CN116510419A - 一种带同轴速差射流的v型流控颗粒聚并装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带同轴速差射流的V型流控颗粒聚并装置，其主要特征在于该装置由外筒，内筒，V型挡板等部件组成，外筒和内筒两者同轴安装，V型挡板关于中心轴线对称。包括以下步骤：外筒的吹喷管a和内筒的吹喷管b在同一时刻喷入压缩气体，外筒与内筒因速度不同形成速差射流；速差射流分别进入相变室A和相变室B，进行第一阶段的气流诱导；速差射流进入装置可以有效地喷吹在装置的每一个部位，而外筒的高速射流可以有效引导中心射流，以延长了中心射流的长度。中心射流经过V型挡板调控，进行第2阶段气流诱导。两股气流通过V型挡板，以更高的速度进行碰撞，完成了第3阶段气流诱导，提高了颗粒的聚并效率。

Description

一种带同轴速差射流的V型流控颗粒聚并装置

技术领域

本发明属于发电厂烟气环保处理技术领域，具体涉及一种带同轴速差射流的引流型颗粒聚并装置。

背景技术

细颗粒物PM2.5是引起雾霾现象的主要原因之一，大气能见度下降是雾霾天气给人最直观的感受。雾霾天气多发生在空气相对湿度较髙(80％-90％)的情况下，这时细水滴与固体细颗粒物通常同时存在并发生相互作用，导致并加速污染的发生。煤炭消耗中燃煤发电耗依旧占主要部分，同时PM2.5的主要排放源之一是燃煤烟气中排放的细颗粒物，所以控制燃煤电厂细颗粒物的排放就显得尤为重要。科研工作者们提出了两种新型脱除细颗粒的技术路线：新型高效除尘技术和细颗粒物脱除预处理技术。新型高效除尘技术有低低温静电除尘技术、湿式电除尘技术、电袋复合除尘技术等。新型高效除尘技术对于总尘的质量脱除效率很高，但对于小粒径颗粒的数量脱除效率不好。细颗粒物脱除预处理技术主要分为：声波团聚、电凝并、湍流团聚、化学团聚、水汽相变等。该技术的思路是在细颗粒进入传统的除尘设备之前，先使用物理或化学手段使细颗粒物团聚长大，然后进入除尘设备脱除长大后的颗粒，从而实现对细颗粒的高效脱除。

申请号201910571826.6公开了一种发电厂烟气除尘净化装置，技术要点主要包括烟气除尘筒、内筒体、环形内挡板和冷却管，烟气除尘筒外壁上连接有进气管，进气管上方的集灰腔内安装有过滤网，过滤网顶部设有喷雾器；所述环形内挡板内安装有若干根冷却管，环形内挡板上端内部安装有陶瓷过滤膜过滤器，环形内挡板顶部安装有引风机；通过在烟气除尘筒和内筒体之间进行过滤、喷淋除尘，并且配合冷却管及换热管等对烟气余热回收利用，增加热利用效率，在通过陶瓷过滤膜过滤器过滤、纤维球过滤以及活性炭吸附的方式逐渐净化烟气。但是结构复杂，气体过滤效果不好。

申请号201010557868.3明涉及一种高湿烟气中细颗粒物的脱除方法及其装置，其装置由烟气导管、撞击流相变室主体、高效除雾器、除雾器冲洗水系统、冲洗废液贮槽组成，蒸汽喷嘴设在烟气导管内；高效除雾器设在撞击流相变室主体上端烟气出口处。高湿烟气进入烟气导管，在烟气导管中注入常压饱和蒸汽与高湿烟气进行预混合后，相向进入撞击流相变室主体中，高湿烟气与常压饱和蒸汽的混合物相互撞击，在撞击流相变室主体中心形成一个高度湍动、细颗粒物浓度最高的撞击区，促进过饱和蒸汽凝结于细颗粒物表面；同时，表面凝结有水膜的细颗粒物之间发生相互碰撞凝并，使细颗粒物粒度进一步增大，凝并长大的细颗粒物由置于撞击流相变室主体上端烟气出口处的高效除雾器脱除。不足之处在于烟气导管需要调节不同角度，工艺复杂，数浓度脱除率不高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是：提供一种带同轴速差射流的V型流控颗粒聚并装置。本发明通过设计三个阶段的气流诱导，从而有效提升颗粒的聚并效率。

在发明的一个方面，公开一种带同轴速差射流的V型流控颗粒聚并装置，该装置由外筒、内筒、V型挡板等部件组成，外筒和内筒两者同轴安装，V型挡板关于中心轴线对称。

在本发明的一些实施例中，所述装置外筒直径为d1＝25-35mm。

在本发明的一些实施例中，所述装置内筒直径为d2＝12-16mm。

在本发明的一些实施例中，所述装置外筒与内筒体积比为Va/Vb＝14-16。

在本发明的一些实施例中，所述外筒吹喷嘴a和内筒吹喷嘴b在同一时刻吹喷出不同速度的气体，中心射流与周围射流产生速差射流，进入相变室。

在本发明的一些实施例中，所述相变室A和相变室B的反应空间长度不低于整个反应装置长度的2/3。

在本发明的一些实施例中，所述V型挡板位于撞击流相变室沿水平方向中心线9/23-14/23位置处，与水平中心线的角度30-60°。

在本发明的一些实施例中，所述两股中心射流在经过挡板进行对撞的时侯，挡板的摆动幅度0-30°。

在本发明的另一个方面，将颗粒脱除效率作为目标值。颗粒聚并装置系统主要由以下三个参数决定，分别是可摆动挡板长度x₁，挡板摆动角度x₂，以及入口速差比x₃。在参数变化范围内应用均匀设计模型合理制定模拟方案，采集数据进行多元线性回归拟合。

在多元线性回归拟合中，设因变量为Y，自变量为X₁、X₂....X_n，则回归方程的一般形式为：

上式中，是X₁、X₂…X_n组合起来的一个共同估计值，a为常数，b1、b2…bn为Y对X₁、X₂的偏回归系数，偏回归系数表示在其他自变量保持不变时，某一个自变量变化而引起因变量变化的比率，即b1的意义为，假设X2…Xn不变时，X1变化一个单位则Y改变b1个单位。

建立回归方程的过程即求解b₁、b₂…b_n的过程，使用最小二乘法，令最小，利用求偏导数的方法确定b₁、b₂....b_n。

...

常数a可由下式确定：

根据均匀设计原理制定三因素六水平进行方案设计6组试验方案。本专利中三因素即可摆动挡板长度x₁，挡板摆动角度x₂，以及入口速差比x₃。试验参数设计表及采集每次试验的颗粒脱除率如下表所示：

并将此数据进行多元回归模型构建，其表达式为：

Y＝37.2354730+1.4051967383X₁-0.023294812138X₁ X₁+0.007703373276X₁ X₂+0.018323690129X₁ X₃

最优解范围，可摆动挡板长度x₁＝43.48,挡板摆动角度x₂＝44.98,入口速差比x₃＝15.00,对其进行元整后，颗粒脱除率Y由可摆动挡板决定，其长度范围为43-44、挡板摆动角度范围为44-45°，入口速差比为14-16较为合理的参数设置。

本发明的另一方面，利用上述的同轴速差射流的引流型颗粒聚并装置进行燃煤锅炉烟气细颗粒物脱除的具体步骤是：

1)位于吹喷管中心轴线上的外筒吹喷管a和内筒吹喷管b在同一时刻喷出压缩空气；

2)吹喷管a吹出的压缩空气经外筒上的射流喷管吹出形成周围射流，吹喷管b喷出的压缩空气经中心射流孔喷出形成中心射流，中心射流与周围射流因速度不同而形成速差射流，进行第1阶段气流诱导；

3)速差射流进入相变室，形成较大漩涡的流场结构，颗粒在漩涡中旋转，大大增强颗粒的碰撞团聚效果；

4)中心射流经过V型挡板调控，气流的流行发生变化，进行第2次气流诱导；

5)V型挡板距离压缩空气的吹喷管有一定的距离且挡板间距离较小，速差射流在此处经过小的挡板，两股气流速度变大进行撞击，形成新一轮涡流，进行第3阶段气流诱导，再次诱导气流中的颗粒碰撞团聚；

6)周围射流可以有效地引导中心射流，以延长中心射流的长度进行二次碰撞。

本发明的再一方面，所述V型挡板可以设置防附着涂层，可以避免含尘气体的尘土附着在V型挡板之上，影响流场的调控轨迹。其机理为三羟甲基丙烷三(3-巯基丙酸酯)，甲基丙烯基-笼形聚倍半硅氧烷，丙烯酸六氟丁酯进行巯基-烯自由基加成反应，在V型挡板形成防附着涂层。

所述防附着涂层的制备方法为：

S1：按重量份，将20-30份三羟甲基丙烷三(3-巯基丙酸酯)，0.02-0.8份甲基丙烯基-笼形聚倍半硅氧烷，12-18份丙烯酸六氟丁酯，分散于200-300份DMF中，再加入1-3份苯偶酰二甲基缩酮，搅拌分散均匀，得到反应液；

S2：将反应液均匀涂布在V型挡板正反表面，在30-50℃，紫外光照射下反应1-3h，得到的设置防附着涂层的V型挡板。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的装置结构简单，效果明显。在速差射流中，外筒吹喷嘴射流可以有效地诱导中心射流以延长中心射流的长度，喷入相变室，气流经过V型挡板，增加了射流的强度。

2、操作方便。内外筒吹喷嘴同时吹入压缩气体，Va/Vb＝14-16，气流先经过速差射流形成较大漩涡的流场结构，完成第一阶段的气流诱导。颗粒在漩涡中旋转，大大增强颗粒的碰撞团聚效果。后通过V型挡板，形成二次涡流，进行第阶段的气流诱导，引导颗粒再次进入涡流进行碰撞团聚。

3、本发明加入v型挡板作为涡流发生器，中心射流通过v型挡板时，受v型挡板的影响部分气流通过挡板，部分气流再次进入第1阶段的漩涡中，v型挡板对气流形成2次诱导。v型挡板关于位于撞击流相变室沿水平方向中心线9/23-14/23位置处，与水平中心线的角度30-60°，挡板的摆动幅度为30°。一方面，v型挡板可以有效防止中心射流的两股气流相互影响，维持了第一阶段漩涡流场的稳定，为颗粒碰撞团聚提供有利条件。另一方面，中心射流经过挡板，气体的湍流度增大，提高传热性能，增大聚并效率。

附图说明

图1为一种带同轴速差射流的引流型颗粒聚并装置示意图。

图2为挡板摆幅为30°时，装置内烟气混合物时的速度矢量图。

中心射流与周围射流因速度不同而形成速差射流。速差射流进入相变室，形成较大漩涡的流场结构，完成了第1阶段的气流诱导，颗粒在漩涡中旋转，大大增强颗粒的碰撞团聚效果。周围射流可以有效地诱导中心射流以延长中心射流的长度，中心射流通过可移动挡板，湍流强度增大，两股气流对撞，形成4个关于水平中心线对称的漩涡，进行第3阶段的气流诱导。烟气中的颗粒先在第一阶段气流诱导的作用下发生分离，小颗粒被卷吸进入漩涡中心，增加了颗粒间的碰撞机会，然后经挡板扰流的第2阶段，通过挡板进入相变室C，进行第3阶段的气流诱导。小颗粒再次进入漩涡流场，颗粒间进行二次碰撞，加强了颗粒的团聚效果。

图3为挡板摆幅为45°时，装置内烟气混合物时的速度矢量图。

从图3中可以看出当挡板的摆动幅度为45°时，流场内的湍流强度增大，在不影响中心射流形成的较大漩涡流场时，气流通过挡板，在撞击流相变室主体中心形成一个高度湍动、细颗粒物浓度最高的撞击区，形成四个对称且均匀的流场，促进涡流中颗粒的团聚。

图4为挡板摆幅为60°时，装置内烟气混合物时的速度矢量图。

从图4中可以看出当挡板的摆动幅度为60°时，中心射流引起的较大漩涡流场漩涡数量不变，湍流强度有点减弱，流场内气流不是很稳定，通过挡板后的漩涡数量由4个变为3个，漩涡对颗粒的团聚效果相对减弱。

图5为本实施例装置的团聚前后的粒径对比分布图，即初始粒径与团聚后粒径分布对比图。

从图5中可知，经团聚后，颗粒粒径明显变大，且从粒径分布上来看团聚后大于3μm的颗粒占大多数，为较大颗粒，可被脱除，且脱除效果明显。

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清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例一种带同轴速差射流的引流型颗粒聚并装置如图(1)，外筒a和内筒b,内筒至于外筒内部，两者同轴安装，外筒直径d1＝25mm，内筒直径d2＝12mm。可移动挡板位于撞击流相变室沿水平方向中心线9/23位置处，与水平中心线的可摆动角度范围为45°。

本实施例中烟气为燃煤发电机组湿法脱硫后排出的气体，温度在45℃，相对湿度80％。脱硫烟气从直径为25的外筒和直径为12的内筒同时喷入，外筒流速一般为300，内筒流速一般为20。进入相变室A和相变室B，吹喷管a吹出的压缩空气经外筒上的射流喷管吹出形成周围射流，吹喷管b喷出的压缩空气经中心射流孔喷出形成中心射流，中心射流与周围射流因速度不同而形成速差射流。速差射流进入相变室，形成较大漩涡的流场结构，进行第1阶段的气流诱导。颗粒在漩涡中旋转，大大增强颗粒的碰撞团聚效果。周围射流可以有效地引导中心射流，中心射流通过v型挡板时，受v型挡板的影响部分气流通过挡板，部分气流再次进入第1阶段的漩涡中，v型挡板对气流形成2次诱导。v型挡板距离内,外筒的吹喷管有一定的距离且挡板间距离较小，中心射流在此处经过v型挡板，两股气流湍流强度增大，形成新一轮涡流，再次引导颗粒进入漩涡流场进行碰撞团聚。

经ELPI实时在线测量，浓度脱除率达到80.7％。

实施例2

本实施例一种带同轴速差射流的引流型颗粒聚并装置如图(1)，外筒a和内筒b,内筒至于外筒内部，两者同轴安装，外筒直径d1＝28，内筒直径d2＝14。可移动挡板位于撞击流相变室沿水平方向中心线11/23位置处，与水平中心线的可摆动角度范围为45°。

本实施例中烟气为燃煤发电机组湿法脱硫后排出的气体，温度在50℃，相对湿度80％。脱硫烟气从直径为28的外筒和直径为14的内筒同时喷入，外筒流速一般为300，内筒流速一般为20。进入相变室A和相变室B，吹喷管a吹出的压缩空气经外筒上的射流喷管吹出形成周围射流，吹喷管b喷出的压缩空气经中心射流孔喷出形成中心射流，中心射流与周围射流因速度不同而形成速差射流。速差射流进入相变室，形成较大漩涡的流场结构，进行第1阶段的气流诱导。颗粒在漩涡中旋转，大大增强颗粒的碰撞团聚效果。周围射流可以有效地引导中心射流，中心射流通过v型挡板时，受v型挡板的影响部分气流通过挡板，部分气流再次进入第1阶段的漩涡中，v型挡板对气流形成2次诱导。v型挡板距离内,外筒的吹喷管有一定的距离且挡板间距离较小，中心射流在此处经过v型挡板，两股气流湍流强度增大，形成新一轮涡流，再次引导颗粒进入漩涡流场进行碰撞团聚。

经ELPI实时在线测量，浓度脱除率达到81.3％。

实施例3

本实施例一种带同轴速差射流的引流型颗粒聚并装置如图(1)，外筒a和内筒b,内筒至于外筒内部，两者同轴安装，外筒直径d1＝30，内筒直径d2＝14。可移动挡板位于撞击流相变室沿水平方向中心线12/23位置处，与水平中心线的可摆动角度范围为45°。

本实施例中烟气为燃煤发电机组湿法脱硫后排出的气体，温度在55℃，相对湿度90％。脱硫烟气从直径为30的外筒和直径为14的内筒同时喷入，外筒流速一般为300，内筒流速一般为20。进入相变室A和相变室B，吹喷管a吹出的压缩空气经外筒上的射流喷管吹出形成周围射流，吹喷管b喷出的压缩空气经中心射流孔喷出形成中心射流，中心射流与周围射流因速度不同而形成速差射流。速差射流进入相变室，形成较大漩涡的流场结构，进行第1阶段的气流诱导。颗粒在漩涡中旋转，大大增强颗粒的碰撞团聚效果。周围射流可以有效地引导中心射流，中心射流通过v型挡板时，受v型挡板的影响部分气流通过挡板，部分气流再次进入第1阶段的漩涡中，v型挡板对气流形成2次诱导。v型挡板距离内,外筒的吹喷管有一定的距离且挡板间距离较小，中心射流在此处经过v型挡板，两股气流湍流强度增大，形成新一轮涡流，再次引导颗粒进入漩涡流场进行碰撞团聚。

另外，本实施例中所述V型挡板设置有防附着涂层，可以避免含尘气体的尘土附着在V型挡板之上，影响流场的调控轨迹；

所述防附着涂层的制备方法为：

S1:将20g三羟甲基丙烷三(3-巯基丙酸酯)，0.02g甲基丙烯基-笼形聚倍半硅氧烷，12g丙烯酸六氟丁酯，分散于200gDMF中，再加入1g苯偶酰二甲基缩酮，搅拌分散均匀，得到反应液；

S2：将反应液均匀涂布在V型挡板正反表面，在30℃，紫外光照射下反应1h，得到的设置防附着涂层的V型挡板。

经ELPI实时在线测量，浓度脱除率达到81.5％。

实施例4

本实施例一种带同轴速差射流的引流型颗粒聚并装置如图(1)，外筒a和内筒b,内筒至于外筒内部，两者同轴安装，外筒直径d1＝35，内筒直径d2＝16。可移动挡板位于撞击流相变室沿水平方向中心线14/23位置处，与水平中心线的可摆动角度范围为45°。

本实施例中烟气为燃煤发电机组湿法脱硫后排出的气体，温度在60℃，相对湿度90％。脱硫烟气从直径为35的外筒和直径为16的内筒同时喷入，外筒流速一般为300，内筒流速一般为20。进入相变室A和相变室B，吹喷管a吹出的压缩空气经外筒上的射流喷管吹出形成周围射流，吹喷管b喷出的压缩空气经中心射流孔喷出形成中心射流，中心射流与周围射流因速度不同而形成速差射流。速差射流进入相变室，形成较大漩涡的流场结构，进行第1阶段的气流诱导。颗粒在漩涡中旋转，大大增强颗粒的碰撞团聚效果。周围射流可以有效地引导中心射流，中心射流通过v型挡板时，受v型挡板的影响部分气流通过挡板，部分气流再次进入第1阶段的漩涡中，v型挡板对气流形成2次诱导。v型挡板距离内,外筒的吹喷管有一定的距离且挡板间距离较小，中心射流在此处经过v型挡板，两股气流湍流强度增大，形成新一轮涡流，再次引导颗粒进入漩涡流场进行碰撞团聚。

所述V型挡板设置有防附着涂层，可以避免含尘气体的尘土附着在V型挡板之上，影响流场的调控轨迹；

所述防附着涂层的制备方法为：

S1:将30g三羟甲基丙烷三(3-巯基丙酸酯)，0.8g甲基丙烯基-笼形聚倍半硅氧烷，18g丙烯酸六氟丁酯，分散于300gDMF中，再加入3g苯偶酰二甲基缩酮，搅拌分散均匀，得到反应液；

S2：将反应液均匀涂布在V型挡板正反表面，在50℃，紫外光照射下反应3h，得到的设置防附着涂层的V型挡板。

经ELPI实时在线测量，浓度脱除率达到81.2％。

尽管本发明的具体实施方式已经得到详细的描述，本领域技术人员将会理解。根据已经公开的所有教导，可以对那些细节进行各种修改和替换，这些改变均在本发明的保护范围之内。本发明的全部范围由所附权利要求及其任何等同物给出。

Claims (10)

1.一种带同轴速差射流的V型流控颗粒聚并装置，其主要特征在于：该装置由外筒、内筒、V型挡板等部件组成，外筒和内筒两者同轴安装，V型挡板关于中心轴线对称。

2.根据权利要求1所述一种带同轴速差射流的V型流控颗粒聚并装置，其特征在于：所述装置外筒直径为d1＝25-35mm。

3.根据权利要求1所述一种带同轴速差射流的V型流控颗粒聚并装置，其特征在于：所述装置内筒直径为d2＝12-16mm。

4.根据权利要求1所述一种带同轴速差射流的V型流控颗粒聚并装置，其特征在于：所述装置外筒与内筒体积比为Va/Vb＝14-16。

5.根据权利要求1所述一种带同轴速差射流的V型流控颗粒聚并装置，其特征在于：所述外筒吹喷嘴a和内筒吹喷嘴b在同一时刻吹喷出不同速度的气体，中心射流与周围射流产生速差射流，进入相变室。

6.根据权利要求1所述一种带同轴速差射流的V型流控颗粒聚并装置，其特征在于：所述相变室A和相变室B的反应空间长度不低于整个反应装置长度的2/3。

7.根据权利要求1所述一种带同轴速差射流的V型流控颗粒聚并装置，其特征在于：所述V型挡板位于撞击流相变室沿水平方向中心线9/23-14/23位置处，与水平中心线的角度30-60°。

8.根据权利要求1所述一种带同轴速差射流的V型流控颗粒聚并装置，其特征在于：所述两股中心射流在经过挡板进行对撞的时侯，挡板的摆动幅度0-30°。

9.根据权利要求1所述一种带同轴速差射流的V型流控颗粒聚并装置，其特征在于：所述V型挡板可以设置防附着涂层，可以避免含尘气体的尘土附着在V型挡板之上，影响流场的调控轨迹；

所述防附着涂层的制备方法为：

S1:按重量份，将20-30份三羟甲基丙烷三(3-巯基丙酸酯)，0.02-0.8份甲基丙烯基-笼形聚倍半硅氧烷，12-18份丙烯酸六氟丁酯，分散于200-300份DMF中，再加入1-3份苯偶酰二甲基缩酮，搅拌分散均匀，得到反应液；

S2：将反应液均匀涂布在V型挡板正反表面，在30-50℃，紫外光照射下反应1-3h，得到的设置防附着涂层的V型挡板。

10.根据权利要求1-9所述一种带同轴速差射流的V型流控颗粒聚并装置，其特征在于：

利用上述的同轴速差射流的引流型颗粒聚并装置进行燃煤锅炉烟气细颗粒物脱除的具体步骤是：

1)位于吹喷管中心轴线上的外筒吹喷管a和内筒吹喷管b在同一时刻喷出压缩空气；

2)吹喷管a吹出的压缩空气经外筒上的射流喷管吹出形成周围射流，吹喷管b喷出的压缩空气经中心射流孔喷出形成中心射流，中心射流与周围射流因速度不同而形成速差射流，进行第1阶段气流诱导；

3)速差射流进入相变室，形成较大漩涡的流场结构，颗粒在漩涡中旋转，大大增强颗粒的碰撞团聚效果；

4)中心射流经过V型挡板调控，气流的流行发生变化，进行第2次气流诱导；

5)V型挡板距离压缩空气的吹喷管有一定的距离且挡板间距离较小，速差射流在此处经过小的挡板，两股气流速度变大进行撞击，形成新一轮涡流，进行第3阶段气流诱导，再次诱导气流中的颗粒碰撞团聚；

6)周围射流可以有效地引导中心射流，以延长中心射流的长度进行二次碰撞。