CN106457266A - 回流式附聚旋风器 - Google Patents

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Abstract

在将内部颗粒附聚现象结合到旋风器的计算中时，已经令人惊讶地检测到优化的旋风器族，主要原因是由优选地具有10‑20μm直径的更大颗粒捕获亚微米颗粒，该优化的旋风器族具有由以下无量纲参数限定的几何结构：a/D 0.110‑0.170；b/D 0.110‑0.170；s/D0.500‑0.540；De/D 0.100‑0.170；h/D 2.200‑2.700；H/D 3.900‑4.300；Db/D 0.140‑0.180，其中，a和b是旋风器切向入口的侧部，该切向入口的横截面是矩形的，第一侧部平行于旋风器的轴线，该旋风器具有：高度为H的本体，本体具有内径为D且高度为h的圆筒形上部部分和倒置截定圆锥形底部部分，该底部部分具有直径为Db的较小基部；和高度为s且直径为De(内部尺寸)的圆筒形涡旋管。整体效率得以最大化是由于最大化了针对最难以捕获的较细小颗粒和/或较低密度颗粒的效率。

Description

回流式附聚旋风器
1.技术领域
本发明涉及一种回流式旋风器型的除尘器。另外，本发明涉及一种从气体移除颗粒并且可能干式净化所述气体的方法。
旋风器是应用在多种工业中的除尘器，其具有两个互补目标：在将气体散发到大气中之前从因处理产生的气体中移除颗粒(例如，从炉或者烤箱中排放的排放物)和回收具有高附加值的细小颗粒(例如，食品工业、化学工业和制药工业)。
旋风器具有投资成本低和运转成本低的优点，但是具有对于低于2-3μm的颗粒效率低的缺点。因此，为了遵守葡萄牙和欧盟法排放限制，人们常常使用成本更加高昂的除尘器，诸如袋式过滤器和静电沉淀器。
因此，研发尤其对于低于2-3μm的颗粒而言收集效率远远大于市场可获得的旋风器所能实现的收集效率的旋风器对于工业应用来讲具有非常大的潜力。若干工业(木材、钢铁、水泥、包括生产纳米颗粒的化学工业、食品和制药)可受益于低成本的气-固分离装置，所述气-固分离装置的效率足以不必使用更加昂贵(在投资成本和运转成本两方面)的设备，诸如先前所述的袋式过滤器和静电沉淀器。在高温和高压的处理中，旋风器目前是仅仅可应用的除尘器。
工业旋风器具有不同类型，但是最常用的是在图1中示意性示出的回流式旋风器。为了简要描述它们的功能，气体在ab段处进入并且必须描述成因涡旋管而进行下降的螺旋运动，直到其因在顶部处离开压力场而改变方向(因此标志为“回流”)，所述涡旋管的长度为s且直径为De。在它们下降运动过程中，固体颗粒朝向壁加速运动并且最终聚集在旋风器底部，从而与气体分离。在旋风器中，细小颗粒原则上是因它们对于由气体赋予的加速响应更微弱而更加难以与输送气体分离的颗粒。
旋风器制造商使得旋风器以“族或者几何结构”为特征，其特征在于旋风器的7个关键尺寸之间存在不能改变的关系(a、b、s、De、h、H和Db相对于旋风器直径D的比值)。
最近，证实了只要能够满足特定的工程条件(2010年Paiva等人提出)，细小颗粒也将与较大的颗粒附聚在一起。这种聚集难以预测，这涉及在紊流流场内的固体-固体间相互作用的相当复杂模型，而且因此涉及即使对于现代快速计算机而言也要求极高的数值计算。
2.背景技术
第一代旋风器起源于19世纪末期，与此同时旋风器模化的预测模型从纯实验模型进化到更基本的模型。在实验模型对基础模型的边界附近，存在由和Loffler(1988)研发的理论，所述理论能够以实验室规模、中试规模或工业规模相当好地调节许多与旋风器有关的已有数据。
这种理论的缺点在于：替代预测模式的是，其仅仅是诊断模式(允许非常好地拟合观察到的实验数据)，即，其不善于预测任意几何结构的旋风器在任意条件下的行为，原因在于旋风器的行为取决于对颗粒紊流分散系数的了解和此理论的基本参数。第二种缺点在于：这种理论完全忽略了在紊流条件下内部颗粒的附聚(聚集)和在实践中出现的现象。
因为旋风器几何结构、操作条件和粒径分布影响紊流分散系数，所以Salcedo和Coelho(1999)可获得半经验公式，从而允许根据上述情况评估这种参数。这是全局优化算法(Salcedo，1992)与和Loffler(1988)的基础模型和Salcedo和Coelho(1999)的预测模型的结合，这允许实现如专利EP0972572所述的旋风器。然而，直到几年前(Paiva等人，2010)，仍然不可能评估内部颗粒附聚在回流式旋风器的收集效率中的作用。
虽然从大约25年前已经以经验(试验和误差)和以全局优化解决了获得更加有效的旋风器几何结构的问题，如本领域中的一些主要著作以经验论证(1988年Li等人；1993年Schmidt；1996年Molerus和Gluckler；1998年Ray等人；2005年Sun等人)，以及全局优化论证(1999年Salcedo和Campos；2000年Ravi等人；2001年Salcedo和2003年Salcedo和Pinho；2003年Salcedo和Sousa Mendes；2004年Salcedo等人)，但是一直忽略内部颗粒附聚的现象。由经验方法获得的改进通常不是非常显著并且需要太多的研发时间和成本。全局优化在预测针对非常细小的颗粒的收集中产生了很大误差，所述全局优化忽视内部颗粒附聚而允许获得更好的旋风器(例如，专利EP0972572中的那些旋风器)。
总而言之，迄今为止，还不能保证在市场中存在在其设计中包括内部颗粒附聚现象的最佳回流式旋风器，如仅仅几年前(2010年Paiva等人)，可能开始以定量方式了解这一现象，使得可能在旋风器设计的预测模型中包括这种附聚。
3.发明基础—一种新方法
本发明基于下述假设：对紊流中的内部颗粒附聚的理解可能允许研发几何结构，其通过最大化细小颗粒与更大颗粒的附聚而最大化对细小颗粒的收集，从而最大化整体旋风器效率。
本发明的研发工作结合了制造在专利EP0972572中描述的发明并且特别地对应于其旋风器族(从现在起标示为Cyclop_HE和Cyclop_K)那些类型旋风器的全局优化技术与内部颗粒附聚的数值模化。
在目标是设计一种其收集效率远远大于在目前市场中可获得的旋风器的收集效率并且在其设计中包括内部颗粒附聚现象的旋风器的情况中，在第一阶段中实施全局优化，与此同时使用PACyc模型(2010年Paiva等人)以模拟附聚并且使用全局优化程序MSGA(1992年Salcedo)获得最佳的可行几何结构。所用的操作条件是实验室、中试以及工业规模，并且粒径分布是包含在先进旋风器系统S.A.(葡萄牙)(从现在起标示为ACS)的数据库中的若干数据。将几何约束施加于优化程序，使得数值解可指派为可构造的旋风器，并且最大压降固定为大约2500Pa(250mm w.g.)，因为对于旋风器工业应用而言一贯如此。使用Kalen和Zenz的标准(1980年Licht)，添加旋风器几何结构对于再飞散(re-entrainment)现象敏感性低的其它约束条件。因此，目的是获得一种优化的旋风器，其具有尽可能接近实验效率的预期(理论)效率。
在第二阶段中，确认各几何特征的值比，以试图确认共同轨迹，所述共同轨迹可允许限定正确接近所有实验数据的几何尺寸族。
4.发明内容
在对结果进行详细分析之后，可确认公共比值，所述公共比值限定了新的回流式旋风器族，从现在起标示为HR_MK，其在存在内部颗粒附聚的情况中最大化了效率。
作为根据本发明的旋风器的特征的共同轨迹通过以下范围提供，所述范围对应于回流式旋风器的尺寸之间的七个无量纲比值中的每一个，所述回流式旋风器具有：在侧部a和b的截面为矩形的切向入口，第一侧部平行于旋风器主轴线；总高度为H的本体，其具有内径为D且高度为h的圆筒性上部部分和直径为Db的倒置圆锥形底部部分；和高度为s且直径为De的圆筒形涡流探测器：
从图2可看到根据本发明的附聚旋风器的几何结构的示例。
下文中的表格1给出了获得的7种几何数值(所述数值由上述给定的范围限定)并且作为示例将所述几何数值与根据专利EP0972572的优化几何尺寸的特征比值进行比较，在所述表格中，根据本发明的旋风器被指定为HR_MK。
表格2针对在包括关于旋风器的某些专利的文献中可获得以及来自ACS的数据库的几何结构示出了针对总共182种不同情况的对应比的数值。例如，在Ramachandran等人(1991)中，存在表格2中的几何结构中的97种几何结构。
表格1—优化族的几何结构
(1)-包括内部颗粒附聚的优化
(2)-不包括内部颗粒附聚的优化(EP0972572)
表格2-在文献/市场中可获得的族的几何结构
(a)EP0972572；(b)EP1487588；(c)EP0564992
在详细统计分析违反针对几何结构HR_MK在表格1中赋予的比值的情况之后，可看出违反单一比值的情况占37％(67种几何结构)而违反正好两个比值的情况占14％(25个几何结构)，如可以在表格3和4中看到的。违反比值在本专利说明书中可理解为存在至少一种来自现有技术的旋风器，针对这种比值(或者无量纲参数),所述旋风器具有至少一个数值属于针对根据本发明的旋风器(HR_MK)在表格1中关于这个比值规定的特征区间。
不存在违反多于两个比值的几何结构，这使得族HR_MK与先前已知的旋风器非常不同。因为之前不曾获得的在其设计中包括内部颗粒附聚现象的优化的回流式旋风器，所以无惊讶之处。是的，令人惊讶的是针对这种新族可识别共同轨迹(特质)，原因在于：假定内部颗粒相互作用的高度复杂性与每个具体情况(包括几何结构)可能如此密切相关，不能确保存在这样的可能性，即，不可能获得共同轨迹的连接。
作为区别根据本发明的优化族与其它族的主要特征，人们可指出以下特征：
-气体入口、涡流管和固体排放装置更窄；
-更长的圆筒形上部本体和更短的圆锥形下部本体。
表格3—识别违背HR_MK的单个比值的几何结构
X＝违背单个比值
表格4—识别违背HR_MK的两个比值的几何结构
X＝违背一个比值
本专利申请涉及回流式旋风器的几何结构，所述几何结构同时考虑了内部颗粒附聚和全局优化的情况下进行数值优化。如从上文可看到的是，针对所分析的182种不同几何结构，根据本发明的旋风器的族与市场和科技文献中的那些旋风器差异巨大。根据本发明的旋风器组的最大效率远远大于在专利EP0972572中公开的旋风器的最大效率，所述专利EP0972572中公开的旋风器已经展现出其效率远远大于通常称作高效型旋风器的回流式旋风器。
本发明还涉及一种除尘方法，其中，烟道气通过根据本发明的旋风器。
根据一个特定实施例，除尘可通过在根据本发明的旋风器的上游处引入粉末形式的适当反应剂(吸收剂)来干式移除气体而实现。
本发明还涉及使用根据本发明的方法和旋风器来清洁酸性气体。根据一个特定实施例，酸性气体是HCl(氯化氢)、HF(氢氟酸)和SO2(二氧化硫)和/或NOX(氧化氮)。
在另一个特定实施例之后，本发明还涉及所公开的方法和旋风器用于从柴油废气中移除细小颗粒物质的应用。
5.附图说明
图1代表回流式旋风器并且示出了：线性尺寸，所述线性尺寸是计算上文提及的无量纲比值的基础；已经详细描述的尺寸以及进入和离开旋风器的流，所述流分别为干燥气体(GS)、清洁气体(GL)和捕获的颗粒(P)；
图2示出了根据本发明的典型附聚旋风器(HR_MK)；
图3示出了针对450kg/m3的非常低的颗粒密度(ρp)在内径(D)为135mm的根据本发明的小型旋风器(HR_MK)中使用的粒径分布的曲线图。纵轴代表以百分比(体积)表示的累计过小尺寸频率(FC)而横轴表示以微米为单位的颗粒直径
图4示出了一种曲线图，其中，比较本发明的几何结构(HR_MK)与Cyclop_HE的几何结构的粒级效率(针对图3的颗粒)。横轴表示效率(η)而纵轴表示以微米为单位的颗粒直径
图5示出了针对906kg/m3的颗粒密度(ρp)在内径(D)为460mm的根据本发明的旋风器(HR_MK)中使用的粒径分布的曲线图。坐标轴与图3的坐标轴相同。
图6示出一种曲线图，其中，比较本发明的几何结构(HR_MK)与Cyclop_HE的几何结构的粒级效率(针对图5中的颗粒)。坐标轴与图4的坐标轴相同。
图7示出了针对310kg/m3的非常低的颗粒密度(ρp)在内径(D)为700mm的根据本发明的旋风器(HR_MK)中使用的粒径分布的曲线图。坐标轴与图3的坐标轴相同。
图8是一种曲线图，其中，比较本发明的几何结构(HR_MK)与Cyclop_HE的几何结构的粒级效率(针对图7中的颗粒)。坐标轴与图4的坐标轴相同。
图9示出了针对在1450kg/m3的大颗粒密度(ρp)的内径(D)为1400mm的根据本发明的旋风器(HR_MK)中使用的粒径分布的曲线图。坐标轴与图3的坐标轴相同。
图10是一种曲线图，其中，比较本发明的几何结构(HR_MK)与Cyclop_HE的几何结构的粒级效率(针对图9中的颗粒)。坐标轴与图4的坐标轴相同。
6.具体实施方式
为了证实获得的仿真结果，根据本发明测试了四个具有不同尺寸的旋风器(HR_MK)，其中，所述旋风器的直径分别为135mm、460mm、700mm和1400mm。就捕获具有非常低的密度或者这种两种特征的非常细的粉末而言，针对不同颗粒和粒径分布获得的效率与利用Cyclop_HE类型(在本发明之前最佳数值优化)的具有类似尺寸的旋风器获得的效率进行比较。在所有情况中，观察到细小颗粒的捕获效率显著提高，并且结果观察到整体效率的显著提高。
针对更密集的颗粒以及没有低于1微米，甚至低于10微米的任何可感知粒级的情况，比较HR_MK几何结构和Cyclop_HE几何结构，其中，在这种情况中，Cyclop_HE几何结构更佳。
6a—135mm的HR_MK
图3示出了针对无孔且具有非常低的密度的颗粒(由氦测比重术获得的450kg/m3的真实密度)在直径为135mm的本发明的旋风器(HR_MK)中的测试粒径分布。其余操作条件是：40m3/h@165℃的气体流速和530mg/m3的进料浓度。图4针对等同的压降(2.6kPa)比较旋风器HR_MK和Cyclop_HE(EP0972572)的性能。应当注意的是，低颗粒密度通过使得粘性颗粒碰撞而增强内部颗粒附聚(2010年Paiva等人)。几何结构Cyclop_HE的整体效率为57％，而优化的HR_MK的整体效率为76％，即，根据本发明的优化旋风器的排放比Cyclop_HE的排放低大约56％。
6b—460mm的HR_MK
图5示出了针对具有由汞测比重法获得的906kg/m3骨架密度的颗粒(包括颗粒内孔隙)(就无孔颗粒而言，真实密度与骨架密度一致，但是对于有孔颗粒而言，骨架密度一直小于真实密度而且在旋风器模化中应当使用所述骨架密度)在直径为460mm的本发明的旋风器(HR_MK)中的测试粒径分布。其余操作条件是：310m3/h@30℃的气体流速和430mg/m3的进料浓度。图6针对等同的压降(1.8kPa)比较旋风器HR_MK和Cyclop_HE(EP0972572)的性能。几何结构Cyclop_HE的整体效率为62％而优化的HR_MK的整体效率为92％，即，根据本发明的优化旋风器的排放比Cyclop_HE的排放低大约78％。
6c—700mm的HR_MK
图7示出了针对310kg/m3骨架密度的颗粒在直径为700mm的本发明的旋风器(HR_MK)的测试粒径分布。其余操作条件是：640m3/h@20℃的气体流速和360mg/m3的进料浓度。图8针对等同的压降(1.9kPa)比较旋风器HR_MK和Cyclop_HE的性能。根据本发明的优化旋风器的排放比Cyclop_HE的排放低大约75％。
6d—1400mm的HR_MK
在这种情况中(图9和图10)，使用的颗粒更密实并且没有可感知的亚微米粒级，其中，仅仅20％的颗粒低于10μm，从而与更松散以及更细的颗粒相比，更不易于附聚。就等同的压降(1.2kPa)，密度为1450kg/m3的颗粒，72000m3/h@88℃的气体流速和460mg/m3的进料浓度而言根据本发明的几何结构(HR_MK)并不优于几何结构Cyclop_HE。
7.最后评论
考虑到内部颗粒附聚和最小化颗粒再次携带，几何结构HR_MK是效率最大的几何结构。以中试规模和工业规模测试几何结构HR_MK，表明效率(平均排放，70％以下)显著高于在文献和在市场以及专利(EP0972572)中可以获得的非常高效的旋风器。
几何结构HR_MK与在市场中获得的高效几何结构显著不同，就本发明人所知，原因仅仅在于考虑了内部颗粒附聚对其进行数值优化。
对工业规模的情况的预测行为表明：只要将被捕获的颗粒具有低密度并且具有显著的亚微米粒级而且低于大约10-20μm，建议的几何结构的效率便将显著高于市场中可获得的大部分高效旋风器的效率，并且相对于Cyclop_HE几何结构的排放，所述建议的结构的预期排放平均减小了70％。
根据本发明的方法和旋风器对于捕获在气体输送时其真实密度低于1000kg/m3的颗粒是优选的。
根据本发明的方法和旋风器对于捕获来自烟气的颗粒尤为优选，所述来自烟气的颗粒的亚微米粒级介于20％至30％之间。
根据本发明的方法和旋风器对于捕获来自烟气的颗粒尤为优选，所述来自烟气的颗粒中的90％至100％的颗粒低于10-20μm。
根据本发明的方法和旋风器对于烟气除尘尤为优选，其中，颗粒具有在三个前述段落中给出的三个特征中的任意两个，对于颗粒组合这三个给定特征的烟气除尘最为优选。
考虑到由根据本发明的旋风器和相应方法促进的内部颗粒附聚/聚集是暂时的，即，在旋风器内部发生上述四个段落(特别地，例如在前述章节中的示例6a至示例6c的情况中)并且结束于颗粒在旋风器出口沉积(即，当颗粒被收集在任何料斗中)(这种附聚是暂时聚集)的情况中，发现的是这种旋风器和方法尤其指定用于移除气体流中携带的粉末材料。根据本发明的特定实施例，在根据本发明的颗粒捕获方法之后，由此包括形成于旋风器内部的颗粒附聚(聚集)，在从旋风器底部移除颗粒之后，这些颗粒承受消除附聚(集群破坏)的额外阶段，使得完成了自然分离。根据一个特定实施例，额外的除附聚阶段可将集群分散在液体介质中。
根据本发明的旋风器的几何结构与市场中现存以及专业文献中提及的旋风器的几何结构显著不同，原因在于：在最坏的情况中，其仅仅具有限定旋风器几何结构的七个比值中的两个。
入口的横截面优选地为正方形构造，尺寸a和b相等。
尽管入口应当为切向类型，但是如果尺寸证明合适并且没有违背上述考虑中的任意一个，其可以是螺旋形的。
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Claims (11)

1.一种回流型附聚旋风器，所述旋风器包括：具有侧部a和b且横截面为矩形的切向入口，所述侧部平行于旋风器的主轴线；总高度为H的本体，所述本体具有内径为D且高度为h的圆筒形上部部分和倒置圆锥形底部部分，所述底部部分的较小基部具有较小直径Db；和高度为s且直径为De的一个圆筒形涡旋管，其特征在于，根据相对于以下无量纲比值设定的数值范围组来设置一种几何结构，所述几何结构根据所述侧部的内部尺寸、高度和直径与旋风器本体的内径D的比值来限定，
2.根据权利要求1所述的旋风器，其特征在于，所述侧部a和b的尺寸相等，使得所述入口的截面是正方形的。
3.根据权利要求1或2所述的旋风器，其特征在于，所述入口的截面是螺旋形的。
4.一种对气体流除尘的除尘方法，其特征在于，使所述气体流循环通过根据权利要求1所述的装置。
5.根据权利要求4所述的除尘方法，其特征在于，使携带真实密度低于1000kg/m3的颗粒的气体流循环通过根据权利要求1所述的装置。
6.根据权利要求4或5所述的除尘方法，其特征在于，使所携带颗粒中小于10-20μm的颗粒的累计百分比(质量或体积)处于90％至100％范围内的气体流循环通过根据权利要求1所述的装置。
7.根据权利要求4、5或6所述的除尘方法，其特征在于，使所携带颗粒中亚微米颗粒的累计百分比(质量或体积)处于20％至30％范围内的气体流循环通过根据权利要求1所述的装置。
8.从根据权利要求4所述的气体流除尘和酸性气体干式清洁的方法，其特征在于，在所述旋风器的上游处，注入粉末形式的适当反应剂，以用于去除酸性气体。
9.一种用途，其特征在于，采用根据权利要求1所述的装置和根据权利要求8所述的对应方法来对酸性气体进行除尘和清洁。
10.根据权利要求9所述的用途，其特征在于，所述酸性气体是HCl(氯化氢)、HF(氢氟酸)和SO2(二氧化硫)和/或NOX(氧化氮)。
11.一种用途，其特征在于，采用根据权利要求1所述的装置和根据权利要求4所述的对应方法，以用于对来自柴油发动机的烟气除尘。
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