CN107088344B - 一种切圆旋流雾化与声波作用凝并微细颗粒物装置与方法 - Google Patents
一种切圆旋流雾化与声波作用凝并微细颗粒物装置与方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种切圆旋流雾化与声波作用凝并微细颗粒物装置与方法；包括双层筒体；沿双层筒体内壁面阵列分布的凝并扰流子；阵列分布在双层筒体内壁面的凝并扰流子形成旋流凝并区；在双层筒体的烟气进口端的内壁面，阵列并切圆方式布置有多个旋流雾化声波湍流器；旋流雾化声波湍流器围成的截面区域，形成高压旋流区；含尘余热烟气由烟气进口进入高压旋流区时，与旋流雾化声波湍流器产生的湿饱和蒸汽在声波的作用下沿切圆方向有运动并相互撞击，并以切圆的方式螺旋向前运动进入旋流凝并区，在与凝并扰流子碰撞后形成涡流；含尘余热烟气微细颗粒物在声波、相变和湍流的相互耦合作用下，实现凝并分离。
Description
技术领域
本发明涉及气固微细颗粒脱除技术领域，尤其涉及一种切圆旋流雾化与声波作用凝并微细颗粒物装置与方法。
背景技术
工业和车辆排放的废气中含有的微细颗粒已经严重影响人类的健康和污染大气环境。微细颗粒直接或间接携带有毒、有害的物质，一旦进入人体内部组织会对人体身心健康造成严重的危害；同时微细颗粒能够在大气中长时间停留、远距离输送，悬浮在大气中不仅会造成城市和风景区的能见度降低，而且还会产生雾霾现象。因此脱除烟气中的微细颗粒显得极其重要。
煤炭和重油燃烧后排放的颗粒粒径数量分布主要集中在从几纳米到几微米之间。然而，常规除尘器对于超细颗粒特别是粒径在0.1μm～2μm的脱除效率很低，设置预处理设施，通过物理或化学的方法，使微细颗粒物先凝并长大成大颗粒，就能用常规除尘器高效地脱除。
采用单一凝聚技术促进微细颗粒长大至常规除尘器高效脱除的粒径范围有一定难度，而且能耗高、凝并时间长。因此，开发一种基于多种凝并机理的复合凝并装置，联合多种凝并技术共同促进微细颗粒快速凝并长大非常必要。
国内外试验和模拟的研究已经证明声波凝并技术能有效地促进微细颗粒物的凝并，并且联合粒径较大的种子颗粒效果更佳，但是要获得较好的凝并效果需要高的声波强度，有研究表明当声压级达158dB以上，微细颗粒才能发生明显的凝并现象，高的声波强度需要高能耗为代价，同时产生的噪声危害也需要消除。相变凝并是利用过饱和蒸汽在微细颗粒表面发生相变凝并，使微细颗粒粒度增大，但是单靠过饱和水汽在微细颗粒表面的凝并作用，长大至高效除雾器有效脱除的粒径范围3μm～5μm以上有一定的难度，实现高过饱和度所需要的蒸汽消耗成为该技术的难点；湍流凝并技术简单、高效，早已广泛应用于控制微细颗粒物的排放，但是单靠湍流凝并技术促进微细颗粒物长大会造成***较大的压降，能耗大；以上单一强化微细颗粒碰撞和单一增加烟气湿度的方法都存在明显的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种切圆旋流雾化与声波作用凝并微细颗粒物装置与方法。
本发明通过下述技术方案实现：
一种切圆旋流雾化与声波作用凝并微细颗粒物装置，包括如下部件：
双层筒体6；双层筒体6前后端分别为烟气进口1、烟气出口9；
沿双层筒体6内壁面阵列分布的凝并扰流子5；阵列分布在双层筒体6内壁面的凝并扰流子5形成旋流凝并区4；
在双层筒体6的烟气进口1端的内壁面，阵列并切圆方式布置有多个旋流雾化声波湍流器2；旋流雾化声波湍流器2围成的截面区域，形成高压旋流区3；旋流雾化声波湍流器2喷射的是高压射流；含尘余热烟气进入高压旋流区3对高压射流进行加热；
含尘余热烟气由烟气进口1进入高压旋流区3时，与旋流雾化声波湍流器2产生的湿饱和蒸汽在声波的作用下沿切圆方向有运动并相互撞击，并以切圆的方式螺旋向前运动进入旋流凝并区4，在与凝并扰流子5碰撞后形成涡流；含尘余热烟气微细颗粒物在声波、相变和湍流的相互耦合作用下，实现凝并分离。
双层筒体6的内筒为由阵列贯穿分布的筛孔10构成；在双层筒体6的下方设有一收集器7；
湿饱和蒸汽夹带的含尘余热烟气中的颗粒，在与凝并扰流子5碰撞后形成涡流，含尘余热烟气微细颗粒物在声波、相变和湍流的相互耦合作用下，一部分凝并分离后的微细颗粒物由筛孔10进入收集器7，再经收集器7底部的排放口8排出；剩余凝并的微细颗粒从烟气出口9排出，进行后续处理。
所述烟气进口1和烟气出口9的截面面积小于双层筒体6的截面面积；
烟气进口1和烟气出口9与双层筒体6采用渐缩过渡连接。
一种切圆旋流雾化与声波作用凝并微细颗粒物的方法，其包括如下步骤：
步骤一：高压射流流经旋流雾化声波湍流器2的过程中，在旋流雾化声波湍流器2节流、降压、降温的作用下，产生湿饱和蒸汽；
步骤二：高压射流流经旋流雾化声波湍流器2过程中，旋流雾化声波湍流器2产生频率范围为1-10kHz、声压级范围为130-158dB的声波，产生的声波随湿饱和蒸汽一同进入微细颗粒凝并装置；
步骤三：含尘余热烟气流经烟气进口1进入高压旋流区3与旋流雾化声波湍流器2喷出的湿饱和蒸汽相遇时，产生一个沿切圆方向相互撞击与混合的作用，撞击流强化了微细颗粒与湿饱和蒸汽间的混合与凝并，接着由高压旋流区3中心射向旋流凝并区4进入旋流凝并区4；
在旋流凝并区4内跟随旋转的湿饱和蒸汽作快速螺旋向前运动，并且在螺旋向前运动的过程中与湿饱和蒸汽相互卷吸混合，含尘余热烟气中的微细颗粒由于受到离心力的作用而向旋流凝并区4方向继续螺旋前进，与此同时，在凝并扰流子5的扰流作用下产生涡流，含尘余热烟气中夹带的微细颗粒物在声波、相变和湍流的相互耦合作用下实现凝并分离。
凝并分离是指：一部分凝并分离后的微细颗粒物由筛孔10进入收集器7，再经收集器7底部的排放口8排出；剩余凝并的微细颗粒从烟气出口9排出，进行后续处理。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
1、撞击流与相变凝并两者相互促进，能耗低、凝并效率高。含尘烟气在高压旋流区3与旋流雾化声波湍流器2产生的湿饱和蒸汽相撞击，撞击流强化了微细颗粒与湿饱和蒸汽间的混合与凝并，湿饱和蒸汽中的蒸汽迅速在微细颗粒表面发生凝结，表面凝结有水膜的微细颗粒在撞击的过程中进一步碰撞凝并长大，两者作用相互促进。
2、声波凝并与相变凝并两者相互促进，能耗进一步降低，凝并效率进一步提高。高压射流高速通过旋流雾化声波湍流器2时，使旋流雾化声波湍流器2产生的声波随湿饱和蒸汽一同进入凝并装置，由于声波对微细颗粒具有汇聚作用，在波节点的位置颗粒数浓度高，提供了大量可凝结的颗粒表面，有利于过饱和蒸汽在其表面凝结长大，长大后的液滴与烟气中微细颗粒形成宽粒径分布则又促进微细颗粒间的声波凝并，两种作用相互促进。
3、相变凝并与湍流凝并两者相互促进，能耗继续降低、凝并效率继续提高。由于湿饱和蒸汽沿切圆方向喷出，使得烟气在旋流凝并区4内跟随高速旋转的湿饱和蒸汽作快速螺旋向前运动，并且在螺旋向前运动的过程中烟气与湿饱和蒸汽相互卷吸混合，烟气中的微细颗粒由于受到离心力的作用而向凝并装置内壁靠拢，使得凝并装置内壁附近的区域成为一个颗粒高浓度区，高浓度的旋流区提供了大量可凝结的颗粒表面，有利于过饱和水汽在其表面凝结长大，长大后表面凝结有水膜的微细颗粒充当收集核，与其发生碰撞的微细颗粒则很容易被黏附在其表面促进微细颗粒凝并长大，两种作用相互促进。
4、在旋流凝并区内壁附近的区域产生一个颗粒高浓度区，强化了微细颗粒的凝并效果。由于湿饱和蒸汽沿切圆方向喷出，使得烟气在旋流凝并区4内跟随高速旋转的湿饱和蒸汽作快速螺旋向前运动，烟气中的微细颗粒由于受到离心力的作用而向凝并装置内壁靠拢，使得旋流凝并区内壁附近的区域成为一个颗粒高浓度区，高浓度的旋流区增大了微细颗粒间发生碰撞而凝并的机率，强化了微细颗粒的凝并效果。
5、烟气快速绕流凝并扰流子5，强化了微细颗粒的湍流凝并效果。由于湿饱和蒸汽沿切圆方向喷出，使得烟气在旋流凝并区4内跟随高速旋转的湿饱和蒸汽作快速螺旋向前运动，烟气作旋流运动的轨线远大于作直线运动的迹线，使得在同等的进气条件下，烟气作旋流运动绕流凝并扰流子5的速度远大于作直线运动时的速度，绕流速度越大，产涡效果越好，湍流凝并效率越高。
6、烟气绕流凝并扰流子5时产生的涡流沿气流方向螺旋向前运动，流场的湍流强度得到有效地提高，强化了微细颗粒的湍流凝并效果。
7、所述双层筒体6中的内筒体上均匀分布多个筛孔10，外筒体为封闭不锈钢圆柱，部分凝并分离后的微细颗粒物由筛孔10进入外筒体，经收集器7收集，再由排放口8排出，以此脱除烟气中的部分微细颗粒，达到烟气初步净化的效果。
8、旋流雾化声波湍流器2产生的湿饱和蒸汽中的微细湍流液滴，其粒径主要为50～80μm，该粒径的微细湍流液滴进入凝并装置中，在无需额外提供能耗的前提下能进一步提高微细颗粒的凝并效率。
9、高压射流经旋流雾化声波湍流器2时产生一定频率和声压级的声波，与通过外加声源产生声波相对比，简化了凝并装置。
10、高压射流经旋流雾化声波湍流器2时由于节流、降温、降压的作用产生一定压力、温度和干度的湿饱和蒸汽，减少了直接生产高压高温蒸汽的能耗。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为高压旋流区3的圆周面，沿切圆方向喷射的旋流雾化声波湍流器2布置示意图。
图3为旋流凝并区4的圆周面，凝并扰流子5的扰流示意图。
图4为双层筒体6中的内筒，内筒上均匀分布多个筛孔10的分布示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
如图1至4所示。本发明公开了一种切圆旋流雾化与声波作用凝并微细颗粒物装置，包括如下部件：
双层筒体6；双层筒体6前后端分别为烟气进口1、烟气出口9；
沿双层筒体6内壁面阵列分布的凝并扰流子5；阵列分布在双层筒体6内壁面的凝并扰流子5形成旋流凝并区4；
在双层筒体6的烟气进口1端的内壁面，阵列并切圆方式布置有多个旋流雾化声波湍流器2；旋流雾化声波湍流器2围成的截面区域，形成高压旋流区3；旋流雾化声波湍流器2喷射的是高压射流；含尘余热烟气进入高压旋流区3对高压射流进行加热；
含尘余热烟气由烟气进口1进入高压旋流区3时，与旋流雾化声波湍流器2产生的湿饱和蒸汽在声波的作用下沿切圆方向有运动并相互撞击，并以切圆的方式螺旋向前运动进入旋流凝并区4，在与凝并扰流子5碰撞后形成涡流；含尘余热烟气微细颗粒物在声波、相变和湍流的相互耦合作用下，实现凝并分离。
双层筒体6的内筒为由阵列贯穿分布的筛孔10构成；在双层筒体6的下方设有一收集器7；
湿饱和蒸汽夹带的含尘余热烟气中的颗粒，在与凝并扰流子5碰撞后形成涡流，含尘余热烟气微细颗粒物在声波、相变和湍流的相互耦合作用下，一部分凝并分离后的微细颗粒物由筛孔10进入收集器7，再经收集器7底部的排放口8排出，以此脱除烟气中的部分微细颗粒，达到烟气初步净化的效果。剩余凝并的微细颗粒从烟气出口9排出，进行后续处理。
所述烟气进口1和烟气出口9的截面面积小于双层筒体6的截面面积；
烟气进口1和烟气出口9与双层筒体6采用渐缩过渡连接。
本发明旋流凝并区4周向分布的多层凝并扰流子5，当高速旋转的湿饱和蒸汽带动烟气以切圆的方式快速绕流凝并扰流子5时，沿螺旋方向产生一系列尺度不一的涡流，产生的涡流螺旋运动提高了湍流强度，强化了湍流凝并效果；且由于气流在旋流凝并区4内螺旋向前运动，在同等条件下，与直线运动相比运动迹线大大地增长，气流绕流速度极大的提高，速度的提高强化了湍流凝并效果。微细颗粒物在撞击及涡流作用下，产生凝并分离。
如上所述。本发明在微细颗粒表面凝结所用的蒸汽是利用高压射流高速通过旋流雾化声波湍流器时的节流、降压、降温作用产生的湿饱和蒸汽提供的，减少直接生产高压高温蒸汽的能耗；同时，利用高压射流冲击旋流雾化声波湍流器时产生的声波对微细颗粒物进行凝并，与利用外在声源产生声波相对比，简化了微细颗粒凝并装置。采用了旋流雾化声波湍流器喷射的湿饱和蒸汽与含尘烟气相撞击，利用撞击流促进湿饱和蒸汽与微细颗粒的混合凝并，有效地强化了蒸汽在微细颗粒表面的凝结和促进表面凝结有水膜的微细颗粒进一步碰撞长大。
由于湿饱和蒸汽沿切圆方向旋流喷出，使烟气与湿饱和蒸汽相互卷吸混合，并沿着旋流凝并区的内圆周方向螺旋向前，烟气中的微细颗粒由于受到离心力的作用向旋流凝并区内壁靠拢，旋流凝并区内壁附近成为一个颗粒高浓度区，高浓度的旋流区增大了颗粒间发生碰撞而凝并的机率，强化了颗粒的凝并效应。
本发明在保证烟气轴向流速不变或减少的情况下，增大了圆周速度，并以螺旋运动的方式快速绕流凝并扰流子，在凝并扰流子后面产生一系列螺旋运动的涡流，强化了湍流强度。湍流强度的增强和绕流速度的提高，都能强化湍流凝并的效果。
由于旋流雾化声波湍流器产生的湿饱和蒸汽中的微细湍流液滴粒径主要为50～80μm，该粒径的微细湍流液滴进入凝并装置中，在无需额外提供能耗的前提下能进一步提高微细颗粒的凝并效率。
本发明双层筒体，外筒为封闭不锈钢圆柱，内筒为不锈钢筛网，由阵列分布的若干个筛孔构成。外筒与内筒之间具有间隙。部分凝并分离后的微细颗粒物通过筛孔进入收集器收集，再由排放口排出，以此脱除烟气中的部分微细颗粒，达到烟气初步净化的效果。
本发明切圆旋流雾化与声波作用凝并微细颗粒物的方法，可通过如下步骤实现：
步骤一：高压射流流经旋流雾化声波湍流器2的过程中，在旋流雾化声波湍流器2节流、降压、降温的作用下，产生湿饱和蒸汽；
步骤二：高压射流流经旋流雾化声波湍流器2过程中，旋流雾化声波湍流器2产生频率范围为1-10kHz、声压级范围为130-158dB的声波，产生的声波随湿饱和蒸汽一同进入微细颗粒凝并装置；
步骤三：含尘余热烟气流经烟气进口1进入高压旋流区3与旋流雾化声波湍流器2喷出的湿饱和蒸汽相遇时，产生一个沿切圆方向相互撞击与混合的作用，撞击流强化了微细颗粒与湿饱和蒸汽间的混合与凝并，接着由高压旋流区3中心射向旋流凝并区4进入旋流凝并区4；
在旋流凝并区4内跟随旋转的湿饱和蒸汽作快速螺旋向前运动，并且在螺旋向前运动的过程中与湿饱和蒸汽相互卷吸混合，含尘余热烟气中的微细颗粒由于受到离心力的作用而向旋流凝并区4方向继续螺旋前进，与此同时，在凝并扰流子5的扰流作用下产生涡流，含尘余热烟气中夹带的微细颗粒物在声波、相变和湍流的相互耦合作用下实现凝并分离。
凝并分离是指：一部分凝并分离后的微细颗粒物由筛孔10进入收集器7，再经收集器7底部的排放口8排出；剩余凝并的微细颗粒从烟气出口9排出，进行后续处理。以此脱除烟气中的部分微细颗粒，达到烟气初步净化的效果。
本发明双层筒体不仅适合圆柱形结构，也适应矩形或其它截面形状。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种切圆旋流雾化与声波作用凝并微细颗粒物的方法，其特征在于基于切圆旋流雾化与声波作用凝并微细颗粒物装置，包括如下部件：
双层筒体（6）；双层筒体（6）前后端分别为烟气进口（1）、烟气出口（9）；
沿双层筒体（6）内壁面阵列分布的凝并扰流子（5）；阵列分布在双层筒体（6）内壁面的凝并扰流子（5）形成旋流凝并区（4）；
在双层筒体（6）的烟气进口（1）端的内壁面，阵列并切圆方式布置有多个旋流雾化声波湍流器（2）；旋流雾化声波湍流器（2）围成的截面区域，形成高压旋流区（3）；旋流雾化声波湍流器（2）喷射的是高压射流；
双层筒体（6）的内筒为由阵列贯穿分布的筛孔（10）构成；在双层筒体（6）的下方设有一收集器（7）；湿饱和蒸汽夹带的含尘余热烟气中的颗粒，在与凝并扰流子（5）碰撞后形成涡流，含尘余热烟气微细颗粒物在声波、相变和湍流的相互耦合作用下，一部分凝并分离后的微细颗粒物由筛孔（10）进入收集器（7），再经收集器（7）底部的排放口（8）排出；剩余凝并的微细颗粒从烟气出口（9）排出，进行后续处理；
切圆旋流雾化与声波作用凝并微细颗粒物的方法，包括如下步骤：
步骤一：高压射流流经旋流雾化声波湍流器（2）的过程中，在旋流雾化声波湍流器（2）节流、降压、降温的作用下，产生湿饱和蒸汽；
步骤二：高压射流流经旋流雾化声波湍流器（2）过程中，旋流雾化声波湍流器（2）产生频率范围为1-10 kHz、声压级范围为130-158 dB的声波，产生的声波随湿饱和蒸汽一同进入微细颗粒凝并装置；
步骤三：含尘余热烟气流经烟气进口（1）进入高压旋流区（3）与旋流雾化声波湍流器（2）喷出的湿饱和蒸汽相遇时，产生一个沿切圆方向相互撞击与混合的作用，撞击流强化了微细颗粒与湿饱和蒸汽间的混合与凝并，接着由高压旋流区（3）中心射向旋流凝并区（4）进入旋流凝并区（4）；
在旋流凝并区（4）内跟随旋转的湿饱和蒸汽作快速螺旋向前运动，并且在螺旋向前运动的过程中与湿饱和蒸汽相互卷吸混合，含尘余热烟气中的微细颗粒由于受到离心力的作用而向旋流凝并区（4）方向继续螺旋前进，与此同时，在凝并扰流子（5）的扰流作用下产生涡流，含尘余热烟气中夹带的微细颗粒物在声波、相变和湍流的相互耦合作用下实现凝并分离。
2.根据权利要求1所述切圆旋流雾化与声波作用凝并微细颗粒物的方法，其特征在于，所述烟气进口（1）和烟气出口（9）的截面面积小于双层筒体（6）的截面面积；
烟气进口（1）和烟气出口（9）与双层筒体（6）采用渐缩过渡连接。
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