CN101797462A - 混合流体颗粒物聚并的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合流体颗粒物聚并的装置和方法，气流管道中通过至少一个子通道隔板纵向隔成多个子通道，将流体分成多个亚流体；每个子通道内分别设有聚并器，聚并器包括设置在子通道内的方框架，所框架上固定有多个Z字型叶片，多个Z字型叶片沿所述子通道纵向布置；Z字型叶片包括沿纵向折成Z字型的板，Z字型的板的两侧分别设有多个齿，Z字型叶片横向布置在子通道内，其一侧的齿朝向子通道内气流来的方向，另一侧的齿背向所述子通道内气流来的方向。在亚流体上游的大尺度湍流之后，创造多个小尺度湍流区域，使得每个亚流体通过其各自的小尺度湍流区，以服从小尺度湍流的运动。够使烟气中较小的颗粒物聚并，从而方便除去。

Description

混合流体颗粒物聚并的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种烟气中微小颗粒的除去技术，尤其涉及一种混合流体颗粒物聚并的装置和方法。

背景技术

在许多工业生产过程中，造成对人体有害的小颗粒物被排放入大气中。在这些颗粒中通常包括容易被人体吸入且富集有毒化合物的非常小的亚微米颗粒物。它们这种毒性和易被吸入性的组合，已经引起各国政府的高度重视，并相继制定严厉的法律，控制直径为微米的颗粒物的排放，特别是直径小于2.5个微米(Pm_2.5)的颗粒物。

大气排放物中较小的颗粒是由空气污染物造成的能见度降低的主要原因，大气的不透明度主要地取决于排放物中细颗粒物的多少。

现有技术中，有各种不同的方法被用来把飞灰和其它的污染物质颗粒物从烟气中去除。一般来说，这些方法很适合把较大的粒子从空气中去除，但是它们对于较小的颗粒物的过滤效率相当低，特别是对于Pm_2.5颗粒。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够使烟气中较小的颗粒物聚并，从而方便除去的混合流体颗粒物聚并的装置和方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的混合流体颗粒物聚并的装置，包括气流管道，其特征在于，所述气流管道中通过至少一个子通道隔板纵向隔成多个子通道，每个子通道内分别设有聚并器，所述聚并器包括设置在所述子通道内的方框架，所述方框架上固定有多个Z字型叶片，所述多个Z字型叶片沿所述子通道纵向布置；

所述Z字型叶片包括沿纵向折成Z字型的板，Z字型的板的两侧分别设有多个齿，所述Z字型叶片横向布置在所述子通道内，其一侧的齿朝向所述子通道内气流来的方向，另一侧的齿背向所述子通道内气流来的方向。

本发明的上述的混合流体颗粒物聚并的装置实现混合流体颗粒物聚并的方法，其特征在于，包括：

首先，将流体分成多个亚流体；

之后，在所述亚流体上游的大尺度湍流之后，创造多个小尺度湍流区域，使得每个亚流体通过其各自的小尺度湍流区，以服从小尺度湍流的运动。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的混合流体颗粒物聚并的装置和方法，由于气流管道中通过至少一个子通道隔板纵向隔成多个子通道，将流体分成多个亚流体；每个子通道内分别设有聚并器，聚并器包括设置在子通道内的方框架，所框架上固定有多个Z字型叶片，多个Z字型叶片沿所述子通道纵向布置；Z字型叶片包括沿纵向折成Z字型的板，Z字型的板的两侧分别设有多个齿，Z字型叶片横向布置在子通道内，其一侧的齿朝向子通道内气流来的方向，另一侧的齿背向所述子通道内气流来的方向。在亚流体上游的大尺度湍流之后，创造多个小尺度湍流区域，使得每个亚流体通过其各自的小尺度湍流区，以服从小尺度湍流的运动。够使烟气中较小的颗粒物聚并，从而方便除去。

附图说明

图1为本发明中子通道的结构示意图；

图2为本发明中Z字型叶片的结构示意图；

图3为本发明混合流体颗粒物聚并的装置的结构示意图；

图4为本发明中Z字型叶片内的区域形成小尺度涡的示意图。

图中：

1、子通道隔板，2、方框架，3、Z字型叶片，4、方框架支柱，5、扰流装置，6、静电除尘器，7、主烟道；

子通道的宽度Hw，叶身沿气流方向的长度Lv，叶身垂直于气流的方向上的宽度Wv，齿深Sa，齿间距Jp，叶片的Z字形折叠角α，相邻叶片的间距Vs。

具体实施方式

本发明的混合流体颗粒物聚并的装置，其较佳的具体实施方式如图1所示：

包括气流管道，所述气流管道中通过至少一个子通道隔板1纵向隔成多个子通道，每个子通道内分别设有聚并器，所述聚并器包括设置在所述子通道内的方框架2，所述方框架2上固定有多个Z字型叶片3，所述多个Z字型叶片3沿所述子通道纵向布置，形成小尺寸涡发生器；

如图2所示，Z字型叶片3包括沿纵向折成Z字型的板，Z字型的板的两侧分别设有多个齿，所述Z字型叶片3横向布置在所述子通道内，其一侧的齿朝向所述子通道内气流来的方向，另一侧的齿背向所述子通道内气流来的方向。

气流管道中可以通过多个子通道隔板1纵向隔成多个子通道，所述多个子通道隔板1平行布置。子通道隔板1可以为实心板或开有通孔的板。子通道隔板1可以为电极板。

Z字型叶片3的Z字形折叠角α可以大于或等于90°，Z字型叶片3的齿的形状可以为矩形、梯形、半球形、阶梯型或三角形中的一种或多种。

具体子通道的宽度为Hw，所述Z字型叶片的叶身沿气流方向的长度为Lv，垂直于气流的方向上的宽度为Wv，相邻两个Z字型叶片沿气流方向的间隔为Vs，Z字型叶片的齿深为Sa，齿间距为Jp；

Vs≥Lv；Vs＝0.5Wv～8Wv；Lv＝0.5Wv～0.8Wv；Hw＝(2.5～25)Wv；Sa＝0.25Wv～2Wv；Hw＝100mm～750mm。

如图3所示，聚并器朝向所述子通道内气流来的方向的一侧的主烟道6内还可以设有扰流装置5，形成大尺寸涡发生器，聚并器后端的主烟道7内还可以设有静电除尘器6等。

本发明的上述的混合流体颗粒物聚并的装置实现混合流体颗粒物聚并的方法，其较佳的具体实施方式如图4所示，包括：

首先，将流体分成多个亚流体；

之后，在所述亚流体上游的大尺度湍流之后，创造多个小尺度湍流区域，使得每个亚流体通过其各自的小尺度湍流区，以服从小尺度湍流的运动。

所述亚流体上游的大尺度湍流可以是管道自身的结构生成的，还可以在亚流体的上游主动生成大尺度湍流。

本发明通过一个不需要能量输入的空气动力学的聚并器，用来增强气体流动中的污染颗粒物的混合和聚并，聚并器包括一个来流的管道，包括管道中一组一样的几乎平直的平板，平板在气流流动的主方向上延伸，而且沿着垂直管道方向几乎分布在整个管道直径范围内，每组平行板之间分隔出了气流通道；通道被设计为有一个(可选)放置在通道上游位置的扰流装置来促进大尺度的湍流；每个通道中有一个装置用来产生小尺度的湍流，它由一组分开的边沿尖锐的连续仿制的叶片组成，叶片分布在一个沿着流体流动的主方向延伸的平面内；实际使用中，气流被分成一组分别穿过各自的亚流体，亚流体中大尺度的湍流使得亚流体得以穿过各自通道中的小尺度湍流的区域，从而使颗粒物服从小尺度的运动，以达到除掉Pm_2.5以下微小颗粒的目的。将主管道分成亚流体的隔板，可以是实心的，也可以制成带有各种孔的均可。为了提高除尘的有效性，隔板可以设计成电极板。其实际实现起来在技术上并没有任何难度，只是需要有一些简单的附属设备。

本发明的装置和方法能够使固体颗粒团聚，以提高流动中的细微颗粒的混合或者反应，无论是与同样尺度或是引进的其它种较大的粒子，就可以做到促进细微颗粒的集聚或被较大的粒子吸附。主要应用于污染控制，从空气流中去除污染物细微颗粒，但也不仅仅限于此。

在首选的实施例中，本发明主要用于气动颗粒结块的方法，其中粒子尺度湍流是用来促进粒子的反应和集聚的，从而方便下一步从空气中过滤或其他方式去除掉颗粒。

本发明的方法能够促进流体中成分的混合，包括一系列在流体中生成大尺度湍流的步骤，并把流体分成一些亚流体；本发明的装置，在每个亚流体中创造一个在一定空间分布的小尺度湍流区域，使得每个亚流体通过其各自的小尺度湍流区，以服从小尺度的湍流的运动。

本发明的装置，包括流体流过的管道，包括在管道中一系列的通道；用于把流体分成亚流体，而亚流体流经各自的通道；包括在通道的上游生成大尺度湍流的方法；包括在每个通道中设置一个装置，用于在附近生成小尺度湍流；在实际应用中，大尺度的湍流使得每个通道中的亚流体穿过小尺度湍流的区域。

每一个装置正好位于靠近各自亚流体的中心地带，而且是由一组间隔开的连续的叶片组成，叶片放置在沿流体流动的主方向延伸的平面内。叶片应该分开放置，但是距离要足够的近，以便生成连续的小尺度涡区。叶片可以放置在一个近乎平的矩形框中，矩形框放置在通道的中心位置，并沿流体流动的主方向延伸。

典型的叶片是细长，其边缘做成齿状形，和流体流动的主方向有倾角，叶片可能带有随意的锯齿之类的边缘部分。装置可能包括多个平行的近乎平的平板，平板沿着流体流动的主方向延伸，并沿垂直管道方向分布。通道是被相邻的平板分割开来。不过，应该说明的是，通道不是必须由固体分隔物来分隔开的，反而可能是每个亚流体分别通过的概念意义上的通道。

在本发明的一个具体化得事例中，管道是空气管道，流体是工业流程废气，而且废气成分中含有污染物颗粒。在这个实例中，发明使用了小漩涡来巧妙的处理了尾气流中携带的微米和亚微米尺度的污染物颗粒的位置，速度和轨迹，增大了他们相互碰撞而聚集成较大的更容易去除的颗粒的可能性，而且增大了他们与为了去除污染颗粒而有意引入尾气中的大颗粒碰撞或反映的可能性。

这一流程包含的基本步骤是：

产生大尺度的湍流流动，尺度适合于在尾气中产生宏观的湍流；

把管道中的烟气流分成各自通道中的亚流体；

使得亚流体服从小尺度湍流运动。

在小尺度湍流的区域中，小尺度湍流沿着通道中心纵向延伸，颗粒物完全被湍流流体带走并服从湍流运动。就是这一湍流增强了小颗粒物之间的碰撞的反应，结果导致了它们的聚合。

上述的大尺度湍流基本上是管道自身的几何结构所导致的，比如，大家熟悉的弯曲、分叉、收缩和突扩等。不过，如果没有足够的大尺度湍流进入通道，附加的大尺度湍流可能被引入到流体当中，附加的湍流通过设置障碍物来产生，比如在管道通道的上游位置放置柱体或偏流板。

当湍流流体被分成各自通道的亚流体时，亚流体也同时服从大尺度湍流的运动，从而，亚流体中的颗粒物穿过各自通道中的小尺度湍流区域，并且服从小尺度的，也就是颗粒物尺度的湍流运动。

本发明中，小尺度湍流这种技巧的应用是违犯常规认识的，大家都知道，在一般情况下，出于节能的目的，人们总是希望气流中的压力降尽可能的小。出于这样的考虑，已知的颗粒物混合***一般都应用大尺度的湍流。不过正如上面所讲，这样的应用是低效能的。是的，小尺度湍流的应用使得颗粒物混合得更好，不过它确实带来了明显的沿流动空间的压力降；而本发明所生成的小尺度湍流，不过是在各自通道的有限区域里，从而使得压力降损失最小化。流体中的对大尺度的湍流确保每个亚流体中的颗粒物能够穿过小尺度湍流区并且服从颗粒尺度的混合。

上述的小尺度湍流，一般都是以小涡的形式存在，这些小涡都是在叶片边缘的尖锐处产生的。更可取的是，丰富多彩的小尺度的、低强度的小涡有能力可以完全的带走单个的小颗粒并且使之服从小尺度湍流的运动，从而使得颗粒物更有效的聚并。小颗粒物也可以和流体中的大颗粒聚并，聚并之后的颗粒物随后可以更容易的使用已知的方法从气流中去除掉。

在另一个具体化的实例中，一种或者更多种的大颗粒物被注入气流中，以便达到去除污染物颗粒的目的。当污染物颗粒接触了被引入的大颗粒物时，它们趋向于与之反应或者与之黏附，这样可以随着大颗粒物一起被从气流中去除掉。

小的污染物颗粒会被小尺度湍流区域的涡带走，而每个亚流体中大的颗粒物却不会，或只会在相当小的程度上受到影响，其余的，也就是介于小颗粒物与大颗粒物之间的颗粒物的运动会导致它们之间更高频率的碰撞，而且小颗粒物(污染物)会和大颗粒物一起被更有效的去除掉。

更可取的是，由漩涡生成的小尺度的湍流流动的斯托克斯数是精心选择的，使得小污染物颗粒会跟随运动而大的则不会。特别是，微细颗粒物远小于1的斯托克斯数可以保证其被小涡充分的携带(St＜＜1)，去除中较大的颗粒物应该具有远大于1的斯托克斯数(St＞＞1)，以便使它们不会被携带，在颗粒物中，气流中生成涡的尺度都基本被控制在10mm，当然也不是绝对。

具体实施例：

再参见图1，这是一个子通道的平面图，从中我们可以了解到小尺度涡发生器的基本结构和它是如何布置的。一般要求：Vs≥Lv；Vs＝0.5Wv～8Wv；Lv＝0.5Wv～0.8Wv；Hw＝(2.5～25)Wv；Sa＝0.25Wv～2Wv；

子通道的宽度Hw也可能处于100mm至750mm，既可以根据主烟道尺寸大小而定。设计原则为：首先确定Wv，其他的几何参数就可以确定了，或是先确定子通道的宽度Hw也可以。

再参见图2，是一产生小尺度涡旋的叶片示意图，叶片边缘齿的形状理论上并没有严格的限制，可以是半球形的、阶梯型和三角型的等等。其Z字型的α角要求要大于90°为好。

再参见图4，十分明显，湍流涡形成在叶片3的折叠处和突出部的尾迹中。通过这样的设计所得到在大部分涡的尺度很接近发生的设计尺度，包括叶身宽Wv，叶身长Lv，齿深Sa和齿间距Jp。重要的是仔细选择被连续布置的叶片的间距Vs，使得在叶片内的区域能够充分的形成小尺度涡。

湍流既小尺度涡区域能环绕在颗粒流动的整个路径上，既叶片组生成的多种多样的小尺度涡应当横贯整个子通道中。然而，虽然叶片组能够被密布在导引烟气的烟道中，但是并不需要将叶片很密集的放置在烟道或其他导管中。

因此，在具体化的装置中，制造生成所需要尺度湍流的结构可以按如下方法被设计和安装：

步骤1、确定要被聚并的颗粒物的粒径分布和密度(包括收集和被收集两种颗粒。收集颗粒是指大颗粒物，被收集颗粒是指微小颗粒物)，包括各尺寸级别颗粒的相对量。(既各占多少百分比)。

步骤2、确定收集颗粒(具有最大滑移速度的颗粒)的颗粒物径分布，密度、形状和颗粒数密度。这些颗粒是自然存在于***中的，或者也可以由人引入。

步骤3、对***进行斯托克斯数分析：

使用方程：St＝Tp/Tb＝PPUdp2/18PL…(1)

一旦颗粒临界尺寸被确定后，就可以进行斯托克斯分析了，因为St数能够被人为设置，并且在斯托克斯方程(1)中除了涡尺寸L，所有其他的参数量都是恒定的(既被假设赋值)。

使用一个迭代过程来确定最佳特性的涡的尺度(L)：

其方法为：使用上述方法定的涡的尺寸L和被收集的颗粒的尺寸来检测被收集颗粒的尺寸来检测被收集颗粒的St数(对低滑移颗粒St＜＜1；高滑移颗粒St＞＞1).使用确定的涡的尺寸L和St＝1来检测中间颗粒的响应。

调整涡的尺寸L，以得到最好的颗粒响应。

一般情况下最优涡的尺寸是很少的，而且主要是在10mm～15mm的量级，不过它也取决于被收集颗粒物的种类以及它们的相关特性。

步骤4确定生成大小涡的发生量的叶片的特尺度，为步骤3中求取的最佳特征涡的尺度。一种更好的方法，叶片的大小将通过斯托克斯数相似确定，这要求缩小叶片的大小尽可能的配合在各种不同条件下分析所得到的收集和被收集颗粒的斯托克斯数，这些条件包括不同的颗粒分布、密度、形状、流动速度以及它的运动粘度。

步骤5、设计一个具有最合适大小和形状的叶片，用以制造步骤4中确定的尺寸的涡，首选的叶片形状应该是半球形的。

如果有必要，一个经验性的“形状因子”可以被用来修正非球形的颗粒。因***的物理属性，设备工作条件所确定的叶片的每一个重要的尺寸都可以是一个范围。然而，一般情况下，个各变量(Wv、Lv、Vs、Jp和Sa)将决定着制造的湍流尺度的大小，形状、强度和频率，而湍流的这些属性将进一步决定其中单个颗粒的滑移和碰撞的程度。所以，叶片的尺寸的间隔是最重要的设计参数。

要使颗粒间要发生足够多的相互作用则每一个颗粒在穿过装置时都至少经历过一次碰撞(越多越好)。对颗粒物来说，这就要求在它们流动方向及垂直于它们的流动方向上有大量的叶片。垂直于颗粒物流动方向的大量叶片是为了保证不会有颗粒从叶片周围没有湍流涡的区域穿过，而在它们流动方向上的大量叶片是为了确保在装置中的流动具有充足的时间使颗粒能够发生大量有效的碰撞。

在具体设备中，在流动方向上的装置长度足够保证气流在该装置中的子通道里有至少0.2s的停留时间从而被其处理，对于典型的10m/s工业气流，这就要求装置的流动方向上至少要有1英尺深(1英尺＝30.5厘米)。叶片组放置的角度并不是一个严的界定值，它可以是水平的，垂直的或者是在这两者之间的某一个角度。

总之，本发明的优点可以设计能够满足颗粒物应用的混合设备，更特别的是，可以得到所需尺度的湍流，使得小粒径污染颗粒能够完全被涡吸收，而大颗粒被这些涡吸入的程度很轻或不受它们的影响。结果大颗粒与小颗粒的滑移速度和轨迹的不同带来了它们之间更多的碰撞。因此，两种颗粒有更多的相互作用(碰撞黏附、吸附、吸收和化学反应)增加了污染颗粒的脱除效率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种混合流体颗粒物聚并的装置，包括气流管道，其特征在于，所述气流管道中通过至少一个子通道隔板纵向隔成多个子通道，每个子通道内分别设有聚并器，所述聚并器包括设置在所述子通道内的方框架，所述方框架上固定有多个Z字型叶片，所述多个Z字型叶片沿所述子通道纵向布置；

所述Z字型叶片包括沿纵向折成Z字型的板，Z字型的板的两侧分别设有多个齿，所述Z字型叶片横向布置在所述子通道内，其一侧的齿朝向所述子通道内气流来的方向，另一侧的齿背向所述子通道内气流来的方向。

2.根据权利要求1所述的混合流体颗粒物聚并的装置，其特征在于，所述气流管道中通过多个子通道隔板纵向隔成多个子通道，所述多个子通道隔板平行布置。

3.根据权利要求2所述的混合流体颗粒物聚并的装置，其特征在于，所述子通道隔板为实心板或开有通孔的板。

4.根据权利要求3所述的混合流体颗粒物聚并的装置，其特征在于，所述子通道隔板为电极板。

5.根据权利要求1所述的混合流体颗粒物聚并的装置，其特征在于，所述Z字型叶片的Z字形折叠角大于或等于90°

6.根据权利要求5所述的混合流体颗粒物聚并的装置，其特征在于，所述Z字型叶片的齿的形状为矩形、梯形、半球形、阶梯型或三角形中的一种或多种。

7.根据权利要求5所述的混合流体颗粒物聚并的装置，其特征在于，所述子通道的宽度为Hw，所述Z字型叶片的叶身沿气流方向的长度为Lv，垂直于气流的方向上的宽度为Wv，相邻两个Z字型叶片沿气流方向的间隔为Vs，Z字型叶片的齿深为Sa，齿间距为Jp；

Vs≥Lv；Vs＝0.5Wv～8Wv；Lv＝0.5Wv～0.8Wv；Hw＝(2.5～25)Wv；Sa＝0.25Wv～2Wv；Hw＝100mm～750mm。

8.根据权利要求1至7任一项所述的混合流体颗粒物聚并的装置，其特征在于，所述聚并器朝向所述子通道内气流来的方向的一侧设有扰流装置。

9.一种权利要求1至7任一项所述的混合流体颗粒物聚并的装置实现混合流体颗粒物聚并的方法，其特征在于，包括：

首先，将流体分成多个亚流体；

之后，在所述亚流体上游的大尺度湍流之后，创造多个小尺度湍流区域，使得每个亚流体通过其各自的小尺度湍流区，以服从小尺度湍流的运动。

10.一种权利要求8所述的混合流体颗粒物聚并的装置实现混合流体颗粒物聚并的方法，其特征在于，包括：

首先，将流体分成多个亚流体；

然后，在所述亚流体的上游主动生成大尺度湍流；

之后，在所述亚流体上游的大尺度湍流之后，创造多个小尺度湍流区域，使得每个亚流体通过其各自的小尺度湍流区，以服从小尺度湍流的运动。

Images