CN106823652A - 一种利用超声波雾化荷电湍流团聚颗粒物的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种利用超声波雾化荷电湍流团聚颗粒物的系统及方法，所述系统包括流道主体，以及依次设置在流道主体上的装置主体由入口段、雾化荷电装置、预混合段和湍流扰动段；所述的雾化荷电装置用于将超声波雾化液滴经荷电后喷入流道主体内；所述的预混合段布置有若干V形混合叶片，V形混合叶片开口背向来流方向，两端固定于流道主体内壁；所述的湍流扰动段包括若干湍流扰动件；所述的湍流扰动件包括圆弧板面和凸起钝体；凸起钝体设置在圆弧板面的拱起侧面上；湍流扰动件以烟气流向为列，垂直烟气流向为行的形式布置于流道主体内；相同行内的湍流扰动件均沿相同方向布置，相邻行内的湍流扰动件沿相反方向布置。

Description

一种利用超声波雾化荷电湍流团聚颗粒物的系统及方法

技术领域

本发明属于工业烟粉尘颗粒物排放控制技术领域，具体涉及一种利用超声波荷电湍流团聚颗粒物的系统及方法。

背景技术

当前，我国大范围雾霾污染问题日益突出。研究表明，燃煤烟气中的细颗粒物空气动力学直径小于2.5μm，简称PM2.5是大气气溶胶浓度高和雾霾天气形成的主要原因。目前，针对细颗粒物的净化，国内外的控制技术研究主要运用物理以及化学等方法将细颗粒物团聚成为较大颗粒，再借助传统除尘设备将其除去，从而更好地提高细颗粒物的脱除效率。现阶段主要的团聚技术包括声波团聚、磁团聚、蒸汽相变团聚、电凝并、化学团聚和湍流团聚技术等。其中，湍流团聚作为新型研究方向，主要通过物理或化学方法将细颗粒团聚成较大粒径的颗粒，而后再通过传统除尘器出去颗粒物。这种细颗粒物预处理方式已经成为目前的主要研究方向。

公开号为CN102000472B的中国专利“促进颗粒物相互作用的装置及方法”公布了一种呈叶型、瓦片形、“s”字形、“z”字形、椭圆形等型式的扰流元件，通过利用扰流元件尾流产涡的湍流效应，增加颗粒间的碰撞几率，但该类产涡叶片形状过于趋近流线型，产涡效应不足且产涡尺寸单一。

李云飞在2014年的《哈尔滨工业大学》中发表的“烟气细颗粒物湍流团聚的研究”通过数值模拟研究圆柱与涡片的扰流团聚效果，提出一种新型湍流凝聚器。通过布置为圆柱与“+”型涡片结合，增加小涡形成，强化湍流团聚效果，但该布置形式对涡片尾流利用不足，团聚效果不够理想。

公开号为CN100531875的中国专利“用于混合流体流以使颗粒聚结的方法和设备”公布了由indigo公司设计的一种用于混合流体以使颗粒聚结的方法和设备，该发明考虑到细颗粒物在流体中粘性力起支配作用，提出了一种复合混流构件，用于产生大规模湍流并兼顾在支流内产生小规模湍流区，用于增加细颗粒间相互作用机率，但该设计结构复杂，且布置形式不利于流体的流动，易造成较大的压力损失，且未考虑到颗粒表面粘合特性而造成的粘合效率问题等。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种利用超声波雾化荷电湍流团聚颗粒物的系统及方法，用于产生大小规模兼具的湍流流动，由此促进细颗粒团聚或更有效地与大颗粒聚合，具有结构简单、主动可控且适用性广泛的特点。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种利用超声波雾化荷电湍流团聚颗粒物的系统，包括流道主体，以及依次设置在流道主体上的装置主体由入口段、雾化荷电装置、预混合段和湍流扰动段；

所述的雾化荷电装置用于将超声波雾化液滴经荷电后喷入流道主体内；

所述的预混合段布置有若干V形混合叶片，V形混合叶片开口背向来流方向，两端固定于流道主体内壁；

所述的湍流扰动段包括若干湍流扰动件；所述的湍流扰动件包括圆弧板面和凸起钝体；凸起钝体设置在圆弧板面的拱起侧面上；湍流扰动件以烟气流向为列，垂直烟气流向为行的形式布置于流道主体内；相同行内的湍流扰动件均沿相同方向布置，相邻行内的湍流扰动件沿相反方向布置。

优选的，所述的雾化荷电装置设置在流道主体的一侧或对称设置在流道主体的两侧，其包括环形荷电极板、超声波雾化器和雾化喷口；

所述的超声波雾化器输入端连接储水箱，输出端设置雾化喷口；雾化喷口经环形荷电极板与流道主体连通；

所述的环形荷电极板由两块分别接高压发生器的极板组成，两块极板形状和大小相同且对称布置构成圆柱环，两极板边缘呈间隙设置；所述的超声波雾化喷口外径小于圆柱环内径，且与环形荷电极板呈同轴设置。

进一步，所述的超声波雾化器和雾化喷口所产生的雾化液滴平均直径为1～5μm。

进一步，两极板边缘相距2～5cm；所述的超声波雾化喷口外径为圆柱环内径的1.2～1.5倍。

优选的，所述的V形混合叶片至少设置三片，呈等间距布置在烟道内；V形混合叶片的夹角为40～80°。

优选的，所述的圆弧板面为曲率半径为5～10cm，弧段角度为80～120°；所述的凸起钝体中心位置和圆弧板面曲率圆心的连线与烟气流向构成角度为40～70°。

优选的，所述的凸起钝体截面形状为三角形、圆形、半圆形、椭圆形、梯形中的任意一种，其凸起高度为0.01～0.05倍的流道当量直径。

优选的，所述的湍流扰动件以烟气流向为列、垂直烟气流向为行的形式布置有m行和n列，m和n为正整数，且m≥n，n≥3。

优选的，所述的湍流扰动件在流道主体内顺排或错排布置，相邻湍流扰动件行间距为a、列间距为b，且a＝(1.5～2)b。

一种利用超声波雾化荷电湍流团聚颗粒物的方法，基于本发明所述的系统上，包括如下步骤，

步骤1，由雾化荷电装置将超声波雾化液滴经荷电后喷入流道主体内，与流道主体内的烟气混合形成雾化段流体；所述喷入水雾的雾滴平均直径控制在微米级；

步骤2，雾化段流体经预混合段后，使得雾化段流体中的颗粒与雾滴、颗粒与颗粒间充分作用，进行大规模湍流作用后进入湍流扰动段；

步骤3，在湍流扰动段中，发生大涡聚并效应；烟气绕湍流扰动件的圆弧板面流动产生大尺度旋涡，不同质量或空气动力学特性的颗粒物因受力不同将发生不同型式运动，小颗粒被卷入湍流涡富集，而大颗粒偏离旋涡中心与主流产生分离，进而发生颗粒团聚；

步骤4，在湍流扰动段中，发生小涡聚并效应；湍流扰动件的凸起钝体在主流烟气绕圆弧板流动同时，起到减薄边界层增加紊流的作用，且由凸起钝体产生微尺度涡流，进而增大颗粒间的碰撞与粘附；

步骤5，在湍流扰动段中，发生尾流改善效应；凸起钝体将边界层减薄，产出小涡流动，改善弧形大涡尾流的流动状态，进而减少烟道内压力损失，改善流动状况；

步骤6，经过湍流扰动段后团聚形成长大的粉尘颗粒。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明基于水雾增湿团聚机理，超声波雾化的水雾粒径保持在微米级别，颗粒经水雾湿润后，可改善其表面粘附特性。一方面通过雾化荷电的手段，改变烟气中粉尘颗粒的表面粘附特性，增加颗粒之间的互相粘附结合的几率；再经过预混合与湍流团聚段的作用产出大规模湍流和小规模湍流，进一步通过操控湍流的产出来控制废气中微米级或亚微米级颗粒的作用位置、随动特性和运动轨迹等，以提高颗粒之间或与其他粒子之间的碰撞几率从而结聚成更大粒径的颗粒，便于之后的传统除尘设备将其除去。本发明针对传统除尘器难以解决的细颗粒物的净化问题，利用超声波雾化的雾滴微尺度，结合发明的扰流元件，解决原有除尘装置短板问题。一般布置在传统除尘器前，操作方便，降低运行成本，大大提高除尘效率。

进一步的，通过与颗粒荷电方式对比可发现，通过将环形荷电极板应用于雾化液滴，且将环形荷电极板布置于烟道外，能有效改善颗粒表面粘附特性而不影响烟道流动。

进一步的，本发明的湍流扰动件为圆弧板面与凸起钝体组成，可分别产生尺度不同的大小涡流，同时凸起钝体兼顾有产生小涡扰动和减小压损功能，可有效增强颗粒碰撞并提高运行稳定性，进而保证颗粒脱除的高效性。

附图说明

图1为本发明实例中所述系统的结构示意图。

图2为本发明实例中所述三角形凸起钝体的湍流扰动件的结构示意图。

图3为本发明实例中所述圆形凸起钝体的湍流扰动件的结构示意图。

图4为本发明实例中所述超声波雾化荷电的效果示意图。

图5为本发明实例中所述湍流扰流件的机理示意图。

图中：入口段1，预混合段2，湍流扰动件3，环形荷电极板4，超声波雾化器5，储水箱6，雾化器喷口7。

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。

本发明一种利用超声波雾化荷电湍流团聚颗粒物的系统，包括以下部分：系统主体为矩形结构，总体以流道型设计，上游布置有雾化荷电装置，用于将超声波雾化液滴经荷电后喷入流道内；下游布置预混合段2与湍流团聚段，预混合段2用于产出大尺度湍流，而湍流团聚段用于混合来流颗粒，并进一步产生兼顾大小湍流的混合流动；其中，在使用中，喷雾口的大小及喷雾量要与流体流量、流速等条件保持一致，设计的特殊扰流件要保持足够小的尺度，以保证颗粒规模的湍流产出。

具体的，如图1所示，其包括流道主体，以及依次设置在流道主体上的入口段1、雾化荷电装置、预混合段2和湍流扰动段；所述的雾化荷电装置包括环形荷电极板4、超声波雾化器5和雾化喷口7；

其中，超声波雾化器5所产生的雾化液滴平均直径d₁为1～5μm；雾化器喷口优先选取偶数个，且对称布置于流道主体侧面。环形荷电极板4由两块分别接高压电极的极板组成，两块极板形状、大小相同且对称布置构成内径为d₂的圆柱，两极板互不接触且极板边缘相距2～5cm；所述的雾化喷口7外径为d₃，与环形荷电极板4具有同轴关系，且满足d₂＝(1.2～1.5)d₃。超声波雾化喷口7用于将雾化液滴投放至试验系统内，并与超声波雾化器5相连，雾化过程所用液体来源于储水箱6。

预混合段2布置有k个“V”形混合叶片，朝向来流方向，“V”形叶片的夹角为40～80°，等间距布置在烟道内，两端固定于烟道内壁，其中k≥3。

湍流扰动段内设置有若干湍流扰动件3，其包括圆弧板面301和凸起钝体302；圆弧板面301为曲率半径为r、弧段角度为θ₁的圆弧板，优选的，曲率半径的范围为5～10cm，弧段角度θ₁为80～120°；凸起钝体302中心位置和圆弧段曲率圆心的连线与烟气流向构成角度为θ₂，优选的，θ₂的范围为40～70°；凸起钝体302截面形状为如图2所示的三角形、如图3所示的圆形、或者是半圆形、椭圆形、梯形中的一种；以垂直烟气流向为行，平行烟气流向为列，所述的湍流扰动件在烟道中顺排或错排布置布置有m行、n列，m≥n，n≥3；湍流扰动件3在烟道中相邻扰流元件行间距为a、列间距为b，优选的，a＝(1.5～2)b；湍流扰动件3在相同行内均沿相同方向布置，相邻行湍流扰动件沿相反方向布置。

图1所描述的本发明系统的一个实施例，具体为一种工业废气排放前段处理设备，为通风管道的通流部分，所通流体为工业排放的含尘烟气等废气流，所述物质包括污染颗粒等。其安装在经热回收利用的废气后段、传统除尘设备的前段，来流输气管道通常通各种工业排放的废气流。

具体包括用于通风的流道主体、包括超声波雾化器5和环形荷电极板4的雾化荷电装置，以及若干湍流扰动件。而具体操作是，各部件的位置及布置形式可适当调整，比如超声波雾化荷电装置中雾化器喷口7的位置如图1所示布置在一侧，但考虑到实际需要，也可增加布置数量或改变其布置位置，以保证雾化液滴的喷入速度及与来流的混合均匀性，且喷入水雾的雾滴平均直径也要控制在微米级；预混合段2中的V形板的布置，具体以流道中心展开布置，相邻之间的距离不易过小，保证在0.1～1倍流道当量直径范围，以保证流体通流时产出足够的大规模湍流；湍流扰动件设计形式兼顾大小规模的湍流产出，圆弧的主体板保证大涡流的产生，进一步增强预混合段来流的颗粒混合效果，所设计的凸起钝体以主体弧板为结合对象，具体特征截面为三角形，但根据需要也可改为其他形式，比如圆弧形、梯形等；另外，必须保证凸起钝体的尺寸在合适范围内，优选尺寸为0.01～0.05倍的流道当量直径。考虑到工业排气的流速、流量等因素，实施例中预混合段2中的V形板与湍流扰动件的材料均使用金属材料。尽管装置安装时如图1所示水平安装，但是根据需要也可调整为垂直安装，且湍流扰动板及附带的凸起钝体不一定是连续的致密板，根据需要也可调整为间断式或多孔式。

在预混合段2，V形扰流板布置位置距离雾化器喷口为l₁，距离下游湍流扰动段距离为l₂，l₁的选取优先保证雾化段后流体中颗粒与雾滴、颗粒与颗粒间充分作用，l₂的选取优先保证上游有足够的大规模湍流产生，优选的，l₁等于1～2.5倍的流道当量直径，l₂等于0.5～1.5倍的流道当量直径，经过大规模湍流作用的流体进入湍流扰动段后，也受到进一步的大规模湍流和小尺度湍流作用，这样大小湍动结合的效应就更为突出，微小尺度涡流对微小颗粒的作用也更加有效。

上述实施例中，超声波雾化荷电的效果如图4所示，雾化喷口7置于环状荷电极板4中心，环状荷电极板4的M和N两块极板分别接高压发生器，由于强诱导电场的作用，雾化液滴通过环形区域时将发生荷电。喷雾液滴进入管道后，与来流烟气发生作用，小粒径的荷电液滴与烟气中的粉尘颗粒发生作用，改变颗粒表面的粘附特性，小液滴粘附于大颗粒表面或小颗粒与粒径相近的小液滴进行结合，使颗粒之间更易结合，形成更大粒径颗粒。

上述实施例中，湍流扰动件3的团聚机理示意图如图5所示，雾化液滴和颗粒经预混合段后流经湍流扰动件，将产生三种效应：1大涡聚并：烟气绕湍流扰动件3的圆弧板面301流动产生大尺度旋涡，不同质量或空气动力学特性的颗粒物因受力不同将发生不同型式运动，小颗粒被卷入湍流涡富集，而大颗粒偏离旋涡中心与主流产生分离，进而发生颗粒团聚。2小涡聚并：湍流扰动件的凸起钝体302在主流烟气绕圆弧板流动同时，起到减薄边界层增加紊流的作用，且凸起钝体302的三角结构有利于产生微尺度涡流，进而增大颗粒间的碰撞与粘附。3尾流改善：凸起钝体302将边界层减薄，产出小涡流动，改善弧形大涡尾流的流动状态，进而减少烟道内压力损失，改善流动状况。经过团聚形成长大的粉尘颗粒再通过袋式除尘器脱除。

Claims (10)

1.一种利用超声波雾化荷电湍流团聚颗粒物的系统，其特征在于，包括流道主体，以及依次设置在流道主体上的装置主体由入口段(1)、雾化荷电装置、预混合段(2)和湍流扰动段；

所述的雾化荷电装置用于将超声波雾化液滴经荷电后喷入流道主体内；

所述的预混合段(2)布置有若干V形混合叶片，V形混合叶片开口背向来流方向，两端固定于流道主体内壁；

所述的湍流扰动段包括若干湍流扰动件(3)；所述的湍流扰动件(3)包括圆弧板面(301)和凸起钝体(302)；凸起钝体(302)设置在圆弧板面(301)的拱起侧面上；湍流扰动件(3)以烟气流向为列，垂直烟气流向为行的形式布置于流道主体内；相同行内的湍流扰动件(3)均沿相同方向布置，相邻行内的湍流扰动件(3)沿相反方向布置。

2.根据权利要求1所述的一种利用超声波雾化荷电湍流团聚颗粒物的系统，其特征在于，所述的雾化荷电装置设置在流道主体的一侧或对称设置在流道主体的两侧，其包括环形荷电极板(4)、超声波雾化器(5)和雾化喷口(7)；

所述的超声波雾化器(5)输入端连接储水箱(6)，输出端设置雾化喷口(7)；雾化喷口(7)经环形荷电极板(4)与流道主体连通；

所述的环形荷电极板(4)由两块分别接高压发生器的极板组成，两块极板形状和大小相同且对称布置构成圆柱环，两极板边缘呈间隙设置；所述的超声波雾化喷口(7)外径小于圆柱环内径，且与环形荷电极板(4)呈同轴设置。

3.根据权利要求2所述的一种利用超声波雾化荷电湍流团聚颗粒物的系统，其特征在于，所述的超声波雾化器(5)和雾化喷口(7)所产生的雾化液滴平均直径为1～5μm。

4.根据权利要求2所述的一种利用超声波雾化荷电湍流团聚颗粒物的系统，其特征在于，两极板边缘相距2～5cm；所述的超声波雾化喷口(7)外径为圆柱环内径的1.2～1.5倍。

5.根据权利要求1所述的一种利用超声波雾化荷电湍流团聚颗粒物的系统，其特征在于，所述的V形混合叶片至少设置三片，呈等间距布置在烟道内；V形混合叶片的夹角为40～80°。

6.根据权利要求1所述的一种利用超声波雾化荷电湍流团聚颗粒物的系统，其特征在于，所述的圆弧板面(301)为曲率半径为5～10cm，弧段角度为80～120°；所述的凸起钝体(302)中心位置和圆弧板面(301)曲率圆心的连线与烟气流向构成角度为40～70°。

7.根据权利要求1所述的一种利用超声波雾化荷电湍流团聚颗粒物的系统，其特征在于，所述的凸起钝体(302)截面形状为三角形、圆形、半圆形、椭圆形、梯形中的任意一种，其凸起高度为0.01～0.05倍的流道当量直径。

8.根据权利要求1所述的一种利用超声波雾化荷电湍流团聚颗粒物的系统，其特征在于，所述的湍流扰动件(3)以烟气流向为列、垂直烟气流向为行的形式布置有m行和n列，m和n为正整数，且m≥n，n≥3。

9.根据权利要求1所述的一种利用超声波雾化荷电湍流团聚颗粒物的系统，其特征在于，所述的湍流扰动件(3)在流道主体内顺排或错排布置，相邻湍流扰动件(3)行间距为a、列间距为b，且a＝(1.5～2)b。

10.一种利用超声波雾化荷电湍流团聚颗粒物的方法，其特征在于，基于权利要求1-9任意一项所述的系统上，包括如下步骤，

步骤1，由雾化荷电装置将超声波雾化液滴经荷电后喷入流道主体内，与流道主体内的烟气混合形成雾化段流体；所述喷入水雾的雾滴平均直径控制在微米级；

步骤2，雾化段流体经预混合段后，使得雾化段流体中的颗粒与雾滴、颗粒与颗粒间充分作用，进行大规模湍流作用后进入湍流扰动段；

步骤3，在湍流扰动段中，发生大涡聚并效应；烟气绕湍流扰动件(3)的圆弧板面(301)流动产生大尺度旋涡，不同质量或空气动力学特性的颗粒物因受力不同将发生不同型式运动，小颗粒被卷入湍流涡富集，而大颗粒偏离旋涡中心与主流产生分离，进而发生颗粒团聚；

步骤4，在湍流扰动段中，发生小涡聚并效应；湍流扰动件(3)的凸起钝体(302)在主流烟气绕圆弧板流动同时，起到减薄边界层增加紊流的作用，且由凸起钝体(302)产生微尺度涡流，进而增大颗粒间的碰撞与粘附；

步骤5，在湍流扰动段中，发生尾流改善效应；凸起钝体(302)将边界层减薄，产出小涡流动，改善弧形大涡尾流的流动状态，进而减少烟道内压力损失，改善流动状况；

步骤6，经过湍流扰动段后团聚形成长大的粉尘颗粒。