CN101780361A - 促进颗粒聚合的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种促进颗粒聚合的方法，在流体流中产生卡门涡街，卡门涡街的尺寸为可使不同粒径的颗粒以不同轨迹被吸入，发生聚合。还公开了一种促进颗粒聚合的装置，设置在除尘器前端的烟道内，包括卡门涡街发生装置、固定装置，所述固定装置设置在烟道壁上，并与卡门涡街发生装置连接。本发明通过产生卡门涡街，促使流体中颗粒有效聚合，提高了颗粒的混合凝聚效果，有效降低后续电除尘器的细微粉尘排放量，且结构简单，成本低。本发明可使后续电除尘器的细微粉尘排放质量浓度减少30％～60％，阻光度降低50％～80％，PM2.5排放减少70％～90％。单台聚合器气体通过阻力不大于200Pa。

Description

促进颗粒聚合的方法与装置

【技术领域】

本发明涉及用于促进或提高在流体流中颗粒聚合的方法和装置。本发明提供一种基于卡门涡街的提高颗粒聚合的方法，以使流体产生大量的卡门涡街，使流体中的颗粒相互作用并有效聚合。本发明还提供一种提高在流体流中颗粒聚合的装置，该装置可安装于电除尘器或布袋除尘器等污染控制设备的进气烟道上，可将微细粉尘聚合成大的颗粒，提高其后的除尘器捕集效率。

【背景技术】

工业生产排放的烟气中常含有大量的可吸入颗粒物(空气动力学当量直径小于10μm的细微颗粒，称PM10)。可吸入颗粒物(PM10)在环境空气中可停留几天甚至数周之久，不仅是造成空气污染、降低大气能见度的主要因素，而且是危害人类健康的杀手。可吸入颗粒物被人体吸入后，会累积在呼吸***中，引发多种疾病。越来越多的研究发现：PM10与冠心病、心肌梗死、高血压和中风(卒中)的发生及死亡的增加密切相关。越细小的颗粒物进入呼吸道的部位越深，对人体的危害越大。粒径小于2μm的颗粒物甚至可以直达肺部，进入肺泡，直接参与血液循环，损伤肺部组织，引起一系列病变。

无论是在发达国家还是在发展中国家，都不同程度地存在着人体暴露于可吸入颗粒物的健康风险。2005年《世界卫生组织空气质量准则》第一次为PM确定了指导值，规定PM10年均值为20μg/m³，PM2.5年均值为10μg/m³。全世界的环境保护机构都在日益重视控制可吸入颗粒物的排放。目前在除尘领域较为常用的静电除尘器对粒径大于10μm的颗粒的捕集效果较好，效率通常可达99.9％，而对PM10，特别是粒径为0.5μm～2μm的细微颗粒捕集效果却很差，一般低于90％，最坏时甚至低于50％，如要提高效率则需增加电场数量或降低风速；布袋除尘器处理可吸入颗粒时也需降低过滤速度，这些均导致既增加成本又增加占地面积，对布袋除尘器而言，还会增大气体阻力，增加能源消耗。

为解决以上问题，多家公司和研究机构提出了在除尘器前使细微颗粒聚合的预处理方法。这种方法不同于上世纪70～80年代的预荷电技术。聚合是气体中的悬浮颗粒在相互接触过程中发生聚结的现象。但是，目前的聚合装置对粒子的混合凝聚效果较差，使后续电除尘器的细微粉尘排放量还是很高。

【发明内容】

本发明的目的就是解决现有技术中的问题，提出一种促进颗粒聚合的方法与装置，能够提高颗粒的混合凝聚效果，降低后续除尘器的细微粉尘排放量。

为实现上述目的，本发明提出了一种促进颗粒聚合的方法，在流体流中产生卡门涡街，卡门涡街的尺寸为可使不同粒径的颗粒以不同轨迹被吸入，发生聚合。

作为优选，卡门涡街脱体涡轴线垂直于流体流主运动方向。扰流效果最佳。

作为优选，所述卡门涡街由周期性的脱体涡形成。扰流效果最佳。

为实现上述目的，本发明还提出了一种促进颗粒聚合的装置，包括卡门涡街发生装置、固定装置，所述固定装置设置在烟道壁上，并与卡门涡街发生装置连接。

作为优选，所述卡门涡街发生装置包括至少一排柱体阵列，每排柱体阵列中的柱体采用连杆连接在一起。结构简单，产生卡门涡街的效果好，连接后保持柱体稳定。

作为优选，所述卡门涡街发生装置包括两排柱体阵列，前排为n根柱体，后排为与前排交错分布的n-1根柱体，所述导流板设在后排柱体阵列的柱体中心连线上，所述n≥2。产生卡门涡街的效果最佳，且导流板的导流效果最好。

作为优选，所述柱体阵列采用圆柱阵列、角钢阵列、边缘锋利叶片阵列中的至少一种。这3类柱体制作方便，成本低。

作为优选，还包括连接件，所述卡门涡街发生装置通过连接件与固定装置相连。所述卡门涡街发生装置通过连接件与固定装置相连，保持卡门涡街发生装置的稳定。

本发明的有益效果：本发明通过产生卡门涡街，促使流体中颗粒有效聚合，提高了颗粒的混合凝聚效果，有效降低后续电除尘器的细微粉尘排放量，且结构简单，成本低。本发明可使后续电除尘器的细微粉尘排放质量浓度减少30％～60％，阻光度降低50％～80％，PM2.5排放减少70％～90％。单台聚合器气体通过阻力不大于200Pa。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

【附图说明】

图1为本发明促进颗粒聚合的装置的结构示意图；

图2为本发明促进颗粒聚合的装置的横向剖视图。

【具体实施方式】

参阅图1、2，促进颗粒聚合的装置，设置在除尘器6前端的烟道1内，包括卡门涡街发生装置4、固定装置、连接件3、导流板7，所述固定装置设置在烟道1壁上，烟道1的内壁上设有导流板7，该固定装置可设置在卡门涡街发生装置4的上端、下端中的至少一端，本实施例在上端采用悬吊绝缘子2作为固定装置，卡门涡街发生装置4通过连接件3悬吊在悬吊绝缘子2的下端。连接件3采用矩形钢管，导流板7采用“V”形板或角钢。

卡门涡街发生装置4包括两排柱体阵列，前排为n根柱体，后排为与前排交错分布的n-1根柱体，所述导流板设在后排柱体阵列的柱体中心连线上，所述n≥2。例如：前排为4根柱体8，后排为与前排交错分布的3根柱体8，每排柱体阵列中的柱体8采用连杆5连接在一起。所述导流板7设在后排柱体阵列的柱体中心连线上。

本发明基于以下认识：

若流动中粒子运动存在速度和/或方向差异，则粒子就会发生接触凝并。流体的旋转(涡旋或半涡旋)最利于大小不同、质量不等粒子的接触。涡旋中，流体方向时时变化，内外圈的流动速度廻然不同，因此兼有速度差和方向差。所以在流体中创造涡旋就会促进颗粒凝并。涡旋数量越多、旋转强度越大越能促进粒子的接触，提高粒子的凝并概率，同时涡旋越稳定、持久，越能强化粒子的凝并。

流体绕过非流线形物体时，物体尾流左右两侧产生的成对的、交替排列的、旋转方向相反的反对称涡旋，这种涡旋群就是卡门涡街。其特点如下：

1、涡旋分布有规律、且比较稳定。

2、涡旋脱离其赖以发生的“柱状体”之后，并不消失，而是持续向下游行进，形成纵向涡列，势头仍然强劲，持续时间久，延续路程长。

3、流体中的不同物质和/或不同空气动力性能的颗粒将以不同的轨迹响应卡门涡街。

具体而言，如果卡门涡街具有特定的规模和/或尺寸和/或稳定性，不同粒径的颗粒将以不同的轨迹被吸入涡街中，大大提高了颗粒间的碰撞机率，促进颗粒的有效聚合。

本发明涉及使用卡门涡街来操纵不同粒径颗粒的运动轨迹，从而提高颗粒碰撞和相互作用的可能性。

流体绕柱体的流动状态极大地取决于流动雷诺数。雷诺数的定义为：

$\mathrm{Re}=\frac{\mathrm{Ud}}{v}$

其中Re——流动的雷诺数，无量纲；

U——来流速度，m/s；

d——柱体的当量直径，m；

v——流体的运动粘度，m²/s。

当雷诺数从0.1逐渐增加到大约2000时，流动处于层流状态；而当雷诺数处于2000至2×10⁵之间时，这时流动处于从层流向湍流的转换区；当雷诺数大于2×10⁵时，流体出现了分离，流动将变为湍流。

卡门涡街的脱体频率对颗粒聚合的效果有着重要作用，无量纲数——Strouhal数可用于衡量卡门涡街脱体频率，Strouhal数定义为：

$S=\frac{\mathrm{nd}}{U}$

其中S——Strouhal数，无量纲；

n——涡街脱体频率，1/s；

d——柱体当量直径，m；

U——来流速度，m/s。

研究表明：对于单个圆柱体而言，在雷诺数小于500时，Strouhal数随雷诺数增加而增大，而在雷诺数处于500～6000范围内时，Strouhal数基本保持为常数，不再随雷诺数的变化而变花，该常数大约为0.21。在雷诺数处于6000～2×10⁵范围内(亚临界)，Strouhal数略有减小，在更高的雷诺数下(Re＝3×10⁵～3×10⁶)，卡门涡街不再出现，而当雷诺数进一步升高，达到3×10⁶以上时，卡门涡街再次出现，此时的卡门涡街为湍流状态下的卡门涡街。

对于圆柱阵列，上述Strouhal数略有变化。

本发明的实施例中，卡门涡街发生装置4采用的是圆柱阵列，垂直于烟气流布置，如图2所示。

实施例中来流速度U＝12.5m/s，扰流柱直径d＝0.219m，流体粘度v＝6×10^-5m²/s，则Re＝1.05×10⁵。虽然此时流动处于层流与湍流的临界区，但只要有微小扰动，流动就会变成湍流。由于本实施例流动区域中有大量扰动源，而且又含有大量颗粒物，因此，烟气的流动为湍流。故此时产生的卡门涡街为湍流状态下的卡门涡街。

从增加凝聚效果来看，卡门涡街流经混合区的时间越长(即聚合区越长)，细小颗粒与大颗粒的碰撞机会就更多，凝聚效果会更好。但是，太长会增加阻力损失，也会增加设备投资。但后排扰流柱到聚合器末端的长度至少达到脱体涡的一个周期长度1。

1与其它参数的关系如下：

$l=\frac{d}{S}$

其中d为扰流柱(卡门涡街发生装置4中的柱体)的直径，S为Strouhal数。实验表明，产生卡门涡街时，Strouhal数在0.2～0.27。作为近似，如取S＝0.27，则1≈4d。因此，后排扰流柱到聚合器末端的长度需大于扰流柱直径的4倍。本发明的实施例中，聚合区的长度为1.9m，同时满足1.4≤T/d≤3.6，2.2≤L/d≤3.6。此时产生脱体涡直径为0.4m，脱体涡频率为13个/秒的卡门涡街，改变不同粒径颗粒的运动轨迹，并使颗粒发生碰撞、聚合。扰流柱后产生了一定规模、尺寸的卡门涡街，两种不同粒径的颗粒大量混合、碰撞。

虽然本发明已通过参考优选的实施例进行了图示和描述，但是，本专业普通技术人员应当了解，在权利要求书的范围内，可作形式和细节上的各种各样变化。

Claims (8)

1.促进颗粒聚合的方法，其特征在于：在流体流中产生卡门涡街，卡门涡街的尺寸为可使不同粒径的颗粒以不同轨迹被吸入，发生聚合。

2.如权利要求1所述的促进颗粒聚合的方法，其特征在于：卡门涡街脱体涡轴线垂直于流体流主运动方向。

3.如权利要求1所述的促进颗粒聚合的方法，其特征在于：所述卡门涡街由周期性的脱体涡形成。

4.促进颗粒聚合的装置，设置在除尘器前端的烟道内，其特征在于：包括卡门涡街发生装置、固定装置，所述固定装置设置在烟道壁上，并与卡门涡街发生装置连接。

5.如权利要求4所述的促进颗粒聚合的装置，其特征在于：所述卡门涡街发生装置包括至少一排柱体阵列，每排柱体阵列中的柱体采用连杆连接在一起。

6.如权利要求5所述的促进颗粒聚合的装置，其特征在于：所述卡门涡街发生装置包括两排柱体阵列，前排为n根柱体，后排为与前排交错分布的n-1根柱体，所述导流板设在后排柱体阵列的柱体中心连线上，所述n≥2。

7.如权利要求5或6所述的促进颗粒聚合的装置，其特征在于：所述柱体阵列采用圆柱阵列、角钢阵列、边缘锋利叶片阵列中的至少一种。

8.如权利要求7所述的促进颗粒聚合的装置，其特征在于：还包括连接件，所述卡门涡街发生装置通过连接件与固定装置相连。

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