CN102380275A - 一种除尘装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种带有水雾化装置的旋风除尘装置及这种除尘装置的使用方法。本发明的除尘装置主要由旋风除尘器组成，在装置中除有旋风除尘器外还设置有水雾化装置，所述的水雾化装置的水雾出口与混合室的内部连通，混合室的上游连通待处理气体管道，混合室的下游与旋风除尘器的进风口连通。本发明的装置中所设置的超声水雾化器为电声换能超声波雾化装置，其所产生的液滴粒径小于等于5.0μm。

Description

一种除尘装置及方法

技术领域

本发明涉及除尘装置，特别是一种工业除尘装置，确切讲本发明是一种带有水雾化装置的旋风除尘装置；本发明还涉及这种除尘装置的使用方法，即具体使用本发明的除尘装置时对装置的具体工艺参数的控制。

背景技术

粉尘污染是大气污染的重要部分，现有技术中可采用的除尘器主要有旋风除尘器、袋式除尘器、湿式除尘器、静电除尘器等。其中静电除尘器优点是气流阻力小，分离效率高，但也存在一次性投资较大，设备钢材消耗量大，运行成本较高的缺点。湿式除尘器可以处理高温、高湿、高比电阻、粘结性大的粉尘和某些有害气态污染物，但耗水量大，并且不利于粉尘的回收等。袋式除尘器效果较好，但存在着过滤速度较低，体积庞大、耗钢量大、受滤袋材质影响、且滤袋寿命短、运行费用高，特别是在运行中压力损失大、耗能高的不足影响其推广与运用。综合考虑设备投资、运行、维护费用，现有技术中旋风除尘器是利用离心力分离出粉尘粒子，这是一种结构简单，体积小，制造费用低，维护、修理方便、易于敷设耐磨、耐腐蚀内衬，可净化腐蚀性粉尘的除尘器，成本远远少于其他的除尘设备，且有使用寿命长的优点。但旋风除尘装置也存在着分离效率相对较低，同时旋风除尘器还存在着对粒径较小的颗粒，特别是小于5微米的法粒处理能力差的不足，因此在现有技术中旋风除尘器不适于处理含有较小颗粒的粉尘气体。

研究表明，粉尘颗粒越小对人体健康的危害越大，尤其是粒径小于10μm的可吸入颗粒会在肺中沉积，影响人体健康。粉尘中的超细颗粒(空气动力学直径小于2.5μm)易于富集空气中的重金属、酸性氧化物、有机污染物、细菌和病毒等，其对人体健康的危害远高于粗颗粒物。因此，控制粉尘污染，尤其是控制超细颗粒的排放具有重要意义。

众多学者研究了超细颗粒难以捕集的原因。B.Wang等(参见Wang B.，YuA.B.Computational investigation of the mechanisms of particle separation and“Fish-Hook”phenomenon in hydrocyclones.American Institute of ChemicalEngineers J.2010，56：1703-1715)分析了在水力旋流内超细颗粒难以捕集分离的原因：如图1所示，随着粒径的减小，压力梯度力和离心力没有太大变化，并且二者大小接近，使颗粒在径向处于平衡状态。随着粒径的减小，流体曳力激增，受力平衡状态被破坏，超细颗粒被流体带走。由此可见巨大的流体曳力是造成超细颗粒捕集效率低的根本原因。若能将超细颗粒粒径增大，则可以使颗粒所受流体曳力成几何级数趋势下降，从而大幅提高超细颗粒的捕集效率。

正是由于上述原因，现有技术中出现众多的使粉尘中颗粒粒径长大的方法，最为典型的是液滴雾化方法，由于这种方法具有的费用低廉、设备简单、效果显著等优点日益受到关注。目前，利用液滴雾化的方法捕集超细颗粒的途径主要有传统湿式除尘法和超声波雾化除尘法。传统湿式除尘法是以液滴作为捕尘体，例如采用机械(喷头)喷雾的方法将洗涤液分散成细小的液滴，主要依靠液滴的惯性碰撞、拦截捕获和扩散沉降的形式进行捕尘。对于超细颗粒而言，该捕集过程主要是以液滴的性质来控制的，液滴的粒径、比表面积等成为主要控制因素。陈俊等通过对喷雾团聚过程中，雾滴和颗粒的运动以及相互作用的分析，计算了不同初始条件下对应的团聚平衡直径，得出雾滴初始直径越小团聚效果越好的结论。现多采用的直接喷雾法对超细颗粒粉尘捕集效果不佳，主要原因是水雾的粒径太大(粒径200～600μm)，(参见陈卓楷，陈凡植，周炜煌，等.超声雾化水雾在除尘试验中的应用.广东化工，2006，33(10)：74-77。)

为克服以上技术的不足，出现了利用超声波雾化产生水雾的方法，如采用流体动力超声波雾化，利用高速流体激发共振腔而产生超声波。一般来讲，采用流体动力超声波雾化器，雾化得到的雾滴粒径仍相对仍较大，所以用这一方法对超细颗粒的捕集效果有限。

中国发明专利申请201010100710.3即公开了一种用超声波雾化加袋式除尘装置及除尘方法，该专利中的超声波雾化袋式除尘装置主要部件为除尘器，在袋式除尘器下部设有多个进雾口分别与超声波雾化器连接，每个进雾口连接管上装有一个流量阀。利用该超声波雾化袋式除尘装置除尘过程中，向除尘器中通入微细雾滴，可得到湿态、空隙率较大的滤饼。由于袋式除尘器具有除尘效率高、使用灵活，处理风量可由每小时数百万立方米到每小时数十万立方米、运行比较稳定，较电除尘器的初投资较少，维护方便的优点，加之复合采用的超声雾化装置，使这一专利申请的技术可以克服直接喷雾法的不足，但仍存在袋式除尘器固有的不足。

由以上内容可知，如果能提供一种采用旋风除尘器的除尘装置，使其能充分发挥旋风除尘器的优点，而克服现有技术的不足，提高除尘效率，特别是能用旋风除尘器处理粒径较小的含尘气体，将具有重大的工程技术和社会经济意义。

发明内容

本发明提供一种可克服现有技术不足，可有效捕集小于5μm尘粒有较高粉尘收集效率，并且阻力损失较小，能耗较低的，一次性投资低于现有技术的除尘装置。

本发明的除尘装置主要由旋风除尘器组成，在装置中除有旋风除尘器外还设置有水雾化装置，所述的水雾化装置的水雾出口与混合室的内部连通，混合室的上游连通待处理气体管道，混合室的下游与旋风除尘器的进风口连通。

水雾化装置按照动力方式不同分为两种——流体动力超声波雾化和电声换能超声波雾化。本发明的除尘装置中所设置的水雾化装置可以采用超声水雾化装置，但最好采用电声换能超声波雾化装置。

本发明的除尘装置中所用的电声换能超声波雾化装置在工作时，即在产生水雾时，其工作参数最好调整到使其所生成的液滴粒径小于等于5.0μm，在这一工艺条件下可有最佳粉尘，特别是细微粉尘的收集效果。

本发明的除尘装置使用方法是将进入混合室的含尘气体的粉尘浓度控制在不高于85g/m³，进入混合室的雾气浓度大于7.5g/m³。本发明除尘装置的最佳使用方法是将进入混合室的含尘气体的粉尘浓度控制在不高于76g/m³，进入混合室的雾气浓度为20～25g/³。

由上述内容可知本发明是在现有的旋风除尘装置中加设水雾化装置构成。

本发明采用了近几年来研发出的电声换能超声波雾化技术。电声换能超声波雾化器的工作原理是在超声波发生器上通过一定频率的振荡电流，产生高频电能信号，再通过换能器将其转换为超声机械振动(即超声波)。超声波通过雾化介质传播，在气液界面处形成表面张力波，超声空化作用破坏液体分子作用力，形成雾滴并从液体表面脱出，进而实现液滴的气化，形成过饱和水蒸汽的环境。本发明装置中的最佳实施方式即是利用了电子高频震荡原理，因此可产生分散均匀的小于或等于5μm级的高密度微小液滴流。由于微小液滴的比表面积远远大于粗粒径液滴的比表面积，微小液滴会迅速气化，水蒸汽相对湿度达到饱和，继续向空间内喷入雾化液滴，直至形成相对湿度过饱和的环境。由此可见，本发明在实际应用中已经不是现在使用的水雾，而是由极细小的液滴形成的饱和水蒸汽，通过过饱和水蒸汽的粒子附着于灰尘粒子表面，产生团聚作用，使灰尘粒子“长大”至足以适用旋风除尘器进行处理去除。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：应用雾化技术，特别是电声换能超声波雾化方法将液态水雾化成微小雾粒，构建相对湿度过饱和的环境，在扰动的流场中粉尘颗粒与饱和水蒸汽充分混合，饱和水蒸汽以粉尘颗粒为凝结核液化并附着在粉尘颗粒表面(“云”物理学原理)使粉尘颗粒粒径不断增大。其不仅改善了粉尘颗粒的亲水性能，而且增大了粉尘的体积与重量，起到对超细粉尘颗粒捕集的促进作用。同时，过饱和雾气中的液滴与粉尘颗粒相互碰撞，会发生合并、团聚等微物理过程，产生促进尘粒捕集的作用。另外雾化过程中还会释放大量的负离子与粉尘颗粒等产生静电式反应，更有利于使粉尘的沉降。

本发明可解决现有的旋风除尘装置的不足，充分发挥了旋风除尘装置所具有的优势，并使采用旋风除尘器处理粒径较小的颗粒的粉尘，特别是小于5微米的粉尘成为可能。

本发明有如下优点：

1、可使用旋风除尘器处理粒径细小的粉尘。

2、将经电声换能超声波雾化得到的雾气通入粉尘气体中，可使粉尘颗粒的捕集效率大幅提高，结果表明该方法尤其对于5μm以下的超细颗粒的捕集效果明显。其原因主要是饱和水蒸汽在颗粒表面凝结，超细颗粒粒径“长大”，使颗粒所受的气体曳力大幅下降。

3、在旋风除尘器内加入雾气后，压降大幅降低，能耗显著降低。随着雾气的加入，旋风除尘器内部的气体的切向速度将降低，使旋转速度和涡流强度变小，涡流强度降低就意味着阻力损失的降低，因此能耗更低。

4、分离捕集到的粉尘颗粒含水率增加幅度为0.7～3％，粉尘颗粒仍呈现固体颗粒状态，无明显的液态水或潮湿泥饼存在。对粉尘颗粒的理化性质影响很小，方便简化后期处理、资源化利用等操作。

5、电声换能超声波雾化技术的耗能、耗水较传统方式节省90％。

附图说明

图1为颗粒受力与粒径之间的关系曲线。

图2为本发明的除尘装置示意图，图中：1为含尘气体管道；2为超声波雾化装置；3为混合室；4为测压计；5为粉尘出口；6为旋风除尘装置器；7为出风口；8为阀门；9为风机。

图3为本发明装置与现有旋风除尘器分离效率对比曲线，其中的雾气浓度为25.00g/m³。

图4为本发明装置与现有旋风除尘器分级效率的对比曲线，其中的雾气浓度为25.00g/m³。

图5为本发明装置与现有旋风除尘器的压降曲线，其中的雾气浓度为25.00g/m³。

图6为本发明装置的雾气浓度与分离效率的关系曲线，其中粉尘入口浓度为76.06g/m³。

图7本发明装置在不同雾气浓度条件下与粉尘分级效率的关系曲线，其中粉尘入口浓度为76.06g/m³。

图8为本发明装置雾气浓度与压降的关系，其中的粉尘入口浓度为76.06g/m³。

图9为本发明装置与现有旋风除尘器处理高岭土时，高岭土粉尘入口浓度与分离效率的关系曲线，其中的雾气浓度为25.00g/m³。

具体实施方式

以下为本发明的具体实施例。在以下实施例中，所用的雾化装置为现商品化的电声换能超声波雾化装置，其型号DS-10D48，参数为：雾化量3kg/h、功率250w、电压220v/50Hz、振荡频率为1.7MHz、雾颗粒≤5u m，在下述实施例中通过调整并联设置DS-10D48的数量来控制雾化浓度，如雾化浓度为8.33g/m³时，设置一个设备，雾化浓度为16.67g/m³时，并联设置二个设备，雾化浓度为25,00g/m³时，并联设置三个设备；所用的旋风旋风除尘器为CLT-2.0Y型旋风除尘器。整个装置按图2所示设置安装。

实施例1

本实施例以水泥生料为待用粉尘，分别以粉尘浓度66.22、72.00、76.06、79.39、83.89、88.06g/m³进行实验，实验时的温度为25℃。

实验过程为：打开通风机9，由阀门8控制风速为20m/s，含尘气体由管道1通入旋风分离器6进行分离，洁净气体经由出风口7排出，分离下来的粉尘颗粒由粉尘出口5排出，由进料量和出料量得到不加雾法对不同粉尘入口浓度的分离效率，绘于图3中，参见图3中不加雾的曲线。

在与上述条件相同的条件下，打开超声波雾化器2，调节雾化浓度为8.33、16.67、25.00g/m³进行实验，雾气和含尘气体在混合室3内充分混合均匀，通过“云”物理学、冷凝液化等原理发挥作用。过饱和的雾气冷凝在颗粒表面，发生碰撞团聚，增大颗粒粒径。混合后气体进入旋风除尘器，洁净气体经由出风口排出，分离下来的粉尘颗粒由粉尘出口排出，由进料量和出料量(烘干)得到雾化法对不同粉尘入口浓度的分离效率，绘于图3中，参见图中雾化的曲线。

由图3可见，在加雾和不加雾的两种工况下，旋风除尘器总分离效率与粉尘入口浓度之间的关系。可以看出，随着粉尘入口浓度的增加，不加雾法与雾化法的分离效率曲线均各自呈上升趋势，与其他实验研究结果吻合。同时，在同一粉尘入口浓度下，雾化法分离效率明显高于不加雾法的分离效率。这说明，在加雾条件下，粉尘颗粒与水雾混合，过饱和雾气凝结在颗粒表面，小颗粒团聚、“长大”，使颗粒所受的气体曳力下降，较不加雾条件下分离效率明显提高。另外，颗粒在饱和水蒸汽条件下团聚，已经沉降的颗粒不易被气流再次卷起带走，可以降低二次扬尘强度和发生概率，从而加强颗粒的有效控制，提高捕集效率。

值得注意的是，在低粉尘入口浓度(60～76g/m³)条件下，雾化法分离效率显著提高，提升幅度达到2～3.5％；然而，在较高粉尘入口浓度(80～90g/m³)条件下，效率提高有限，仅为1.2～1.5％。这是因为雾气浓度固定为25.00g/m³，随着粉尘入口浓度增加，单位重量粉尘所含的雾气量相对减少，雾气在颗粒表面凝结不充分，团聚促进效果下降，使得分离效率提高程度有所下降。

实验结束后，将雾化与非雾化实验所得到的样品烘干后，再利用“井”字法取样、过80μm筛，然后采用LS 230型激光粒度分析仪进行粒度分析，得到颗粒的分级效率，绘于图4中。

图4展示的是在不同粉尘入口浓度下，加雾和不加雾对超细颗粒分级效率的影响。雾化法的分级效率均高于不加雾法。低入口浓度条件下二者差距较大，随着粉尘入口浓度的增加，二者差距缩小，与图4结果相符。可以看出，电声换能超声波雾化法对小颗粒分离效率的提升效果要好于大颗粒，原因是在水蒸汽相对湿度饱后继续向空间喷入雾化水雾颗粒，水雾颗粒不再气化并保持粒径为2～4μm，该粒径范围的水雾颗粒对相近粒径粉尘颗粒的碰撞捕捉作用效果明显。这将产生两个效果，首先，冷凝作用会使小颗粒的粒径增加，颗粒所受的气体曳力将大幅下降，而大颗粒所受的气体曳力下降较慢。其次，研究表明，颗粒粒径越小，液桥力与颗粒质量力的比值越大，也就是小颗粒间的液桥力与颗粒质量力的比值大于大颗粒间的液桥力与颗粒质量力的比值，在相同惯性力作用下，两小颗粒间越不易分离。小颗粒团聚效果显著，且不易再次破碎分离，所以就分离效率提升程度而言，小颗粒高于大颗粒。

在前述的雾化与非雾化实验时，用测压计4测得每次试验时旋风除尘器进口与出口的压降，绘于图5中。

由图5可知，两种方法的压降都较平稳，随粉尘入口浓度的增加略有下降。雾化法的压降较不加雾法的压降有明显降低，最大降幅达13.85％，平均降幅13.26％。随着雾气的加入，旋风除尘器内部气体的切向速度将降低，使旋转速度和涡流强度变小，涡流强度降低就意味着阻力损失的降低。同时，颗粒与雾气混合后，颗粒表面有冷凝形成的较小液滴或液膜，当颗粒与旋风筒壁面接触时可起到水力“光滑”效果，减小机械能损失，由于压降与机械能量损失成正比，从而使压降减小。

实施例2

实验用粉尘颗粒与实施例1相同，粉尘入口浓度固定为76.06g/m³，分别以雾气浓度0，8.33，16.67，25.00g/m³进行实验，其他条件不变，测量分离效率和压降的变化情况。

图6展示的是总分离效率与雾气浓度之间的关系，随着雾气浓度的提高，分离效率增长，而增长趋势变缓。雾气浓度从0到16.67g/m³，水雾从无到有，发生“云”物理学等过程，颗粒团聚，粒径增大，分离效率增加较为明显；雾气浓度从16.67g/m³到25.00g/m³，虽然单位重量颗粒的雾气含量相对增高，但分离效率增长趋势减缓。原因可能是对于此粉尘入口浓度，雾气浓度接近饱和，雾气冷凝速率降低，作用效果接近极限。

图7所示的是不同浓度的雾气条件下，旋风除尘器分级效率的变化情况。随着雾气浓度的增加，旋风除尘器的分级效率开始明显提高，后期增幅变缓，符合图8所示规律。可以明显的看出，增加雾化量对于5μm以下的超细颗粒的捕集效果提升明显。例如，PM_2.5的分级效率由38.50％最高提升到61.77％，增幅达到60.44％。而传统喷雾方法在合理的喷雾量与喷射压力条件下对于超细颗粒的捕集效率不足50％。

图8显示的是在不同浓的度雾气条件下，压降的变化情况。随着雾气浓度的提高，压降减小，而减小趋势变缓。雾气浓度从0到8.33g/m³，旋风除尘器的压降迅速减小，从2953.3Pa降低到2612.2Pa，降幅为11.56％。这是因为雾气从无到有，旋风除尘器内涡流强度迅速下降，水力“光滑”作用等原理共同作用，压降减小。

实施例3

实验用粉尘颗粒为高岭土，分别以粉尘浓度59.83、83.67g/m³进行实验。实验步骤与实施例1的b、c方法相同，并绘制图9。

图9所示的是高岭土粉尘入口浓度与分离效率的关系，可以看出图9与实施例1中图3显示的规律基本相同。所以电声换能超声波雾化方法适用于多种粉尘颗粒的捕集分离，具有普适性。

综合以上的实验，可确定相应的处理控制参数为：当待处理含尘气体的流量为20m/s时，进入混合室的含尘气体的粉尘浓度应控制在不高于85g/m³，进入混合室的雾气浓度大于7.5g/m³。而最佳的处理控制参数为：当待处理含尘气体的流量为20m/s时，进入混合室的含尘气体的粉尘浓度控制在不高于76g/m³，进入混合室的雾气浓度为20～25g/m³。当进入混合室的气体流量大于前述数值进，可适当增大雾气的浓度。

以上的实验还表明，采用本发明的方法可以使用旋风除尘器清除现有技术中所不能清除的粒径细小的粉尘，特别是粒径5μm以下的超细颗粒。

Claims (6)

1.一种除尘装置，主要由旋风除尘器组成，其特征是装置中除有旋风除尘器外还设置有水雾化装置，所述的水雾化装置的水雾出口与混合室的内部连通，混合室的上游连通待处理气体管道，混合室的下游与旋风除尘器的进风口连通。

2.根据权利要求1所述的除尘装置，其特征是装置中所设置的水雾化装置为超声水雾化装置。

3.根据权利要求2所述的除尘装置，其特征在于装置中所设置的超声水雾化器为电声换能超声波雾化装置。

4.根据权利要求3所述的除尘装置，其特征在于由电声换能超声波雾化装置产生的水雾中，其液滴粒径小于等于5.0μm。

5.权利要求3或4所述的除尘装置使用方法，其特征在于进入混合室的含尘气体流量为20m/s，进入混合室的含尘气体的粉尘浓度控制在不高于85g/m³，进入混合室的雾气浓度大于7.5g/m³。

6.权利要求5所述的除尘装置使用方法，其特征在于将进入混合室的含尘气体的粉尘浓度控制在不高于76g/m³，进入混合室的雾气浓度为20～25g/m³。

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