CN115155160A - 一种超重力场耦合团聚强化的高温气固分离装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超重力场耦合团聚强化的高温气固分离装置和方法，包括：壳体，壳体的侧壁从上到下设有含尘气体入口、粗颗粒排出口、细颗粒排出口和干净气体出口；壳体含尘气体入口处设有化学团聚剂喷嘴；转轴，壳体转轴设置于壳体中央；电机，壳体电机驱动壳体转轴转动；转毂，壳体转毂套固定于壳体转轴外侧，旋转时产生超重力；其包括若干个同心的圆筒，相邻圆筒之间使用翅片连接；壳体转毂的内壁开设用于形成侧向微流的微孔；壳体超重力和侧向微流构成多尺度射流涡流场。本发明通过细颗粒的化学‑湍流‑热团聚耦合强化，促进细颗粒物的粒径增长，通过超重力场实现PM2.0的高效分离，提高了气固分离机械装置的分离效率。

Description

一种超重力场耦合团聚强化的高温气固分离装置和方法

技术领域

本发明涉及流体除尘技术领域，尤其涉及基于流体压力的机械效率，更具体为一种超重力场耦合团聚强化的高温气固分离装置和方法。

背景技术

我国的能源消费结构是以高碳的化石能源为主，占比约84.1%，其中煤炭的占比达到56.8%，“碳达峰”行动面临艰巨挑战。煤炭深加工以及烟气余热回收是提高能源利用率，降低碳排放的重要途径。然而，微细颗粒的存在会造成IGCC与高温烟气余热回收系统下游设备的损伤以及管道的磨损和堵塞。高温条件下微细颗粒的高效分离已成为制约煤气化联产与高温烟气余热回收领域发展的技术瓶颈。目前，传统的除尘机械和方法难以有效脱除微细颗粒，除尘的机械效率低下。进一步发展的机械和方法采用超重力场产生强剪切力和快速更新的相界面，有效提高微米级颗粒的分离效率，但是对于PM2.0分离效率依旧不高。

因此，提高除尘的机械效率，需要一种超重力场耦合团聚强化的高温气固分离装置和方法。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种超重力场耦合团聚强化的高温气固分离装置和方法。

根据本发明的一个方面，提供一种超重力场耦合团聚强化的高温气固分离装置，包括：

壳体，所述壳体的侧壁从上到下设有含尘气体入口、粗颗粒捕集器、细颗粒捕集器和干净气体出口；所述含尘气体入口处设有化学团聚剂喷嘴；

转轴，所述转轴设置于所述壳体中央；

电机，所述电机驱动所述转轴转动；

转毂，所述转毂套固于所述转轴外侧，旋转时产生超重力；其包括若干个同心的圆筒，相邻圆筒之间使用翅片连接；所述转毂的内壁开设用于形成侧向微射流的微孔；所述微孔在超重力作用下形成多尺度射流涡流场。

优选地，所述含尘气体入口、粗颗粒捕集器、细颗粒捕集器和干净气体出口分别沿着所述壳体的切线方向设置；其中所述含尘气体入口位于所述壳体的顶部，所述粗颗粒捕集器位于所述转毂上方；所述细颗粒捕集器位于所述转毂下方；所述干净气体出口位于所述壳体的底部。

优选地，所述电机设置于所述壳体顶部，所述转轴与转毂之间采用花键方式连接。优选地，所述转毂的通道壁面上端开设有微孔，所述转毂的最内与最外层壁面不开孔。 优选地，所述微孔的形状、大小不同，在所述转毂旋转时，能够形成不同尺度的侧向微流，从而构成不同尺度的射流涡流场。

根据本发明的第二个方面，提供一种超重力场耦合团聚强化的高温气固分离方法，包括：

含尘气体经由含尘气体入口进入壳体内部，对其喷射化学团聚剂； 所述含尘气体自上而下做螺旋形旋转运动；

在离心力作用下，粗颗粒从气流中分离、捕集并落入粗颗粒捕集器中；

剩余的细颗粒进入所述转毂内部；

高速旋转的转毂产生超重力场，旋转的微孔产生侧向多尺度微射流； 在化学、湍流和热团聚耦合作用下，进入转毂内部的细颗粒粒径增长；

粒径增长后的细颗粒物，在超重力场作用下被转毂内的壁面所捕集；

被捕集的所述细颗粒物在重力与离心力作用下，落入所述细颗粒捕集器中；

干净气体从干净气体出口管排出。

优选地，所述在化学、湍流和热团聚耦合作用下，进入转毂内部的细颗粒粒径增长，包括：

所述转毂旋转形成超重力场，微孔形成多尺度侧向微流；

所述超重力场和所述多尺度侧向微流形成多尺度射流涡流场；

含尘气体入口处喷入的化学团聚剂结合所述多尺度射流涡流场以及含尘气体自身的高温，实现细颗粒的化学、湍流和热团聚耦合强化，使得细颗粒物的粒径增长。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明通过超重力场耦合团聚强化的方法，解决高温条件下微细颗粒的高效分离问题。其充分利用微细颗粒在高温条件下易碰撞、团聚的特性，通过转毂（内壁面前端开微孔）的高速旋转产生超重力场与侧向多尺度涡流场，结合前端喷入的化学团聚剂，实现细颗粒的化学-湍流-热团聚耦合强化，促进细颗粒物的粒径增长，通过超重力场实现PM2.0的高效分离，提高了流体分离机械装置的分离效率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明的总体结构图；

图2是本发明的总体剖面图；

图3是本发明总体俯视图；

图4是本发明转毂示意图；

图5是本发明超重力场耦合团聚强化分离方法原理图；

图6是本发明转轴示意图；

图7是本发明超重力场耦合团聚强化分离方法示意图。

图中，1—壳体；2—电机；3—转轴；4—转毂；5—粗颗粒捕集器；6—细颗粒捕集器；7—翅片；8—含尘气体入口；9—干净气体出口；10—花键；11—螺母；12—垫片；13—弹簧；14—轴承；15—联轴器；16—化学团聚剂喷嘴；17—转子绕组；18—定子绕组；19—风扇；20—圆环固定板。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明的技术构思为：采用微孔射流的方式将粒径较小的微细颗粒团聚为结构复杂的颗粒团聚物。当颗粒由于相对运动而发生碰撞时，颗粒的粘聚力要远远大于颗粒受到的其他力。因此在高温工况下，微细颗粒的团聚力将发挥主要作用，在热作用下发生碰撞、凝并等形成结构复杂的颗粒团聚物。

基于上述技术构思，本发明提供一个实施例中，参见图1、图2和图3，提供一种超重力场耦合团聚强化的高温气固分离装置，包括

壳体1、转毂4和耦合团聚强化机构；

壳体1的侧壁从上到下设有含尘气体入口8、粗颗粒捕集口、细颗粒捕集口和干净气体出口9；转毂4位于壳体1中央，并且能够转动；耦合团聚强化机构位于壳体1和转毂4之间，该机构能够增长壳体1内部颗粒的粒径。

在本发明的一个优选实施例中，壳体1为圆筒状。壳体1的顶部沿切线方向设有含尘气体入口8，在该含尘气体入口8处连接含尘气体入口管；一般地，设置相对的两个含尘气体入口8。壳体1的中部设有两个颗粒排出口，位于转毂偏上方的一个是粗颗粒排出口，位于转毂偏下方的一个是细颗粒排出口；粗颗粒排出口处设有粗颗粒捕集器5，细颗粒排出口处设有细颗粒捕集器6。壳体1的底部沿切线方向设有干净气体排出口9。本实施例中，颗粒捕集器与壳体是一体的，便于颗粒落入和存储。

本申请中，粗颗粒即指粒径较大的颗粒，大致粒径在10微米以上；小于10微米的为细颗粒，微细颗粒是2微米以下（即PM2.0）

在本发明的一个优选实施例中，转毂4采用电机驱动的方式进行转动，其具体的连接方式如下：

可参见图1、图2、图4和图6，转毂4沿其轴向开设键齿槽，键齿槽内穿插花键10，该花键10设置于转轴3上，转轴3由设置于壳体1顶部的电机2驱动。

进一步的，花键10上下各装有螺母11、垫片12用于固定转毂4，螺母11起到对转毂4的定位支撑作用，垫片12可以减少接触面积，增大摩擦力，防止螺母11松动。

转轴3上下各有一个轴承14，上部的轴承14固定在壳体1顶部上表面，下部的轴承14固定在壳体1底部内表面。位于花键10上方转轴3与电机2相连接，具体的，电机2与壳体1之间使用圆环固定板20连接，并在圆环固定板20下方形成的空间中装有弹簧13用以减缓震动；圆环固定板20的上方设置转子绕组17和定子绕组18，电机2设置在转子绕组17的上方，并配备用于散热的风扇19，转轴3与电机2之间使用联轴器15连接。圆环固定板20可以拆卸来更换和维修转轴3；弹簧13可以减少抖动带来的损害。

在本发明的一个优选实施例中，参见图4，转毂4由若干个同心壁薄圆筒组合而成，相邻圆筒之间使用翅片7连接。进入转毂4的颗粒在超重力场作用下向外运动，碰到翅片7就会被捕集并沿着翅片7向下，最后在离心力作用下落入细颗粒捕集器6中。

进一步的，同心圆筒的厚度为0.2mm；翅片7为三角形，其高度为6mm，宽度为4mm，厚度为0.2mm。

在本发明的一个优选实施例中，转轴3采用310S耐高温不锈钢，转毂4采用耐高温蜂涡陶瓷材料或耐高温不锈钢（如2025钢），可以有效避免颗粒对壳体1磨损，并且能保证结构强度以及运转的平稳。

在本发明的一个优选实施例中，耦合团聚强化机构包括增强颗粒化学团聚性质、增强细颗粒湍流和增强热团聚性质中的一种或多种结构。

在一个较佳实施例中，增强颗粒化学团聚性质，采用的结构设计为：在含尘气体入口8处的含尘气体入口管开设化学团聚剂喷嘴16，向途径此处的含尘气体喷射化学团聚剂。化学团聚剂的作用是促进颗粒碰撞后的团聚概率，也可以理解给颗粒之间提供粘连吸附等力，促进颗粒团聚成功率。优选地，选用凹凸棒土悬浮液作为化学团聚剂。

在一个较佳实施例中，增强细颗粒湍流，采用的结构设计为：采用在转毂内壁前端开设不同尺度的微孔实现，此处的内壁指的是除了最外层和最内层的所有圆筒壁。参见图5，转毂4在电机2带动下，高速旋转从而产生离心力，即超重力；在高速旋转的微通道中的流体会因为离心力（超重力）作用通过微孔向外喷射，形成侧向微射流；超重力、侧向微流与主流（翅片间隔开的通道向下流动的多相流体）作用形成涡流结构，使得流场内颗粒局部富集或者颗粒间径向速度不均匀，从而使其相互碰撞，实现湍流团聚。

进一步的，微孔形状不同，包括但不限于三角形、矩形或者圆形。侧向微流在不同的微孔形状以及排列方式下，形成多尺度射流涡结构，可以有效促进不同粒径的微细颗粒获得较高的团聚率。

需要说明的是，本申请中的含尘气体从高温设备中喷出，其自身即为高温气体，具备热团聚性质。如为非高温气体，即可采用任意加热方式增强其热团聚性质。

基于相同的发明构思，本发明还提供一种超重力场耦合团聚强化的高温气固分离方法，采用上述实施例中的分离装置，参见图7，具体过程为：

S1，高温含尘气体从气体进口管沿切向进入超重力场耦合团聚强化的高温气固分离装置内部；

S2，高温含尘气体沿圆柱形壳体的内筒壁，自上而下作螺旋形旋转运动；

S3，借助于离心力将一部分粒径较大的颗粒将从气流中分离并捕集于器壁，再借助重力作用使尘粒落入粗颗粒捕集器，实现高温含尘气体的粗颗粒预处理；

S4，含尘气流中剩余的细颗粒进入转毂，转毂高速旋转产生超重力场与侧向多尺度涡流场，结合前端喷入的化学团聚剂，实现细颗粒的化学-湍流-热团聚耦合强化，促进细颗粒物的粒径增长；

S5，细颗粒在超重力场的作用下被转毂内的壁面捕集；

S6，在重力与离心力的作用下掉入细颗粒捕集器，完成高温微细颗粒的分离过程；

S7，去除了粗颗粒和细颗粒的干净气体从所述干净气体出口管排出。

上述实施例通过超重力场耦合团聚强化的方法解决高温条件下微细颗粒的高效分离问题，提升了机械分类效率。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。

Claims (7)

1.一种超重力场耦合团聚强化的高温气固分离装置，其特征在于，包括： 壳体，所述壳体的侧壁从上到下设有含尘气体入口、粗颗粒捕集器、细颗粒捕集器和干净气体出口；所述含尘气体入口处设有化学团聚剂喷嘴；

转轴，所述转轴设置于所述壳体中央；

电机，所述电机驱动所述转轴转动；

转毂，所述转毂套固于所述转轴外侧，旋转时产生超重力；其包括若干个同心的圆筒，相邻圆筒之间使用翅片连接；所述转毂的内壁开设用于形成侧向微射流的微孔；所述微孔在超重力作用下形成多尺度射流涡流场。

2.根据权利要求1所述的一种超重力场耦合团聚强化的高温气固分离装置，其特征在于，所述含尘气体入口、粗颗粒捕集器、细颗粒捕集器和干净气体出口分别沿着所述壳体的切线方向设置；其中所述含尘气体入口位于所述壳体的顶部，所述粗颗粒捕集器位于所述转毂上方；所述细颗粒捕集器位于所述转毂下方；所述干净气体出口位于所述壳体的底部。

3.根据权利要求1所述的一种超重力场耦合团聚强化的高温气固分离装置，其特征在于，所述电机设置于所述壳体顶部，所述转轴与转毂之间采用花键方式连接。

4.根据权利要求1所述的一种超重力场耦合团聚强化的高温气固分离装置，其特征在于，所述转毂的通道壁面上端开设有微孔，所述转毂的最内与最外层壁面不开孔。

5.根据权利要求1所述的一种超重力场耦合团聚强化的高温气固分离装置，其特征在于，所述微孔的形状、大小不同，在所述转毂旋转时，能够形成不同尺度的侧向微流，从而构成不同尺度的射流涡流场。

6.一种超重力场耦合团聚强化的高温气固分离方法，其特征在于，包括：

含尘气体经由含尘气体入口进入壳体内部，对其喷射化学团聚剂； 所述含尘气体自上而下做螺旋形旋转运动；

在离心力作用下，粗颗粒从气流中分离、捕集并落入粗颗粒捕集器中；

剩余的细颗粒进入所述转毂内部；

高速旋转的转毂产生超重力场，旋转的微孔产生侧向多尺度微射流； 在化学、湍流和热团聚耦合作用下，进入转毂内部的细颗粒粒径增长；

粒径增长后的细颗粒物，在超重力场作用下被转毂内的壁面所捕集；

被捕集的所述细颗粒物在重力与离心力作用下，落入所述细颗粒捕集器中；

干净气体从干净气体出口管排出。

7.根据权利要求6所述的一种重力场耦合团聚强化的高温气固分离方法，其特征在于，所述在化学、湍流和热团聚耦合作用下，进入转毂内部的细颗粒粒径增长，包括：

所述转毂旋转形成超重力场，微孔形成多尺度侧向微流；

所述超重力场和所述多尺度侧向微流形成多尺度射流涡流场；

含尘气体入口处喷入的化学团聚剂结合所述多尺度射流涡流场以及含尘气体自身的高温，实现细颗粒的化学、湍流和热团聚耦合强化，使得细颗粒物的粒径增长。

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