声凝聚与旋风分离联合作用微细颗粒物脱除装置及方法

声凝聚与旋风分离联合作用微细颗粒物脱除装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种声凝聚与旋风分离联合作用微细颗粒物脱除装置及方法，在MIS系统中的每一个终端工作站嵌入本装置，用于对获取的新图像加入不可见的水印，也为终端工作管理和处理图像提供完整性检测和篡改定位分析。该技术方法嵌入并集成到管理信息系统中对图像内容完整性认证并定位被篡改的图像区域，该方法在具体实现时可表现为一个集成的外置硬件。整个装置方案的实现分为二个模块：一是用原始图像生成该图像的特征信息作为水印，水印信息经混沌加密后嵌入到原始图像中，在不增带宽的情况下实现水印信息的不可见性。二是在接收端对含水印医学图像进行水印提取，可对图像进行完整性检测和定位出被篡改的图像区域性，为进一步决策提供有力的支持。
【专利说明】声凝聚与旋风分离联合作用微细颗粒物脱除装置及方法

【技术领域】
[0001]本发明属于排污控制设备制造【技术领域】，涉及一种声凝聚与旋风分离联合作用微细颗粒物脱除装置及方法。

【背景技术】
[0002]可吸入颗粒物是指可通过鼻和嘴进入人体呼吸道的颗粒物的总称，用PMlO表示(空气动力学直径小于10微米的颗粒)。其中更细的为PM2.5(空气动力学直径小于2.5微米)又称为细颗粒物或可入肺颗粒物，它能够进入人体肺泡甚至血液循环系统，直接导致心血管病等疾病。当前可吸入颗粒物污染已经成为突出的大气环境问题，引起世界各国的高度重视。它对人体健康有严重危害，也是导致大气能见度降低、酸沉降、全球气候变化、光化学烟雾等重大环境问题的重要因素。
[0003]现有排放控制技术主要是依据颗粒物的惯性、扩散和静电作用等物理原理，采用旋风除尘、静电除尘和布袋除尘等常规方式脱除颗粒物。这些装置和方法仅对空气动力学直径大于5微米的的颗粒物的脱除具有较高的效率，而对于PM2.5颗粒物脱除效率较低。事实证明，经现有常规排放控制装置处置后的含尘气体可吸入颗粒物数量没有明显的减少，颗粒物总量的质量明显减少了。这是因为颗粒物的数量粒径分布主要集中在PM2.5颗粒物，而质量的粒径分布则主要集中在空气动力学直径大于5微米的颗粒物，现有常规除尘装置对大于5微米的颗粒物除尘效率较高。因此，大量PM2.5微细颗粒物仍未经除尘装置有效脱除排放入大气中。这显然不能满足日趋严峻的环保要求。
[0004]由于旋风分离技术对空气动学直径大于10微米的颗粒物具有良好的分离效率，其产生的旋风气流在空气动力学上具有较为稳定的规律；低频强声在学术界已达成共识，将其施加于含尘气体中，能够通过声波夹带和声波迁移等物理作用使微细颗粒物发生团聚效果，即小颗粒物团聚成为大颗粒物。倘若将以上两种方法相结合，通过低频强声作用于旋风气流，团聚微细颗粒物，再应用旋风分离技术将团聚后的大颗粒物分离出去，即可较为有效的实现PM2.5颗粒物的脱除。
[0005]在现有中检索，得到相关中国专利及文献如下:
[0006]1.专利号:200710132690.6，声波与外加种子联合作用脱除微颗粒物的装置和方法
[0007]2.专利号:200920230547.5，声波团聚复合袋式除尘装置
[0008]3.专利号:201210115860.0，超声团聚PM2.5颗粒的烟气净化装置及其净化方法
[0009]4.专利号:201120494073.2，凝聚式袋式除尘器
[0010]5.专利号:201010201835.5，燃煤超细颗粒物排放控制方法
[0011]6.专利号:201220353968.9，燃煤烟气干湿复合除尘脱硫系统
[0012]7.专利号:201310076993.6，一种除尘方法
[0013]上述检索到的有关颗粒物脱除的专利中，都不能高性价比地实现PM2.5颗粒物的脱除。其中第一、二个专利虽然利用了声波团聚技术，但仅作为除尘的预处理环节，团聚的效率并没有原理性的体现，团聚后的大颗粒物需要依靠后续的传统常规手段进行二次处理，无法作为独立的PM2.5除尘装置；第三个专利采用了超声波团聚技术，由于较低功率下超声除尘效果不佳，在较高功率情况下超声波的能耗又较大，难于持续稳定可靠的脱除PM2.5颗粒物；其余几个专利采用了液体添加剂涉及到了新的污水排放控制问题。


【发明内容】

[0014]本发明的目的在于克服上述技术存在的缺陷，提供一种声凝聚与旋风分离联合作用微细颗粒物脱除装置及方法，在稳定可靠的低频强声声源下，采用声波和旋风分离联合作用的方法，能够有效脱除粒径范围在PM2.5细微颗粒物，脱除效率可达80%以上。其具体技术方案为:
[0015]一种声凝聚与旋风分离联合作用微细颗粒物脱除装置，包括可调制气流声波发生器1、声波凝聚舱2、烟气接收器3、沉降室4 ;可调制气流声波发生器I连接声波凝聚舱2头部；含尘气流进口的垂直烟道5的一端从声波凝聚舱2后上方接入；声波凝聚舱2的尾部与烟气接收器3 —端连接；烟气接收器3的另一端连接沉降室4 ;所述可调制气流声波发生器I由调制气流声源6、功率放大器7、信号发生器8、活塞式轴向长度调节器9、号筒10、透声板11组成；稳定的高速气流进入调制气流声源6，将流体能量转化为声能；声源产生的强声波通过号筒10与声波凝聚舱2通过透声板11连接，经共振合成放大后，形成强驻波声场；声波频率和声压等参数可以通过功率放大器7和信号发生器8实现调制；活塞式轴向长度调节器9采用电机伺服控制机构实现声波凝聚舱2的轴向长度的调节；所述声波凝聚舱2由气流缓冲室12、旋风分离室13组成；气流缓冲室12采用活塞式轴向长度调节器9能够根据实际需要调节气流缓冲室的轴向长度，其头部与可调制气流声波发生器I采用透声材料连接；旋风分离室13的锥形舱体采用透声材料，上接高速含尘气流进口的垂直烟道5，尾部与烟气接收器3连接，头部与气流缓冲室12连接。
[0016]一种声凝聚与旋风分离联合作用微细颗粒物脱除方法，包括以下步骤:
[0017]I)利用声波凝聚与颗粒物旋风式分离联合作用，具有较强的细颗粒团聚、粗颗粒物分离的能力；在旋风分离室13中，高速流入的烟气气流在锥形腔体内形成自右向左的旋风，旋风夹带着颗粒物在离心力的作用下，较粗的颗粒物离腔体较近，较细的颗粒物离腔体较远；声源释放声波后，由于声波夹带作用和迁移作用，微细颗粒物发生碰撞产生团聚成较大颗粒物，在离心力变化的作用下与原本靠近腔体较近的较大颗粒物再次发生碰撞团聚成更大的颗粒物，如此反复，直至颗粒物足够大，摆脱声波夹带；当旋风行进至锥形腔体窄口一端时，离腔体较近的粗颗粒物在离心力的作用下被抛出烟气气流进入气流缓冲室12 ；
[0018]2)声波凝聚在气流缓冲室12中，利用粗颗粒物的重力沉降作用，进一步强化了细颗粒物的团聚效果；被抛甩进来的粗颗粒物与烟气分离后，逐渐失去动能，开始在重力场的作用下自由沉降，夹带着部分颗粒物的烟气进入气流缓冲室后流速也逐渐降低，粗颗粒物在沉降过程中再次与声场夹带和迁移作用下的微细颗粒物发生碰撞发生团聚，最终粗颗粒物沉降在气流缓冲室中，而烟气在缓冲室压力充盈后继续反向穿过声波凝聚舱2进入烟气接收器3中；
[0019]3)声波凝聚舱2轴向长度的确定:声波凝聚舱2的总长度为含尘气流进出声波凝聚舱的长度差，根据处理的气体流量，确定声波凝聚舱的截面和总长度，通过活塞式轴向长度调节器9调节气流缓冲室的长度达到调节声波凝聚舱长度的目的，保证含尘气流在声场作用下的时间不小于4秒；
[0020]4)声源采用调制气流声源，调制声源发生器I通过功率放大器7与信号发生器8，调制声源，在声波凝聚舱2中形成平面驻波场；调节声源的频率范围为:800Hz—3000Hz，声压范围为140dB — 170dB ;通过在声波凝聚舱2和烟气接收器3中部署流速计14、粒径谱仪15、照度计16，能够实时感知含尘烟气的状态信息，经智能控制系统17分析处理后，回馈至调制声源闭环控制，实现减排效果动态实时监测与调节。
[0021]与现有技术相比，本发明的有益效果为:本发明在稳定可靠的低频强声声源下，采用声波和旋风分离联合作用的方法，能够有效脱除粒径范围在PM2.5细微颗粒物，脱除效率可达80%以上。

【专利附图】

【附图说明】
[0022]图1是本发明声凝聚与旋风分离联合作用微细颗粒物脱除装置的结构示意图；
[0023]图2是在烟气没有径向速度分量的旋流场中气体和颗粒物的轨迹示意图，其中V是合成速度分量，Vr是径向速度分量，V0是切向速度分量。

【具体实施方式】
[0024]为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。
[0025]参照图1，一种声凝聚与旋风分离联合作用微细颗粒物脱除装置，包括可调制气流声波发生器1、声波凝聚舱2、烟气接收器3、沉降室4 ;可调制气流声波发生器I连接声波凝聚舱2头部；含尘气流进口的垂直烟道5的一端从声波凝聚舱2后上方接入；声波凝聚舱2的尾部与烟气接收器3 —端连接；烟气接收器3的另一端连接沉降室4 ;所述可调制气流声波发生器I由调制气流声源6、功率放大器7、信号发生器8、活塞式轴向长度调节器9、号筒
10、透声板11组成；稳定的高速气流进入调制气流声源6，将流体能量转化为声能；声源产生的强声波通过号筒10与声波凝聚舱2通过透声板11连接，经共振合成放大后，形成强驻波声场；声波频率和声压等参数可以通过功率放大器7和信号发生器8实现调制；活塞式轴向长度调节器9采用电机伺服控制机构实现声波凝聚舱2的轴向长度的调节；所述声波凝聚舱2由气流缓冲室12、旋风分离室13组成；气流缓冲室12采用活塞式轴向长度调节器9能够根据实际需要调节气流缓冲室的轴向长度，其头部与可调制气流声波发生器I采用透声材料连接；旋风分离室13的锥形舱体采用透声材料，上接高速含尘气流进口的垂直烟道5，尾部与烟气接收器3连接，头部与气流缓冲室12连接。
[0026]为适应不同流速、不同粒径分布的烟气的PM2.5颗粒物脱除，需要通过流速计和粒径谱仪实时监测含尘烟气的流速、粒径分布等信息，通过照度计实时评估除尘效果，通过活塞式轴向长度调节器9调整气流缓冲室轴向长度以使含尘气体在声波驻波场中有足够的凝聚时间，通过功率放大器7、信号发生器8调整声压与频率等数值，持续优化颗粒物团聚能力。调节声源的频率范围为:800Hz — 3000Hz，声压范围为140dB — 170dB。经过测试，本发明装置可使含尘气流中PM2.5的粒数浓度脱除率达到70%以上，质量浓度的脱除率达到80%以上。本装置适用于环保对工业有较高要求的场合。
[0027]声波驻波的产生:通过信号发生器8与功率放大器7调节调制气流声源6，通过号筒10在声波凝聚舱中产生平面驻波场。
[0028]声波凝聚舱的长度的确定:声波凝聚舱可通过活塞式轴向长度调节器9调整气流缓冲室长度达到调节轴向长度的目的，具体长度应根据烟气流速、声波凝聚舱的几何参数和烟气在声波作用下的团聚的时间要求计算得出。一般而言烟气应确保在声波作用下的团聚时间不少于4秒钟。
[0029]团聚物的坚实程度:Gorge研究了声波团聚后颗粒物的坚实程度，发现团聚物中存在小颗粒间的骨架结构，飞灰团聚物相当坚实。通过理论计算发现，颗粒在冲击器中受到的剪切力是旋风分离器的4-5倍，因此团聚物流经旋风分离器时不会破碎。
[0030]本装置具体的运行过程如下:
[0031](I)由顶部高速进入的烟气气流沿锥形器壁切向流入；
[0032](2)气流中的较粗颗粒距离锥形器壁较近，较细的颗粒距离锥形器壁较远，同时螺旋自右向左形成旋风气流；
[0033](3)在调制声波的作用下，旋风中的较细颗粒物产生夹带、迁移等现象发生同向团聚，团聚后的较大颗粒物由于惯性变大向靠近锥形器壁方向迁移，并可能与附近颗粒发生进一步碰撞团聚，形成更粗的颗粒物，直至该颗粒物大小足够脱离声场夹带，不再发生迁移；
[0034](4)距离锥形器壁较近的粗颗粒物(一般在10微米以上)在离心力的作用下被甩向气流缓冲室，与器壁碰撞后，以重力沉降的方式向下运动；
[0035](5)粗颗粒物在重力沉降过程中与烟气气流中的细颗粒物在声场的作用下再次发生团聚，粗颗粒物在此起到了种子颗粒物的作用，进一步提高了声波团聚效果；
[0036](6)粗颗粒物沉降在气流缓冲室底部，烟气在气流缓冲室中缓冲后，夹带少数颗粒物以低速涡流形式向烟气接收器流动；
[0037](7)烟气进入沉降室，进一步滤除少许切割粒径的颗粒物后，烟气流向烟囱，也可经由后续的除尘设备进一步脱除团聚体。
[0038]一种声凝聚与旋风分离联合作用微细颗粒物脱除方法，包括以下步骤:
[0039]I)利用声波凝聚与颗粒物旋风式分离联合作用，具有较强的细颗粒团聚、粗颗粒物分离的能力；在旋风分离室13中，高速流入的烟气气流在锥形腔体内形成自右向左的旋风，旋风夹带着颗粒物在离心力的作用下，较粗的颗粒物离腔体较近，较细的颗粒物离腔体较远；声源释放声波后，由于声波夹带作用和迁移作用，微细颗粒物发生碰撞产生团聚成较大颗粒物，在离心力变化的作用下与原本靠近腔体较近的较大颗粒物再次发生碰撞团聚成更大的颗粒物，如此反复，直至颗粒物足够大，摆脱声波夹带；当旋风行进至锥形腔体窄口一端时，离腔体较近的粗颗粒物在离心力的作用下被抛出烟气气流进入气流缓冲室12 ；
[0040]2)声波凝聚在气流缓冲室12中，利用粗颗粒物的重力沉降作用，进一步强化了细颗粒物的团聚效果；被抛甩进来的粗颗粒物与烟气分离后，逐渐失去动能，开始在重力场的作用下自由沉降，夹带着部分颗粒物的烟气进入气流缓冲室12后流速也逐渐降低，粗颗粒物在沉降过程中再次与声场夹带和迁移作用下的微细颗粒物发生碰撞发生团聚，最终粗颗粒物沉降在气流缓冲室12中，而烟气在缓冲室压力充盈后继续反向穿过声波凝聚舱2进入烟气接收器3中；
[0041]3)声波凝聚舱2轴向长度的确定:声波凝聚舱2的总长度为含尘气流进出声波凝聚舱的长度差，根据处理的气体流量，确定声波凝聚舱的截面和总长度，通过活塞式轴向长度调节器9调节气流缓冲室12的长度达到调节声波凝聚舱长度的目的，保证含尘气流在声场作用下的时间不小于4秒；
[0042]4)声源采用调制气流声源，调制声源发生器I通过功率放大器7与信号发生器8，调制声源，在声波凝聚舱2中形成平面驻波场；调节声源的频率范围为:800Hz—3000Hz，声压范围为140dB — 170dB ;通过在声波凝聚舱2和烟气接收器3中部署流速计14、粒径谱仪15、照度计16，能够实时感知含尘烟气的状态信息，经智能控制系统17分析处理后，回馈至调制声源闭环控制，实现减排效果动态实时监测与调节。
[0043]联合作用的理论依据及计算过程
[0044](I)旋风中颗粒物空气动力学原理:在旋风分离室中，颗粒物密度比烟气的密度高的多，因而“浮力”较低，颗粒物在旋流中会沿径向往外运动。这样就得出了旋风分离器中颗粒物分离的基本原理。如图2所示，在计算颗粒速度时，甚至连浮力也可以忽略不计。因此抵抗颗粒物粒径向外运动的力只有流体阻力了。当Pp?P (Pp为颗粒密度，P为气体密度)时，颗粒物在离心力的作用下克服阻力，在旋流中会沿径向往外运动，而被向外甩，并以相对气体的终端速度运动:
[0045]i/— V二rfi⑴
Τ ''嗔 r j ( /-J
[0046]如果颗粒运动的切向速度与气体一样，并且使坐标系随颗粒物一起旋转，认为离心力与重力属于同一个类型。颗粒物的向心加速度为g/r'..于是离心力就等于《j/r (Hlp为颗粒物质量)。可见，在旋风分离式中，较大的颗粒物由于离心力较大在距离锥形腔体较近处旋转，而较小的颗粒物则因离心力较小在距离锥形腔体较远处旋转，颗粒物粒径分布相对较为规则。声波启动后，微细颗粒物在声波夹带和声致迁移作用下首先发生团聚效应，该效应逐渐向较大颗粒物延伸，直到团聚后的颗粒物质量足够摆脱声波夹带和声致迁移作用。旋风中颗粒物空气动力学原理为在旋风中运动的微细颗粒连锁式的团聚效应和PM2.5颗粒物的脱除提供了理论依据。
[0047](2)声波夹带引起的颗粒物间相对运动:小颗粒在声波场中由于黏性的作用，使得颗粒随气体分子的振动而振动，声波夹带是小颗粒特有的性质。细颗粒在声波场中的夹带由下式表示:
I(2)
[0048]
[0049]其物理意义是颗粒振动幅值和空气质点振动幅值之比。式2中的ω是角频率，ω=2 31 f, f是频率；τ是颗粒的弛豫时间,表达式为
P (t
[0050]C3)
[0051]式3中的P p是颗粒密度；dp是颗粒半径；μ g是气体介质动力粘度；C为肯宁汉修正系数，其定义式为
I又
[0052]C = l+^(1.257 + OAme0'^1^) (4)

dP
[0053]式4中的λ g是空气分子平均自由程。
[0054]根据式2，对于大小不同的颗粒，由于夹带系数存在差异，充分夹带的小颗粒与几乎不被夹带的大颗粒间产生较大的相对速度，为颗粒碰撞团聚创造了条件。
[0055](3)声致迁移引起的相对运动
[0056]颗粒在声波夹带中的黏性不对称导致颗粒在驻波声场中产生迁移，颗粒的声致迁移速度由如下表示
[0057]Vihin = -r|- Ay/;/;!-/,, sin(2A.r)(ο)
、24//
[0058]其中k是波数，U0为声波速度幅值，X为声波场中位置，d为颗粒物直径。从式5可知，不同粒径的微细颗粒物在声场中有不同的迁移速度，这使得颗粒间产生相对速度，从而弓I发微细颗粒物之间的碰撞。
[0059](4)重力沉降引起的相对运动
[0060]根据颗粒在空气中沉降速度
[0061]Ua =C8)

18/4
[0062]其中g是重力加速度。大小和密度不同的颗粒沉降速度有差异。在本专利的气流缓冲室中，被抛甩至室内的大颗粒物摆脱了烟气和声波的夹带在重力的作用下沉降，并与小颗粒物产生相对速度。重力沉降也是增加颗粒间碰撞率，发生团聚的依据之一。
[0063]以上所述，仅为本发明最佳实施方式，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种声凝聚与旋风分离联合作用微细颗粒物脱除装置，其特征在于，包括可调制气流声波发生器(I)、声波凝聚舱(2)、烟气接收器(3)、沉降室(4);可调制气流声波发生器(I)连接声波凝聚舱(2)头部；含尘气流进口的垂直烟道(5)的一端从声波凝聚舱(2)后上方接入；声波凝聚舱(2)的尾部与烟气接收器(3) —端连接；烟气接收器(3)的另一端连接沉降室(4);所述可调制气流声波发生器(I)由调制气流声源￠)、功率放大器(7)、信号发生器(8)、活塞式轴向长度调节器(9)、号筒(10)、透声板(11)组成；稳定的高速气流进入调制气流声源￠)，将流体能量转化为声能；声源产生的强声波通过号筒(10)与声波凝聚舱(2)通过透声板(11)连接，经共振合成放大后，形成强驻波声场；声波频率和声压等参数可以通过功率放大器(7)和信号发生器(8)实现调制；活塞式轴向长度调节器(9)采用电机伺服控制机构实现声波凝聚舱(2)的轴向长度的调节；所述声波凝聚舱(2)由气流缓冲室(12)、旋风分离室(13)组成；气流缓冲室(12)采用活塞式轴向长度调节器(9)能够根据实际需要调节气流缓冲室的轴向长度，其头部与可调制气流声波发生器(I)采用透声材料连接；旋风分离室(13)的锥形舱体采用透声材料，上接高速含尘气流进口的垂直烟道(5)，尾部与烟气接收器(3)连接，头部与气流缓冲室(12)连接。
2.一种声凝聚与旋风分离联合作用微细颗粒物脱除方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)利用声波凝聚与颗粒物旋风式分离联合作用，具有较强的细颗粒团聚、粗颗粒物分离的能力；在旋风分离室(13)中，高速流入的烟气气流在锥形腔体内形成自右向左的旋风，旋风夹带着颗粒物在离心力的作用下，较粗的颗粒物离腔体较近，较细的颗粒物离腔体较远；声源释放声波后，由于声波夹带作用和迁移作用，微细颗粒物发生碰撞产生团聚成较大颗粒物，在离心力变化的作用下与原本靠近腔体较近的较大颗粒物再次发生碰撞团聚成更大的颗粒物，如此反复，直至颗粒物足够大，摆脱声波夹带；当旋风行进至锥形腔体窄口一端时，离腔体较近的粗颗粒物在离心力的作用下被抛出烟气气流进入气流缓冲室(12)； 2)声波凝聚在气流缓冲室(12)中，利用粗颗粒物的重力沉降作用，进一步强化了细颗粒物的团聚效果；被抛甩进来的粗颗粒物与烟气分离后，逐渐失去动能，开始在重力场的作用下自由沉降，夹带着部分颗粒物的烟气进入气流缓冲室后流速也逐渐降低，粗颗粒物在沉降过程中再次与声场夹带和迁移作用下的微细颗粒物发生碰撞发生团聚，最终粗颗粒物沉降在气流缓冲室中，而烟气在缓冲室压力充盈后继续反向穿过声波凝聚舱(2)进入烟气接收器⑶中； 3)声波凝聚舱(2)轴向长度的确定:声波凝聚舱(2)的总长度为含尘气流进出声波凝聚舱的长度差，根据处理的气体流量，确定声波凝聚舱的截面和总长度，通过活塞式轴向长度调节器(9)调节气流缓冲室的长度达到调节声波凝聚舱长度的目的，保证含尘气流在声场作用下的时间不小于4秒； 4)声源采用调制气流声源，调制声源发生器(I)通过功率放大器(7)与信号发生器(8)，调制声源，在声波凝聚舱(2)中形成平面驻波场；调节声源的频率范围为:800Hz—3000Hz，声压范围为140dB — 170dB ;通过在声波凝聚舱(2)和烟气接收器(3)中部署流速计(14)、粒径谱仪(15)、照度计(16)，能够实时感知含尘烟气的状态信息，经智能控制系统(17)分析处理后，回馈至调制声源闭环控制，实现减排效果动态实时监测与调节。
【文档编号】B01J19/10GK104128047SQ201410362683
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2014年7月28日
【发明者】张健, 叶柏龙, 赵云 申请人:中南大学