CN208130753U - 蒸汽相变与湍流团聚耦合的团聚装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及蒸汽相变与湍流团聚耦合的团聚装置，该团聚装置总体呈长方体形，整体关于来流烟气的方向呈轴向对称结构，团聚装置左端为烟气入口，与脱硫设备相连接，右端为烟气出口，与湿式电除尘器相连；长方体的上下侧壁上沿装置中心轴线对称设有多个半椭圆柱形凸起，上下相对的两个半椭圆柱形凸起为一组，共有n组，n≥2；每个半椭圆柱形凸起的最低点均朝向装置内部；在第一组半椭圆柱形凸起和烟气入口之间设有长方体扰流柱，该长方体扰流柱的中心线与装置的中心轴线重合，长方体扰流柱为空心腔体结构，长方体扰流柱的上下表面均设有蒸汽喷口。该装置通过蒸汽相变与湍流团聚耦合的方式来增大超细颗粒物的粒径，结构简单。

Description

蒸汽相变与湍流团聚耦合的团聚装置

技术领域

本实用新型涉及燃煤烟气中超细颗粒物的处理技术领域，具体属于一种蒸汽相变与湍流团聚耦合的团聚装置及其应用。

背景技术

PM2.5也称为可入肺颗粒物，是指空气动力学当量直径小于或等于2.5μm的细颗粒物。PM2.5不仅导致雾霾天气，影响人们日常活动，同时对人体的呼吸、心血管系统等具有严重危害。燃煤锅炉是现代生产中的重要组成部分，同时又是PM2.5主要的排放源。目前主要采用静电除尘器和布袋除尘器等来脱除烟气中的颗粒物，静电除尘器以及布袋除尘器对烟气中的粒径较大的颗粒物脱除效果较好，但对于超细颗粒物由于其比电阻高、荷电能力差导致脱除效率较低。应用传统的除尘方式很难脱除超细颗粒物，因此需研究一种预处理装置使超细颗粒物团聚成较大粒径的颗粒，进而提高超细颗粒物的脱除效率。目前有多种团聚方式，包括声团聚、磁团聚、电团聚、化学团聚、热团聚、湍流团聚以及蒸汽相变团聚等。采用湍流团聚与蒸汽相变团聚相结合的方式不仅结构简单，操作方便，而且能够有效的促进细颗粒物的长大。经过此预处理方式的超细颗物团聚后，进入传统除尘器进行去除，从而提高了除尘效率。

申请号为201621297870.0的实用新型专利提出了一种烧结烟气微细颗粒物折转捕集单元及团聚捕集装置，该实用新型由颗粒团聚部分以及弯管捕集部分组成，团聚部分主要采用化学团聚以及湍流团聚的方法。弯管捕集部分主要包括储集部件、进气弯管和出气弯管。经过团聚长大的颗粒会在弯管处沉降并在储存部件中储存。该实用新型利用团聚剂喷头向团聚装置喷入团聚剂，团聚剂受很多因素影响，比如团聚剂剂量、团聚剂浓度、温度、以及表面活性的影响，所以实际操作起来比较困难，同时，化学团聚会产生其他污染物，还要对其进行后处理，故化学团聚与湍流团聚耦合的团聚方式不利于实际操作。

刘含笑(刘含笑.燃煤超细颗粒物涡聚并数值模拟[D].华北电力大学,2012.)设计出一种团聚装置，团聚装置内部在靠近入口处布置了四个三棱柱来分流，然后在后方布置了三行Z形涡片，每行六个涡片，Z形涡片的角度与来流烟气方向垂直，其不足之处：涡片间的距离较近，会使后面涡片影响前面涡的发展，破坏已形成的旋涡，进而影响团聚效果；另外，由于涡片数目过多会导致阻力增加，压力降增大，不利于设备的正常运行。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型要解决的技术问题是，提供一种蒸汽相变与湍流团聚耦合的团聚装置及其应用。该装置通过蒸汽相变与湍流团聚耦合的方式来增大超细颗粒物的粒径，同时，由于扰流元件数目较少，结构简单，故而压力降较小。经过此预处理方式的烟气进入湿式电除尘装置对颗粒进行进一步脱除，从而提高了超细颗粒物的脱除效率。应用该装置脱除细颗粒操作简便，兼具湍流团聚与蒸汽相变团聚。

本实用新型解决所述技术问题采用的解决方案为：提供一种蒸汽相变与湍流团聚耦合的团聚装置，该团聚装置总体呈长方体形，整体关于来流烟气的方向呈轴向对称结构，团聚装置左端为烟气入口，与脱硫设备相连接，右端为烟气出口，与湿式电除尘器相连；其特征在于，长方体的上下侧壁上沿装置中心轴线对称设有多个半椭圆柱形凸起，上下相对的两个半椭圆柱形凸起为一组，共有n组，n≥2；每个半椭圆柱形凸起的最低点均朝向装置内部；在第一组半椭圆柱形凸起和烟气入口之间设有长方体扰流柱，该长方体扰流柱的中心线与装置的中心轴线重合，长方体扰流柱为空心腔体结构，长方体扰流柱的上下表面均设有蒸汽喷口，长方体扰流柱的前后侧面上设有连接高压蒸汽管路的接口，高压蒸汽管路的接口与蒸汽喷雾器相连；在第一组和第二组半椭圆柱形凸起之间的装置内设置一个C形扰流涡片，该C形扰流涡片位于装置的中心轴线上，在第二组半椭圆柱形凸起后以装置中心轴线为轴上下对称设置两个C形扰流涡片，在第三组半椭圆柱形凸起后的装置中心轴线上布置一个C形扰流涡片，多个C形扰流涡片呈叉排方式布置；每个C形扰流涡片的开口方向均朝向烟气出口。

一种上述的蒸汽相变与湍流团聚耦合的团聚装置的应用，该装置用于脱除超细颗粒物，具体脱除过程是：

(1)经过脱硫脱硝后的烟气以5m/s的速度进入团聚装置，进入团聚装置的含尘烟气会发生扩散，其中颗粒与颗粒之间会产生碰撞作用；

(2)烟气经过扩散后，流经具有喷射蒸汽功能的长方体扰流柱，长方体扰流柱既可以对烟气产生分流作用，同时向团聚装置内喷射蒸汽，当颗粒含量较多时增大喷射速度，由于这两种作用会使烟气速度发生改变，产生速度梯度，在长方体扰流柱的后方形成两个方向相反旋涡，直径较小的粒子在涡内侧跟随涡旋转碰撞，进而成长为较大的颗粒；

(3)然后经过半椭圆柱形凸起扰流，在半椭圆柱形凸起的后方形成了一个涡旋，半椭圆柱形凸起与长方体扰流柱间的距离使蒸汽充分发展，而半椭圆柱形凸起与C形扰流涡片间的距离使凸起所形成的旋涡不受后面与C形扰流涡片的影响，直径较小的粒子在涡内侧跟随涡旋转碰撞，进而成长为较大的颗粒；

(4)经过叉排布置的C形扰流涡片后的烟气速度发生变化，形成较大的速度梯度，在C形扰流涡片的后方形成两个方向相反的涡旋；直径较小的粒子在涡内侧跟随涡旋转碰撞，进而成长为较大的颗粒；

(5)经过长方体扰流柱分流以及多个C形扰流涡片扰流后的烟气从烟气出口流出，进入到湿式电除尘器，由湿式电除尘器对颗粒进行进一步的脱除处理。

与已有的技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型团聚装置在烟气入口处设有具有喷射蒸汽功能的长方体扰流元件(内部喷射可以使长方体也具有扰流的作用，此种方法将两种作用结合到一个装置上面。)，长方体扰流元件使平行流烟气产生分流现象，同时迅速发生蒸汽相变作用，致使扰流元件周围具有较大的速度梯度，在其后面形成两个具有相反方向的旋涡，小颗粒在涡的内侧跟随涡旋转，从而发生相互碰撞，最终形成粒径较大的颗粒。

(2)本实用新型的一种蒸汽相变与湍流团聚耦合的方法及团聚装置，具有喷射蒸汽功能的长方体和扰流元件置于颗粒团聚装置的内部，蒸汽喷射方向与来流烟气方向垂直，这样既适当的增加了蒸汽与超细颗粒物的接触机会，同时避免了向后方喷射对已形成涡的破坏，促进了颗粒物的快速团聚。

(3)本实用新型团聚装置内壁上设有半椭圆柱形凸起(半椭圆形的凸起边界线较光滑，不易出现流动死区)。当来流烟气经过半椭圆凸起时，会产生较大的速度梯度，在凸起后方形成涡旋。这样的结构可以增加边界处的流体扰动，使小颗粒在流经边界时跟随旋涡旋转，成长为较大粒径的颗粒，增强了团聚效果。

(4)本实用新型装置简单，易于加工推广。扰流元件有具有喷射蒸汽功能的长方体扰流柱以及C形)扰流涡片，在团聚装置内壁上设有对称的椭圆形凸起，烟气经过长方体扰流元件分流后进入到具有新型扰流元件的团聚装置通道，此涡片的组合布置方式具有较小的压力降，同时，增大速度梯度，促使颗粒成为较大粒径的颗粒。

(5)水蒸汽相变主要对小颗粒起作用，故团聚装置前半部分主要是通过蒸汽相变来使颗粒团聚，由于蒸汽相变发生的很快，后半区域内的颗粒长大后，蒸汽相变作用不明显，而湍流团聚针对的是粒径稍大的颗粒，故在团聚装置后半区域主要采用湍流团聚。这种蒸汽相变与湍流团聚耦合的方式避免了化学团聚带来的不便以及污染。含尘烟气经过分流、扰动作用，增大颗粒与颗粒的碰撞几率，增强了团聚效果，可与湿式电除尘器相连接进行除尘，具有长远的发展前景。

附图说明

图1为本实用新型蒸汽相变与湍流团聚耦合的团聚装置一种实施例的立体结构示意图；

图2为细颗粒在实施例1中的团聚装置内的速度矢量图；

图3为实施例1中团聚装置团聚前后烟气中颗粒粒径分布图；

图4为长方体扰流元件的结构示意图；

图1中：1-烟气入口；2-半椭圆柱形凸起；3-烟气出口；4-长方体扰流柱；5-C形扰流涡片；41与42-高压蒸汽管路的接口，43与44-蒸汽喷口。

具体实施方式

下文对本实用新型的实施例更详细的描述，仅为了进行举例说明，并不作为对本实用新型要求保护范围的限定。

本实用新型蒸汽相变与湍流团聚耦合的团聚装置，该团聚装置(参见图1)总体呈长方体形，整体关于来流烟气的方向呈轴向对称结构，团聚装置左端为烟气入口1，与脱硫设备相连接，右端为烟气出口3，与湿式电除尘器相连；长方体的上下侧壁上沿装置中心轴线对称设有多个半椭圆柱形凸起2，上下相对的两个半椭圆柱形凸起为一组，共有n组，n≥2；每个半椭圆柱形凸起的最低点均朝向装置内部；在第一组半椭圆柱形凸起和烟气入口1之间设有长方体扰流柱4，该长方体扰流柱4的中心线与装置的中心轴线重合，长方体扰流柱为空心腔体结构，长方体扰流柱的上下表面均设有蒸汽喷口，即为图4中的43与44，长方体扰流柱的前后侧面上设有连接高压蒸汽管路的接口，即为图4中的41与42，高压蒸汽管路的接口与蒸汽喷雾器相连；在第一组和第二组半椭圆柱形凸起之间的装置内设置一个C形扰流涡片5，该C形扰流涡片5位于装置的中心轴线上，在第二组半椭圆柱形凸起后以装置中心轴线为轴上下对称设置两个C形扰流涡片，在第三组半椭圆柱形凸起后的装置中心轴线上布置一个C形扰流涡片5，多个C形扰流涡片5呈叉排方式布置，采用叉排布置方式，既增大了空间的利用率，同时减少后面涡片对前面涡片成涡的影响，增强对流体的扰动；每个C形扰流涡片的开口方向均朝向烟气出口。

本实用新型装置的进一步特征在于长方体扰流柱与烟气入口处的距离、第一个C形扰流涡片与烟气入口处的距离、位于装置中心轴线上的C形扰流涡片到两个对称设置的C形扰流涡片的距离、相邻两组凸起之间的距离四者之比为3：4：6：6；半椭圆柱形凸起的半长轴为团聚装置宽度的1/5。本申请中由于流场的流动特点，长方体扰流柱、新型涡片以及凸起间的距离应该合理设置，既要将空间充分利用起来，同时要保证涡与涡之间互相不影响。本申请中半椭圆柱形凸起的短轴与壁面重合，采用焊接的方式与壁面连接。

本实用新型装置的进一步特征在于n＝2，第一组半椭圆柱形凸起和第二组半椭圆柱形凸起分别位于整个团聚装置长度的1/4以及11/20处。

在本实用新型中凸起组数n＝2，在实际的生产中，烟气流速以及负荷不同导致细颗粒的含量不同，当烟气中细颗粒物含量增加时，可以适当增加蒸汽量以及凸起组数，从而使细颗粒物在漩涡中混合的更加充分。

本实用新型中半椭圆柱形凸起的高度指椭圆的长半轴长。

本实用新型还保护一种上述蒸汽相变与湍流团聚耦合的团聚装置的应用，该装置用于脱除超细颗粒物，具体脱除过程是：

(1)经过脱硫脱硝后的烟气以5m/s的速度进入团聚装置，进入团聚装置的含尘烟气会发生扩散，其中颗粒与颗粒之间会产生碰撞作用；

(2)烟气经过扩散后，流经具有喷射蒸汽功能的长方体扰流柱，长方体扰流柱既可以对烟气产生分流作用，同时向团聚装置内喷射蒸汽，蒸汽喷射速度可根据烟气含量的不同进行相应的调整，当颗粒含量较多时可以适当增大喷射速度，由于这两种作用会使烟气速度发生改变，产生速度梯度，在长方体扰流柱的后方形成两个方向相反旋涡，直径较小的粒子在涡内侧跟随涡旋转碰撞，进而成长为较大的颗粒；

(3)然后经过半椭圆柱形凸起扰流，在半椭圆柱形凸起的后方形成了一个涡旋，半椭圆柱形凸起与长方体扰流柱间的距离使蒸汽充分发展，而半椭圆柱形凸起与C形扰流涡片间的距离使凸起所形成的旋涡不受后面与C形扰流涡片的影响，直径较小的粒子在涡内侧跟随涡旋转碰撞，进而成长为较大的颗粒；

(4)经过叉排布置的C形扰流涡片后的烟气速度发生变化，形成较大的速度梯度，在C形扰流涡片的后方形成两个方向相反的涡旋，C形扰流涡片沿装置长度方向的距离对于颗粒团聚影响较大，过小的间距会使后面涡片影响前面涡的发展；直径较小的粒子在涡内侧跟随涡旋转碰撞，进而成长为较大的颗粒；

(5)经过长方体扰流柱分流以及多个C形扰流涡片扰流后的烟气从烟气出口流出，进入到湿式电除尘器，由湿式电除尘器对颗粒进行进一步的脱除处理。

本实用新型装置对于超细颗粒物中粒径分布均匀，且颗粒粒径均在PM2.5以下的颗粒脱除效果更加显著，烟气经过该团聚装置团聚以后，粒径在0.3μm以下的粒子均长大为1.5μm-2.5μm的较大粒径的颗粒。本申请主要针对的是入口颗粒粒径在0.3μm以下的小粒径的脱除，本申请有后处理装置——湿式静电除尘器对于2μm左右的粒子的脱除效率较高，经过团聚后的烟气进入湿式电除尘器，再次对颗粒进行进一步有效的脱除。

本实用新型将蒸汽促使细颗粒物长大与湍流团聚结合到一个装置上，同侧的相邻两个半椭圆柱形凸起的距离占团聚装置总长度的3/10，既可以形成比较完整的涡，同时增大了空间利用率，经过反复模拟发现，半椭圆柱形凸起的高度为团聚装置宽度的1/5时，可以使第一组半椭圆柱形凸起与长方体扰流柱组合以及第二组半椭圆柱形凸起与C形扰流涡片组合对团聚效果最有利；采用C形扰流涡片，并且是以一种叉排的方式排布，第一行涡片与第二行的间距为团聚装置长度3/10，增大了空间利用率，减小了后面装置对前面涡结构的破坏作用；水蒸汽相变主要对小颗粒起作用，故团聚装置前半部分主要是通过蒸汽相变来使颗粒团聚，由于蒸汽相变发生的很快，后半区域内的颗粒长大后，蒸汽相变作用不明显，故在团聚装置后半区域主要采用湍流团聚，湍流团聚针对的是粒径稍大的颗粒。

实施例1

本实施例团聚装置总体来说呈长方体形，但其边界设有半椭圆柱形凸起，整体关于来流烟气的方向成轴向对称结构。团聚装置左端为烟气入口1，与脱硫设备相连接，右端为烟气出口3，与湿式电除尘器相连。团聚装置内部包括具有喷射蒸汽功能的长方体扰流柱4以及C形扰流涡片5，具有喷射蒸汽功能的长方体扰流柱4中心线位于团聚装置的中心线上，长方体扰流柱靠近烟气入口位置，其俯视图是一个长方形，长边与烟气来流方向垂直，第一行C形扰流涡片5位于整个团聚装置的2/5处，总共三个C形扰流涡片，采用叉排的方式排布。

所述团聚装置的长为1000mm，宽为400mm，高为200mm。

所述长方形的中心到烟气入口处的距离为150mm，长方形的长为80mm，宽为30mm。

所述团聚装置边上半椭圆柱形凸起的俯视图为半椭圆形，半椭圆形的短轴与团聚装置边界重合，长轴与团聚装置边界垂直，且短半轴为20mm，半长轴为80mm，第一组半椭圆柱形凸起到烟气入口的距离为250mm，一共两组凸起，两组凸起的距离为300mm。

图2为细颗粒在本实施例团聚装置内的速度矢量图，图中显示：经过脱硫脱硝后的烟气以5m/s的速度进入团聚装置，进行充分的混合与扩散，先流经具有喷射蒸汽功能的长方体扰流柱，长方体扰流柱可以对烟气产生分流作用，同时向团聚装置内喷射蒸汽，迅速发生蒸汽相变作用，由于这两种作用会使烟气速度发生改变，产生速度梯度，在长方体扰流柱的后方形成两个方向相反旋涡，直径较小的粒子在涡内侧跟随涡旋转碰撞，进而成长为较大的颗粒。然后经过半椭圆柱形凸起以及叉排布置的C形扰流涡片，经过扰流后的烟气速度发生变化，形成较大的速度梯度，在C形扰流涡片的后方形成两个方向相反的涡旋，而半椭圆柱形凸起后方形成比较完整的旋涡。水蒸汽相变主要对小颗粒起作用，故团聚装置前半部分主要是通过蒸汽相变来使颗粒团聚，由于蒸汽相变发生的很快，后半区域内的颗粒长大后，蒸汽相变作用不明显，而湍流团聚针对的是粒径稍大的颗粒，故在团聚装置后半区域主要采用湍流团聚。经过长方体扰流柱分流以及C形扰流涡片扰流后的烟气从团聚装置出口流出，进入到湿式电除尘器，由湿式电除尘器对颗粒进行进一步的脱除处理。

图3为团聚装置团聚前后烟气中颗粒粒径分布图，图中横坐标、纵坐标分别代表颗粒粒径和颗粒数密度百分比。入口处颗粒粒径大部分均低于0.3μm，粒径分布的最大值在0.2-0.3μm之间，经过该团聚装置团聚之后，颗粒粒径分布图的峰值明显像颗粒粒径增大的方向移动，通过分析颗粒粒径分图可以得到，烟气经过该团聚装置，超细颗粒物有明显的长大效果。

在实用新型中，上下左右等术语是相对的概念。烟气入口1的方向为左，烟气出口3的方向为右，带凸起的团聚装置的外壁为上下方向。

本实用新型未述及之处适用于现有技术。

Claims (3)

1.一种蒸汽相变与湍流团聚耦合的团聚装置，该团聚装置总体呈长方体形，整体关于来流烟气的方向呈轴向对称结构，团聚装置左端为烟气入口，与脱硫设备相连接，右端为烟气出口，与湿式电除尘器相连；其特征在于，长方体的上下侧壁上沿装置中心轴线对称设有多个半椭圆柱形凸起，上下相对的两个半椭圆柱形凸起为一组，共有n组，n≥2；每个半椭圆柱形凸起的最低点均朝向装置内部；在第一组半椭圆柱形凸起和烟气入口之间设有长方体扰流柱，该长方体扰流柱的中心线与装置的中心轴线重合，长方体扰流柱为空心腔体结构，长方体扰流柱的上下表面均设有蒸汽喷口，长方体扰流柱的前后侧面上设有连接高压蒸汽管路的接口，高压蒸汽管路的接口与蒸汽喷雾器相连；在第一组和第二组半椭圆柱形凸起之间的装置内设置一个C形扰流涡片，该C形扰流涡片位于装置的中心轴线上，在第二组半椭圆柱形凸起后以装置中心轴线为轴上下对称设置两个C形扰流涡片，在第三组半椭圆柱形凸起后的装置中心轴线上布置一个C形扰流涡片，多个C形扰流涡片呈叉排方式布置。

2.根据权利要求1所述的蒸汽相变与湍流团聚耦合的团聚装置，其特征在于，长方体扰流柱与烟气入口处的距离、第一个C形扰流涡片与烟气入口处的距离、位于装置中心轴线上的C形扰流涡片到两个对称设置的C形扰流涡片的距离、相邻两组凸起之间的距离四者之比为3：4：6：6；半椭圆柱形凸起的半长轴为团聚装置宽度的1/5。

3.根据权利要求1所述的蒸汽相变与湍流团聚耦合的团聚装置，其特征在于，n=2，第一组半椭圆柱形凸起和第二组半椭圆柱形凸起分别位于整个团聚装置长度的1/4以及11/20处。