CN111558256A - 一种耦合机制下的超细颗粒分离系统 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种耦合机制下的超细颗粒分离系统，利用纯机械结构的湍流聚并器与旋风分离设备直接顺序安装在一起，借助耦合机制实现超细颗粒的高效分离，本发明对于超细颗粒分离效果好，系统结构简单，设备安全可靠，而且使用范围广，适用于各种超细颗粒分离过程；包括旋风分离器，所述旋风分离器入口处设置有湍流聚并器，其特征在于，所述湍流聚并器包括壳体，壳体包括入口和出口，壳体出口与旋风分离器入口连接，所述壳体的断截面呈矩形，所述壳体内设置扰流柱装置，所述扰流柱装置的上游方向还设置有多根导流叶片。

Description

一种耦合机制下的超细颗粒分离系统

技术领域

本发明涉及颗粒分离技术领域，特别是指一种耦合机制下的超细颗粒分离系统。

背景技术

目前，许多的工业过程都会产生大量的飞灰颗粒，如燃煤电厂的发电过程、催化裂化过程等。这些飞灰颗粒可以通过各种形式的常规除尘设备收集，如电除尘器、布袋式除尘器、旋风分离器和湿式除尘器等。其中，旋风分离器由于设计简单，制造便宜，维护成本低，并且操作条件适应性范围广等优点，成为此过程的首选设备。但是这些常规除尘设备对超细颗粒收集效果不佳，如高效的电除尘器质量除尘效率可高达99.7％以上，但是超细颗粒的逃逸数量仍可能占到15％。一方面，超细颗粒若排放带大气中，会造成环境污染，严重的话还会造成极端恶劣天气，如沙尘暴；另一方面，超细颗粒若跑到如烟气轮机这些设备中去，会造成颗粒沉积，设备磨损等问题，影响设备长期稳定运行。

所以，对这些超细颗粒进行高效的分离收集，是目前亟待解决的问题。聚并技术是解决超细颗粒难以被捕捉的极为可靠、有效的方法，主要技术包括电聚并、声聚并、湍流聚并以及化学聚并。其中湍流聚并器具有结构简单、运行可靠、容易安装和容易维护等优点，具有较大的应有优势。与其他聚并方式不同的是，湍流聚并仅仅利用自身的流场变化实现颗粒间聚并，无需额外的投入，无安全隐患，团聚效果与其他团聚方式相当或者更优。但是现有的湍流聚并器应用在旋风分离器实现超细颗粒分离时，为了达到较高的分离效率，往往需要搭配电场力增强聚并作用，以达到较高的分离效果，其往往带来了其他成本的额外增加，如增加电场后，电力消耗大增，且需要配套复杂的电力控制系统，成本上升、维修频率增高，因此，有必要对湍流聚并的机械结构进行深入的探究，以追求单一的机械结构的湍流聚并应用于旋风分离器即可达到高效分离超细颗粒的目的。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种耦合机制下的超细颗粒分离系统，利用纯机械结构的湍流聚并器与旋风分离设备直接顺序安装在一起，借助耦合机制实现超细颗粒的高效分离，本发明对于超细颗粒分离效果好，系统结构简单，设备安全可靠，而且使用范围广，适用于各种超细颗粒分离过程。

本发明采用的技术方案如下：一种耦合机制下的超细颗粒分离系统，包括旋风分离器，所述旋风分离器入口处设置有湍流聚并器，其特征在于，所述湍流聚并器包括壳体，壳体包括入口和出口，壳体出口与旋风分离器入口连接，所述壳体的断截面呈矩形，所述壳体内设置扰流柱装置，所述扰流柱装置的上游方向还设置有多根导流叶片。

所述扰流柱装置沿湍流聚并器内流体流动方向设置为多行，每一行的扰流柱以垂直于流体流动方向的纵向方向排列；该类型排列方式下的扰流柱对颗粒聚并作用的影响因素包括：扰流柱的大小、扰流柱行数、每行的扰流柱之间的纵向间距、多行扰流柱的总排列方式；

具体的，以圆柱形扰流柱为例，其截面圆的直径优选在8mm-12mm，例如10mm，截面圆的直径较小时，过细的直径使得流体绕流明显，扰流作用相对较弱，且反而带来了结构加工复杂化、扰流柱脆弱易损等工艺缺陷；当截面圆的直径较大时，过大的扰流柱尺寸也减弱了颗粒之间的相互作用，即湍流团聚效果随扰流柱尺寸的减小而线性增加是在一定的数值范围内呈现出的规律。

在扰流柱尺寸选定为一定尺寸的情况下，所述扰流柱的总行数和各行扰流柱的两相邻扰流柱间的纵向间距对于旋风分离器的超细颗粒的最终分离效率具有较为明显的影响；当扰流柱行数设置过少时，流体流过扰流柱区域时，时间以及流体湍流空间均减小，颗粒之间相互作用的不充足导致了分离效率的部分降低，优选的，在具体的试验装置及数值模拟模型中扰流柱的行数均设定为不少于6行，行数越多，流体的阻力损失明显增大，但分离效率并没有继续升高，因此实际设定行数并不是越多越好，太多的行数没有起到继续增强颗粒之间碰撞团聚的作用，优选为6-8行；本发明的湍流聚并器还基于各行扰流柱的两相邻扰流柱间的纵向间距对涡的产生数量进行了分析，所述纵向间距的逐渐增大相应减少了所述湍流聚并器产生的涡的数量，还减小了扰流柱之间流体流动的速度，即湍流度降低；而且行与行之间的间距过大不能充分的体现行与行之间的相互作用关系，但过小使得超细颗粒相互作用的区域不能得到充分的发展，因此所述行与行之间的间距应设定在合理的范围区间内。具体的，所述扰流柱直径、纵向间距和行与行之间的距离三者之间存在关系式：A＝D；B＝(4～6)D。其中，D表示所述扰流柱截面所在最小圆的直径；A表示各行扰流柱的两相邻扰流柱间的纵向间距；B表示各行扰流柱的行与行之间的间距。在该数值关系区间内，涡的分散度相对均匀，以及快速的过流速度使得颗粒能够进行充分的聚并作用。

作为一种优选的实施方案，所述湍流聚并器包括所述进口、所述扰流柱装置以及出口，所述湍流聚并器出口与所述旋风分离器进口相连接。本发明所述扰流柱装置中扰流柱形式选用圆柱形，工业应用中，亦可选用其他结构形式的扰流柱形式，如方形、十字架形、三角形、Z型锯齿形等形式。

所述多行扰流柱可以是整齐的阵列式排布，也可以是相邻行错开式排布方式，相邻行错开式排布方式产生涡的数量相对较多，但其流动阻力损失也较大，因此，本申请的湍流聚并器在设置相邻行错开式排布方式时，将不同行的分布于沿流动方向同一直线两侧的扰流柱设置在sin函数所在曲线上，具体的，所述曲线与扰流柱截面所在最小圆的直径D之间的关系为：

其中x为沿流体流动方向，y为垂直于流体流动方向。如此设置，使得多行扰流柱错开式设置的时候增加了少量流阻，但涡流的增加使得颗粒湍流聚并效果更为显著，体现在设置该湍流聚并器的旋风分离器的最终分离效果达到了在旋风分离器中增设电场力的分离效果。

本发明所述扰流柱装置中扰流柱形式选用圆柱形，工业应用中，亦可选用其他结构形式的扰流柱形式，如方形、十字架形、三角形、Z型锯齿形等形式，当采用其他不规则形状时，所述扰流柱的截面所在最小圆的直径均设置在8-12mm之间。

作为一种优选的实施方案，所述扰流柱装置在所述湍流聚并器中可有两种安装方式：(1)所述扰流柱装置可安装在所述湍流聚并器的前后面上；(2)所述扰流柱装置可安装在所述湍流聚并器的上下面上。

在所述湍流聚并器内，所述扰流柱装置前安装有所述导流叶片，含颗粒流体先经过导流叶片，然后再经过扰流柱装置。所述导流叶片为椭圆形，其截面椭圆尺寸满足关系式：

其中x为沿流体流动方向，y为垂直于流体流动方向；所述导流叶片与所述扰流柱装置的第一排所述扰流柱之间的距离存在关系式：C＝(4～6)*D；其中，C为所述导流叶片与所述扰流柱装置的第一排扰流柱所在直线之间的垂直距离。如此设置，尺寸较大的颗粒因为具有较大的质量和惯性，会向偏离所述导流叶片的外侧方向运动，使得大颗粒的运动与主体流动发生偏移。当流体运动过所述扰流柱时，会在所述扰流柱外侧尾部的下游产生不同尺寸的漩涡，将超细颗粒卷吸、夹带于其中，而之前发生运动偏移的大颗粒会增加颗粒之间的碰撞机会。

作为一种优选的实施方案，本发明所选的分离装置为所述旋风分离器，亦可选择其他类型的分离装置，如：轴向导叶式旋风分离器、布袋式除尘器等等。

与现有技术相比，本发明的超细颗粒分离系统所具有的有益效果是：

1、本发明的湍流聚并器仅利用自身的流场变化实现颗粒间的团聚，无需外部投入，无安全隐患，无其他能源损耗，加工复杂度和成本均较低，而且湍流聚并器的出口直接与旋风分离器的入口连接，旋风分离器不需要进行额外的改装或重新设计，组合方式比其他方式更简单、更有效；

2、对扰流柱直径、行距、同一行内相邻扰流柱间的纵向间距的数值关系进行了研究设计，使得流体通过湍流聚并器时涡的数量和过流速度为颗粒提供了充分的聚并时间和空间；

3、对多行扰流柱整体排列方式进行了重新设计，将不同行的分布于沿流动方向同一直线两侧的扰流柱设置在sin函数

所在曲线上，流阻增加量较小，但涡流的增加使得颗粒湍流聚并效果更为显著；

4、由于不涉及旋风分离器的结构改变，可以根据现场实际的操作条件，方便搭配不同类型的分离装置，比如：轴向导叶式旋风分离器等分离装置。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

图1为耦合机制下的超细颗粒分离系统二维示意图；

图2位耦合机制下的超细颗粒分离系统三维示意图；

图3为湍流聚并器结构示意图；

图4为扰流柱装置错排示意图；

图5为扰流柱结构示意图；

图6为聚并器内扰流柱装置安装示意图；

图中：1-湍流聚并器；2-扰流柱装置；3-旋风分离器；4-旋风分离器出口；5-聚并器进口；6-旋风分离器锥体；7-集尘器；8-进气筒；9-导流叶片。10-扰流柱；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细细致的说明，显而易见，所描述的本实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，提供这些实施例是为了更加清晰的说明本发明，将本发明的范围完整的传达给相关的技术人员。

参考附图1和附图2，图1为耦合机制下的超细颗粒分离系统二维示意图，图2位耦合机制下的超细颗粒分离系统三维示意图，本发明的一种耦合机制下的超细颗粒分离系统包括分离装置旋风分离器3和湍流聚并器1。旋风分离器3的旋风分离器锥体6下方设置集尘器7，湍流聚并器1的出口和旋风分离器3的进气筒8的入口连接，待分离的混合流体从湍流聚并器1的聚并器进口5进入分离系统，旋风分离器3的上方设置旋风分离器出口4。通过改变湍流聚并器1内部的扰流柱装置2内部结构，如：扰流柱装置2横纵向间距、扰流柱10大小或者形式、扰流柱10排列方式或者安装方式等，达到各种现场条件下的最佳状态。

湍流聚并器1的出口与旋风分离器3的进口相连接。含有超细颗粒的气体从分离系统进口5进入，首先通过湍流聚并器1中的导流叶片9和扰流柱装置2，由于流体在经过扰流柱装置2时，流体的流线会发生变化，形成湍流场，超细颗粒在扰流柱装置2中进行相对运动，实现颗粒的聚并、团聚、长大。经过预处理后的含颗粒气体再进入到旋风分离器3中进行气固分离。本发明所选的分离装置为旋风分离器3，亦可选择其他类型的分离装置，如：轴向导叶式旋风分离器、布袋式除尘器等等。

参考附图1和附图2，湍流聚并器1内，扰流柱装置2前可安装导流叶片9。导流叶片9为截面呈椭圆形的柱体。

参考附图3和附图4，图3为湍流聚并器结构示意图，图4为扰流柱装置错排示意图，湍流聚并器1包括扰流柱装置2和导流叶片9，扰流柱装置2由排列有序的一根根扰流柱10所组成。含有颗粒的气体依次通过导流叶片9和扰流柱装置2。含颗粒的气体在进入湍流聚并器1之前，颗粒间的碰撞率较小，在通过导流叶片9时，即导流段，流体的主流方向沿导流叶片外侧流动，尺寸较大的颗粒因为具有较大的质量和惯性，会向偏离导流叶片的外侧方向运动，使得大颗粒的运动与主体流动发生偏移。在扰流柱装置2段，即混合段，当流体运动过扰流柱10时，会在扰流柱10外侧尾部的下游产生不同尺寸的漩涡，将超细颗粒卷吸、夹带于其中。在混合段的气流处于强湍流状态，导致颗粒之间碰撞团聚，而之前发生运动偏移的大颗粒会增加颗粒之间的碰撞机会。导流叶片9尺寸如上文所述，其截面椭圆尺寸满足关系式：

其中x为沿流体流动方向，y为垂直于流体流动方向；导流叶片9与扰流柱装置2之间的距离满足关系式C＝(4～6)*D；其中，C为导流叶片9与扰流柱装置2的第一排扰流柱10所在直线之间的垂直距离，D为扰流柱10截面所在最小圆的直径。

参考附图3和附图4，扰流柱装置2中可改变的参数主要包括：扰流柱的大小、扰流柱行数、每行的扰流柱之间的纵向间距、多行扰流柱的总排列方式。

具体的，扰流柱的大小指单根扰流柱截面形状所在最小圆的直径，以圆柱形扰流柱为例，其截面圆的直径优选在8mm-12mm，例如10mm，截面圆的直径较小时，过细的直径使得流体绕流明显，扰流作用相对较弱，且反而带来了结构加工复杂化、扰流柱脆弱易损等工艺缺陷；当截面圆的直径较大时，过大的扰流柱尺寸也减弱了颗粒之间的相互作用，即湍流团聚效果随扰流柱尺寸的减小而线性增加是在一定的数值范围内呈现出的规律。

在扰流柱2尺寸选定为一定尺寸的情况下，所述扰流柱的总行数和各行扰流柱的两相邻扰流柱间的纵向间距对于旋风分离器的超细颗粒的最终分离效率具有较为明显的影响；当扰流柱行数设置过少时，流体流过扰流柱区域时，时间以及流体湍流空间均减小，颗粒之间相互作用的不充足导致了分离效率的部分降低，优选的，在具体的试验装置及数值模拟模型中扰流柱的行数均设定为不少于6行，行数越多，流体的阻力损失明显增大，但分离效率并没有继续升高，因此实际设定行数并不是越多越好，太多的行数没有起到继续增强颗粒之间碰撞团聚的作用，优选为6-8行；本发明的湍流聚并器1还基于各行扰流柱的两相邻扰流柱10间的纵向间距对涡的产生数量进行了分析，所述纵向间距的逐渐增大相应减少了所述湍流聚并器1产生的涡的数量，还减小了扰流柱之间流体流动的速度，即湍流度降低，而且行与行之间的间距过大不能充分的体现行与行之间的相互作用关系，但过小使得超细颗粒相互作用的区域不能得到充分的发展，因此所述行与行之间的间距应设定在合理的范围区间内。具体的，所述扰流柱直径、纵向间距和行与行之间的距离三者之间存在关系式：A＝D；B＝(4～6)D。其中，D表示所述扰流柱截面所在最小圆的直径；A表示各行扰流柱的两相邻扰流柱间的纵向间距；B表示各行扰流柱的行与行之间的间距。在该数值关系区间内，涡的分散度相对均匀，以及快速的过流速度使得颗粒能够进行充分的聚并作用。

参考附图3和附图4，扰流柱装置2的排列方式可以是顺排或者错排，相邻行错开式排布方式产生涡的数量相对较多，但其流动阻力损失也较大，因此，本申请的湍流聚并器在设置相邻行错开式排布方式时，将不同行的分布于沿流动方向同一直线两侧的扰流柱设置在sin函数所在曲线上，具体的，所述曲线与扰流柱截面所在最小圆的直径D之间的关系为：

其中x为沿流体流动方向，y为垂直于流体流动方向。如此设置，使得多行扰流柱错开式设置的时候增加了少量流阻，但涡流的增加使得颗粒湍流聚并效果更为显著，体现在设置该湍流聚并器的旋风分离器的最终分离效果达到了在旋风分离器中增设电场力的分离效果。

参考附图5，为扰流柱结构示意图，本发明扰流柱装置2中扰流柱10形式选用圆柱形，工业应用中，亦可选用其他结构形式的扰流柱10形式，如方形、十字架形、三角形、Z型锯齿形等形式，以满足各种实际条件的需求。

参考附图6，为聚并器内扰流柱装置安装示意图，扰流柱装置2在湍流聚并器1中可有两种安装方式：(1)扰流柱装置2可安装在湍流聚并器1的前后面上；(2)扰流柱装置2可安装在湍流聚并器1的上下面上。具体安装方式可根据实际情况进行选择。

Claims (7)

1.一种耦合机制下的超细颗粒分离系统，包括旋风分离器，所述旋风分离器入口处设置有湍流聚并器，其特征在于，

所述湍流聚并器包括壳体，壳体包括入口和出口，壳体出口与旋风分离器入口连接，所述壳体的断截面呈矩形，所述壳体内设置扰流柱装置，所述扰流柱装置沿湍流聚并器内流体流动方向设置为多行，每一行的扰流柱以垂直于流体流动方向的纵向方向排列；其中每一根扰流柱截面所在最小圆的直径优选在8mm-12mm，所述扰流柱装置的行间距、行内相邻扰流柱的间距以及单根扰流柱大小满足关系式：A＝D；B＝(4～6)D，其中，

D表示所述扰流柱截面所在最小圆的直径；

A表示各行扰流柱的两相邻扰流柱间的纵向间距；

B表示各行扰流柱的行与行之间的间距。

2.根据权利要求1所述的超细颗粒分离系统，其特征还在于，不同行的分布于沿流动方向同一直线两侧的扰流柱设置在函数

所在曲线上，其中x为沿流体流动方向，y为垂直于流体流动方向。

3.根据权利要求1所述的超细颗粒分离系统，其特征还在于，所述扰流柱装置设置为6-8行。

4.根据权利要求1或2或3所述的超细颗粒分离系统，其特征还在于，所述扰流柱装置的上游方向设置有导流叶片。

5.根据权利要求4所述的超细颗粒分离系统，其特征还在于，所述导流叶片为椭圆形，其截面椭圆尺寸满足关系式：

其中x为沿流体流动方向，y为垂直于流体流动方向；所述导流叶片与所述扰流柱装置的第一排所述扰流柱之间的距离存在关系式：C＝(4～6)*D；其中，C为所述导流叶片与所述扰流柱装置的第一排扰流柱所在直线之间的垂直距离。

6.根据权利要求1或2或3所述的超细颗粒分离系统，其特征还在于，所述扰流柱截面形状可以是圆形、方形、十字架形、三角形、Z型锯齿形中的一种或几种的组合使用。

7.根据权利要求1-6任一项所述的超细颗粒分离系统，其特征还在于，所述旋风分离器可替换为其他气固分离装置。

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