CN1546199A - 一种高温高压气体除尘方法 - Google Patents

Abstract

本发明基于斜冲波理论，提出了一种用高压气体对含尘气体进行除尘的方法。基本原理是当含尘超音速气流流过凹钝角时，气流中将产生源于凹钝角顶的斜冲波，气体流经斜冲波后，将改变流动方向；由于尘粒密度比气体大得多，速度也高，在较大动量下，将基本保持原来的运动方向，不随气流运动，含尘气流在加长的缩放喷管内流动加速时，尘粒在气流夹带下可以达到很高的速度，具有更大的动量，在穿过斜冲波后，用另一股超音速气流将颗粒带走，保持两股气流接触面上的压力相等，速度大体相同，即可将气流和颗粒流分开，达到气体除尘的目的。

Description

一种高温高压气体除尘方法

技术领域

本发明涉及一种气体净化技术，特别涉及一种高温高压气体除尘方法。

背景技术

含尘的高温高压气体，如先进燃煤循环系统中的粗煤气(整体煤气化联合循环)或烟气(增压流化床燃烧联合循环)中，含有相当一部分大小不等的固体颗粒，这些固体颗粒的存在不仅会导致燃气透平的腐蚀、磨蚀和结垢，影响其寿命，还会影响环境，造成因燃煤带来的污染问题。

为了清除这些固体颗粒，对高温高压气体进行除尘，最常用的除尘方法是采用旋风分离器，利用旋转气流对颗粒产生的离心力使颗粒从气流中分离出来；但旋风分离器一般只能分离出较大的颗粒。

为了分离出较小的颗粒，在旋风分离器的基础上，又进一步发展了目前主要采用的“常温湿法净化系统”和正在研究开发的“高温干法净化系统”两种。

“常温湿法净化系统”：从气化炉出来的粗煤气先进入旋风分离器初步除尘，随后，这股经初步除尘的煤气再用文德里管除尘器把细颗粒的飞尘除去。文德里管除尘器是一种湿法的除尘器。它的除尘过程是基于含尘气流与某种液体接触，借助惯性碰撞、扩散等机理捕集灰尘的。

“高温干法净化系统”：由气化炉出来的高温粗煤气通常是先进入旋风分离器初步除尘；随后，这股经初步除尘的气体再进入高温陶瓷过滤器，在高温状态下对气体进行过滤，从而得到洁净的气体。  高温陶瓷过滤器由多孔陶瓷过滤材料和相应的其它零部件组成。固体颗粒不能流过多孔材料，被挡在原来一边；气体从多孔陶瓷材料的一边流过多孔陶瓷材料的另一边，流过多孔陶瓷的气体就成为不含或含量很低的洁净气体。根据对气体净化的要求不同，陶瓷过滤器的多孔陶瓷过滤材料的过滤孔可以制成不同形式的结构。现有的高温高压气体除尘技术中，除旋风分离器一般只能高效率地清除较大的颗粒外，其它两种技术对较小的颗粒也都能达到相当高的过滤效率；但是，这两种技术的共同问题都是除尘都必须分成由旋风分离器的初步除尘和进一步的精细除尘两个阶段，工艺流程长，所需设备多，系统复杂，除尘设备投资昂贵。

在“常温湿法净化系统”中，如果粗煤气从气化炉出口的高温状态逐渐降低到湿法除尘的常温状态时的显热不加以利用，就必然会降低高温气体的能量利用效率；如果加以利用，也只能是部分利用，增加的设备系统也就变得复杂。

在“高温干法净化系统”中，由于陶瓷过滤器是一种阻性过滤器，高温高压气体流经陶瓷过滤器的压力损失较大；还由于气体温度很高，在高温下实施过滤，过滤器的过滤材料必须有很好的耐高温性能；为了清除沉积在多孔陶瓷表面上的积灰，还必须采用脉冲反吹技术对陶瓷过滤器进行周期性的反吹，因而陶瓷过滤器就会经受冷热气体周期性的交变作用，使陶瓷材料容易受到热疲劳损坏；而且脉冲反吹技术和系统本身也很复杂。

发明内容

本发明的目的是针对现有高温高压气体除尘技术中存在的不足，提出一种系统结构简单、初始投资少、维护使用方便的、能用于高温高压气体除尘的方法。

本发明的技术构思是基于超音速气流中的斜冲波理论。当超音速气流在流经凹钝角时，气流中将产生源于凹钝角顶的斜冲波，气流穿过斜冲波后，流动方向将由原来平行于凹钝角的一边转变为平行于凹钝角的另一边，即运动方向发生改变，运动速度也降低到较低速度的超音速，如图1所示。

在含灰尘颗粒的超音速气体流经凹钝角时，气体的流动仍然服从上述基本规律；但灰尘颗粒由于灰尘的密度比气体高得多，惯性大，在高速运动中，将力图维持原来的运动方向，灰尘颗粒的运动速度越大，这种力图维持原来运动方向的趋势就越久。

超音速气流是气流在某一初参数下，流经縮放喷管，不断膨胀加速而获得的。含灰尘颗粒的气流在縮放喷管中不断膨胀加速时，灰尘颗粒也在不断加速气体的夹带下而加速到一定速度，该速度的大小决定于颗粒大小和夹带作用时间的长短。

由于灰尘颗粒的高密度和高速度，灰尘颗粒必将具有很大的动量。当含有灰尘颗粒的高温高压气体绕过凹钝角流动时，灰尘颗粒随超音速气流穿过斜冲波后，气流夹带作用对颗粒运动的影响相对于动量的作用对颗粒运动的影响要小得多。因此，尽管超音速气流穿过斜冲波后，气流的方向改变和速度降低了，而灰尘颗粒在大动量作用下，仍然是基本维持在原来方向上向前运动。

为了使较大颗粒达到尽可能高的速度，气流对颗粒的夹带就应该充分；将縮放喷管设计成一种比通常的縮放喷管长得多时，灰尘颗粒就可以在较长时间内被不断加速的气体夹带，加速到很高的速度。

两股平行的高速运动气流，在平行于流动方向的界面上保持相同的压力时，这两股气流将保持各自的运动。

本发明的技术构思采用以下的技术方案完成，该除尘方法包括以下步骤：

1)使需要除尘的含尘气流1在縮放喷管内流动、膨胀，将气流1加速到超音速，喷管出口马赫数M₁₁＞1，并在气流1中产生源于A点、与来流方向成β₁夹角的斜冲波；斜冲波后的气流为马赫数M₁₂＜M₁₁的超音速，方向变成与来流方向成α₁夹角；

2)使捕获颗粒的气流2在另一个与该縮放喷管成夹角为α的縮放喷管内流动、膨胀，将气流加速到超音速，喷管出口马赫数M₂₁＞1，并在气流2中产生源于A点、与来流方向成β₂夹角的斜冲波；斜冲波后的气流为马赫数M₂₂＜M₁₁的超音速，方向变成与来流方向成α₂的夹角；

3)这两股互成夹角为α的超音速气流各自在A点处产生斜冲波后，在界面AB上接触；保持两股超音速气流在AB面上的压力相等，速度相同；从而使气流1中的灰尘颗粒以基本保持不变的运动方向，进入气流2，气流1就成为所需的洁净气体，并沿与气流1来流方向成α₁角的方向流出；气流2夹带着来自气流1中的灰尘颗粒，沿平行于AB方向流动，到B点处时，产生源于B点、与AB成β₃夹角的斜冲波，斜冲波后的气流为气流3，沿与AB成α₃夹角的方向流出；

4)将除尘后的洁净气体以及吸收灰尘后的气流3分别扩压后，各自输往相关设备进行利用或进行处理。

本发明根据气流1的性质和气流1的参数不同，预计可以达到清除5微米以上的全部颗粒，以及5微米以下的大部分颗粒，能够满足以煤为燃料的先进动力循环以及以煤为原料的化工工业等对于高温高压气体除尘的要求。

附图说明

图1为超音速气流绕凹钝角流动图；

图2为本发明的工作原理图。

具体实施方式

以下根据附图对本发明作更详细的说明。

参照图1的超音速气流绕凹钝角流动图，当超音速气流1以u₁的速度在绕凹钝角流动时，气流中将产生源于凹钝角顶的斜冲波；气流1穿过斜冲波后，流动方向将由原来平行于凹钝角的一边转变为平行于凹钝角的另一边，速度减小为气流u₂，，即运动方向发生改变，运动速度u₂也降低到较低速度的超音速；图中u的下表n表示与斜冲波垂直方向(法向)分量，下表t表示与斜冲波平行方向(切向)分量。

图2的工作原理图显示含尘气流1流经縮放喷管、被加速到喷管出口处马赫数为M₁₁的超音速；捕获颗粒的气流2流经另一个与该縮放喷管成夹角为α的縮放喷管，被加速到喷管出口处马赫数为M₂₁的超音速。

两股互成夹角为α的超音速气流在界面AB上接触，保持两股超音速气流在AB面上的压力相等，速度大体相同，界面AB就互成为各自的边界。AB与气流1的来流方向之间的夹角设为α₁；与气流2的来流方向之间的夹角设为α₂。

当马赫数为M₁₁的超音速气流1流至A点时，由于受到A点处的扰动，在气流1中产生源于A点，并与气流1的来流方向成β₁夹角的斜冲波；气流1穿过斜冲波后，运动方向就变成平行于AB方向，气流速度仍为超音速，但马赫数降低为M₁₂。此时，气流1中的灰尘颗粒以很高的速度穿过斜冲波后，方向基本不变，一直穿过界面AB进入气流2中；灰尘颗粒进入气流2后，原来的气流1就成为所需要的经过除尘后的洁净气体(Cleaned)。

当马赫数为M₂₁的超音速气流2流至A点时，也受到A点处的扰动，在气流2中产生源于A点，并与气流2的来流方向成β₂夹角的斜冲波；气流2穿过斜冲波后，运动方向变成平行于AB方向，气流速度仍为超音速，但马赫数降低为M₂₂，并且开始夹带着来自气流1中的灰尘颗粒。

沿平行于AB方向流动的开始夹带灰尘颗粒的气流2，到达B点时，由于B点的扰动，产生源于B点，并与AB成β₃夹角的斜冲波；穿过斜冲波后，运动方向变成与AB成α₃夹角的排气方向，气流马赫数从M₂₂进一步降低到M₂₃。

经过除尘后的洁净气体(Cleaned)以及吸纳灰尘后的气流3，经分别扩压后，各自输往相关设备进行利用或进行处理。

为了实现AB界面上的压力相同和速度大体相同，必须对M₁、M₂、α₁、α₂、β₁、β₂、α₃、β₃等参数进行合理的选用，斜冲波前后参数的变化关系在普通的教科书中可找到：

$\frac{p_2}{p_1}=\frac{2k}{k+1}{M}_1^2{\sin }^2\mathrm{\β}-\frac{k-1}{k+1}$

$\frac{{\mathrm{\ρ}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_1}=\frac{\frac{k+1}{k-1}{M}_1^2{\sin }^2\mathrm{\β}}{\frac{2}{k-1}+M_1^2{\sin }^2\mathrm{\β}}$

$\frac{T_2}{T_1}=\[\frac{{2\mathrm{kM}}_1^2{\sin }^2\mathrm{\β}-(k-1)}{k+1}\]\[\frac{2+(k-1)M_1^2{\sin }^2\mathrm{\β}}{(k+1)M_1^2{\sin }^2\mathrm{\β}}\]$

$\frac{p_{02}}{p_{01}}=\left(\frac{\frac{k+1}{2}{M}_1^2{\sin }^2\mathrm{\β}}{1+\frac{k-1}{2}{M}_1^2{\sin }^2\mathrm{\β}}\right){(\frac{2k}{k+1}{M}_1^2{\sin }^2\mathrm{\β}-\frac{k-1}{k+1})}^{\frac{1}{k-1}}$

$\tan \mathrm{\α}=2\cot \mathrm{\β}\frac{M_1^2{\sin }^2\mathrm{\β}-1}{M_1^2(k+\cos 2\mathrm{\β})+2}$

式中：M为气体的马赫数；p为气体的压力；ρ为气体的密度；T为气体的绝对温度；k为气体的绝热指数；α为气流转折角；β为斜冲波与来流方向的夹角，

下标：1-斜冲波前；2-斜冲波后；0-滞止；

根据气流1的流量和初参数进行气流1的縮放喷管的具体计算，决定M₁₁在选定气流折转角α₁后，可以根据上述关系式，确定β₁以及斜冲波后包括压力和速度等在内的气流各参数；再根据这些参数，按照AB界面上两种气体的压力相等和速度大体相等的要求，由上述关系式，确定气流2中斜冲波前的M₂₁和初参数；由这些参数和气流2的流量，进行气流2的縮放喷管的具体计算；根据吸纳灰尘颗粒后的气流参数，即AB界面上的压力和速度，在选定α₃后，由上述关系式决定B点上斜冲波的位置(β₃)及斜冲波后的参数，α₃的选取应该使斜冲波后的速度接近音速，即M₂₃接近1，以减小吸纳灰尘颗粒后的气流3的扩压程度。

气流1的縮放喷管长度(或扩张角大小)根据縮放喷管内边界层流动计算结果确定，确定原则是既保证扩张段足够长，又保证在縮放喷管的出口处不出现边界层的汇合。气流2的縮放喷管长度(或扩张角大小)与常规的相同。

气流2是与气流1不同的、在循环中具备的另一种气体，如蒸汽，对于吸纳灰尘以后的气流3可以通过其它途径进行净化和能量回收。

本发明作为一种气体除尘的新概念，科学依据可靠，根据气流1的性质和气流1的参数不同，预计可以达到清除5微米以上的全部颗粒，以及5微米以下的大部分颗粒，能够满足以煤为燃料的先进联合循环以及以煤为原料的化工工业等对于高温高压气体除尘的要求。本发明的除尘方法与已有的除尘方式相比，可大幅度地简化除尘系统、提高运行可靠性、降低初始投资、减少维护费用，达到使用高压气体除尘的目的。

Claims (3)

1、一种高温高压气体除尘方法，其特征在于该除尘方法包括以下步骤：

1)使需要除尘的含尘气流1在縮放喷管内流动、膨胀，将气流1加速到超音速，喷管出口马赫数M₁₁＞1，并在气流1中产生源于A点、与来流方向成β₁夹角的斜冲波；斜冲波后的气流为马赫数M₁₂＜M₁₁的超音速，方向变成与来流方向成α₁夹角；

2)使捕获颗粒的气流2在另一个与该縮放喷管成夹角为α的縮放喷管内流动、膨胀，将气流2加速到超音速，喷管出口马赫数M₂₁＞1，并在气流2中产生源于A点、与来流方向成β₂夹角的斜冲波；  斜冲波后的气流为马赫数M₂₂＜M₁₁的超音速，方向变成与来流方向成α₂的夹角；

3)两股互成夹角为α的超音速气流1和2各自在A点处产生斜冲波后，在界面AB上接触，保持两股超音速气流在AB面上的压力相等，速度相同；从而使气流1中的灰尘颗粒以基本保持不变的运动方向，进入气流2，气流1就成为所需的洁净气体，并沿与气流1来流方向成α₁角的方向流出；气流2夹带着来自气流1中的灰尘颗粒，沿平行于AB方向流动，到B点处时，产生源于B点、与AB成β₃夹角的斜冲波，斜冲波后的气流为气流3，沿与AB成α₃夹角的方向流出；

4)将除尘后的洁净气体以及吸收灰尘后的气流3分别扩压后，各自输往相关设备进行利用或进行处理。

2、根据权利要求1所说的高温高压气体除尘方法，其特征在于所说的縮放喷管的长度是既能保证喷管扩张段有足够的长度，使灰尘颗粒能够在气流夹带下加速到足够高的速度，又能保证在縮放喷管的出口处不出现边界层的汇合。

3、根据权利要求1所说的高温高压气体除尘方法，其特征在于实现两股超音速气流在AB界面上的压力相同和速度相同，斜冲波前后参数变化可以通过以下公式来实现：

$\frac{p_2}{p_1}=\frac{2k}{k+1}{M}_1^2{\sin }^2\mathrm{\β}-\frac{k-1}{k+1}$

$\frac{{\mathrm{\ρ}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_1}=\frac{\frac{k+1}{k-1}{M}_1^2{\sin }^2\mathrm{\β}}{\frac{2}{k-1}+M_1^2{\sin }^2\mathrm{\β}}$

$\frac{T_2}{T_1}=\left[\frac{2k{M}_1^2{\sin }^2\mathrm{\β}-(k-1)}{k+1}\right]\left[\frac{2+(k-1)M_1^2{\sin }^2\mathrm{\β}}{(k+1)M_1^2{\sin }^2\mathrm{\β}}\right]$

$\frac{p_{02}}{p_{01}}=\left(\frac{\frac{k+1}{2}{M}_1^2{\sin }^2\mathrm{\β}}{1+\frac{k-1}{2}{M}_1^2{\sin }^2\mathrm{\β}}\right){(\frac{2k}{k+1}{M}_1^2{\sin }^2\mathrm{\β}-\frac{k-1}{k+1})}^{\frac{1}{k-1}}$

$\tan \mathrm{\α}=2\cot \mathrm{\β}\frac{M_1^2{\sin }^2\mathrm{\β}-1}{M_1^2(k+\cos 2\mathrm{\β})+2}$

式中：M为马赫数；

      p为气体的压力；

      ρ为气体的密度；

      T为气体的绝对温度；

      k为气体的绝热指数

      α为气流转折角；

      β为斜冲波与来流方向间的夹角，

      下标：1-斜冲波前；2-斜冲波后；0-滞止；

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