CN106492581A - 一种雾化湍流团聚颗粒物的装置及方法 - Google Patents

一种雾化湍流团聚颗粒物的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种雾化湍流团聚颗粒物的装置及方法，结构简单、团聚效果好、具有可推广性。其包括内部形成烟气通道的外壳，外壳内部沿烟气流动方向顺次布置的烟气换热器、导流叶片、双流体喷射雾化段和湍流团聚段；烟气换热器用于降低含尘烟气的温度到T，T不高于含尘烟气中水蒸气的冷凝温度；导流叶片用于调整流向使含尘烟气中颗粒物流动方向与烟气流动方向趋于一致；双流体喷射雾化段包括供气管路、供水管路以及双流体喷嘴；连接供气管路和供水管路的双流体喷嘴喷射方向与烟气流动方向平行；湍流团聚段包括若干顺排或错排布置的扰流元件，每一扰流元件两端固定于外壳内壁上；扰流元件包括以烟气方向为对称轴对称设置的边界板，边界板前端固定连接。

Description

一种雾化湍流团聚颗粒物的装置及方法
技术领域
本发明涉及工业烟尘颗粒物排放控制的技术领域，具体为一种雾化湍流团聚颗粒物的装置及方法。
背景技术
燃煤烟气颗粒物污染是当前社会普遍关注和环境污染治理的重点。燃煤烟气中细颗粒物(空气动力学直径小于2.5μm，简称PM2.5)难以被传统除尘设备脱除且易被人体吸收，因而造成严重的大气环境污染。目前我国大多数燃煤电站锅炉以及工业炉窑采用静电除尘装置进行烟气颗粒物控制脱除，脱除效率可高达99％以上，但静电除尘设备对细颗粒物的脱除效果不好，以颗粒数计约有90％以上细颗粒物被排放至大气环境。细颗粒物的团聚技术是有效提高细颗粒物捕获效率的新型预处理技术，主要通过物理或化学作用促进细颗粒物的碰撞团聚长大，进而提高细颗粒物的捕获效率，包括湍流团聚、声波团聚、电团聚、磁团聚以及蒸汽相变等。其中，湍流团聚技术因结构简单、适用性强而具有发展前景，但采用单一物理或化学作用的团聚方法对细颗粒物的团聚效果有限。因而，开发一种新型的高效雾化湍流团聚颗粒物的装置及方法具有十分重要的意义。
授权公告号为CN103768886B的专利文件公开了一种多场协同细颗粒物高效脱除装置及其方法，该装置顺次连接外场凝并区、直流预收尘区、脉冲荷电凝并区和直流收尘区，通过相变凝结技术、化学团聚絮凝机制和电凝并技术相结合的多场协同作用脱除细颗粒物。该方法设备较多、结构复杂，需要消耗大量饱和水蒸气、团聚剂和电能，因而成本较高，实际操作复杂。
授权公告号为CN102000472B的专利文件公开了一种促进颗粒物相互作用的装置及方法，该装置沿烟气来流方法依次布置导流段和混合段，导流段包含导流叶片，混合段包含叶形、“s”形等形状产涡叶片，烟气产涡叶片后产生湍流扰动，进而实现烟气中微细颗粒与较大颗粒的碰撞团聚。该装置结构简单，可操作性强，但仅采用湍流聚并作用而未考虑碰撞颗粒表面特性，因而颗粒团聚效果不足，进而导致颗粒物的脱除效率较低。
申请公布号为CN105597477A的专利文件公布了一种脱除燃煤锅炉烟气细颗粒物的装置，该装置按工艺流程布置于脱硫设备之后，沿烟气流向依次设置烟气蒸汽引射器、蒸汽相变团聚室、湍流团聚室和除雾器，通过协同蒸汽相变与湍流扰动实现细颗粒物的碰撞团聚。该方法操作简单，适应性强，但装置较复杂，且需考虑是否具有足够空间进行布置，因而推广不易。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种雾化湍流团聚颗粒物的装置及方法，结构简单、团聚效果好、具有可推广性。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种雾化湍流团聚颗粒物的装置，包括内部形成烟气通道的外壳，外壳内部沿烟气流动方向顺次布置的烟气换热器、导流叶片、双流体喷射雾化段和湍流团聚段；所述的烟气换热器用于降低含尘烟气的温度到T，T不高于含尘烟气中水蒸气的冷凝温度；所述的导流叶片为多个具有流线型外轮廓且通过连接于烟道侧面的联动控制装置进行整体或部分旋转调整的导流曲面；用于调整流向使含尘烟气中颗粒物流动方向与烟气流动方向趋于一致；所述的双流体喷射雾化段包括供气管路、供水管路以及双流体喷嘴；连接供气管路和供水管路的双流体喷嘴喷射方向与烟气流动方向平行；所述的湍流团聚段包括若干顺排或错排布置的扰流元件，每一扰流元件两端固定于外壳内壁上；所述的扰流元件包括以烟气方向为对称轴对称设置的边界板，边界板前端固定连接。
优选的，以垂直烟气流向为行，平行烟气流向为列，所述的导流叶片由m1行和n1列流线型导流曲面组成，m1和n1为自然数，m1＝1，n1≥4；导流曲面为沿烟气流向光滑过渡的曲面。
进一步，所述的湍流团聚段由m2行和n2列扰流元件组成，扰流元件顺排或错排布置，m2和n2为自然数，m2≥n2，n2≥n1。
再进一步，所述的扰流元件沿烟气流动方向相邻行的纵向节距s不小于1.5倍扰流元件沿烟气流动方向的最大尺寸l。
优选的，联动控制装置包括联动控制轴和控制电机，所述的每一导流曲面均通过联动控制轴连接于两侧的外壳内壁，且联动控制轴的一端连接控制电机进行导流叶片的整体或部分旋转调整。
优选的，所述的双流体喷嘴等间距布置且雾化角θ≥60°，雾化液滴的平均粒径d范围为30～60μm。
优选的，所述的双流体喷嘴布置数量与导流曲面数量相同，且双流体喷嘴位置与导流曲面后沿相距距离a为20～50cm。
优选的，边界板的后端沿烟气方向开设有多个槽口，边界板沿烟气流向呈内凹或外凸的流线型。
优选的，所述的扰流元件由氟塑料制成，其横截面形状均呈Y形、U形、半圆柱形、梭形和V形中的任意一种；当扰流元件的横截面形状均呈Y形时，所述的扰流元件还包括沿对称轴设置在边界板的前端的导流板。
一种雾化湍流团聚颗粒物的方法，基于上述的雾化湍流团聚颗粒物的装置，包括如下步骤，
步骤1，将所述装置布置于燃煤电站或工业炉窑除尘设备之前，将含尘烟气通过烟气换热器，使含尘烟气温度降低至T，T不高于含尘烟气中水蒸气的冷凝温度，再经导流叶片调整流向使含尘烟气中颗粒物流动方向与烟气流动方向趋于一致；
步骤2，经过降温和流向调整后的含尘烟气通过双流体喷射雾化段，沿烟气方向流动的颗粒物与具有横向速度的雾化液体发生碰撞；经过如下的颗粒物表面改性，增强颗粒的表面粘附性；
a.非细颗粒表面出现细颗粒直径等级液滴的表面改性；
b.细颗粒粘附于非细颗粒直径等级液滴的表面改性；
步骤3，经过表面改性后的颗粒在湍流团聚段进行两种类型团聚；
1)边界层团聚；烟气经过扰流元件前端产生流动边界层，细颗粒因边界层影响产生运动滞后与横向迁移，非细颗粒在惯性和拦截作用下与细颗粒发生碰撞，在流动边界层发生湍流团聚；
2)涡街团聚；烟气流经扰流元件后沿产生涡街，细颗粒随旋涡运动而非细颗粒因惯性产生运动偏离，不同粒径颗粒因运动差异而产生碰撞，在涡街发生湍流团聚；
步骤4，颗粒物经过湍流碰撞团聚后团聚长大，形成雾化湍流团聚颗粒物，通过除尘设备脱除。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明在湍流团聚原理的基础上，协同采用降温雾化技术，即通过烟气换热器和双流体喷射雾化段对烟气颗粒物进行表面改性处理，增加颗粒表面粘性，可促进在湍流团聚段发生碰撞后颗粒物的粘附概率，尤其有利于提升细颗粒物的团聚长大效果，具有高效率的特点。
进一步的，本发明湍流团聚段布置有一系列采用氟塑料制作的扰流元件，扰流元件的材料、大小、形状和位置等参数共同决定烟气中不同粒径颗粒的流体力学特性，进而实现不同粒径颗粒的高效碰撞，具有较强可控性。
进一步的，本发明中双流体喷射雾化段所用供气介质为压缩空气，所用供水介质可为普通水、脱硫废水和除尘滤后水，价格低廉，操作简单，同时还有利于燃煤电站和工业炉窑的资源再利用，可减少工业废水的排放。
进一步的，本发明中导流曲面采用联动控制轴进行连接，导流叶片可进行整体旋转微调，有利于实现燃煤电站或工业炉窑不同负荷下含尘烟气流向的动态调节，进而增强细颗粒物团聚效果，因而具有动态可调性。
本发明所述方法，采用的降温雾化协同湍流团聚促进颗粒物团聚长大技术不需要对现有除尘设备进行改变，且对现有电站或工厂整体布局改动不大，所发明装置结构简单，操作方便，适用于水泥、钢铁、陶瓷以及燃煤电站等的烟尘排放行业，细颗粒物的团聚效果好，具有很好的应用发展前景。
附图说明
图1为本发明所述装置的结构示意图。
图2为本发明湍流团聚段Y型扰流元件的示意图。
图3为本发明湍流团聚段内凹V型扰流元件的示意图。
图4为本发明湍流团聚段外凸V型扰流元件的示意图。
图5为本发明双流体雾化喷射段的雾化效果示意图。
图6为本发明扰流元件促进颗粒物团聚的原理示意图。
图中：外壳1，烟气换热器2，导流叶片3，双流体雾化喷射段4，湍流团聚段5，联动控制轴6，控制电机7，空压机8，计量泵9，储液箱10，双流体喷嘴11，扰流元件12。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
如图1所示，本发明装置主体结构包括优选为矩形截面的外壳1、烟气换热器2、导流叶片3、双流体雾化喷射段4和湍流团聚段5。烟气换热器2为间壁式换热器，换热器管道可为光滑圆管或螺旋翅片管。导流叶片3为多个具有流线型外轮廓的导流曲面，且导流曲面可通过连接于壳体1烟道侧面的联动控制轴6和控制电机7进行旋转调整，优选的进行微调。双流体雾化喷射段4包括空压机8供气的供气管路、计量泵9和储液箱10供水的供水管路以及双流体喷嘴11。湍流团聚段5包含一系列顺排或错排布置的扰流元件12。
实际操作时，工作人员调整烟气换热器2中冷凝水流量使含尘烟气温度降低至到T，T不高于含尘烟气中水蒸气的冷凝温度，并通过控制电机7经联动控制轴6调整导流叶片3的角位置，使得烟气流向经过导流叶片后变为均匀一致。进一步调整空压机8和计量泵9运行参数，使双流体雾化喷嘴11喷射出雾化角θ≥60°且平均粒径d为30～60μm的雾化液滴，最终烟气经过湍流团聚段发生颗粒团聚长大后，通过传统除尘设备脱除颗粒物。
上述实施例中，连接供气管路和供水管路的双流体喷嘴11喷射方向与烟气流动方向平行；供气管路与设置在壳体1外的空压机8连接，所述的供水管路输入端依次连接计量泵9和储液箱10，储液箱10内存储供水介质。双流体雾化喷射段4中的供水介质可为普通水、脱硫废水、除尘滤后水等工业用水。
上述实施例中，以垂直烟气流向为行，平行烟气流向为列，导流叶片3为m1行和n1列流线型导流曲面组成，同时满足m1＝1，n1≥4；实际应用中，导流叶片3的光滑过渡曲面需要根据不同进口烟气角度条件下曲面调整烟气效果的数值模拟结果进行优化匹配。
上述实施例中，双流体喷嘴11的数量与导流叶片3的数量相同，且双流体喷嘴11的位置与导流叶片3的后沿相距距离a范围为20～50cm。
上述实施例中，湍流团聚段5中的扰流元件12包括以烟气方向为对称轴对称设置的边界板121，边界板121前端固定连接。改进的，边界板121的后端沿烟气方向开设有多个槽口；边界板121沿烟气流向呈内凹或外凸的流线型。
扰流元件12截面形状可为如图2所示的“Y”形，扰流元件12还包括沿对称轴设置在边界板121的前端的导流板122。
扰流元件12截面形状可为“U”形、半圆柱形、梭形、如图3和图4所示的具有内凹或外凸流线型特征的“V”形中的一种；同时，扰流元件12的材料可以为聚四氟乙烯(PTFE)、聚全氟乙丙烯(FEP)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)等氟塑料中的一种。
上述实施例中，以垂直烟气流向为行，平行烟气流向为列，湍流团聚段5由m2行和n2列扰流元件12组成，扰流元件顺排或错排布置，并且满足m2≥n2，n2≥n1；同时，扰流元件12满足纵向节距s不小于1.5倍扰流元件沿烟气流动方向的最大尺寸l。
上述实施例中，双流体雾化喷射段4的雾化效果如图5所示，含尘烟气经降温和流向调整后通过雾化喷淋的双流体喷射雾化段4，因雾化角较大且雾化粒径适中，沿烟气方向流动的颗粒物与具有横向速度的雾化液体发生碰撞，经过颗粒物表面改性机制后，非细颗粒表面将出现较多细颗粒直径等级的微小液滴以及细颗粒粘附于非细颗粒直径等级的较大液滴，进而增强颗粒的表面粘附性。
上述实施例中，湍流团聚段5的湍流团聚机理如图6所示，经过表面改性后的颗粒物在湍流团聚段进行两种类型团聚。1)边界层团聚：含尘烟气经过扰流元件12前端后产生流动边界层，细颗粒受边界层影响产生运动滞后与横向迁移，而非细颗粒则在惯性和拦截作用下与细颗粒发生碰撞；2)涡街团聚：烟气流经扰流元件12后沿将产生涡街，细颗粒随旋涡运动而非细颗粒因惯性产生运动偏离而不随旋涡运动，不同粒径颗粒因运动差异而产生碰撞。颗粒物经过湍流碰撞团聚机制后团聚长大，形成雾化湍流团聚颗粒物，最终通过传统除尘设备脱除。
具体实施过程中，导流叶片3的数量、曲面特征、调整极限以及位置等参数通过数值模拟结果进行初步预测，进而根据实际烟气流动状况进行优化调整；双流体雾化喷射段4的雾化效果通过烟气中颗粒物的流动特征和物理化学性质进行优化调整，以增加颗粒物表面粘附特性；湍流团聚段5中扰流元件12的形状、尺寸、横向节距、纵向节距通过数值模拟结果与实际情况进行优化调整，通过确定扰流元件12产生的旋涡特性、边界层特性以及对主流烟气影响，进而确定颗粒物的团聚效率。本发明装置可根据电厂或工业炉窑的烟气流量、机组负荷、燃烧条件等进行优化调整，进而促进颗粒物相互作用效果保持最佳状态，最终实现燃烧烟气颗粒物的洁净排放。

Claims (10)

1.一种雾化湍流团聚颗粒物的装置，其特征在于：包括内部形成烟气通道的外壳(1)，外壳(1)内部沿烟气流动方向顺次布置的烟气换热器(2)、导流叶片(3)、双流体喷射雾化段(4)和湍流团聚段(5)；
所述的烟气换热器(2)用于降低含尘烟气的温度到T，T不高于含尘烟气中水蒸气的冷凝温度；
所述的导流叶片(3)为多个具有流线型外轮廓且通过连接于烟道侧面的联动控制装置进行整体或部分旋转调整的导流曲面；用于调整流向使含尘烟气中颗粒物流动方向与烟气流动方向趋于一致；
所述的双流体喷射雾化段(4)包括供气管路、供水管路以及双流体喷嘴(11)；连接供气管路和供水管路的双流体喷嘴(11)喷射方向与烟气流动方向平行；
所述的湍流团聚段(5)包括若干顺排或错排布置的扰流元件(12)，每一扰流元件(12)两端固定于外壳(1)内壁上；所述的扰流元件(12)包括以烟气方向为对称轴对称设置的边界板(121)，边界板(121)前端固定连接。
2.如权利要求1所述的一种雾化湍流团聚颗粒物的装置，其特征在于：以垂直烟气流向为行，平行烟气流向为列，所述的导流叶片由m1行和n1列流线型导流曲面组成，m1和n1为自然数，m1＝1，n1≥4；导流曲面为沿烟气流向光滑过渡的曲面。
3.如权利要求2所述的一种雾化湍流团聚颗粒物的装置，其特征在于：所述的湍流团聚段由m2行和n2列扰流元件(12)组成，扰流元件(12)顺排或错排布置，m2和n2为自然数，m2≥n2，n2≥n1。
4.如权利要求3所述的一种雾化湍流团聚颗粒物的装置，其特征在于：所述的扰流元件(12)沿烟气流动方向相邻行的纵向节距s不小于1.5倍扰流元件(12)沿烟气流动方向的最大尺寸l。
5.如权利要求1所述的一种雾化湍流团聚颗粒物的装置，其特征在于：联动控制装置包括联动控制轴(6)和控制电机(7)，所述的每一导流曲面均通过联动控制轴(6)连接于两侧的外壳(1)内壁，且联动控制轴(6)的一端连接控制电机(7)进行导流叶片的整体或部分旋转调整。
6.如权利要求1所述的一种雾化湍流团聚颗粒物的装置，其特征在于：所述的双流体喷嘴(11)等间距布置且雾化角θ≥60°，雾化液滴的平均粒径d范围为30～60μm。
7.如权利要求1所述的一种雾化湍流团聚颗粒物的装置，其特征在于：所述的双流体喷嘴(11)布置数量与导流曲面数量相同，且双流体喷嘴(11)位置与导流曲面后沿相距距离a为20～50cm。
8.如权利要求1所述的一种雾化湍流团聚颗粒物的装置，其特征在于：边界板(121)的后端沿烟气方向开设有多个槽口，边界板(121)沿烟气流向呈内凹或外凸的流线型。
9.如权利要求1所述的一种雾化湍流团聚颗粒物的装置，其特征在于：所述的扰流元件(12)由氟塑料制成，其横截面形状均呈Y形、U形、半圆柱形、梭形和V形中的任意一种；当扰流元件(12)的横截面形状均呈Y形时，所述的扰流元件(12)还包括沿对称轴设置在边界板(121)的前端的导流板(122)。
10.一种雾化湍流团聚颗粒物的方法，其特征在于，基于如权利要求1-9中任意一种所述的雾化湍流团聚颗粒物的装置，包括如下步骤，
步骤1，将所述装置布置于燃煤电站或工业炉窑除尘设备之前，将含尘烟气通过烟气换热器(2)，使含尘烟气温度降低至T，T不高于含尘烟气中水蒸气的冷凝温度，再经导流叶片(3)调整流向使含尘烟气中颗粒物流动方向与烟气流动方向趋于一致；
步骤2，经过降温和流(8)向调整后的含尘烟气通过双流体喷射雾化段(4)，沿烟气方向流动的颗粒物与具有横向速度的雾化液体发生碰撞；经过如下的颗粒物表面改性，增强颗粒的表面粘附性；
a.非细颗粒表面出现细颗粒直径等级液滴的表面改性；
b.细颗粒粘附于非细颗粒直径等级液滴的表面改性；
步骤3，经过表面改性后的颗粒在湍流团聚段(5)进行两种类型团聚；
1)边界层团聚；烟气经过扰流元件(12)前端产生流动边界层，细颗粒因边界层影响产生运动滞后与横向迁移，非细颗粒在惯性和拦截作用下与细颗粒发生碰撞，在流动边界层发生湍流团聚；
2)涡街团聚；烟气流经扰流元件(12)后沿产生涡街，细颗粒随旋涡运动而非细颗粒因惯性产生运动偏离，不同粒径颗粒因运动差异而产生碰撞，在涡街发生湍流团聚；
步骤4，颗粒物经过湍流碰撞团聚后团聚长大，形成雾化湍流团聚颗粒物，通过除尘设备脱除。
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