CN108261874A - 多级声场耦合湍流场脱除燃煤烟气pm2.5的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多级声场耦合湍流场脱除燃煤烟气PM_2.5的装置和方法。该装置内的流道主体下方为预湍流段(3)，在预湍流段的上面从下至上分别为第一级声场(4)、第二级声场(6)、第三级声场(7)、第四级声场(8)，在第一级声场与第二级声场之间、第二级声场(6)与第三级声场(7)之间、第三级声场(7)与第四级声场(8)之间分别设有湍流段(5)，在第四级声场的上部为烟气出口(9)，在预湍流段(3)的下部为烟气入口(1)，在该装置的底部为粉尘出口(2)。通过四级声场和湍流场的协同作用，大大提高了PM_2.5的团聚效率，能够将绝大部分PM_2.5团聚为大颗粒物，在此基础上结合后续除尘设备能够将PM_2.5基本脱除，从而实现PM_2.5的超低排放。

Description

多级声场耦合湍流场脱除燃煤烟气PM2.5的装置和方法

技术领域

本发明属于污染物清除设备及清除技术领域，特别涉及一种多级声场耦合湍流场联合作用脱除燃煤烟气PM_2.5的装置和方法。

背景技术

煤炭等化石燃料的燃烧会释放大量的细颗粒物，造成颗粒物污染，其中PM_2.5的危害最严重，它的粒径小于2.5μm，表面极易富集各种有害气体、重金属和多环芳烃等强致癌污染物，PM_2.5进入人体后，会沉积于肺泡区，进入血液，影响生殖系统的正常功能，带来致癌、致畸、致突变，同时PM_2.5也是灰霾天气能见度降低的主要原因，严重阻碍了人们的出行。

针对日益严重的颗粒物污染，燃煤电厂普遍安装了相应的除尘设备，包括机械分离器、袋式除尘器、静电除尘器和湿式静电除尘器。虽然这些除尘设备对颗粒物具有较高的除尘效率，但是对细颗粒物，尤其是PM_2.5的脱除效率普遍不高，造成PM_2.5颗粒大量进入大气，严重危害人类健康。

为了能够高效的脱除PM_2.5等细颗粒物，需要采用预处理技术先将PM2.5颗粒团聚成大颗粒物，然后进入常规除尘设备，然而单频声场对颗粒物的团聚效果有限。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出一种多级声场耦合湍流场联合作用脱除燃煤烟气PM_2.5的装置及方法，将低中高频声波、超声波四种频率的四级声场与多个湍流场结合，多频率声场对不同烟气参数和不同颗粒物条件的适应性强，能够最大程度上提高声波对PM_2.5的团聚效率，另外配合多个湍流场，增加对烟气的扰动，使烟气中颗粒物的碰撞概率再次提高，进一步提高了PM_2.5的团聚效率，通过双场结合，能够将绝大部分的PM_2.5颗粒团聚为大颗粒，增加了后续除尘设备对颗粒物的脱除效率，实现了PM_2.5的超低排放。

技术方案：本发明的一种多级声场耦合湍流场联合作用脱除燃煤烟气PM_2.5的装置包括烟气入口、粉尘出口、预湍流段、第一级声场、湍流段、第二级声场、第三级声场、第四级声场、烟气出口、信号发生器、功率放大器、压缩式驱动器、渐扩段和超声波发生器、超声波换能器；其中，该装置内的流道主体下方为预湍流段，在预湍流段的上面从下至上分别为第一级声场、第二级声场、第三级声场、第四级声场，在第一级声场与第二级声场之间、第二级声场与第三级声场之间、第三级声场与第四级声场之间分别设有湍流段，在第四级声场的上部为烟气出口，在预湍流段的下部为烟气入口，在该装置的底部为粉尘出口。

其中，

所述的预湍流段由上下两排湍流圆柱组成，在流道内上下交错布置。

所述的湍流段由若干弧形扰流叶片相隔一定的距离排列组成。

所述的湍流段，叶片曲率半径为20mm-50mm，叶片与该装置内流道的夹角设置为60°～80°。

所述的第一级声场，在该段设有两个超声波换能器，该超声波换能器与超声波发生器连接，组成超声波发生装置。

所述的超声波换能器，其声波频率为20kHz，声压级为135dB～148dB。

在所述的第二级声场、第三级声场、第四级声场处分别设有两个压缩式驱动器，该压缩式驱动器的输入端与功率放大器连接，功率放大器的输入端与信号发生器连接，组成高中低频声波发生装置。

所述的第二级声场、第三级声场、第四级声场处分别设置的压缩式驱动器，所发出的频率范围由下至上分别为9200Hz～10000Hz，4800Hz～5600Hz，1400Hz～2200Hz，声压级均为135dB～148dB。

所述的第一级声场、第二级声场、第三级声场、第四级声场处分别设置的超声波换能器和压缩式驱动器的位置设有渐扩段。

本发明的多级声场耦合湍流场联合作用脱除燃煤烟气PM2.5的方法为：含尘烟气经烟气入口进入该装置的流道主体，依次经过预湍流段，第一级声场，湍流段，第二级声场，第三级声场，第四级声场；烟气在经过预湍流段的湍流圆柱和湍流段的弧形叶片的时候发生湍流，形成湍流场，流道两侧的超声波换能器发出频率为20kHz、声压级为135dB～148dB的声波，调节同一段两个超声波换能器的位置，声波在流道中形成第一级驻波声场；流道两侧的三组压缩式驱动器所发出的频率范围由下至上分别为9200Hz～10000Hz，4800Hz～5600Hz，1400Hz～2200Hz，声压级均为135dB～148dB，调节同一段两个压缩式驱动器的位置，声波在流道中形成第二至第四级驻波声场，在声场和湍流场的联合作用下，绝大部分PM_2.5颗粒团聚为大颗粒，通过烟气出口进入到后续的除尘设备。

有益效果：同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

(1)提高细颗粒物脱除效率：采用四级声场联合湍流场联合作用对燃煤电厂烟气中的细颗粒物进行预处理，通过四个不同频段的声场与湍流场的结合，能够实现对细颗粒物的不同粒径段的分级团聚，尤其是大大提高了粒径小于0.1μm的超细颗粒物的团聚效率，使几乎全部的PM_2.5颗粒团聚为大颗粒物，再结合后续除尘设备，能基本实现PM_2.5颗粒的全部脱除。

(2)减小空间，降低能耗：团聚室主体竖直布置，能够大大减少占地面积，同时多级声场与湍流场的高效耦合，可以降低声波团聚的能耗。

附图说明

图1是多级声场耦合湍流场联合作用脱除燃煤烟气PM_2.5的装置示意图；

图中有：包括烟气入口1、粉尘出口2、预湍流段3、第一级声场4、湍流段5、第二级声场6、第三级声场7、第四级声场8、烟气出口9、信号发生器10、功率放大器11、压缩式驱动器12、渐扩段13和超声波发生器14、超声波换能器15。

具体实施例方式

根据现有技术存在的不足与缺陷，本发明提供一种多级声场耦合湍流场联合作用脱除燃煤烟气PM_2.5的装置和方法，所述的多级声场耦合湍流场联合作用脱除燃煤烟气PM_2.5的装置包括烟气入口、粉尘出口、湍流圆柱、扰流叶片、烟气出口、信号发生器、功率放大器、压缩式驱动器、超声波发生器和超声波换能器；流道由下至上分别为粉尘出口、烟气入口、湍流圆柱、弧形扰流叶片和烟气出口，流道下部两侧分别连接一组超声波发生器和超声波换能器，形成第一级声场，流道中上部两侧分别连接三组信号发生器、功率放大器和压缩式驱动器，分别形成第二、三、四级声场。

本发明所述的湍流圆柱为圆柱形，分两排交错布置，直径为(50mm-100mm)。

本发明所述的扰流叶片为弧形，叶片曲率半径为(20mm-50mm)，叶片角度为(60～80°)。

本发明所述的第一级声场所对应的两个超声波换能器所发出的声波频率为20kHz,声压级为135dB～148dB，二者之间的距离为L＝1/2λn。

本发明所述的第二级声场所对应的两个压缩式驱动器所发出的声波频率为9200Hz～10000Hz，声压级为135dB～148dB，二者之间的距离为L＝1/2λn。

本发明所述的第三级声场所对应的两个压缩式驱动器所发出的声波频率为4800Hz～5600Hz，声压级为135dB～148dB，二者之间的距离为L＝1/2λn。

本发明所述的第四级声场所对应的两个压缩式驱动器所发出的声波频率为1400Hz～2200Hz，声压级为135dB～148dB，二者之间的距离为L＝1/2λn。

本发明所述的多级声场耦合湍流场联合作用脱除燃煤烟气PM_2.5的方法是：含尘烟气由烟气入口进入流道主体，首先会经过两排交错排列的湍流圆柱，气流扰动增强，形成湍流，此时颗粒物发生初步的团聚现象，之后进入第一级声场，该声场的声波频率为20kHz，该频率对大于10μm的颗粒夹带系数为0，而对小于0.1μm的颗粒完全夹带，因此第一级声场能够将小于0.1μm的颗粒团聚为大于0.1μm的颗粒，之后经过扰流叶片，颗粒物间碰撞概率再次增加，当分别经过第二和第三级声场后，所作用的颗粒粒径依次增加，此时小于1μm的颗粒几乎全部团聚为大于1μm的颗粒，之后进入第四级声场，该声场频率范围为1400Hz～2200Hz，该声场能将小于2.5μm的颗粒全部团聚为大于2.5μm的颗粒，经过四级声场和湍流场的作用后，PM_2.5颗粒能基本被团聚为大颗粒，之后进入下一级除尘设备，能够大大提高其除尘效率，实现对颗粒物全粒径段的高效脱除。

实施例1

本实施例为多级声场耦合湍流场联合作用脱除燃煤烟气PM_2.5的装置的具体应用，以某电厂300MW机组脱硫塔出口烟道内应用以上方法为例，具体包括以下步骤：

1、设定超声波换能器的频率为20kHz，声压级为136dB；

2、设定高频压缩式驱动器的频率为9400Hz，声压级为140dB；

3、设定中频压缩式驱动器的频率为5000Hz，声压级为144dB；

4、设定低频压缩式驱动器的频率为1600Hz，声压级为148dB；

设置完成后，分别在装置入口及出口进行采样，计算得烟气中PM2.5的团聚效率达到86％，PM10颗粒的团聚效率达到90％，PM2.5和PM10颗粒大幅减少。

实施例2

本实施例为多级声场耦合湍流场联合作用脱除燃煤烟气PM_2.5的装置的具体应用，以某电厂300MW机组脱硫塔出口烟道内应用以上方法为例，具体包括以下步骤：

1、设定超声波换能器的频率为20kHz，声压级为136dB；

2、设定高频压缩式驱动器的频率为9800Hz，声压级为140dB；

3、设定中频压缩式驱动器的频率为5400Hz，声压级为144dB；

4、设定低频压缩式驱动器的频率为2000Hz，声压级为148dB；

设置完成后，分别在装置入口及出口进行采样，计算得烟气中PM2.5的团聚效率达到88％，PM10颗粒的团聚效率达到91％，PM2.5和PM10颗粒大幅减少。

Claims (10)

1.一种多级声场耦合湍流场联合作用脱除燃煤烟气PM_2.5的装置，其特征在于该装置包括烟气入口(1)、粉尘出口(2)、预湍流段(3)、第一级声场(4)、湍流段(5)、第二级声场(6)、第三级声场(7)、第四级声场(8)、烟气出口(9)、信号发生器(10)、功率放大器(11)、压缩式驱动器(12)、渐扩段(13)和超声波发生器(14)、超声波换能器(15)；其中，该装置内的流道主体下方为预湍流段(3)，在预湍流段(3)的上面从下至上分别为第一级声场(4)、第二级声场(6)、第三级声场(7)、第四级声场(8)，在第一级声场(4)与第二级声场(6)之间、第二级声场(6)与第三级声场(7)之间、第三级声场(7)与第四级声场(8)之间分别设有湍流段(5)，在第四级声场(8)的上部为烟气出口(9)，在预湍流段(3)的下部为烟气入口(1)，在该装置的底部为粉尘出口(2)。

2.根据权利要求1所述的一种多级声场耦合湍流场联合作用脱除燃煤烟气PM_2.5的装置，其特征在于所述的预湍流段(3)由上下两排湍流圆柱组成，在流道内上下交错布置。

3.根据权利要求1所述的一种多级声场耦合湍流场联合作用脱除燃煤烟气PM_2.5的装置，其特征在于所述的湍流段(5)由若干弧形扰流叶片相隔一定的距离排列组成。

4.根据权利要求1所述的一种多级声场耦合湍流场联合作用脱除燃煤烟气PM_2.5的装置，其特征在于所述的湍流段(5)，叶片曲率半径为20mm-50mm，叶片与该装置内流道的夹角设置为60°～80°。

5.根据权利要求1所述的一种多级声场耦合湍流场联合作用脱除燃煤烟气PM_2.5的装置，其特征在于所述的第一级声场(4)，在该段设有两个超声波换能器(15)，该超声波换能器(15)与超声波发生器(14)连接，组成超声波发生装置。

6.根据权利要求5所述的一种多级声场耦合湍流场联合作用脱除燃煤烟气PM_2.5的装置，其特征在于所述的超声波换能器(15)，其声波频率为20kHz，声压级为135dB～148dB。

7.根据权利要求1所述的一种多级声场耦合湍流场联合作用脱除燃煤烟气PM_2.5的装置，其特征在于在所述的第二级声场(6)、第三级声场(7)、第四级声场(8)处分别设有两个压缩式驱动器(12)，该压缩式驱动器(12)的输入端与功率放大器(11)连接，功率放大器(11)的输入端与信号发生器(10)连接，组成高中低频声波发生装置。

8.根据权利要求7所述的一种多级声场耦合湍流场联合作用脱除燃煤烟气PM_2.5的装置，其特征在于所述的第二级声场(6)、第三级声场(7)、第四级声场(8)处分别设置的压缩式驱动器(12)，所发出的频率范围由下至上分别为9200Hz～10000Hz，4800Hz～5600Hz，1400Hz～2200Hz，声压级均为135dB～148dB。

9.根据权利要求8所述的一种多级声场耦合湍流场联合作用脱除燃煤烟气PM_2.5的装置，其特征在于所述的第一级声场(4)旁的超声波换能器(15)位置，以及在第二级声场(6)、第三级声场(7)、第四级声场(8)旁的压缩式驱动器(12)的位置设有渐扩段(13)。

10.一种权利要求1所述装置的多级声场耦合湍流场联合作用脱除燃煤烟气PM2.5的方法，其特征在于：含尘烟气经烟气入口(1)进入该装置的流道主体，依次经过预湍流段(3)，第一级声场(4)，湍流段(5)，第二级声场(6)，第三级声场(7)，第四级声场(8)；烟气在经过预湍流段(3)的湍流圆柱和湍流段(5)的弧形叶片的时候发生湍流，形成湍流场，流道两侧的超声波换能器(15)发出频率为20kHz、声压级为135dB～148dB的声波，调节同一段两个超声波换能器的位置，声波在流道中形成第一级驻波声场；流道两侧的三组压缩式驱动器(12)所发出的频率范围由下至上分别为9200Hz～10000Hz，4800Hz～5600Hz，1400Hz～2200Hz，声压级均为135dB～148dB，调节同一段两个压缩式驱动器的位置，声波在流道中形成第二至第四级驻波声场，在声场和湍流场的联合作用下，绝大部分PM_2.5颗粒团聚为大颗粒，通过烟气出口(9)进入到后续的除尘设备。