CN113070153A - 一种耦合液滴增湿和烟温控制的颗粒物流动聚并装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于污染物脱除领域，并具体公开了一种耦合液滴增湿和烟温控制的颗粒物流动聚并装置，包括依次连接的增湿组件、聚并器和烟气温度控制组件，其中：增湿组件用于对进入聚并器前的烟气加湿，该增湿组件包括液滴喷嘴、液滴发生器和外壳，液滴喷嘴安装在外壳内，液滴发生器与液滴喷嘴相连，用于发生直径可控的液滴；烟气温度控制组件用于根据ESP除尘效率最优温度对聚并器输出的烟气温度进行调节。本发明综合考虑雾化过程中液滴作为团聚核对细颗粒聚并率提高以及雾化后烟气温度改变对后续ESP除尘效率的影响，设计耦合前端液滴雾化和后端温度控制的细颗粒物流动聚并装置，从而优化细颗粒物聚并效果和ESP除尘效率。

Description

一种耦合液滴增湿和烟温控制的颗粒物流动聚并装置

技术领域

本发明属于污染物脱除领域，更具体地，涉及一种耦合液滴增湿和烟温控制的颗粒物流动聚并装置。

背景技术

近年来，大量化石能源的使用，导致以细颗粒物(PM_2.5)为特征污染物的城市区域性大气灰霾污染问题非常突出。PM_2.5直径小，比表面积很大，通常富集有毒重金属、酸性氧化物和有机污染物，容易通过呼吸装置进入人体，严重危害人体健康，因此也被称为可入肺颗粒物，同时细颗粒物造成空气能见度降低危害人们的出行安全。燃烧前、燃烧中以及配合传统除尘器已不能满足除尘的高环保要求，燃烧后的处理变得尤为重要，以湍流原理为基础的流动聚并较简单、高效，在此基础上开发耦合其他物理手段强化细颗粒聚并脱除的装置及方法有重要的意义。

专利CN104888573B公开了一种促进微细颗粒物聚并长大的装置及方法，该装置包括敞口壳体、壳体内部平行隔板、扰流叶片排，用于工业燃烧烟气进入装置后，产生大量的扰动使得小颗粒粘附在大颗粒上，从而被气流携带到下游除尘器后被脱除。专利CN206366287U公开了一种雾化湍流团聚颗粒物的装置，该装置通过烟气换热器、导流叶片、双流体喷射雾化段和湍流团聚段依次顺连，通过湍流雾化耦合提高颗粒物的聚并效果；该装置结构简单，但未关注雾化后液滴颗粒直径对细颗粒物聚并效果的影响，以及雾化后烟气温度的变化对ESP除尘效果的影响。专利CN111337394A公开了一种温湿度可控的微米级颗粒湍流团聚的实验装置，这种温湿度可控的微米级颗粒湍流团聚的实验装置包括气粒发生装置、气粒混合加热装置、湍流碰撞团聚装置、高速摄像装置和气粒排放处理装置，该装置通过喷雾器实现加湿，通过对容器内气体采用加热带或加热管控制温度，可胜任温湿度可控条件下，微米尺度颗粒间的碰撞团聚和沉积行为的实验室研究工作，但也未提及雾化后液滴颗粒直径对细颗粒物聚并效果的影响，以及雾化后烟气温度的变化对ESP除尘效果的影响，从而无法为聚并装置的工业应用优化提供支持。

故由于现有技术中存在的上述问题，亟需一种能够优化细颗粒物聚并效果和ESP除尘效率的细颗粒物流动聚并装置。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种耦合液滴增湿和烟温控制的颗粒物流动聚并装置，其目的在于，综合考虑雾化过程中液滴作为团聚核对细颗粒聚并率提高以及雾化后烟气温度改变对后续ESP除尘效率的影响，设计耦合前端液滴雾化和后端温度控制的细颗粒物流动聚并装置，从而优化的细颗粒物聚并效果和ESP除尘效率。

为实现上述目的，本发明提出了一种耦合液滴增湿和烟温控制的颗粒物流动聚并装置，包括依次连接的增湿组件、聚并器和烟气温度控制组件，其中：

所述增湿组件用于对进入所述聚并器前的烟气加湿，该增湿组件包括液滴喷嘴、液滴发生器和外壳，所述液滴喷嘴安装在所述外壳内，所述液滴发生器与所述液滴喷嘴相连，用于发生直径可控的液滴；所述烟气温度控制组件用于根据ESP除尘效率最优温度对所述聚并器输出的烟气温度进行调节。

作为进一步优选的，所述液滴喷嘴喷射液滴的方向垂直于烟气流动方向，所述液滴直径为10μm～20μm。

作为进一步优选的，所述液滴喷嘴的直径为10μm～50μm。

作为进一步优选的，所述液滴喷嘴包括分别安装在外壳顶部、左侧、右侧的顶部液滴喷嘴、左侧液滴喷嘴、右侧液滴喷嘴。

作为进一步优选的，所述顶部液滴喷嘴、左侧液滴喷嘴、右侧液滴喷嘴均有多排，且依次相互交错布置。

作为进一步优选的，所述增湿组件还包括湿度探测器和第一控制器，其中，所述湿度探测器安装在外壳内部，所述第一控制器用于根据所述湿度探测器测得的湿度调整所述液滴发生器的液滴发生量。

作为进一步优选的，所述烟气温度控制组件包括换热器、热电偶和第二控制器，其中，所述换热器烟气入口与所述聚并器相连，换热器烟气出口安装所述热电偶，所述第二控制器用于根据热电偶的温度信号和除尘所需温度对所述换热器输出的烟气温度进行调节。

作为进一步优选的，所述烟气温度控制组件还包括高温气体阀门、低温气体阀门和气体入口阀门，其中，所述高温气体阀门和低温气体阀门与所述气体入口阀门相连，所述气体入口阀门与所述换热器相连；所述第二控制器用于根据热电偶的温度信号和除尘所需温度控制所述高温气体阀门和低温气体阀门的开闭，以及所述气体入口阀门的开度。

作为进一步优选的，所述高温气体阀门与空气预热器出口相连，所述低温气体阀门与省煤器出口相连。

作为进一步优选的，所述换热器为间壁式换热器，所述第二控制器为PID控制器。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明综合考虑雾化过程中液滴作为团聚核对细颗粒聚并率提高以及雾化后烟气温度改变对后续ESP除尘效率的影响，设计耦合前端液滴雾化和后端温度控制的细颗粒物流动聚并装置，从而同时调控入口烟气湿度和出口烟气温度，进而优化细颗粒物聚并效果和ESP除尘效率。

2.本发明在温湿联合控制时，通过可控液滴直径装置产生的液滴喷入烟气中，增加颗粒物的粘性，可以促进在湍流聚并装置中碰撞后颗粒物黏附的概率，同时可控不同直径液滴的喷入在一定程度上也可以充当团聚核，增加颗粒物间的聚并作用和聚并效率；进而在湍流聚并原理的基础上调整进入除尘器前的烟气温度，避免在除尘器中进行温度调整的过程，使除尘器效率最高。

3.本发明通过10μm～20μm液滴对烟气进行加湿，这是针对初始细颗粒物PM_2.5，若液滴初始直径过小时，最终在烟道中蒸发形成的颗粒聚团将在2.5μm以下，不利于细颗粒物的最终脱除；而随着雾滴初始直径的不断增大，液滴蒸发时间变长，最终形成的聚团直径也不断增大，反而会导致颗粒聚并效率变低。

4.本发明液滴喷嘴位于增湿装置的上侧及两侧，同时喷嘴交错间距布置于各侧，使得液滴垂直喷入主气流场中，对主气流产生阻碍作用，主气流在这种阻碍作用下，形成绕流，进一步强化了颗粒的碰撞团聚，提高颗粒聚并效率。

5.本发明聚并器出口的温度信号与ESP类型所对应的最佳进口温度信号的偏差决定冷热阀门的选择，进而调节主阀门的开度，即可根据后端除尘器的类型所要求的最佳温度智能调整ESP入口烟气温度，保证ESP的除尘效率；同时换热气源来源于热电厂系统避免了外来能量输入，运用温度信号与ESP类型智能选择热源的类型与换热流量。

附图说明

图1为本发明实施例耦合液滴增湿和烟温控制的颗粒物流动聚并装置结构示意图；

图2为本发明实施例增湿组件中各液滴喷嘴布置示意图；

图3为本发明实施例烟气温度控制组件结构示意图；

图4为本发明实施例颗粒物流动聚并装置工作流程图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-增湿组件，2-聚并器，3-烟气温度控制组件，4-湿度探测器，5-液滴发生器，6-顶部液滴喷嘴，7-扰流叶片，8-换热器，9-热电偶，10、12-PID控制器，11-高温气体阀门，13-气体入口阀门，14-低温气体阀门，15-气体出口阀门，16-右侧液滴喷嘴，17-左侧液滴喷嘴。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供的一种耦合液滴增湿和烟温控制的颗粒物流动聚并装置，如图1所示，包括依次连接的增湿组件1、聚并器2和烟气温度控制组件3，其中：

所述增湿组件1用于对进入所述聚并器2前的烟气加湿与聚并预处理。具体的，所述增湿组件1包括外壳、液滴发生器5、液滴喷嘴、湿度探测器4和第一控制器，其中，所述液滴发生器5与所述液滴喷嘴相连，用于发生直径可控的液滴并由液滴喷嘴喷出；所述液滴喷嘴安装在所述外壳上，且液滴喷嘴喷射液滴的方向垂直于烟气流动方向；所述湿度探测器4安装在外壳内部；所述第一控制器用于根据所述湿度探测器4测得的湿度调整所述液滴发生器5的液滴发生量。

所述聚并器2包括依次连接的导流段、扰流叶片7、稳流段。

所述烟气温度控制组件3用于根据除尘所需温度对所述聚并器2输出的烟气温度进行调节。具体的，所述烟气温度控制组件3包括换热器8、热电偶9和第二控制器，其中，所述换热器8烟气入口与所述聚并器2相连，换热器8烟气出口安装所述热电偶9；所述第二控制器用于根据热电偶9的温度信号和除尘所需温度对所述换热器8输出的烟气温度进行调节。

进一步的，所述液滴喷嘴包括分别安装在外壳顶部、左侧、右侧的顶部液滴喷嘴6、左侧液滴喷嘴17、右侧液滴喷嘴16，如图2所示，所述顶部液滴喷嘴6、左侧液滴喷嘴17、右侧液滴喷嘴16均包括多排喷嘴，且依次相互交错间距布置，每排中有多个喷嘴，每排喷嘴交错相距80mm～120mm(水平距离)布置。

进一步的，在烟气速度和喷雾速度等条件不变的情况下，是针对初始细颗粒物PM_2.5，若液滴初始直径过小时，最终在烟道中蒸发形成的颗粒聚团将在2.5μm以下，不利于细颗粒物的最终脱除；而随着雾滴初始直径的不断增大，液滴蒸发时间变长，最终形成的聚团直径也不断增大，反而会导致颗粒聚并效率变低。故确定液滴直径为10μm～50μm，优选为10μm～20μm；根据液滴直径和所需湿度对应流速，液滴喷嘴直径为10μm～50μm。

进一步的，所述烟气温度控制组件3还包括高温气体阀门11、低温气体阀门14和气体入口阀门13，如图3所示，其中，所述高温气体阀门11和低温气体阀门14与所述气体入口阀门13相连，所述气体入口阀门13与所述换热器8相连；所述高温气体阀门11的高温气源来源于空气预热器出口侧的烟气，所述低温气体阀门14的低温气源来源于低温省煤器出口侧的烟气，这里的高温、低温指的是温度高于或低于除尘器所需温度；所述第二控制器用于根据热电偶9的温度信号和除尘所需温度控制所述高温气体阀门11和低温气体阀门14的开闭，以及所述气体入口阀门13的开度。优选的，所述换热器8优选为间壁式换热器；所述第二控制器为PID控制器，具体PID控制器12控制高温气体阀门11和低温气体阀门14，PID控制器10控制气体入口阀门13。

上述耦合液滴增湿和烟温控制的颗粒物流动聚并装置工作时，带颗粒的烟气依次通过增湿组件、聚并器、烟气温度控制组件，最后进入除尘器；在这一过程中，液滴发生器发生的直径适宜的液滴由液滴喷嘴喷入外壳中，同时湿度探测器探测外壳入口和出口烟气湿度，便于不断调整喷嘴喷水量方便实现湿度控制；同时，如图4所示，根据热电偶温度信号与ESP最佳工作温度的差值由PID决定高温气体阀门和低温气体阀门的开闭，即是高温气体还是低温气体进入换热器，再根据热电偶的温度信号与ESP最佳工作温度的差值由PID决定气体入口阀门的开度，进而快速调节换热器输出烟气的温度，最后进入除尘器。

具体的，湿度探测器测得出入口的相对湿度，根据额定相对湿度对液滴发生器的液滴直径进行改变，例如在每个喷嘴喷雾流速30000个/s不变的情况下，保证增湿到额定湿度的前提下，优先采用10μm～20μm的液滴。优选控制气体相对湿度为10％～30％，这一范围内颗粒物去除效率最高，范德华力、颗粒间的液桥力和毛细管力是主要粘附力。

以下为具体实施例：

增湿组件长度为1400mm，宽度为600mm，高度为800mm；液滴喷嘴每排上有8个，位于增湿装置的上侧及两侧，共12排，即上侧一排、左侧一排、右侧一排重复12组，每排喷嘴间水平距离为100mm。聚并器扰流叶片宽度为30mm，横向间距为8mm，长度为40mm，角度为45°，聚并器内每排装有5个相同的叶片且每排叶片间距为160mm，共6排。烟气温度控制组件长度为1100mm，宽度为600mm，高度为800mm。

聚并器前端增湿组件出口的温度信号与ESP类型所对应的最佳进口温度信号的偏差决定冷热阀门的选择；聚并器后端烟气温度控制组件通过智能调节阀门开度，实现换热器内流量的改变从而调整ESP进口烟气温度。冷阀门的低温气源来源于低低温省煤器出口侧烟气温度为90℃；热阀门的升温气源来源于空气预热器出口侧烟气温度为160℃。本实施例ESP进口额定烟气温度为130℃。

本实施例相对湿度为8％，温度为130℃的烟气通过聚并器本体时，其PM_2.5颗粒的聚并率为26.88％。将烟气通过10μm、20μm和50μm三种不同直径的液滴加湿至相对湿度为14.7％时，发现添加直径为50μm的液滴后，PM_2.5颗粒的聚并率增加至28.78％；添加直径为20μm的液滴后，PM_2.5颗粒的聚并率增加至39.89％；添加直径为10μm的液滴后，PM_2.5颗粒的聚并率增加至44.36％。

当热电偶检测到烟气温度为122℃，低于额定进口烟气温度130℃，则打开高温气体阀门，通入160℃的高温烟气，同时根据温度信号PID自动控制气体入口阀门的开度为88％；当热电偶检测到烟气温度为136℃，高于额定进口烟气温度130℃，聚并器后端烟气温度控制装置接收到温度信号，打开低温气体阀门，通入90℃的低温烟气，同时根据温度信号PID自动控制气体入口阀门的开度为66％。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种耦合液滴增湿和烟温控制的颗粒物流动聚并装置，其特征在于，包括依次连接的增湿组件(1)、聚并器(2)和烟气温度控制组件(3)，其中：

所述增湿组件(1)用于对进入所述聚并器(2)前的烟气加湿，该增湿组件(1)包括液滴喷嘴、液滴发生器(5)和外壳，所述液滴喷嘴安装在所述外壳内，所述液滴发生器(5)与所述液滴喷嘴相连，用于发生直径可控的液滴；所述烟气温度控制组件(3)用于根据ESP除尘效率最优温度对所述聚并器(2)输出的烟气温度进行调节。

2.如权利要求1所述的耦合液滴增湿和烟温控制的颗粒物流动聚并装置，其特征在于，所述液滴喷嘴喷射液滴的方向垂直于烟气流动方向，所述液滴直径为10μm～20μm。

3.如权利要求2所述的耦合液滴增湿和烟温控制的颗粒物流动聚并装置，其特征在于，所述液滴喷嘴的直径为10μm～50μm。

4.如权利要求1所述的耦合液滴增湿和烟温控制的颗粒物流动聚并装置，其特征在于，所述液滴喷嘴包括分别安装在外壳顶部、左侧、右侧的顶部液滴喷嘴(6)、左侧液滴喷嘴(17)、右侧液滴喷嘴(16)。

5.如权利要求4所述的耦合液滴增湿和烟温控制的颗粒物流动聚并装置，其特征在于，所述顶部液滴喷嘴(6)、左侧液滴喷嘴(17)、右侧液滴喷嘴(16)均有多排，且依次相互交错布置。

6.如权利要求1-5任一项所述的耦合液滴增湿和烟温控制的颗粒物流动聚并装置，其特征在于，所述增湿组件(1)还包括湿度探测器(4)和第一控制器，其中，所述湿度探测器(4)安装在外壳内部，所述第一控制器用于根据所述湿度探测器(4)测得的湿度调整所述液滴发生器(5)的液滴发生量。

7.如权利要求1所述的耦合液滴增湿和烟温控制的颗粒物流动聚并装置，其特征在于，所述烟气温度控制组件(3)包括换热器(8)、热电偶(9)和第二控制器，其中，所述换热器(8)烟气入口与所述聚并器(2)相连，换热器(8)烟气出口安装所述热电偶(9)，所述第二控制器用于根据热电偶(9)的温度信号和除尘所需温度对所述换热器(8)输出的烟气温度进行调节。

8.如权利要求7所述的耦合液滴增湿和烟温控制的颗粒物流动聚并装置，其特征在于，所述烟气温度控制组件(3)还包括高温气体阀门(11)、低温气体阀门(14)和气体入口阀门(13)，其中，所述高温气体阀门(11)和低温气体阀门(14)与所述气体入口阀门(13)相连，所述气体入口阀门(13)与所述换热器(8)相连；所述第二控制器用于根据热电偶(9)的温度信号和除尘所需温度控制所述高温气体阀门(11)和低温气体阀门(14)的开闭，以及所述气体入口阀门(13)的开度。

9.如权利要求8所述的耦合液滴增湿和烟温控制的颗粒物流动聚并装置，其特征在于，所述高温气体阀门(11)与空气预热器出口相连，所述低温气体阀门(14)与省煤器出口相连。

10.如权利要求7-9任一项所述的耦合液滴增湿和烟温控制的颗粒物流动聚并装置，其特征在于，所述换热器(8)为间壁式换热器，所述第二控制器为PID控制器。

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