本發(fā)明涉及工業(yè)煙塵顆粒物排放控制的技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種霧化湍流團(tuán)聚顆粒物的裝置及方法。

背景技術(shù)：

燃煤煙氣顆粒物污染是當(dāng)前社會(huì)普遍關(guān)注和環(huán)境污染治理的重點(diǎn)。燃煤煙氣中細(xì)顆粒物(空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于2.5μm，簡稱PM2.5)難以被傳統(tǒng)除塵設(shè)備脫除且易被人體吸收，因而造成嚴(yán)重的大氣環(huán)境污染。目前我國大多數(shù)燃煤電站鍋爐以及工業(yè)爐窯采用靜電除塵裝置進(jìn)行煙氣顆粒物控制脫除，脫除效率可高達(dá)99％以上，但靜電除塵設(shè)備對(duì)細(xì)顆粒物的脫除效果不好，以顆粒數(shù)計(jì)約有90％以上細(xì)顆粒物被排放至大氣環(huán)境。細(xì)顆粒物的團(tuán)聚技術(shù)是有效提高細(xì)顆粒物捕獲效率的新型預(yù)處理技術(shù)，主要通過物理或化學(xué)作用促進(jìn)細(xì)顆粒物的碰撞團(tuán)聚長大，進(jìn)而提高細(xì)顆粒物的捕獲效率，包括湍流團(tuán)聚、聲波團(tuán)聚、電團(tuán)聚、磁團(tuán)聚以及蒸汽相變等。其中，湍流團(tuán)聚技術(shù)因結(jié)構(gòu)簡單、適用性強(qiáng)而具有發(fā)展前景，但采用單一物理或化學(xué)作用的團(tuán)聚方法對(duì)細(xì)顆粒物的團(tuán)聚效果有限。因而，開發(fā)一種新型的高效霧化湍流團(tuán)聚顆粒物的裝置及方法具有十分重要的意義。

授權(quán)公告號(hào)為CN103768886B的專利文件公開了一種多場協(xié)同細(xì)顆粒物高效脫除裝置及其方法，該裝置順次連接外場凝并區(qū)、直流預(yù)收塵區(qū)、脈沖荷電凝并區(qū)和直流收塵區(qū)，通過相變凝結(jié)技術(shù)、化學(xué)團(tuán)聚絮凝機(jī)制和電凝并技術(shù)相結(jié)合的多場協(xié)同作用脫除細(xì)顆粒物。該方法設(shè)備較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要消耗大量飽和水蒸氣、團(tuán)聚劑和電能，因而成本較高，實(shí)際操作復(fù)雜。

授權(quán)公告號(hào)為CN102000472B的專利文件公開了一種促進(jìn)顆粒物相互作用的裝置及方法，該裝置沿?zé)煔鈦砹鞣椒ㄒ来尾贾脤?dǎo)流段和混合段，導(dǎo)流段包含導(dǎo)流葉片，混合段包含葉形、“s”形等形狀產(chǎn)渦葉片，煙氣產(chǎn)渦葉片后產(chǎn)生湍流擾動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)煙氣中微細(xì)顆粒與較大顆粒的碰撞團(tuán)聚。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，可操作性強(qiáng)，但僅采用湍流聚并作用而未考慮碰撞顆粒表面特性，因而顆粒團(tuán)聚效果不足，進(jìn)而導(dǎo)致顆粒物的脫除效率較低。

申請(qǐng)公布號(hào)為CN105597477A的專利文件公布了一種脫除燃煤鍋爐煙氣細(xì)顆粒物的裝置，該裝置按工藝流程布置于脫硫設(shè)備之后，沿?zé)煔饬飨蛞来卧O(shè)置煙氣蒸汽引射器、蒸汽相變團(tuán)聚室、湍流團(tuán)聚室和除霧器，通過協(xié)同蒸汽相變與湍流擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)細(xì)顆粒物的碰撞團(tuán)聚。該方法操作簡單，適應(yīng)性強(qiáng)，但裝置較復(fù)雜，且需考慮是否具有足夠空間進(jìn)行布置，因而推廣不易。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種霧化湍流團(tuán)聚顆粒物的裝置及方法，結(jié)構(gòu)簡單、團(tuán)聚效果好、具有可推廣性。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種霧化湍流團(tuán)聚顆粒物的裝置，包括內(nèi)部形成煙氣通道的外殼，外殼內(nèi)部沿?zé)煔饬鲃?dòng)方向順次布置的煙氣換熱器、導(dǎo)流葉片、雙流體噴射霧化段和湍流團(tuán)聚段；所述的煙氣換熱器用于降低含塵煙氣的溫度到T，T不高于含塵煙氣中水蒸氣的冷凝溫度；所述的導(dǎo)流葉片為多個(gè)具有流線型外輪廓且通過連接于煙道側(cè)面的聯(lián)動(dòng)控制裝置進(jìn)行整體或部分旋轉(zhuǎn)調(diào)整的導(dǎo)流曲面；用于調(diào)整流向使含塵煙氣中顆粒物流動(dòng)方向與煙氣流動(dòng)方向趨于一致；所述的雙流體噴射霧化段包括供氣管路、供水管路以及雙流體噴嘴；連接供氣管路和供水管路的雙流體噴嘴噴射方向與煙氣流動(dòng)方向平行；所述的湍流團(tuán)聚段包括若干順排或錯(cuò)排布置的擾流元件，每一擾流元件兩端固定于外殼內(nèi)壁上；所述的擾流元件包括以煙氣方向?yàn)閷?duì)稱軸對(duì)稱設(shè)置的邊界板，邊界板前端固定連接。

優(yōu)選的，以垂直煙氣流向?yàn)樾?，平行煙氣流向?yàn)榱校龅膶?dǎo)流葉片由m₁行和n₁列流線型導(dǎo)流曲面組成，m₁和n₁為自然數(shù)，m₁＝1，n₁≥4；導(dǎo)流曲面為沿?zé)煔饬飨蚬饣^渡的曲面。

進(jìn)一步，所述的湍流團(tuán)聚段由m₂行和n₂列擾流元件組成，擾流元件順排或錯(cuò)排布置，m₂和n₂為自然數(shù)，m₂≥n₂，n₂≥n₁。

再進(jìn)一步，所述的擾流元件沿?zé)煔饬鲃?dòng)方向相鄰行的縱向節(jié)距s不小于1.5倍擾流元件沿?zé)煔饬鲃?dòng)方向的最大尺寸l。

優(yōu)選的，聯(lián)動(dòng)控制裝置包括聯(lián)動(dòng)控制軸和控制電機(jī)，所述的每一導(dǎo)流曲面均通過聯(lián)動(dòng)控制軸連接于兩側(cè)的外殼內(nèi)壁，且聯(lián)動(dòng)控制軸的一端連接控制電機(jī)進(jìn)行導(dǎo)流葉片的整體或部分旋轉(zhuǎn)調(diào)整。

優(yōu)選的，所述的雙流體噴嘴等間距布置且霧化角θ≥60°，霧化液滴的平均粒徑d范圍為30～60μm。

優(yōu)選的，所述的雙流體噴嘴布置數(shù)量與導(dǎo)流曲面數(shù)量相同，且雙流體噴嘴位置與導(dǎo)流曲面后沿相距距離a為20～50cm。

優(yōu)選的，邊界板的后端沿?zé)煔夥较蜷_設(shè)有多個(gè)槽口，邊界板沿?zé)煔饬飨虺蕛?nèi)凹或外凸的流線型。

優(yōu)選的，所述的擾流元件由氟塑料制成，其橫截面形狀均呈Y形、U形、半圓柱形、梭形和V形中的任意一種；當(dāng)擾流元件的橫截面形狀均呈Y形時(shí)，所述的擾流元件還包括沿對(duì)稱軸設(shè)置在邊界板的前端的導(dǎo)流板。

一種霧化湍流團(tuán)聚顆粒物的方法，基于上述的霧化湍流團(tuán)聚顆粒物的裝置，包括如下步驟，

步驟1，將所述裝置布置于燃煤電站或工業(yè)爐窯除塵設(shè)備之前，將含塵煙氣通過煙氣換熱器，使含塵煙氣溫度降低至T，T不高于含塵煙氣中水蒸氣的冷凝溫度，再經(jīng)導(dǎo)流葉片調(diào)整流向使含塵煙氣中顆粒物流動(dòng)方向與煙氣流動(dòng)方向趨于一致；

步驟2，經(jīng)過降溫和流向調(diào)整后的含塵煙氣通過雙流體噴射霧化段，沿?zé)煔夥较蛄鲃?dòng)的顆粒物與具有橫向速度的霧化液體發(fā)生碰撞；經(jīng)過如下的顆粒物表面改性，增強(qiáng)顆粒的表面粘附性；

a.非細(xì)顆粒表面出現(xiàn)細(xì)顆粒直徑等級(jí)液滴的表面改性；

b.細(xì)顆粒粘附于非細(xì)顆粒直徑等級(jí)液滴的表面改性；

步驟3，經(jīng)過表面改性后的顆粒在湍流團(tuán)聚段進(jìn)行兩種類型團(tuán)聚；

1)邊界層團(tuán)聚；煙氣經(jīng)過擾流元件前端產(chǎn)生流動(dòng)邊界層，細(xì)顆粒因邊界層影響產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)滯后與橫向遷移，非細(xì)顆粒在慣性和攔截作用下與細(xì)顆粒發(fā)生碰撞，在流動(dòng)邊界層發(fā)生湍流團(tuán)聚；

2)渦街團(tuán)聚；煙氣流經(jīng)擾流元件后沿產(chǎn)生渦街，細(xì)顆粒隨旋渦運(yùn)動(dòng)而非細(xì)顆粒因慣性產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偏離，不同粒徑顆粒因運(yùn)動(dòng)差異而產(chǎn)生碰撞，在渦街發(fā)生湍流團(tuán)聚；

步驟4，顆粒物經(jīng)過湍流碰撞團(tuán)聚后團(tuán)聚長大，形成霧化湍流團(tuán)聚顆粒物，通過除塵設(shè)備脫除。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

本發(fā)明在湍流團(tuán)聚原理的基礎(chǔ)上，協(xié)同采用降溫霧化技術(shù)，即通過煙氣換熱器和雙流體噴射霧化段對(duì)煙氣顆粒物進(jìn)行表面改性處理，增加顆粒表面粘性，可促進(jìn)在湍流團(tuán)聚段發(fā)生碰撞后顆粒物的粘附概率，尤其有利于提升細(xì)顆粒物的團(tuán)聚長大效果，具有高效率的特點(diǎn)。

進(jìn)一步的，本發(fā)明湍流團(tuán)聚段布置有一系列采用氟塑料制作的擾流元件，擾流元件的材料、大小、形狀和位置等參數(shù)共同決定煙氣中不同粒徑顆粒的流體力學(xué)特性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同粒徑顆粒的高效碰撞，具有較強(qiáng)可控性。

進(jìn)一步的，本發(fā)明中雙流體噴射霧化段所用供氣介質(zhì)為壓縮空氣，所用供水介質(zhì)可為普通水、脫硫廢水和除塵濾后水，價(jià)格低廉，操作簡單，同時(shí)還有利于燃煤電站和工業(yè)爐窯的資源再利用，可減少工業(yè)廢水的排放。

進(jìn)一步的，本發(fā)明中導(dǎo)流曲面采用聯(lián)動(dòng)控制軸進(jìn)行連接，導(dǎo)流葉片可進(jìn)行整體旋轉(zhuǎn)微調(diào)，有利于實(shí)現(xiàn)燃煤電站或工業(yè)爐窯不同負(fù)荷下含塵煙氣流向的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，進(jìn)而增強(qiáng)細(xì)顆粒物團(tuán)聚效果，因而具有動(dòng)態(tài)可調(diào)性。

本發(fā)明所述方法，采用的降溫霧化協(xié)同湍流團(tuán)聚促進(jìn)顆粒物團(tuán)聚長大技術(shù)不需要對(duì)現(xiàn)有除塵設(shè)備進(jìn)行改變，且對(duì)現(xiàn)有電站或工廠整體布局改動(dòng)不大，所發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，適用于水泥、鋼鐵、陶瓷以及燃煤電站等的煙塵排放行業(yè)，細(xì)顆粒物的團(tuán)聚效果好，具有很好的應(yīng)用發(fā)展前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明湍流團(tuán)聚段Y型擾流元件的示意圖。

圖3為本發(fā)明湍流團(tuán)聚段內(nèi)凹V型擾流元件的示意圖。

圖4為本發(fā)明湍流團(tuán)聚段外凸V型擾流元件的示意圖。

圖5為本發(fā)明雙流體霧化噴射段的霧化效果示意圖。

圖6為本發(fā)明擾流元件促進(jìn)顆粒物團(tuán)聚的原理示意圖。

圖中：外殼1，煙氣換熱器2，導(dǎo)流葉片3，雙流體霧化噴射段4，湍流團(tuán)聚段5，聯(lián)動(dòng)控制軸6，控制電機(jī)7，空壓機(jī)8，計(jì)量泵9，儲(chǔ)液箱10，雙流體噴嘴11，擾流元件12。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，所述是對(duì)本發(fā)明的解釋而不是限定。

如圖1所示，本發(fā)明裝置主體結(jié)構(gòu)包括優(yōu)選為矩形截面的外殼1、煙氣換熱器2、導(dǎo)流葉片3、雙流體霧化噴射段4和湍流團(tuán)聚段5。煙氣換熱器2為間壁式換熱器，換熱器管道可為光滑圓管或螺旋翅片管。導(dǎo)流葉片3為多個(gè)具有流線型外輪廓的導(dǎo)流曲面，且導(dǎo)流曲面可通過連接于殼體1煙道側(cè)面的聯(lián)動(dòng)控制軸6和控制電機(jī)7進(jìn)行旋轉(zhuǎn)調(diào)整，優(yōu)選的進(jìn)行微調(diào)。雙流體霧化噴射段4包括空壓機(jī)8供氣的供氣管路、計(jì)量泵9和儲(chǔ)液箱10供水的供水管路以及雙流體噴嘴11。湍流團(tuán)聚段5包含一系列順排或錯(cuò)排布置的擾流元件12。

實(shí)際操作時(shí)，工作人員調(diào)整煙氣換熱器2中冷凝水流量使含塵煙氣溫度降低至到T，T不高于含塵煙氣中水蒸氣的冷凝溫度，并通過控制電機(jī)7經(jīng)聯(lián)動(dòng)控制軸6調(diào)整導(dǎo)流葉片3的角位置，使得煙氣流向經(jīng)過導(dǎo)流葉片后變?yōu)榫鶆蛞恢隆＿M(jìn)一步調(diào)整空壓機(jī)8和計(jì)量泵9運(yùn)行參數(shù)，使雙流體霧化噴嘴11噴射出霧化角θ≥60°且平均粒徑d為30～60μm的霧化液滴，最終煙氣經(jīng)過湍流團(tuán)聚段發(fā)生顆粒團(tuán)聚長大后，通過傳統(tǒng)除塵設(shè)備脫除顆粒物。

上述實(shí)施例中，連接供氣管路和供水管路的雙流體噴嘴11噴射方向與煙氣流動(dòng)方向平行；供氣管路與設(shè)置在殼體1外的空壓機(jī)8連接，所述的供水管路輸入端依次連接計(jì)量泵9和儲(chǔ)液箱10，儲(chǔ)液箱10內(nèi)存儲(chǔ)供水介質(zhì)。雙流體霧化噴射段4中的供水介質(zhì)可為普通水、脫硫廢水、除塵濾后水等工業(yè)用水。

上述實(shí)施例中，以垂直煙氣流向?yàn)樾?，平行煙氣流向?yàn)榱?，?dǎo)流葉片3為m₁行和n₁列流線型導(dǎo)流曲面組成，同時(shí)滿足m₁＝1，n₁≥4；實(shí)際應(yīng)用中，導(dǎo)流葉片3的光滑過渡曲面需要根據(jù)不同進(jìn)口煙氣角度條件下曲面調(diào)整煙氣效果的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化匹配。

上述實(shí)施例中，雙流體噴嘴11的數(shù)量與導(dǎo)流葉片3的數(shù)量相同，且雙流體噴嘴11的位置與導(dǎo)流葉片3的后沿相距距離a范圍為20～50cm。

上述實(shí)施例中，湍流團(tuán)聚段5中的擾流元件12包括以煙氣方向?yàn)閷?duì)稱軸對(duì)稱設(shè)置的邊界板121，邊界板121前端固定連接。改進(jìn)的，邊界板121的后端沿?zé)煔夥较蜷_設(shè)有多個(gè)槽口；邊界板121沿?zé)煔饬飨虺蕛?nèi)凹或外凸的流線型。

擾流元件12截面形狀可為如圖2所示的“Y”形，擾流元件12還包括沿對(duì)稱軸設(shè)置在邊界板121的前端的導(dǎo)流板122。

擾流元件12截面形狀可為“U”形、半圓柱形、梭形、如圖3和圖4所示的具有內(nèi)凹或外凸流線型特征的“V”形中的一種；同時(shí)，擾流元件12的材料可以為聚四氟乙烯(PTFE)、聚全氟乙丙烯(FEP)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)等氟塑料中的一種。

上述實(shí)施例中，以垂直煙氣流向?yàn)樾校叫袩煔饬飨驗(yàn)榱?，湍流團(tuán)聚段5由m₂行和n₂列擾流元件12組成，擾流元件順排或錯(cuò)排布置，并且滿足m₂≥n₂，n₂≥n₁；同時(shí)，擾流元件12滿足縱向節(jié)距s不小于1.5倍擾流元件沿?zé)煔饬鲃?dòng)方向的最大尺寸l。

上述實(shí)施例中，雙流體霧化噴射段4的霧化效果如圖5所示，含塵煙氣經(jīng)降溫和流向調(diào)整后通過霧化噴淋的雙流體噴射霧化段4，因霧化角較大且霧化粒徑適中，沿?zé)煔夥较蛄鲃?dòng)的顆粒物與具有橫向速度的霧化液體發(fā)生碰撞，經(jīng)過顆粒物表面改性機(jī)制后，非細(xì)顆粒表面將出現(xiàn)較多細(xì)顆粒直徑等級(jí)的微小液滴以及細(xì)顆粒粘附于非細(xì)顆粒直徑等級(jí)的較大液滴，進(jìn)而增強(qiáng)顆粒的表面粘附性。

上述實(shí)施例中，湍流團(tuán)聚段5的湍流團(tuán)聚機(jī)理如圖6所示，經(jīng)過表面改性后的顆粒物在湍流團(tuán)聚段進(jìn)行兩種類型團(tuán)聚。1)邊界層團(tuán)聚：含塵煙氣經(jīng)過擾流元件12前端后產(chǎn)生流動(dòng)邊界層，細(xì)顆粒受邊界層影響產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)滯后與橫向遷移，而非細(xì)顆粒則在慣性和攔截作用下與細(xì)顆粒發(fā)生碰撞；2)渦街團(tuán)聚：煙氣流經(jīng)擾流元件12后沿將產(chǎn)生渦街，細(xì)顆粒隨旋渦運(yùn)動(dòng)而非細(xì)顆粒因慣性產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偏離而不隨旋渦運(yùn)動(dòng)，不同粒徑顆粒因運(yùn)動(dòng)差異而產(chǎn)生碰撞。顆粒物經(jīng)過湍流碰撞團(tuán)聚機(jī)制后團(tuán)聚長大，形成霧化湍流團(tuán)聚顆粒物，最終通過傳統(tǒng)除塵設(shè)備脫除。

具體實(shí)施過程中，導(dǎo)流葉片3的數(shù)量、曲面特征、調(diào)整極限以及位置等參數(shù)通過數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行初步預(yù)測(cè)，進(jìn)而根據(jù)實(shí)際煙氣流動(dòng)狀況進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整；雙流體霧化噴射段4的霧化效果通過煙氣中顆粒物的流動(dòng)特征和物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以增加顆粒物表面粘附特性；湍流團(tuán)聚段5中擾流元件12的形狀、尺寸、橫向節(jié)距、縱向節(jié)距通過數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，通過確定擾流元件12產(chǎn)生的旋渦特性、邊界層特性以及對(duì)主流煙氣影響，進(jìn)而確定顆粒物的團(tuán)聚效率。本發(fā)明裝置可根據(jù)電廠或工業(yè)爐窯的煙氣流量、機(jī)組負(fù)荷、燃燒條件等進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，進(jìn)而促進(jìn)顆粒物相互作用效果保持最佳狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)燃燒煙氣顆粒物的潔凈排放。