(0434)，当主气体进入控制面板时，用于清除管线中所残余的气体。
在本发明的一个或多个实施例中，图5为适用于锅炉废气流的气气混合吸引器，图中显示了产生废气流的典型燃煤锅炉。此外，根据本发明的一个或多个实施例可知，锅炉(0538)内的燃烧器接收定量的经预热燃烧空气和燃料，从而实现燃烧过程，产生废气流。从锅炉(0538)开始，废气流通过金属材质的烟道(0539)从锅炉中引导出来，依次流经空气加热器(0540)和静电除尘器ESP(0541)。此外，在本发明的一个或多个实施例中，在静电除尘器ESP(0541)将废气流中所有大颗粒的飞灰和颗粒物除去后，废气流被送至气气混合吸引器(0542)。
在本发明的一个或多个实施例中，气气混合吸引器(0542)将臭氧(O3)和废气流进行混合，从而使NO转化成NO2。
氧化还原反应（参考：基础化学，化学概念方法，第四版）中的“氧化反应”最初指的是物质与氧化合的反应，而“还原反应”是指去除含氧化合物中氧的反应。随着认识的不断加深，关于“氧化反应”和“还原反应”的含义也在逐渐扩大。
氧化反应是原子氧化值升高的过程，而还原反应指的是原子氧化值降低的过程。从氧化值的分配原则可以很明显的看出，氧化反应与还原反应均不会单独发生。
此外，氧化值的总增加量始终等于氧化值的总减少量。由于一种物质不可能被还原，除非另一种物质同时被氧化，被还原的物质发生氧化反应，被称之为氧化剂。由于氧化和还原这两个过程是相互依存的，相反也是如此，即被氧化的物质被称之为还原剂。
氧化-还原反应的方程通常比那些不涉及氧化-还原反应的方程更难配平。通常采用氧化值法和离子/电子法这两种方法来配平氧化-还原方程。
即使在3000℃下，NO的产率也仅为4%左右。一个好的NO制备方法，须将反应生成的热气体快速冷却以阻止NO分解成N2和O2。通过该反应，大气中的N2在闪电的作用下进行固定，该反应还可以通过电弧工艺来为N2和O2结合提供所必需高温环境，进而达到固氮的目的。
在本发明的一个或多个实施例中，图5中的臭氧是由生产臭氧的臭氧发生器(0543)提供的。氧气供应单元(0544)的出口通过一系列管道、配件和控制阀(0545)连通至臭氧发生器上。控制阀(0545)控制供给臭氧发生器(0543)的氧气流量，并调节锅炉系统，以使氧气供应单元(0544)供给臭氧发生器(0543) 适量的氧气。
在本发明的一个或多个实施例中，氧气(O2)进入臭氧发生器(0543)，在高压电荷的轰击作用下，部分O2转化成O3（臭氧）。由于臭氧发生器(0543)容器内连续高压电荷的轰击，将会产生大量热量耗散需要冷却，以使容器内的臭氧的温度维持在环境温度附近。大多数臭氧发生器内部都设有用于维持所需温度的冷却系统，冷却系统通过冷却水供应单元(0546)将冷却水送出，并将冷却水引流至冷却塔(0547)，冷却水在冷却塔内降温后又作为冷却回水通过回水管(0548)回流至臭氧发生器(0543)的冷却系统，冷却后的冷却回水用于协助冷却系统冷却工作的正常进行。
在本发明的一个或多个实施例中，产生的臭氧(O3)通过一系列的管道和配件进入气气混合吸引器控制面板(0549)。在气气混合吸引器控制阀(0551)打开之前，将臭氧(O3)清除以消除系统中所有的气体。一旦将气气混合吸引器控制阀(0551)打开，臭氧(O3)将通过一系列的流量计(0552)进入气气混合吸引器。
在本发明的一个或多个实施例中，流量计(0552)以手动调整的形式向每个管路中输送0.03-0.05psi的微正压。从流量计(0552)输出的臭氧通过一系列管路(0553)送至气气混合吸引器(0542)，将臭氧(O3)和废气流进行混合，从而使NO转化成NO2。
根据定义，动力学区域（the kinetic region）是反应组份浓度不断发生变化的期间，平衡区域是指在此之后，反应组分的浓度不发生进一步的变化，反应看似停止的期间。
气体与锅炉废气流混合后引流至其他设备(0554）来去除废气中已转化完成的NO2。对于本领域的技术人员来讲，技术在没有这些细节的情况下，本发明也是可以实施的。在其他实施例中，并没有对一些公知常识进行再介绍，以避免不必要的复杂描述。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种气气混合吸引器，其特征包括：用于废气流通过的流量喷咀管道，用于向废气流中输送反应气体的载气管和无缝管，及安装在流量喷咀管道上用于使载气管通过的孔眼结构；载气管通过孔眼结构从流量喷咀管道的外部延伸到流量喷咀管道的内部；无缝管轴向安装，与载气管的末端连接，并向废气流的流动方向延伸，用于将抽吸的气体输送到废气流中。
2.如权利要求1所述的气气混合吸引器，其特征在于：所述流量喷咀管道是由进气管、收缩管、气流中间管、发散管和出气管组成的，其中，气流中间管的半径小于进气管和出气管的半径，进气管和出气管的半径相等，无缝管位于进气管上，且无缝管的出气口向进气管下游方向延伸。
3.如权利要求1所述的气气混合吸引器，其特征在于包括：用于废气流通过的流量喷咀管道，用于向废气流中输送反应气体的载气管和无缝管，及均匀分布在流量喷咀管道同一截面上用于使载气管通过的孔眼结构；载气管通过等距离分布的孔眼结构从流量喷咀管道的外部延伸到流量喷咀管道的内部；长短交错均匀分布在流量喷咀管道内部的无缝管轴向安装，与载气管的末端连接，并向废气流的流动方向延伸。
4.如权利要求3所述的气气混合吸引器，其特征在于：在无缝管的末端设有一个弯部，在无缝管进气端附近设有隔板，并在隔板和弯部之间的无缝管上设有用于防止无缝管在气气混合吸引器内滑动的垫圈。
5.如权利要求3所述的气气混合吸引器，其特征在于：收缩管侧壁与水平方向所成的夹角范围为20-70°。
6.如权利要求3所述的气气混合吸引器，其特征在于：无缝管弯部与水平方向所成的夹角为45°。
7.如权利要求1-6中任一所述的气气混合吸引器，其特征在于：所述无缝管为皮托管。
8.如权利要求1-3中任一所述的气气混合吸引器，其特征在于：输送至气气混合吸引器中的包含NO的废气流与载气管输送来的O3接触，将NO转化成NO2，形成包含NO2和未转化的NO的废气流。
9.如权利要求1-3中任一所述的气气混合吸引器，其特征在于：输送至气气混合吸引器中的包含SO2的废气流与Cl2接触，将SO2转化成SCl2。
10.如权利要求8所述的气气混合吸引器，其特征在于：载气管与臭氧发生器连通，臭氧发生器将O2转化为O3。
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