CN107051071A - 蒸汽相变与湍流团聚耦合脱除细颗粒物的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及蒸汽相变与湍流团聚耦合脱除细颗粒物的装置及方法，其特征在于该装置的入口处连接脱硫塔的出口，在装置两侧的壁面各设置一个梯形喷嘴，两个梯形喷嘴之间的距离小于入口高度，且两个梯形喷嘴的长度等于入口宽度，该梯形喷嘴的几何中心距入口处的距离占装置总长度的1/6，且两个梯形喷嘴沿装置中心线对称分布；在梯形喷嘴后部的装置内部呈等腰三角形布置三个扰流件，为一个顶角扰流件和两个底角扰流件，顶角扰流件位于装置中心线上，顶角扰流件的几何中心到入口的距离占装置总长度的7/25，两个底角扰流件沿装置中心线呈对称分布，底角扰流件的几何中心到入口处的距离占装置总长度3/5。

Description

蒸汽相变与湍流团聚耦合脱除细颗粒物的装置及方法

技术领域

本发明属于脱除燃煤锅炉烟气中超细颗粒物的技术领域，具体涉及一种蒸汽相变与湍流团聚耦合脱除细颗粒物的装置及方法。

背景技术

空气中悬浮的细颗粒物，由于其对人体健康的高危害性。在最近的几年里已受到人们越来越多的关注。颗粒物粒径越小，其在大气中的扩散效果越强，越不容易发生沉降效果。现阶段，为了减少颗粒物的排放大多数燃煤电厂均采用了较为先进的除尘设备，含尘烟气中的大粒径颗粒物可被这些除尘设备几乎能全部脱除，但对小粒径颗粒物而言其脱除效果并不明显。现阶段工厂为了减少硫化物的排放而采用的湿法烟气脱硫过程，在一定范围内上反而会导致可吸入颗粒物的排放量的增加。传统的除尘方式对小粒径颗粒物的脱除效果很弱，所以现阶段一般会在传统除尘器前加装预处理装置。该装置一般是通过物理或化学的作用使得小粒径的颗粒物变为传统除尘技术可以脱除的范围从而被脱除掉。

颗粒物的预处理技术主要包括声聚并技术、水汽相变技术、电聚并技术、湍流聚并技术、热聚并技术、磁聚并技术、光聚并、化学聚并等。在这其中湍流团聚的应用最为广泛，而水汽相变的前景最为广阔。在湍流团聚的过程中，为了加强湍流效果，往往会设置较多的扰流元件，增加了团聚效率的同时也使得内部阻力过大，而水汽相变则是由于成本等原因在工业应用中并不是十分广泛。

公开号为CN104801420A的发明专利提出了一种湍流与化学团聚耦合促进长大的装置及方法。该装置主要分为化学团聚区，湍流团聚区以及静电除尘区。细颗粒物先是在化学团聚区急速长大，然后进入湍流团聚区进一步聚合长大，最后进入静电除尘区将长大的颗粒物去除。化学团聚虽然可以有效的提高颗粒物的长大，但是会增加成本且对收集到的颗粒物的后处理造成一定的影响。湍流区扰流件为10个，扰流件过多，虽然提高了团聚几率，但会对装置内烟气的流动产生较大的阻力。

公告号为CN101732970B的发明专利提出了一种燃煤湿法烟气脱硫工艺中促进细颗粒物脱除的装置及方法。该装置的主要部分是蒸汽相变室与预洗涤塔。位于湿法脱硫塔前部的预洗涤塔用来提高烟气湿度，出来的气体进入蒸汽相变室内达到过饱和并发生相变凝结长大，凝结长大后的细颗粒通过脱硫塔去除。前置的蒸汽相变室与预洗涤塔会使得工艺变得很复杂，而若想使得颗粒物在单纯的蒸汽相变作用下成长到可脱除范围需要自行添加蒸汽，消耗大量蒸汽，能耗太大。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种耦合蒸汽相变与湍流团聚的装置及方法。该装置可以通过少量的扰流元件的简单耦合产生漩涡，达到湍流团聚的效果。通过向装置内加入湿空气使得烟气达到过饱和状态从而实现蒸汽相变，无需加入蒸汽，大大降低了能耗。该方法操作简单，成本低廉，有利于实现颗粒物的长大以及团聚，颗粒物脱除效率显著提高。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：提供一种蒸汽相变与湍流团聚耦合脱除细颗粒物的装置，其特征在于该装置的入口处连接脱硫塔的出口，在装置两侧的壁面各设置一个梯形喷嘴，两个梯形喷嘴之间的距离小于入口高度，且两个梯形喷嘴的长度等于入口宽度，该梯形喷嘴的几何中心距入口处的距离占装置总长度的1/6，且两个梯形喷嘴沿装置中心线对称分布；在梯形喷嘴后部的装置内部呈等腰三角形布置三个扰流件，为一个顶角扰流件和两个底角扰流件，顶角扰流件位于装置中心线上，顶角扰流件的几何中心到入口的距离占装置总长度的7/25，两个底角扰流件沿装置中心线呈对称分布，底角扰流件的几何中心到入口处的距离占装置总长度3/5，底角扰流件的几何中心到装置中心线的距离为装置总高度的1/6；装置的出口处连接除雾器。

一种蒸汽相变与湍流团聚耦合脱除细颗粒物的方法，该方法应用上述的装置，该方法的步骤是：

1)从脱硫塔中流出的烟气，以8-15m/s的速度进入装置内；两个梯形喷嘴向装置内以30-50m/s的速度喷入相对湿度为60-80％的湿空气，使热烟气与湿空气混合；

2)烟气先流经梯形喷嘴，在梯形喷嘴后方产生漩涡，对湿空气与热烟气产生卷吸作用且中小型颗粒物也会被卷吸到漩涡中心，通过碰撞产生团聚效果，长大后的颗粒物脱离漩涡，随主气流向下游流去；

3)来流烟气在流过中心线处的顶角扰流件时会产生分流、扰流以及混流的效果，在顶角扰流件后方形成较大的速度梯度，产生两个方向相反的漩涡，使得细颗粒物发生多次碰撞；

4)分流后的烟气分别流向两侧的底角扰流件，再一次产生扰流、分流以及混流的效果，使得颗粒物在新的漩涡中进一步的长大；

5)在底角扰流件后方漩涡中长大的颗粒物在主气流的带动下流到出口，进入除雾器而被脱除。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明中装置内部的过饱和度是由湿空气与湿热烟气混合而得到的，无需再加入过饱和蒸汽，大大减小了能耗。且在梯形喷嘴后方会产生较大的漩涡，混合后的气体被卷吸进去增加了颗粒物的滞留时间，使颗粒物在相同的蒸汽相变条件下可以成长为更大的颗粒物。

2)在装置内部仅仅放置了3个扰流件，可以有效减小烟气在装置内流动时所受到的阻力，且扰流件均匀的分布在流场中产涡效果良好，所以大多数颗粒物得以团聚。

3)在颗粒物的脱除中耦合了蒸汽相变与湍流团聚，使得脱除效果得以提升，颗粒物在相同的条件下可以达到更大的粒径从而更容易被脱除。

本发明在湍流团聚方面，通过梯形喷嘴与扰流件的组合排布使得团聚效果更加明显，而且采用的扰流件较少，可以有效的降低烟气在装置内流动时收到的阻力；在蒸汽相变方面，通过混合湿空气与热烟气得到过饱和环境，降低了制造过饱和蒸汽的成本。耦合了湍流团聚与蒸汽相变的作用，使得颗粒物的脱除效果进一步提高。

本发明装置创造性地将蒸汽相变与湍流团聚结合在一起，在一个装置内实现蒸汽相变与湍流团聚，使小粒径颗粒物先是在蒸汽相变作用下长大，长大后的颗粒物再经过湍流团聚聚并进一步长大，最终使得最小初始粒径颗粒物数目的存留量不足初始量的1％，而且使得较大粒径颗粒物的体积分数达到更高，且烟气是单独横向喷入装置，在装置两侧有两个向装置内部喷入常温湿空气的喷嘴，使得烟气在装置内达到过饱和状态而无须再向烟气中额外添加蒸汽，显著降低能耗，同时又能实现较好的脱除效果。

附图说明

图1是本发明蒸汽相变与湍流团聚耦合脱除细颗粒物的装置一种实施例的立体结构示意图；

图2为细颗粒物在实施例1的装置内的速度矢量图；

图3为经实施例1的装置团聚前后的烟气中颗粒粒径分布图；

图4为经实施例1的装置团聚前后的烟气中颗粒浓度分布图；

图5为本发明蒸汽相变与湍流团聚耦合脱除细颗粒物的装置一种实施例的顶角扰流件的结构示意图；

图中，1-入口，2-梯形喷嘴，3-顶角扰流件，4-底角扰流件，5-出口。

具体实施方式

下面结合实例以及附图对本发明做详细说明，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。

本发明蒸汽相变与湍流团聚耦合脱除细颗粒物的装置(简称装置，参见图1)的入口1处连接脱硫塔的出口，在装置两侧的壁面各设置一个梯形喷嘴2，两个梯形喷嘴之间的距离小于入口高度，且两个梯形喷嘴的长度等于入口宽度，该梯形喷嘴的几何中心距入口1处的距离占装置总长度的1/6，且两个梯形喷嘴沿装置中心线对称分布，梯形喷嘴用来向装置内喷入湿空气；在梯形喷嘴后部的装置内部呈等腰三角形布置三个扰流件，为一个顶角扰流件3和两个底角扰流件4，顶角扰流件3位于装置中心线上，顶角扰流件的几何中心到入口的距离占装置总长度的7/25，两个底角扰流件4沿装置中心线呈对称分布，底角扰流件4的几何中心到入口1处的距离占装置总长度3/5，底角扰流件4的几何中心到装置中心线的距离为装置总高度的1/6；装置的出口5处连接除雾器。

本发明装置的进一步特征在于所述顶角扰流件(参见图5)底面为将三角扰流件的每一条边长仅沿一个方向向外依次延长相应边长一半的距离而构成的形状，三角扰流件的底面为等边三角形，三角形一条边与其相邻的另一条边的延长线的夹角α为120°，图5中L3为延长后的一条边的总长度，L2为该边延长后的延长线长度，L1为延长线部分的厚度，且L1:L2:L3＝1：3：9。该扰流件在相同的压降阻力下可以有效的提高颗粒物的团聚效率。

本发明装置的进一步特征在于所述顶角扰流件的尺寸是底角扰流件尺寸的3倍，使得其可以在较小的阻力下形成较好的涡结构。

本发明蒸汽相变与湍流团聚耦合脱除细颗粒物的方法，该方法应用上述装置，该方法的步骤是：

1)从脱硫塔中流出的烟气，以8-15m/s的速度进入湍流团聚室；两个梯形喷嘴向团聚室内以30-50m/s的速度喷入相对湿度为60-80％的常温湿空气，使热烟气与湿空气混合；

2)烟气先流经梯形喷嘴，在梯形喷嘴后方产生漩涡，对湿空气与热烟气产生卷吸作用且中小型颗粒物也会被卷吸到漩涡中心，通过碰撞产生团聚效果，长大后的颗粒物脱离漩涡，随主气流向下游流去；

3)来流烟气在流过中心线处的顶角扰流件时会产生分流、扰流以及混流的效果，在顶角扰流件后方形成较大的速度梯度，产生两个方向相反的漩涡，使得细颗粒物发生多次碰撞；

4)分流后的烟气分别流向两侧的底角扰流件，再一次产生扰流、分流以及混流的效果，大大增加了颗粒物碰撞的概率，使得颗粒物在新的漩涡中进一步的长大；

5)在底角扰流件后方漩涡中长大的颗粒物在主气流的带动下流到出口，进入除雾器而被脱除。

在本发明装置中梯形喷嘴和扰流件的结构大小以及位置经过优化组合，在组合后的位置及形状下产涡效果最优，且前后流场衔接效果较好，让梯形喷嘴靠近入口，让来流烟气在喷嘴处产生较大的漩涡，获得较高的流速，然后流过顶角扰流件，产生较大的漩涡，且可以使烟气分流。梯形喷嘴不仅是起到向烟气中混合湿空气使得烟气过饱和从而实现蒸汽相变的作用，而且能起到扰流的作用。在顶角扰流件的后方加装一对底角扰流件，两个底角扰流件沿装置中心线对称分布，底角扰流件与壁面的距离不可以太小，太小起到的扰流作用太弱，也不能太大，太大对烟气的流动会产生较大的阻力。梯形喷嘴伸入装置内部喷入湿空气，可以与热烟气更加充分的混合，从而使得烟气的温度降低，过饱和度升高。来自脱硫塔中流出的烟气温度一般是在40℃到60℃之间，相对湿度是85％，对应添加的湿空气温度控制在10℃到30℃之间，10℃到30℃为常温，相对湿度是60％到80％，相对湿度过高则会产生较大过饱和度甚至发生均质成核，造成不必要的浪费，而过低则会形不成过饱和状态，达不到异质成核的目的。将蒸汽相变的效果与湍流团聚的效果相耦合，向本设计装置内喷入常温湿空气，使团聚室内既有蒸汽相变，又有湍流团聚，使颗粒物的长大团聚效果更加明显，而且节省了空间与成本。

本发明中扰流件的个数为3个，能够在较小的阻力下实现很好的团聚效果，扰流件的形状是特定的，可以实现较好的产涡效果。

本发明装置对于粒径小于1μm的颗粒也表现出较好的脱除效果，本发明装置实质上为一个能使蒸汽相变与湍流团聚在一个装置内完成的团聚室，本文中的蒸汽相变是由向热烟气中加入湿空气而实现的。

本发明主要用于从脱硫塔中流出的烟气中细颗粒物的长大以及团聚，所述的烟气中除了含有粒径不等的颗粒外，还含有二氧化硫、水蒸气、一些重金属元素等。烟气中的颗粒物在过饱和烟气中会发生异质成核达到长大目的，而由于扰流件而产生的漩涡会使得异质成核的时间得以加长，从而可以使得颗粒物长到更大，而且漩涡使得颗粒物之间的碰撞几率大大提升，从而使得颗粒物团聚到传统方法可以去除的粒径范围。

实施例1

本实施例在装置两侧的壁面各设置一个梯形喷嘴，该梯形喷嘴距入口的距离占总长度1/6且沿中心线对称分布，该梯形喷嘴高度占装置高度的1/5，梯形喷嘴的高与上底之比为1：10，高与下底之比为1：1(可以在流程阻力与烟气与湿空气混合效果以及产涡效果之间实现一个较为平衡的状态，即阻力会有但不是很大而且有良好的烟气与湿空气混合效果以及产涡效果。喷入湿空气的目的是使其与烟气混合，从而实现过饱和状态，而该参数下的混合效果优良)。在装置的内部分布着三个扰流件，一个位于中心线上，到入口的距离占总长度的7/25，顶角扰流件的每条边长度一致，之间的夹角为120°。一对底角扰流件沿中心线呈对称分布，底角扰流件到入口的距离占总长度3/5，到中心线的距离占装置高度的1/6，形状与顶角扰流件一致，但尺寸为顶角扰流件的1/3。出口连接除雾器。

本实施例装置的入口和出口高度均为500mm，装置的长度为1500mm，宽度为300mm，出口与入口位于同一水平线上。所述梯形喷嘴为等腰梯形，且烟气和湿空气的混合良好，喷嘴入口(梯形喷嘴的下底)长度为100mm，梯形喷嘴的高度为100mm，喷嘴出口(梯形喷嘴的上底)长度为10mm。该梯形喷嘴位于距装置的入口250mm的位置，而且关于中心线成对称分布,

所述顶角扰流件的底面为将三角扰流件的每一条边长仅沿一个方向向外依次延长相应边长一半的距离而构成的形状，三角扰流件的底面为等边三角形，三角形一条边与其相邻的另一条边的延长线的夹角α为120°，图5中L3为延长后的一条边的总长度，为90mm；L2为该边延长后的延长线长度，为30mm；L1为延长线部分的厚度，为10mm。三角扰流件的一条边与烟气来流方向水平。底角扰流件尺寸为顶角扰流件的1/3，且沿中心线成对称分布，到中心线的距离为83.3mm，与顶角扰流件的距离为480mm。

本实施例的来流颗粒粒径集中在0.2到0.6微米之间，其中0.4微米的颗粒物占总数的40％，烟气温度为50℃，烟气相对湿度为85％，烟气流速为10m/s；湿空气温度为20℃，湿空气相对湿度为70％，湿空气流速为45m/s。

图2为细颗粒物在装置内一个截面上的速度矢量图，烟气速度为10m/s,湿空气速度为45m/s，梯形喷嘴的存在，不仅可以让热烟气与湿空气更加充分且均匀的混合，而且可以在其后方形成较大的漩涡，使得颗粒物能够进一步长大，碰撞从而形成较大粒径的颗粒物。后方的顶角扰流件可以对高速来流烟气起到分流减速的作用，使得在其后方产生较大的漩涡，对烟气中的细颗粒物产生较强的卷吸作用，增大了颗粒物之间碰撞的概率，分流后的烟气中的颗粒物在底角扰流件的作用下，再次的被卷吸到后方的漩涡中，进一步团聚增长，使颗粒物的粒径进一步长大，最后从出口流出。

图3为经本实施例装置前后颗粒粒径的分布情况，图4为经本实施例装置前后颗粒浓度的分布情况。可以看出，一开始的颗粒物中，粒径为0.4微米的颗粒物所占数量浓度与体积分数都是最高的；经本实施例装置处理后在出口处则是粒径为4.5微米的颗粒物所占的体积分数最高，可以达到30％以上，粒径在1微米以上的颗粒物占总体积分数的80％，而粒径在2微米以上的颗粒物占总体积分数的60％。就出口颗粒物数目浓度而言，虽然粒径为0.4微米的颗粒物数目浓度还是很大，但相比于初始的数目浓度而言存留量不足1％，所以说颗粒物的长大团聚效果还是很明显的，而产生的大粒径颗粒物则可以通过后续的传统除尘方法进行进一步的清理。而相比于本实施例装置不加蒸汽时，颗粒物只在湍流团聚的作用下凝并，出口处颗粒物的体积分数会主要集中在1微米左右，达不到脱除效果，所以在烟气中加入湿空气的效果要远远高于不加湿空气时的效果。

本发明中让湿空气成对喷入主流烟气中的主要目的是使湿空气与烟气充分混合降低烟气温度从而形成过饱和环境，直接向装置内喷入湿空气，使蒸汽相变也在装置内实现；就脱除效果而言，从出口处颗粒物体积所占总数的百分比看来，经过本实施例装置能达到的最大体积分数的粒径为4.5微米。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (5)

1.一种蒸汽相变与湍流团聚耦合脱除细颗粒物的装置，其特征在于该装置的入口处连接脱硫塔的出口，在装置两侧的壁面各设置一个梯形喷嘴，两个梯形喷嘴之间的距离小于入口高度，且两个梯形喷嘴的长度等于入口宽度，该梯形喷嘴的几何中心距入口处的距离占装置总长度的1/6，且两个梯形喷嘴沿装置中心线对称分布；在梯形喷嘴后部的装置内部呈等腰三角形布置三个扰流件，为一个顶角扰流件和两个底角扰流件，顶角扰流件位于装置中心线上，顶角扰流件的几何中心到入口的距离占装置总长度的7/25，两个底角扰流件沿装置中心线呈对称分布，底角扰流件的几何中心到入口处的距离占装置总长度3/5，底角扰流件的几何中心到装置中心线的距离为装置总高度的1/6；装置的出口处连接除雾器。

2.根据权利要求1所述的蒸汽相变与湍流团聚耦合脱除细颗粒物的装置，其特征在于所述顶角扰流件的底面为将三角扰流件的每一条边长仅沿一个方向向外依次延长相应边长一半的距离而构成的形状，三角扰流件的底面为等边三角形。

3.根据权利要求1所述的蒸汽相变与湍流团聚耦合脱除细颗粒物的装置，其特征在于所述顶角扰流件的尺寸是底角扰流件尺寸的3倍。

4.根据权利要求1所述的蒸汽相变与湍流团聚耦合脱除细颗粒物的装置，其特征在于所述梯形喷嘴的高与梯形喷嘴的下底相等，且高为上底长度的10倍。

5.一种蒸汽相变与湍流团聚耦合脱除细颗粒物的方法，该方法应用权利要求1-4任一所述的装置，该方法的步骤是：

1)从脱硫塔中流出的烟气，以8-15m/s的速度进入装置内；两个梯形喷嘴向装置内以30-50m/s的速度喷入相对湿度为60-80％的湿空气，使热烟气与湿空气混合；

2)烟气先流经梯形喷嘴，在梯形喷嘴后方产生漩涡，对湿空气与热烟气产生卷吸作用且中小型颗粒物也会被卷吸到漩涡中心，通过碰撞产生团聚效果，长大后的颗粒物脱离漩涡，随主气流向下游流去；

3)来流烟气在流过中心线处的顶角扰流件时会产生分流、扰流以及混流的效果，在顶角扰流件后方形成较大的速度梯度，产生两个方向相反的漩涡，使得细颗粒物发生多次碰撞；

4)分流后的烟气分别流向两侧的底角扰流件，再一次产生扰流、分流以及混流的效果，使得颗粒物在新的漩涡中进一步的长大；

5)在底角扰流件后方漩涡中长大的颗粒物在主气流的带动下流到出口，进入除雾器而被脱除。