CN111773865A - 一种工业锅炉尾气pm2.5细颗粒物高效脱除实验装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明目的在于提供一种工业锅炉尾气PM2.5细颗粒物高效脱除实验装置与方法，包括复合预处理单元和高效低阻旋风分离单元，所述复合预处理单元包括团聚成核室、莲蓬式蒸汽分布器和舌形柱板组，所述高效低阻旋风分离单元主要包括高效低阻旋风分离器，该实验装置将团聚成核室、冷却系统和旋风分离装置耦合在一起，空间占用面积小，团聚成核室的内部组件数量、间距可调，整体结构简单、操作方便，能够满足实验室条件下研究蒸汽相变协同湍流团聚及旋流分离的组合装置在实现微小颗粒分离工艺中各参数的影响大小，以期待更进一步的工业应用中解决高效节能脱除工业尾气中PM2.5等细微颗粒污染物这一问题。

Description

一种工业锅炉尾气PM2.5细颗粒物高效脱除实验装置与方法

技术领域

本发明涉及热电装置中分离、净化方面环保设备的实验研究，具体属于一种工业锅炉尾气PM2.5细颗粒物高效脱除实验装置与方法。

背景技术

随着我国经济高速发展，大气污染问题日益突出。有研究表明，空气动力学尺度小于2μm的颗粒，100％可以吸入肺泡中，对人体造成危害。另外，可吸入颗粒物对环境的危害也不容忽视。石化、钢铁、热电等行业，由于在生产运行中涉及化石燃料燃烧，因而排放的尾气中夹带有大量的颗粒污染物，包括PM2.5等传统净化工艺难以高效节能脱除的细颗粒污染物。

传统烟气净化除尘工艺主要分为干法除尘和湿法除尘两种。干法除尘设备对于粒径在10μm以上的大颗粒飞灰均能达到理想的捕集效果，除尘效率可以达到99％，但对于细小颗粒甚至亚微米颗粒，脱除效率并不高，湿式除尘技术优点在于对亚微米级颗粒脱除效率较高，还可以应用于煤气等易燃易爆含尘气体的净化除尘，但该技术存在能耗高、水处理二次污染，内构件易堵塞失效等缺陷。目前，为了提高对PM2.5等细颗粒物的脱除效率，通常在常规除尘装置前对烟气颗粒进行预处理。

例如申请号为201820352041.0的发明专利公开了一种蒸汽相变与湍流团聚耦合的团聚装置，团聚装置总体呈长方体形，长方体上下侧壁布置有多个半椭圆形凸起，烟气入口处设有含蒸汽喷口的长方体扰流柱，扰流柱后叉排设置有多组“C”型扰流涡片，出口接湿式电除尘器，其不足之处有：由于内构件相对复杂且不可拆卸，造成装置长时间运行后清灰困难，影响装置运行效果；针对流量波动的适应性较差，涡片间距无法调节，相近涡旋流场可能遭到破坏，影响团聚效果；同时湿式电除尘器投资及运行成本高，占地面积大，装置结构复杂，对于细颗粒比电阻有一定要求，极板上易附着含湿细颗粒物，导致分离效果下降而停机清灰，无法实现装置长时间连续运行。

综上，针对工业尾气PM2.5细颗粒物难以高效脱除的问题，同时考虑除尘效率、能耗、安全性等因素，有必要研发一种工业锅炉尾气PM2.5细颗粒物高效脱除实验装置与方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明目的在于提供一种工业锅炉尾气PM2.5细颗粒物高效脱除实验装置与方法，该实验装置将团聚成核室、冷却系统和旋风分离装置耦合在一起，空间占用面积小，团聚成核室的内部组件数量、间距可调，整体结构简单、操作方便，能够满足实验室条件下研究蒸汽相变协同湍流团聚及旋流分离的组合装置在实现微小颗粒分离工艺中各参数的影响大小，以期待更进一步的工业应用中解决高效节能脱除工业尾气中PM2.5等细微颗粒污染物这一问题。

本发明采用的技术方案如下：一种工业锅炉尾气PM2.5细颗粒物高效脱除实验装置，其特征在于，包括复合预处理单元和高效低阻旋风分离单元，所述复合预处理单元包括团聚成核室、莲蓬式蒸汽分布器和舌形柱板组，所述莲蓬式蒸汽分布器和舌形柱板组布置在团聚成核室内部，所述团聚成核室为带有水冷壁的夹套式双层结构，团聚成核室筒体前端与烟气发生单元通过管线连接，所述团聚成核室筒体后端连接旋风分离器进口管，所述团聚成核室筒身还等距布置有多个预留测量口，所述高效低阻旋风分离单元主要包括高效低阻旋风分离器，所述高效低阻旋风分离器设置有呈中心对称式分布的双入口管，每个入口管分别与团聚成核室通过管线连接，所述高效低阻旋风分离器顶部排气管与实验尾气处理装置直接连通，所述高效低阻旋风分离器底部排尘管底部连接灰斗。

所述团聚成核室内部空间按照烟气流动方向自前向后分为蒸汽相变段和湍流团聚段，所述莲蓬式蒸汽分布器分布在蒸汽相变段，所述蒸汽相变段前端设置烟气入口，所述烟气入口通过管路连接烟气发生单元，所述莲蓬式蒸汽分布器开口正对于烟气来流方向，所述莲蓬式蒸汽分布器与蒸汽发生器通过蒸汽管路连接，所述蒸汽管路上设置有涡街流量计和蒸汽阀，所述舌形柱板组分布在湍流团聚段，所述湍流团聚段后端设置烟气出口，所述烟气出口与旋风分离器入口管相连，所述舌形柱板组包括多个舌形柱板，所述舌形柱板包括单柱式舌形柱板和双柱式舌形柱板，所述单柱式舌形柱板由环形框和舌形柱组成，其舌形柱水平位于环形框的中心轴线上，所述双柱式舌形柱板由环形框和两根舌形柱组成，其舌形柱以环形框中心轴线为轴上下对称的水平布置，所述单柱式舌形柱板与双柱式舌形柱板在团聚成核室筒体内相间布置，所述舌形柱板组通过卡扣结构固定于湍流团聚室筒体内部，所述舌形柱均为横截面为半月形的柱条，舌形柱截面的弧形凸起最高点均朝向烟气来流方向。

所述高效低阻旋风分离器为双入口直切式、双入口蜗壳式或轴流式。

所述高效低阻旋风分离器入口管内壁与旋风分离器直筒段内壁的交接处设置有导流板，所述导流板与入口管中轴线呈大于0°小于45°的夹角，所述导流板在宽度方向上延伸进旋风分离器内部但不与旋风分离器排气管外壁面接触。

所述团聚成核室下部设有冷却水入口、上部设有冷却水出口，所述冷却水入口与冷却水箱通过冷却水泵和球阀连接，所述冷却水出口与蒸汽发生器水箱通过热水管线连接。

所述烟气发生单元主要包括供风系统和螺旋给料机，所述供风系统包括鼓风机、空气压缩机，供风系统通过管线连通缓冲罐，所述缓冲罐通过管线连通所述螺旋给料机，在缓冲罐与螺旋给料机的连通管线上还设置有浮子流量计和球阀，所述烟气发生单元与团聚成核室通过烟气管线连接。

本发明还请求保护一种工业锅炉尾气PM2.5细颗粒物高效脱除实验方法，其采用上述实验装置，具体方法过程为：

(1)配合调节鼓风机流量和螺旋给料机给料量，模拟出指定浓度、粒度分布的实验烟气，模拟烟气分路进入相同规格、对称布置的两个团聚成核室。

(2)模拟烟气在团聚成核室内蒸汽相变段与蒸汽逆流接触，在团聚成核室冷却条件下，蒸汽过饱和度增加使得蒸汽凝结附着于细颗粒表面，实现异质成核过程，再经团聚成核室湍流团聚段相间布置的舌形柱扰流后，烟气流场湍流度增加，颗粒碰撞团聚几率增大，促进颗粒粗粒化。

(3)通过团聚成核室筒身的测量口引流测量气体和颗粒状态，实验过程中可调整舌形柱板的相隔距离重复实验。

(4)烟气中细颗粒经团聚成核室粗粒化后，烟气快速进入高效低阻旋风分离器进行离心分离；

(5)经高效低阻旋风分离器分离出的固相颗粒通过灰斗回收，气相进入尾气处理装置后排放。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、将团聚成核室和旋风分离器耦合在一起，有助于研究开发新型的PM2.5颗粒的低能耗分离净化系统；将团聚成核室和冷却系统集成设置成夹套形式，减小了实验装置体积，利于节省实验室空间；

2、舌形柱板组位置、数量可调，操作方便，能够满足实验室的测量条件要求；

3、舌形柱利用弧形面扰流减阻，利用直边的背面形成负压区，借助负压区的压差形成交替存在的完整涡旋，能够延长烟气停留时间，增加颗粒物碰撞几率；

4、在旋风分离器入口处设置导流板，有效降低了旋风分离器压力损失，保证旋风分离器高效低阻运行；风分离器双入口设计，可减轻排尘口返混现象，提高颗粒脱除效率。

附图说明

图1为本发明工业锅炉尾气PM2.5细颗粒物高效脱除实验装置结构示意图；

图2为团聚成核室结构示意图；

图3为舌形柱板结构示意图；

图4为团聚成核室湍流团聚段烟气流场的速度矢量图；

图5为高效低阻旋风分离器结构示意图；

图6是图5中A-A向视图；

图1中：1-供风系统，2-缓冲罐，3-浮子流量计，4-球阀，5-螺旋给料机，6-冷却水入口管，7-莲蓬头蒸汽分布器，8-冷却水出口管，9-涡街流量计，10-旋风分离器入口管，11-蒸汽发生器，12-旋风分离器排气管，13-高效低阻旋风分离器，14-团聚成核室，15-灰斗，16-舌形柱板，17-冷却水泵，18-冷却水箱，19-尾气处理装置。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方法，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

参阅附图，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的位置限定用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

图1是本发明工业锅炉尾气PM2.5细颗粒物高效脱除实验装置结构示意图，图2为团聚成核室结构示意图，如图所示，工业锅炉尾气PM2.5细颗粒物高效脱除实验装置包括复合预处理单元和高效低阻旋风分离单元，所述复合预处理单元包括团聚成核室14、莲蓬式蒸汽分布器7和舌形柱板组，所述莲蓬式蒸汽分布器7和舌形柱板组布置在团聚成核室14内部，所述团聚成核室14设计为带有水冷壁的夹套式双层结构，团聚成核室14烟气入口与烟气发生单元通过管线连接，所述团聚成核室14烟气出口连接旋风分离器进口管10，所述团聚成核室14筒体还等距布置有多个预留测量口，所述高效低阻旋风分离单元主要包括高效低阻旋风分离器13，所述高效低阻旋风分离器双入口管10分别与团聚成核室14通过管线连接，所述高效低阻旋风分离器排气管12与实验尾气处理装置19直接连通，所述高效低阻旋风分离器13排尘管底部连接灰斗15。

所述团聚成核室14按照烟气流动方向自前向后分为蒸汽相变段和湍流团聚段，所述蒸汽相变段主要由莲蓬式蒸汽分布器7和团聚成核室14筒体内壁面构成，所述蒸汽相变段设置烟气入口，所述烟气入口通过管路连接烟气发生单元，所述莲蓬式蒸汽分布器7开口正对于烟气来流方向，所述莲蓬式蒸汽分布器7与蒸汽发生器11通过涡街流量计9、蒸汽阀和蒸汽管路连接，所述湍流团聚段主要由舌形柱板16和团聚成核室14筒体内壁面构成，所述湍流团聚段设置烟气出口，所属烟气出口与旋风分离器入口管10相连，所述舌形柱板组通过卡扣结构固定于湍流团聚室14筒体内部，所述舌形柱板组包括多个舌形柱板16，所述舌形柱板16包括单柱式舌形柱板和双柱式舌形柱板，所述单柱式舌形柱板由环形框和舌形柱组成，其舌形柱水平位于环形框的中心轴线上，所述双柱式舌形柱板由环形框和两根舌形柱组成，其舌形柱以环形框中心轴线为轴上下对称的水平布置，所述单柱式舌形柱板与双柱式舌形柱板在团聚成核室筒体内相间布置，所述团聚成核室14下部冷却水入口6与冷却水箱18通过冷却水泵17和球阀连接，所述团聚成核室14上部冷却水出口8与蒸汽发生器11水箱通过热水管线连接。

如图3所示，为舌形柱板结构示意图，所述舌形柱均为横截面为半月形的柱条，舌形柱截面的弧形凸起最高点均朝向烟气来流方向。如图5所示，为高效低阻旋风分离器结构示意图，图6是图5中A-A向视图，所述高效低阻旋风分离器13为双入口直切式、双入口蜗壳式或轴流式。所述高效低阻旋风分离器入口管10内壁靠近排气管处布置导流板结构，所述导流板与入口管中轴线成一定角度，所述角度大于0°小于45°，所述导流板不与高效低阻旋风分离器排气管外壁面接触。

所述烟气发生单元主要包括供风系统1和螺旋给料机5，所述供风系统1包括鼓风机、空气压缩机，所述供风系统1通过管线连通缓冲罐2，所述螺旋给料机5通过浮子流量计3和球阀4与缓冲罐2连接，所述烟气发生单元与团聚成核室14通过烟气管线连接。

其具体脱除过程为：浮子流量计3配合球阀4调节实验空气流量，同时调节螺旋给料机5至指定给料量，模拟出指定浓度、粒度分布的实验烟气，模拟烟气分路进入相同规格、对称布置的两个团聚成核室14。模拟烟气在团聚成核室14内蒸汽相变段与莲蓬头式蒸汽分布器7喷射的蒸汽逆流接触，在团聚成核室14冷却条件下，蒸汽过饱和度增加使得蒸汽相变附着于细颗粒表面，实现异质成核过程。再经团聚成核室14湍流团聚段相间布置的舌形柱板16扰流后，烟气流场湍流度增加，颗粒碰撞团聚几率增大，促进颗粒粗粒化。细颗粒经团聚成核室14粗粒化后，烟气快速进入高效低阻旋风分离器13进行离心分离，通过在分离器入口管10内侧加装导流板，有效降低分离器压降。高效低阻旋风分离器13双入口设计，可减轻排尘口返混现象，提高颗粒脱除效率。经高效低阻旋风分离器分离出的固相颗粒通过灰斗15回收，气相进入尾气处理装置19后排放。

图4为团聚成核室湍流团聚段烟气流场的速度矢量图，根据实验条件设置，模拟烟气以1m/s的速度进入团聚成核室，如图所示，模拟烟气在冲击舌形柱内构件后，流场产生较大的速度梯度，烟气沿舌形柱弧形表面分流流动，在舌形柱尾部快速脱离舌形柱表面，在舌形柱后形成负压区，周围烟气由于压差回流至负压区，形成交替存在的完整涡旋，经蒸汽相变处理后的细颗粒物在涡旋流场内旋转运动，有效延长了烟气停留时间，增加了细颗粒物的碰撞几率，促进颗粒物在涡旋流场内团聚长大，单柱式舌形柱板与双柱式舌形柱板交替布置形成的扰流场，使团聚成核室湍流团聚段湍流度快速增加，有效提高了细颗粒物碰撞团聚几率，为细颗粒物粒径长大提供适宜的湍动流场。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可作出的各种等效结构或等效流程的修改或变形，或直接或间接运用到其他相关的技术领域，仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种工业锅炉尾气PM2.5细颗粒物高效脱除实验装置，其特征在于，包括复合预处理单元和高效低阻旋风分离单元，所述复合预处理单元包括团聚成核室、莲蓬式蒸汽分布器和舌形柱板组，所述莲蓬式蒸汽分布器和舌形柱板组布置在团聚成核室内部，所述团聚成核室为带有水冷壁的夹套式双层结构，团聚成核室筒体前端与烟气发生单元通过管线连接，所述团聚成核室筒体后端连接旋风分离器进口管，所述团聚成核室筒身还等距布置有多个预留测量口，所述高效低阻旋风分离单元主要包括高效低阻旋风分离器，所述高效低阻旋风分离器设置有呈中心对称式分布的双入口管，每个入口管分别与团聚成核室通过管线连接，所述高效低阻旋风分离器顶部排气管与实验尾气处理装置直接连通，所述高效低阻旋风分离器底部排尘管底部连接灰斗。

2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征还在于，所述团聚成核室内部空间按照烟气流动方向自前向后分为蒸汽相变段和湍流团聚段，所述莲蓬式蒸汽分布器分布在蒸汽相变段，所述蒸汽相变段前端设置烟气入口，所述烟气入口通过管路连接烟气发生单元，所述莲蓬式蒸汽分布器开口正对于烟气来流方向，所述莲蓬式蒸汽分布器与蒸汽发生器通过蒸汽管路连接，所述蒸汽管路上设置有涡街流量计和蒸汽阀，所述舌形柱板组分布在湍流团聚段，所述湍流团聚段后端设置烟气出口，所述烟气出口与旋风分离器入口管相连。

3.根据权利要求1所述的实验装置，其特征还在于，所述舌形柱板组包括多个舌形柱板，所述舌形柱板包括单柱式舌形柱板和双柱式舌形柱板，所述单柱式舌形柱板由环形框和舌形柱组成，其舌形柱水平位于环形框的中心轴线上，所述双柱式舌形柱板由环形框和两根舌形柱组成，其舌形柱以环形框中心轴线为轴上下对称的水平布置，所述单柱式舌形柱板与双柱式舌形柱板在团聚成核室筒体内相间布置，所述舌形柱均为横截面为半月形的柱条，舌形柱截面的弧形凸起最高点均朝向烟气来流方向。

4.根据权利要求3所述的实验装置，其特征还在于，所述舌形柱板组通过卡扣结构固定于湍流团聚室筒体内部。

5.根据权利要求1所述的实验装置，其特征还在于，所述高效低阻旋风分离器为双入口直切式、双入口蜗壳式或轴流式。

6.根据权利要求5所述的实验装置，其特征还在于，所述高效低阻旋风分离器入口管内壁与旋风分离器直筒段内壁的交接处设置有导流板，所述导流板在宽度方向上延伸进旋风分离器内部但不与旋风分离器排气管外壁面接触。

7.根据权利要求6所述的实验装置，其特征还在于，所述导流板与入口管中轴线呈大于0°小于45°的夹角。

8.根据权利要求1所述的实验装置，其特征还在于，所述团聚成核室下部设有冷却水入口、上部设有冷却水出口，所述冷却水入口与冷却水箱通过冷却水泵和球阀连接，所述冷却水出口与蒸汽发生器水箱通过热水管线连接。

9.根据权利要求1所述的实验装置，其特征还在于，所述烟气发生单元主要包括供风系统和螺旋给料机，所述供风系统包括鼓风机、空气压缩机，供风系统通过管线连通缓冲罐，所述缓冲罐通过管线连通所述螺旋给料机，在缓冲罐与螺旋给料机的连通管线上还设置有浮子流量计和球阀，所述烟气发生单元与团聚成核室通过烟气管线连接。

10.一种工业锅炉尾气PM2.5细颗粒物高效脱除实验方法，其采用权利要求1-9任一项所述的实验装置，具体方法过程为：

(1)配合调节鼓风机流量和螺旋给料机给料量，模拟出指定浓度、粒度分布的实验烟气，模拟烟气分路进入相同规格、对称布置的两个团聚成核室；

(2)模拟烟气在团聚成核室内蒸汽相变段与蒸汽逆流接触，在团聚成核室冷却条件下，蒸汽过饱和度增加使得蒸汽凝结附着于细颗粒表面，实现异质成核过程，再经团聚成核室湍流团聚段相间布置的舌形柱扰流后，烟气流场湍流度增加，颗粒碰撞团聚几率增大，促进颗粒粗粒化；

(3)通过团聚成核室筒身的测量口引流测量气体和颗粒状态，实验过程中可调整舌形柱板的相隔距离重复实验；

(4)烟气中细颗粒经团聚成核室粗粒化后，烟气快速进入高效低阻旋风分离器进行离心分离；

(5)经高效低阻旋风分离器分离出的固相颗粒通过灰斗回收，气相进入尾气处理装置后排放。

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