CN106512633A - 湍流和化学团聚耦合细颗粒团聚装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种湍流与化学团聚耦合细团聚装置，主要结构包括气进口放大段、扰流初分段，雾化段、涡片湍流段、出口缩小段五部分。烟气进口放大段和出口缩小段为平滑进出口，扰流初分段设置有双层圆形扰流柱，交错放置，对烟尘中的颗粒进行初步分流，雾化段处利用双流体雾化喷嘴将混合化学团聚剂雾化后喷入团聚室的小颗粒涡旋区，涡片湍流段利用平板将其等分为微分区，在微分区内部放置涡片强化细颗粒间及雾化液滴与颗粒的碰撞，促进细颗粒团聚长大，进而提高后续除尘设备对细颗粒的清除效率。

Description

湍流和化学团聚耦合细颗粒团聚装置

技术领域

本发明属于烟气除尘领域，特别涉及一种燃煤烟气中细颗粒物在湍流与化学团聚耦合作用下团聚清除装置。

背景技术

能源与环境是21世纪人类赖以生存和发展的基本条件，能源在推动经济发展的同时也带来了环境污染。在我国能源结构中，煤炭作为一次能源的主导地位长期难以改变，煤炭等化石燃料的燃烧是颗粒物的主要来源。而我国城市的大气环境污染中，颗粒物污染也是首要污染物，尤其是空气动力学直径小于2.5μm(PM_2.5)的细颗粒物。空气中的细颗粒物易被口鼻吸入，与人体健康关系密切。颗粒物对人体的危害主要包括对呼吸系统，循环系统，生殖系统，神经系统等产生影响，并可导致患有心血管病、呼吸系统疾病和其它疾病的敏感体质患者死亡。因此，世界卫生组织建议生活环境中的PM10和PM2.5的最大平均浓度应不超过20μg/m³和10μg/m³。同时大气颗粒物对全球气候、大气能见度、酸雨、烟雾事件等环境问题也会产生重要影响。

煤炭等化石燃料的燃烧是细颗粒物的主要来源，也是细颗粒物控制的主要对象。因此世界各国对火电厂的排放限值都有严格规定。德国电厂的排放限值为30mg/m³；英国新建电厂的排放限值为20mg/m³；美国大部分州排放限值为20mg/m³。我国国家标准《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223-2011)规定，自2002年1月1日一般地区烟尘排放浓度限值为30mg/m³，重点地区为20mg/m³。

为减少烟气中颗粒物的排放，静电除尘器和布袋除尘器成为燃烧工业过程主要除尘工具。目前，除尘器对烟气中粒物的质量清除效率可达99.9％，但去除的主要是大于10μm的颗粒，用于捕获PM10，特别是PM2.5以下的细颗粒仍有很大缺陷。传统除尘器对细颗粒物的排放控制效果不明显，如果能够利用细颗粒物粒径小而比表面积大，容易团聚特性，团聚后的细颗粒能够使其粒径增大，便可以在传统除尘器中进行有效脱除。

团聚技术引起了研究者们的广泛兴趣，有重要意义的是声团聚、电团聚、磁团聚、湍流团聚和化学团聚等。国内外很多学者对声场团聚进行了理论与实验研究，证明声团聚方法收集亚微米粉尘是有效的，但声团聚需要较高的频率和声压条件，需耗费大量的电能，同时产生的噪声危害也需要消除。磁团聚在收集磁性粉尘中已成功应用，但对弱磁性颗粒的收集及收集到的颗粒的清除还存在问题。电团聚通过增加细颗粒的荷电能力，促进细颗粒以电泳方式到达极板表面，当除尘极板捕捉的颗粒累计一定数量后，效率大大降低了，需用燃烧法再生，限制了电团聚技术在工业中的使用。湍流团聚是颗粒从湍流中获得能量，产生颗粒间的速度梯度导致颗粒团聚，由于湍流流体与颗粒间碰撞过程非常复杂，对细颗粒，特别是PM2.5的团聚促进效率非常有限。化学团聚能够改变颗粒表面的粘附性能，促进颗粒间的团聚，增加后续除尘器的除尘效率，但是必须保证化学团聚剂在进入除尘设备，特别是静电除尘器前完全挥发。综上所述单一强化颗粒碰撞和单一增加颗粒表面性能的方法都存在缺陷，而多种方法耦合应用则有助于细颗粒物更好的去除。

专利201510242655.4中公开了一种湍流和化学团聚耦合促进PM2.5长大的装置及方法，即含尘烟气在烟道中依次流经化学团聚区、湍流发生区，最终进入静电除尘器；流经化学团聚区时烟气中的PM2.5颗粒与经双流体雾化喷嘴喷入的团聚剂雾滴发生初步接触，团聚剂液滴发生蒸发，蒸发过程中PM2.5通过带有极性基团的高分子链相连接，促进PM2.5粒径增大，然后流经湍流区，由扰流棒产生的湍流扰动促进团聚剂雾滴与PM2.5及PM2.5与粗粉尘间的碰撞接触，PM2.5进一步聚并长大，同时延长团聚剂液滴在烟道的停留时间，在进入静电除尘器之前完全蒸发，团聚长大的颗粒最终由静电除尘器脱除。该专利采用耦合的技术促进团聚剂与PM2.5及PM2.5与粗粉尘间的接触，可以更好促进细颗粒的团聚。但是该专利中采用高分子粘结剂溶液为团聚剂，高分子溶液粘度较高，会导致雾化液滴的粒径较高，不利于其在细颗粒表面的凝结；此外雾化液滴直接喷入团聚室内，由于烟气中含有不同粒径的粉尘颗粒，团聚剂喷入后，团聚剂分子会优先与粉尘颗粒中的大颗粒接触凝结，进而影响了PM2.5等细颗粒与团聚剂的接触。

发明内容

根据现有技术存在的不足和缺陷，本发明的目的是提供细颗粒在湍流与化学团聚剂耦合作用下团聚装置。该团聚装置用扰流柱和涡片对烟气流场产生湍流扰动作用，增加颗粒间的有效碰撞；利用化学团聚剂改变颗粒表面的粘附作用，两者耦合使用可以克服单一团聚方式的缺点。同时利用团聚室进口放大段及扰流柱的初分作用控制粉尘中粗、细颗粒的分流，实现细颗粒与化学团聚剂的有效接触，合理的调配化学团聚剂体系，使雾化液滴的粒径减小，进而提高化学团聚剂在细颗粒表面的凝结作用。

为实现上述目的，本发明的湍流与化学团聚耦合细团聚装置为卧式设备，包括烟气进口放大段、扰流初分段，雾化段、涡片湍流段、出口缩小段五部分。颗粒团聚室截面为方形的三维立式设备，长度由气体处理量和雾化量决定，保证细颗粒在团聚室内的停留时间不小于(2.0-5.0)s。烟气进口放大段为平滑放大式进口，以减小烟气的流速，提高烟气中颗粒在团聚室的停留时间；入口放大段壁面与烟气中心线的夹角为(40°-60°)。扰流初分段设置有双层圆形扰流柱，交错放置，扰流柱个数分别为n-1和n(n≧3)，扰流柱间距为(50-300)mm。雾化段处设置n个双流体雾化喷嘴，雾化喷嘴与邻近的扰流柱间距为(0.1L-0.25L)(L为涡片湍流区长度)，将化学团聚剂雾化后喷入团聚室。涡片湍流段利用平板将其等分为n个微分区，在每个微分区内部放置m组涡片(m≧3)，每组涡片间距为(0.1L-0.25L)；涡片为斜板涡片，涡片与烟气来流方向的角度为(30°-60°)，斜板涡片间距为(50-200)mm；。烟气缩小出口段紧接在涡片湍流段后，为平滑过渡结构。

本发明的所述扰流柱为圆形，水平安装于团聚室，直径为(5-10)mm。

本发明的所述化学团聚剂为非离子表面活性剂，无机铵盐，聚丙烯酰胺絮凝剂组成的混合水溶液体系，用量为(0.5-2.5)g/m³-。

本发明的所述雾化段的喷雾方向与来流烟气方向相反，喷雾液滴粒径为20-80μm。

本发明的所述湍流与团聚剂耦合细颗粒团聚装置安装于烟道，用于促进细颗粒的团聚，提高外接烟气除尘设备的清除效率。使用过程中烟气首先由进口放大段进入，由于气体流速的显著降低，烟气发生预先的混合与碰撞；烟气进入扰流初分段在扰流柱作用下，会在扰流柱壁面后产生不同的速度梯度分区，粒径不同的颗粒被卷入不同的湍流尺度的涡旋中，达到颗粒的粒径分级目的。烟气继续流入雾化段，调整喷嘴与扰流柱间距，使雾化的化学团聚剂主要作用于小涡旋区域，团聚剂更多的作用于小涡旋结构中的细颗粒。携带有化学团聚剂的烟气进入涡片湍流段的微分区，在涡片作用下，烟气会产生众多的小尺度涡旋，增加了细颗粒在团聚区的停留时间，并进一步强化化学团聚剂在细颗粒表面的凝结，及带有化学团聚剂的细颗粒间的碰撞。烟气出口段面积的缩小，使此区域内气体流速增加，进一步增加粗细颗粒间的碰撞。自团聚室流出的烟气中，细颗粒在湍流与化学团聚剂的耦合作用下长大，烟气经向除尘器，可显著增强现有除尘器对颗粒的清除效率。

本发明设备简单，操作区域宽，投资费用低。在团聚室内，通过对不同粒径颗粒的分离，强化化学团聚剂对细颗粒的雾化凝结作用；通过化学团聚剂对烟气颗粒的表面改性，增加颗粒间的粘附作用；而涡片形成的不同尺度的涡旋结构强化不同颗粒间的碰撞频率，使小于10μm的细颗粒能够充分团聚长大，进而利用现有除尘器清除，该技术解决目前除尘器对细颗粒清除的瓶颈限制。

附图说明：

图1为本发明湍流与化学团聚耦合细颗粒团聚装置的示意图。

具体实施方式

.结合附图1对本发明的流与化学团聚耦合细颗粒团聚装置进行说明，团聚装置包括烟气进口放大段1、扰流初分段2，雾化段3、涡片湍流段4、出口缩小段5。团聚装置截面为250×450mm，长度2470mm的三维立式设备。其中烟气进口放大段1和出口缩小段5的长度分别为235mm(L1＝235mm)，进口或出口与烟气流向的夹角α为60°。涡片湍流段4的长度为1300mm(L＝1300mm)，用厚度为1.5mm钢板分为5个微分区，装有4组涡片，每组涡片间距为260mm，每组涡片中含有4片涡片，涡片间距为50mm。扰流初分段2安装有直径为5mm双层扰流柱，分别为4个和5个，间距为200mm(L3＝200mm)。雾化段3的喷嘴安装于扰流柱后200mm处(L4＝200mm)，喷雾量为1.0g/m³。化学团聚剂中为表面活性剂OP-10，氯化铵和聚丙烯酰胺复配而成的化学团聚剂水溶液。

模拟烟气约为250Nm³/h，温度130℃。烟气进入团聚装置后，由于放大段面积增加，气体流速的显著降低，烟气发生预先的混合与碰撞；烟气进入扰流初分段在扰流柱作用下，会在扰流柱壁面后产生不同的速度梯度分区，粒径不同的颗粒被卷入不同的湍流尺度的涡旋中，达到颗粒的粒径分级目的。烟气继续流入雾化段，调整喷嘴与扰流柱间距，使雾化的化学团聚剂主要作用于小涡旋区域，使团聚剂更多的作用于小涡旋结构中的细颗粒。携带有化学团聚剂的烟气进入涡片湍流段的微分区，在涡片作用下，烟气会产生众多的小尺度涡旋，增加了细颗粒在团聚区的停留时间，并进一步强化化学团聚剂在细颗粒表面的凝结，及带有化学团聚剂的细颗粒间的碰撞。烟气出口段面积的缩小，使此区域内气体流速增加，进一步增加粗细颗粒间的碰撞。从团聚室流出的烟气温度约40℃，其中10μm以下颗粒质量减少约55％。

Claims (2)

1.一种湍流与化学团聚耦合细颗粒团聚装置，包括烟气进口放大段、扰流初分段，雾化段、涡片湍流段、出口缩小段五部分；扰流初分段设置有双层圆形扰流柱，交错放置，扰流柱个数分别为n-1和n(n≧3)，扰流柱间距为(50-300)mm；雾化段处设置n个双流体雾化喷嘴，雾化喷嘴与邻近扰流柱间距为(0.1L-0.25L)(L为涡片湍流区长度)；涡片湍流段利用平板将其等分为n个微分区，在每个微分区内部放置m组涡片(m≧3)；每组涡片间距为(0.1L-0.3L)。

2.根据权利要求1所述的一种湍流与化学团聚耦合细团聚装置，其特征在于为非离子表面活性剂，无机铵盐，聚丙烯酰胺絮凝剂组成的混合水溶液体系。