CN108159807A - 一种利用湿蒸汽凝结现象捕捉纳米尘粒的除尘方法及装置 - Google Patents

一种利用湿蒸汽凝结现象捕捉纳米尘粒的除尘方法及装置 Download PDF

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赵安文
邓梦婕
齐秀生
高尚
黄晏峰
余亮
陈舒馨
李晨晨
陈学兵
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Abstract

本发明公开了一种利用湿蒸汽凝结现象捕捉纳米尘粒的除尘方法及装置。本发明利用温度在200～600℃范围内的工业废气作为沸腾鼓泡塔的升温换热源，换热完成后的低品位余热废气经净化系统除掉杂质及有毒有害成分后被加压存储，并在随后作为蒸汽分子载气和液体湍流动力来源进入沸腾鼓泡塔内；从沸腾鼓泡塔顶部流出的湿蒸汽通过气体加热器被二次加热；再利用湿蒸汽流经拉瓦尔喷管时出现的凝结相变现象，产生纳米液滴群，高速碰撞捕捉、收集作业场所环境中的纳米尘粒。本发明综合回收利用及净化高温工业废气的同时，实现了对弥散在工作场所环境中的纳米尘粒的捕捉与收集，有效降低了能源的消耗和提高了作业场所职业健康安全等级。

Description

一种利用湿蒸汽凝结现象捕捉纳米尘粒的除尘方法及装置
技术领域
本发明涉及节能减排与职业健康防治领域，具体涉及一种利用湿蒸汽凝结现象捕捉纳米尘粒的除尘方法及装置。
背景技术
当前，工业是我国主要的耗能领域，其能源消耗量约占全国能源消耗总量的70％，并且在这当中至少有50％的工业能耗是以各种形式的余热被直接废弃，这便导致我国的余热资源十分丰富。据统计这部分余热资源约占对应燃料释放热值总量的17％～67％，且可回收率达60％。因此，我国工业余热可利用空间宽，节能潜力巨大。工业余热的回收再利用对于推进我国实施节能减排、提高能源综合利用率的发展战略规划具有重要的实际意义。
另外，工业生产过程中会产生大量的粉尘细颗粒物。对于环境，排入大气空间中的粉尘颗粒长时间悬浮会降低大气能见度，进而导致“雾霾”现象的出现；对于人体，可吸入性粉尘颗粒会导致肺部纤维组织逐渐硬化，引起肺功能衰减。并且粉尘中含有的微量重金属元素、放射性元素还会引起尘肺病、白血病等致命性疾病。目前采用传统喷雾除尘、静电除尘、袋式除尘等方法能够捕捉收集粒径在1μm以上的粉尘颗粒，且捕捉收集效率一般可达99％以上。尽管如此，现有除尘方法也仅能对于微米及其以上量级的粉尘颗粒实现捕捉收集效果，而有关纳米粉尘颗粒方面的捕捉收集方法及措施还未见报道，对于如何提高作业场所职业卫生健康仍然是一个亟待解决的问题。
因此本发明在综合利用工业余热资源及净化高温工业废气的基础上，设计开发一种能够捕捉收集纳米粉尘颗粒的除尘方法及设备，该方法及设备不仅给解决能源浪费问题、保护大气环境、提高作业场所职业卫生健康安全管理水平提供了技术支撑，还具有重要的工程实际意义。
发明内容
本发明目的在于提供一种利用湿蒸汽凝结现象捕捉纳米尘粒的除尘方法及装置，实现了工业余热资源回收再利用及废弃气体净化过滤的同时，对作业场所中弥散着的纳米尘粒进行了捕捉和收集。为降低能源消耗、保护大气环境及提高作业场所职业卫生健康安全管理水平提供了技术支撑。
一种利用湿蒸汽凝结现象捕捉纳米尘粒的除尘方法及装置，具体包括以下步骤：
(1)工业高温废气经高温风机抽吸后进入沸腾鼓泡塔内部管式对流换热器，根据换热管内高温气体与塔内低温液体间的强迫对流换热现象，利用工业高温废气将沸腾鼓泡塔内部纯净液体不断加热至蒸发、沸腾状态。
(2)工业高温废气在沸腾鼓泡塔内完成换热过程后变为低品位气体，该低品位气体随即进入气体净化器，过滤净化掉其中掺混着的有毒有害及其它污染性杂质，并在净化过程结束后由气体压缩机进行加压及储存。
(3)纯净低品位气体压缩完成后，将从沸腾鼓泡塔底部注入内部液体流场中。一方面作为载气将蒸发、沸腾逸出的液体蒸汽分子携带走；另一方面作为外部动力源增加液体流场的湍流运动，从而加强换热管内工业高温废气与周围液体间的换热效应。
(4)湿蒸汽流动出沸腾鼓泡塔后，为防止蒸汽温度降低到对应物质的蒸发点或沸点以下，采用热气输运管道将湿蒸汽输运至气体加热器中进行二次加热。二次加热完成后，湿蒸汽将通过气体分流机进入不同的并联或串联除尘管路。
(5)湿蒸汽在对应的管路中流动通过拉瓦尔喷管，且将在喷管内部做高速膨胀运动，发生非平衡凝结现象，导致湿蒸汽中的液体分子凝结成核、生长为纳米液滴颗粒群，并与弥散在作业场所中的纳米尘粒发生碰撞，使其掉落并附着到地面。
以总长度为140mm的拉瓦尔喷管为例，湿蒸汽通过凝结流动过程生成的纳米液滴颗粒数量为1.20×1018m-3，颗粒粒径为18nm。
(6)纳米粉尘浓度检测分析仪实时监测监控作业环境中的纳米粉尘颗粒浓度，并与PLC联动中控系统实时进行数据交换，一旦职业场所环境中的纳米粉尘颗粒浓度超过规定标准。PLC联动中控系统便会发出指令启动整个除尘设备的运行。
(7)除尘设备启动运行后，存储在加料池中的液体将持续不断地添加到沸腾鼓泡塔中，并且可通过调节流量控制阀使得沸腾鼓泡塔内液体的蒸发流量与添加流量保持动态平衡。
进一步地，高温引风机可通过调节输出功率控制气体抽吸速度。
进一步地，沸腾鼓泡塔上设置有5个接口，分别为工业高温废气入口、低品位气体出口、纯净低品位气体入口、液体加料口和湿蒸汽排气口。
进一步地，纯净低品位气体入口采用气体分布板放置于沸腾鼓泡塔底部。
进一步地，工业高温废气温度为200～600℃；纯净液体可以是水或抑尘剂等。所述压缩完成后的纯净气体压力为0.1～1.0MPa。
进一步地，废气及湿蒸汽输运管道均采用加有保温装置的热气输运管道。
进一步地，气体加热器采用高温工业废弃过热蒸汽作为加热源。
进一步地，气体加热器用于二次加热湿蒸汽，并使湿蒸汽温度高于对应沸点50℃以上及低于对应临界分解温度。
进一步地，蒸汽分流机将二次加热完成后的湿蒸汽分流后分别输送到不同的除尘管路中。
进一步地，热气压力调节阀用于调节同一管路中，不同拉瓦尔喷管的入口压力，以实现所有喷管入口压力的均一化或局部非均一化。
进一步地，凝结相变拉瓦尔喷管包括各种常规及异性超音速(或高超音速)喷管，以及各种气体引射器。拉瓦尔喷管可通过调节入口湿蒸汽流动参数及超音速扩张段的长度来控制凝结流动生成的纳米液滴颗粒数量及粒径大小。凝结流动生成纳米液滴颗粒数量将在1018m-3量级以上，颗粒粒径可控制在10～60nm范围内。
一种利用湿蒸汽凝结现象捕捉纳米尘粒的除尘装置，包括：
高温风机、液体加料池、流量控制阀、沸腾鼓泡塔、气体加热器、蒸汽分流机、热气输运管道、热气压力调节阀、拉瓦尔喷管、纳米粉尘浓度检测分析仪、纳米粉尘浓度探测器、PLC联动中控系统、加压储气罐、气体压缩机、气体净化过滤器、气体分布板、对流换热器；高温风机高温工业废气抽吸后进入沸腾鼓泡塔内部管式对流换热器，对沸腾鼓泡塔内纯净液体不断加热；气体净化过滤器过滤净化管式对流换热器换热完成后的低品位废气，并由气体压缩机进行加压后储存于加压储气罐内；加压储气罐将低品位废气注入沸腾鼓泡塔底部；含有液体蒸汽分子的湿蒸汽从沸腾鼓泡塔顶部流出后，经热气输运管道流动进入气体加热器被二次加热；蒸汽分流机将湿蒸汽送入不同的并联或串联除尘管道；拉瓦尔喷管使湿蒸汽分子凝结成核、生长为纳米液滴颗粒群，与弥散在作业场所环境中的纳米粉尘颗粒发生碰撞；所述的纳米粉尘浓度检测分析仪实时监测监控作业环境中纳米粉尘颗粒浓度。
进一步的，通过调节流量控制阀将存储于加料池中的液体持续不断地添加到沸腾鼓泡塔中。
进一步的，热气压力调节阀用于调节同一管路中，不同拉瓦尔喷管的入口压力，以实现所有喷管入口压力的均一化或局部非均一化。
进一步的，流量控制阀用于调节沸腾鼓泡塔内部液体的蒸发流量与添加流量保持动态平衡。
由于采用了以上的技术方案，本发明具有以下的有益效果：
(1)实现了工业余热资源的回收再利用及废弃气体的净化过滤，并对作业场所中弥散着的纳米尘粒进行了捕捉和收集。降低了能源消耗、保护了大气环境以及提高了我国职业卫生健康安全管理水平。
(2)整个余热资源的回收利用过程及纳米尘粒的捕捉收集过程所用气体工质均为过热蒸汽，其氧含量小于1％，故整个过程安全可控，不易发生爆炸等危险。
(3)通过改变拉瓦尔喷管入口湿蒸汽流动参数以及超音速扩张段的长度来控制纳米液滴颗粒群的数量及粒径大小。
(4)在提高能源利用效率的基础上，对减少工业废气污染物的排放及降低作业场所纳米粉尘浓度具有显著效果，具有良好的社会经济和环保效益。
附图说明
图1是本发明的废气余热回收净化及纳米尘粒捕捉收集工艺流程图；
图2是本发明的沸腾鼓泡塔结构剖面图；
图3是本发明的气体分布板俯视图。
图1、2、3中各数字标号所指代的部位名称如下：1─高温风机、2─液体加料池、3─流量控制阀、4─沸腾鼓泡塔、5─气体加热器、6─蒸汽分流机、7─热气输运管道、8─热气压力调节阀、9─拉瓦尔喷管、10─纳米粉尘浓度检测分析仪、11─纳米粉尘浓度探测器、12─PLC联动中控系统、13─加压储气罐、14─气体压缩机、15─气体净化过滤器、16─温度计、17─气体分布板、18─对流换热管、19─高温废气入口、20─液体加料口、21─低品位气体出口。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面将结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
实施例1
参看图1，图2、图3。
利用湿蒸汽凝结现象捕捉纳米尘粒的除尘装置包括：
高温风机1、液体加料池2、流量控制阀3、沸腾鼓泡塔4、气体加热器5、蒸汽分流机6、热气输运管道7、热气压力调节阀8、拉瓦尔喷管9、纳米粉尘浓度检测分析仪10、纳米粉尘浓度探测器11、PLC联动中控系统12、加压储气罐13、气体压缩机14、气体净化过滤器15、气体分布板17、对流换热器18；高温风机1高温工业废气抽吸后进入沸腾鼓泡塔4内部管式对流换热器18，对沸腾鼓泡塔4内纯净液体不断加热；气体净化过滤器15过滤净化管式对流换热器18换热完成后的低品位废气，并由气体压缩机4进行加压后储存于加压储气罐13内；加压储气罐13将低品位废气注入沸腾鼓泡塔4底部；含有液体蒸汽分子的湿蒸汽从沸腾鼓泡塔4顶部流出后，经热气输运管道7流动进入气体加热器5被二次加热；蒸汽分流机6将湿蒸汽送入不同的并联或串联除尘管道；拉瓦尔喷管9使湿蒸汽分子凝结成核、生长为纳米液滴颗粒群，与弥散在作业场所环境中的纳米粉尘颗粒发生碰撞；所述的纳米粉尘浓度检测分析仪10实时监测监控作业环境中纳米粉尘颗粒浓度。沸腾鼓泡塔4外侧还设有温度计16。
一种利用湿蒸汽凝结现象捕捉纳米尘粒的除尘方法，具体包括如下过程：
(1)高温风机1将高温废气抽吸入沸腾鼓泡塔4内部管式对流换热器18中，加热沸腾鼓泡塔4内盛放着的液体并使其蒸发、沸腾；(2)利用气体净化器15、加压存储罐13和压缩机14对换热完成后的低品位余热气体进行净化、压缩及存储；(3)净化加压完成后的气体作为载气将沸腾鼓泡塔4内蒸发、沸腾逸出的液体蒸汽分子携带走，同时也作为外部动力源增加液体流场的湍流运动；(4)采用热气输运管道7将湿蒸汽输运至气体加热器5中，湿蒸汽被二次加热，并通过蒸汽分流机6输运到不同的除尘管路中；(5)湿蒸汽通过拉瓦尔喷管9做加速膨胀流动时，发生非平衡凝结现象，产生大量纳米液滴颗粒群，高速碰撞捕捉、收集作业场所中的纳米粉尘颗粒。
具体的，图1中纳米粉尘浓度检测分析仪10通过纳米粉尘浓度探测器11实时监测监控作业环境中的纳米粉尘颗粒浓度，并与PLC联动中控系统12实时进行数据交换。一旦职业场所环境中的纳米粉尘颗粒浓度超过规定标准，PLC联动中控系统12便会发出指令启动整个除尘设备的运行。除尘设备启动运行后，一方面按照上段内容中所述的流程顺序进行工作，另一方面存储在加料池2中的液体将持续不断地添加到沸腾鼓泡塔4中，并且可通过调节流量控制阀3使得沸腾鼓泡塔4内液体的蒸发流量与添加流量保持动态平衡。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以进行若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种利用湿蒸汽凝结现象捕捉纳米尘粒的除尘方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)高温工业废气经高温风机(1)抽吸后进入沸腾鼓泡塔(4)内部管式对流换热器(18)，将塔内纯净液体不断加热至蒸发、沸腾状态；
2)换热完成后，低品位废气进入气体净化过滤器(15)，过滤净化掉其中掺混着的杂质，并由气体压缩机(14)进行加压后储存于加压储气罐(13)内；
3)净化压缩完成后，纯净的低品位气体将从沸腾鼓泡塔(4)底部注入，作为载气将蒸发、沸腾逸出的液体蒸汽分子携带走；
4)含有液体蒸汽分子的湿蒸汽从沸腾鼓泡塔(4)顶部流出后，经热气输运管道(7)流动进入气体加热器(5)被二次加热；二次加热完成后，湿蒸汽通过分流机进入不同的并联或串联除尘管道；
5)湿蒸汽流经拉瓦尔喷管(9)时，使蒸汽分子凝结成核、生长为纳米液滴颗粒群，并与弥散在作业场所环境中的纳米粉尘颗粒发生碰撞，使其掉落并附着到地面；
6)纳米粉尘浓度检测分析仪(10)实时监测监控作业环境中纳米粉尘颗粒浓度；
7)通过调节流量控制阀(2)将存储于加料池(2)中的液体持续不断地添加到沸腾鼓泡塔(4)中。
2.根据权利要求1所述的利用湿蒸汽凝结现象捕捉纳米尘粒的除尘方法，其特征在于，所述的高温工业废气为对人体无任何危害作用的安全气体，不包括酸碱性强腐蚀气体及其它有毒有害气体，且气体温度为200～600℃。
3.根据权利要求1所述的利用湿蒸汽凝结现象捕捉纳米尘粒的除尘方法，其特征在于，所述的净液体为水或抑尘剂。
4.根据权利要求1所述的利用湿蒸汽凝结现象捕捉纳米尘粒的除尘方法，其特征在于，所述的净化加压后的低品位气体将从沸腾鼓泡塔底(4)部位置注入，且进气接口采用气体分布板，气体压力为0.1～1.0MPa。
5.根据权利要求1所述的利用湿蒸汽凝结现象捕捉纳米尘粒的除尘方法，其特征在于，所述的气体加热器(5)采用工业高温废气作为热源将流出的湿蒸汽加热至其对应沸点50℃以上且对应临界分解温度以下。
6.根据权利要求1所述的利用湿蒸汽凝结现象捕捉纳米尘粒的除尘方法，其特征在于，所述的拉瓦尔喷管(9)可通过调节入口湿蒸汽流动参数及超音速扩张段的长度来控制凝结流动生成的纳米液滴颗粒数量及粒径大小。
7.一种利用湿蒸汽凝结现象捕捉纳米尘粒的除尘装置，其特征在于，包括：
高温风机(1)、液体加料池(2)、流量控制阀(3)、沸腾鼓泡塔(4)、气体加热器(5)、蒸汽分流机(6)、热气输运管道(7)、热气压力调节阀(8)、拉瓦尔喷管(9)、纳米粉尘浓度检测分析仪(10)、纳米粉尘浓度探测器(11)、PLC联动中控系统(12)、加压储气罐(13)、气体压缩机(14)、气体净化过滤器(15)、气体分布板(17)、对流换热器(18)；高温风机(1)高温工业废气抽吸后进入沸腾鼓泡塔(4)内部管式对流换热器(18)，对沸腾鼓泡塔(4)内纯净液体不断加热；气体净化过滤器(15)过滤净化管式对流换热器(18)换热完成后的低品位废气，并由气体压缩机(14)进行加压后储存于加压储气罐(13)内；加压储气罐(13)将低品位废气注入沸腾鼓泡塔(4)底部；含有液体蒸汽分子的湿蒸汽从沸腾鼓泡塔(4)顶部流出后，经热气输运管道(7)流动进入气体加热器(5)被二次加热；蒸汽分流机(6)将湿蒸汽送入不同的并联或串联除尘管道；拉瓦尔喷管(9)使湿蒸汽分子凝结成核、生长为纳米液滴颗粒群，与弥散在作业场所环境中的纳米粉尘颗粒发生碰撞；所述的纳米粉尘浓度检测分析仪(10)实时监测监控作业环境中纳米粉尘颗粒浓度。
8.根据权利要求7所述的利用湿蒸汽凝结现象捕捉纳米尘粒的除尘装置，其特征在于，所述的通过调节流量控制阀(3)将存储于加料池(2)中的液体持续不断地添加到沸腾鼓泡塔(4)中。
9.根据权利要求7所述的利用湿蒸汽凝结现象捕捉纳米尘粒的除尘装置，其特征在于，所述的热气压力调节阀(8)用于调节同一管路中，不同拉瓦尔喷管(9)的入口压力，以实现所有喷管入口压力的均一化或局部非均一化。
10.根据权利要求7所述的利用湿蒸汽凝结现象捕捉纳米尘粒的除尘装置，其特征在于，所述的流量控制阀(3)用于调节沸腾鼓泡塔内部液体的蒸发流量与添加流量保持动态平衡。
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