具有最佳远程喷雾的文氏管除尘器和方法

专利名称：具有最佳远程喷雾的文氏管除尘器和方法
技术领域：
本发明涉及空气污染控制领域，且特别是涉及经过改进的用于去除热废气流中污染物质的湿法文氏管除尘系统。
背景技术：
在过去的几十年里，控制空气污染已经成为社会上首先关心的问题。美国及其它一些国家针对一些有要求的工厂和其它主要的空气污染源，已经制定出非常详细的管制计划，安装所能获得的最佳控制技术(BACT)，目的是去除释放到大气中的气流内的污染物质。控制空气污染的标准是越来越严格，因此对于更高效的污染控制技术的需求是长期存在的。另外，运行污染控制设备的操作成本是相当大的，所以对于能效更高的技术的需求也是长期不变的。
对于从废气流中去除污染物质，一类众所周知的装置是文氏管除尘器。人们一般认为，在现有的除尘装置中，文氏管除尘器对于细颗粒的收集效率最高。正如其名称所表明的，在文氏管除尘器中，废气被迫或被抽吸通过一个具有一狭＂喉＂部的文氏管，随着气体运动通过该喉口，它被加速到高速。呈液滴形态的洗涤液体，一般是水，通常于喉口处被加入到文氏管并进入气流。所用的水滴一般比所要收集的污染物颗粒大几个数量级，结果它们在通过文氏管时即以不同的速率加速。加速度的不同造成了水滴和污染物颗粒之间的相互作用，使污染物颗粒为水滴所收集。其收集机理基本包括颗粒与液滴之间的碰撞和颗粒向液滴的表面的扩散。对于任何一种情况，颗粒均为液滴所捕获。取决于污染物的大小，这些机理中一种或另一种可能是主要的，对于非常小的颗粒，扩散是主要的收集机理；而对于大颗粒，碰撞或拦截是主要机理。一文氏管除尘器还可以通过扩散有效地收集可溶性气体化合物。关于这种洗涤机理的详细介绍在M.Crawford所著《空气污染控制理论》的第9章中有所讨论(Mc Graw-Hill 1976)。
在颗粒污染物质被水滴收集之后，将水滴从废气流中脱去，气流即得以净化。水滴的去除可以采用多种已知的手段来完成。各种脱除方法大都依靠这样的事实，水滴相对较大，由于惯性，不能很快改变方向。例如，可将气流导向一个诸如一撞击板的表面。在气体绕该表面运动的同时，惯性使相对较大的水滴撞击到该表面，并在该处被捕获。同样，如果水滴受到环流作用，例如在一旋风分离器中那样，由于离心力的作用，大水滴将撞在分离器的壁上。
现今在使用中的大多数文氏管除尘器是＂自雾化＂的，即液滴的形成是使液体流入文氏管的喉口并在该处由气流来雾化。在实施起来很简单的同时，这种方法却不能产生直径非常小的液滴。尽管在工业化实施例中应用得不多，但文氏管除尘器的收集效率与洗涤器中所用水滴的大小有关是知之已久的。特别是收集效率随着洗涤器中所用水滴表面积的增加而提高的，而且众所周知，对于给定量的液体，其表面积随液滴尺寸减少而增加。因此，根据这种学说，看起来洗涤液的液滴尺寸似乎应该减到最小。
但是，根据本发明人对此的认识和本文所述，存在着这样一个点，在该点洗涤液液滴尺寸的进一步减小开始变得有害。作为一个实际问题，现有技术的文氏管洗涤装置，甚至是那些声称使用了极微细液滴的，实际上使用的液滴也比根据本文理论所得出的最佳值大很多。
在此之前所用的提高文氏管除尘器的收集效率的基本方法是缩小喉口的尺寸或提高气流通过该系统的整体速度。这两种方法都是增大了污染物颗粒和液滴在通过文氏喉口时它们之间的速度差。造成颗粒和液滴之间产生更多的相互作用，从而提高污染物质的脱除率。但是用这种方式提高收集效率需要大大提高向系统内的能量输入，从而导致操作成本较高。额外能量的花费是由于因喉口直径缩小而使气流总阻力增加，或者是由于气流通过文氏管的整体流速提高。无论是哪一种情况，通过文氏管的压降都是增大的，且需要有更大的泵抽能力。相应地，迄今为止，为提高文氏管除尘器的细颗粒收集效率所做的努力都是大大增加向系统内的能量输入。
在空气污染控制领域中人们最关心的是＂旋光＂颗粒的收集。此处所用＂旋光颗粒＂一词应理解为是指直径在大约0.1微米至1.0微米范围的颗粒。由于这些颗粒尺寸小，所以在传统的文氏管除尘器中它们是难于收集的。然而，处在这个尺寸范围的颗粒中包括有毒材料，它们是不允许释放出的。由于旋光颗粒的表面积较大，它们吸收的污染物质的量也很大。正如其名称所表明的，旋光颗粒与光相互作用。即使它们不包含有毒物质，逸出的旋光颗粒也是清晰可见的，从审美的观点出发也是不希望的。
(直径大于1.0微米的颗粒有时也认为是旋光的。但是本发明与这些较大直径颗粒的收集不直接相关，因此本文所用旋光一词的定义中不包括它们。人们一般认为直径大于1.0微米颗粒的收集相对要容易得多。)采用文氏管除尘器的空气污染控制系统经常用于这样的场合，即通过该系统的污染气流的量是随时间而变的。例如，气体流量、气流的温度或者气流中所含颗粒的量将会发生变化。如前所述，所用的大多数文氏管除尘器依靠自雾化形成洗涤液滴。在这样的系统里，伴随着任何污染气体流量降低而造成的通过文氏管气流的减少都会减少洗涤液滴形成的数目，从而对洗涤效率产生负作用。再者，气流减少还会使液滴和颗粒通过文氏管的加速度差缩小，进一步降低洗涤效率。
颗粒在污染气流中的浓度、大小和状态由于多种因素也将随时间而变。为了符合规章要求，洗涤除尘系统在面对气流中污染物质含量最大的情况下必须能够有效操作。但是，所需要的最大洗涤能力不可能在所有情况下都是必须的，而当不需要时通过降低洗涤能力水平可以获得较高的操作效率。
最后，如果废气流的是热的，象许多情况下那样，气流温度大大高于其环境温度，那么在文氏管内由液滴所收集的颗粒还可能在洗涤后重新进入气流。例如这可以发生在这样的情况下，已经捕获了一个或多个污染物颗粒的液滴在它被收集前在文氏管的下游蒸发了。在许多工业过程中，气流中的水蒸气含量较饱和状态为低，因此进入气流的细小液滴即使是在温度仅有不太大升高的情况下也很容易蒸发。例如，从煤干燥系统中排出废气体的温度可能是200°F左右，湿度小于百分之十(10％)。即使是含有被捕获污染物的液滴不蒸发，气流的高温也可以造成细小液滴内污染物质的挥发，使其重新进入废气流。
因此，本发明的一个目的是提供一种经过改进的文氏管除尘器，它可以提高颗粒的收集能力而又不需要增大通过系统的气体流速或减小文氏管喉口的尺寸。
本发明的另一个目的是提供一种经过改进的文氏管除尘器，其中用于收集污染物颗粒的液滴尺寸是最佳的。
本发明的又一个目的是提供一种具有高收集效率的文氏管除尘器，而同现有技术相比，向系统内输入的能量又不需要有同等数量的增加。
本发明的又一个目的是提供一种用于文氏管除尘器的喷嘴，它所需要具有的特点是，能够高效率地产生对于收集旋光污染物颗粒而言尺寸最佳的液滴。
本发明的又一个目的是提供一种空气污染控制系统，它能在洗涤阶段之前高效率地冷却气流，从而使洗涤液滴在洗涤器的下游不容易蒸发，且污染物颗粒不会再次挥发。
发明概要本发明的上述目的及其它一些对于本技术领域内的专业人士通过结合附图及所附权利要求阅读本说明书后是显而易见的目的均通过一套新型的空气污染控制系统来实现。在其基本形式中，本发明包括一个文氏管除尘器，它具有引入具有预定最佳直径的洗涤液液滴的装置。在优选实施例中，洗涤液液滴的最佳直径大约比废气中旋光颗粒的直径大两到三个数量级。更具体地，洗涤液滴最好在10微米至200微米之间，且应该是在旋光颗粒直径的100至500倍之间。在一个实施例中，一个设计用于形成所需直径液滴的喷嘴包括使洗涤液和气体的混合物在压力下流动通过一个孔的装置。通过控制液体和气体各自供入喷嘴的压力，液滴产生的速度和大小都可以单独调节。根据本发明，洗涤液滴的喷雾在文氏管喉口上游较远处即被引入废气流，因此该喷雾起到冷却气流的作用，使气流在到达文氏管喉口时变成大体上是饱和的。在一个优选实施例中，喷嘴处于文氏管喉口上游距其一段距离之处，使喷雾液滴到达文氏管喉口的时间在0.05秒至2.0秒，更好的情况是，液滴在进入文氏管喉口前的滞留时间是在0.1秒至1.0秒之间。
根据本发明的一种方法包括的步骤有，于文氏管除尘器喉口上游一段距离处将水滴喷雾引入废气流，使得在喷雾液滴和废气流的混合物到达文氏管除尘器喉口时气流成为基本饱和的，以及随后使该混合物通过除尘器的喉口。
在另一方面，本发明包括使用自动控制系统监视和调节引入洗涤系统的喷雾的量、温度和(或)液滴尺寸，以补偿废气流的变化。例如，在一个实施例中是监测气流的温度，且随温度的变化调节喷入系统的洗涤液的量，以保证废气流在到达文氏管喉口时稳定地保持在大体饱和的状态。同样，在排气烟囱处可使用颗粒监测器，以保证引入系统的液滴尺寸，从而控制洗涤效率。
图的简要说明

图1是根据本发明的空气污染控制系统的部分示意性横截面图；图2A和2B是表示对于污染物颗粒直径分别为0.1微米和1.0微米时，中间值喷雾液滴直径与颗粒收集效率之间关系计算值的曲线图；图3A是表示液滴尺寸与将一废气流冷却到大体饱和温度所需距离之间关系的曲线图；图3B是表示液滴尺寸与将一废气流冷却到大体饱和温度所需时间之间关系的曲线图；图4A是表示液滴尺寸、将一废气流冷却到大体饱和温度所需距离和喷雾的液气比之间关系的曲线图；图4B是表示液滴尺寸、将一废气流冷却到大体饱和温度所需时间和喷雾的液气比之间关系的曲线图。
详细说明首先参见图1，图中给出了本发明完整的空气污染控制系统10。一富含污染物质的废气流产生于一空气污染源(未示出)，如用于产生工业蒸汽的锅炉或煤干燥器的排气口。在此所用的＂废气＂和＂污染气体＂等词包括其中夹带有液体或固体颗粒物质的废气流，包括随着废气流冷却可能冷凝的蒸汽。应当指出，许多空气污染源都涉及，至少在开始时由燃烧过程产生的热废气流。例如，来自锅炉的气流其温度可能为大约350°F，而来自煤干燥器的废气流其温度可能是200°F左右。
污染气流(如箭头15所示)进入本发明的空气污染控制系统并被导入前腔室20。正如下面将详细说明的，气体在前腔室20中被冷却到一较低的温度，最好是达到气流的饱和温度，即在此温度下气流中的水蒸气是饱和的，并开始冷凝。正如下面将更详细说明的，来自喷嘴35的水30的细水滴喷雾用来冷却气流和使之饱和，使废气大致达到饱和温度。人们已经发现，直径最佳的液滴不仅对于文氏管内进行有效洗涤是最好的，而且在短距离内冷却废气流和使之饱和也是特别有效的，即在进入文氏管之前在系统内的滞留时间最短，从而提高了洗涤效率。
如图1所示，喷嘴35处在距文氏管喉口的入口较远的位置，下面将说明。喷嘴最好定位于喉口的入口的上游，其距离是使喷雾液滴从其被喷雾进入系统到进入文氏管的喉口所用的时间是在0.05秒至2.0秒之间。这个时间，即液滴从喷嘴运动到文氏管喉口的时间，即称为滞留时间。此滞留时间最好是在0.1秒至1.0秒之间。在典型的采用本发明的空气污染控制系统中，气流以大约70英尺/秒的速度运动通过该系统。
在流过前腔室20之后，废气进入包括一入口锥40、一喉口50和一出口锥60的文氏管除尘器。文氏管的洗涤液由来自喷嘴35的喷雾提供。喷嘴35最好是双流体喷嘴，它形成具有液滴的洗涤液喷雾，液滴对于最大限度地收集旋光颗粒是最佳的。有关喷嘴35操作的讨论和形成具有一最佳直径液滴的讨论陈述于下。喷嘴35与一水源70和一压缩空气源80相通，它们是通过一个喷嘴或雾化控制器90来调节的，它调节阀门92和94，以保证供入喷嘴35的空气和水的压力/流量。
进口或入口锥40的内角最好比典型的文氏管除尘器中所采用的要大。入口锥的内角最好在60°至90°之间，而现有技术的文氏管除尘器中一般是在30°-45°范围。相对较大的夹角在使气体运动通过文氏管所需能量方面增加一些费用，但是它通过增大污染物颗粒和洗涤液滴之间的速度差而提高了洗涤效率。另外，出口锥最好比较长，以增加自气流和液滴中能量的回收。洗涤也将发生于出口锥，因为洗涤液滴，即处于最佳尺寸范围的液滴和任何残留的污染物质颗粒将以不同的速率减速。
废气和喷雾液滴的混合物自前腔室20穿过至文氏管，在此喷雾液滴以前述方式去除污染物颗粒。在本发明的一个实施例中，废气的喉口速度是每秒200英尺-500英尺，而洗涤液以每1000实际立方英尺(acf)饱和废气通过文氏管为1加仑-10加仑的比率引入。自喷嘴35引入的洗涤液最好是比较均匀地进入废气流，以实现均匀冷却，而且当气流和洗涤液进入文氏管入口40时可形成均匀一致的混合体。在引入点喷雾液滴和气流之间的速度差最好不大。如果液滴以远远大于气流的速度引入废气流，那它们在进入较慢的运动气流时要减速，造成聚集，即液滴的长大。与一些现有技术的文氏管喷雾不同，本发明的喷雾不用来帮助气流通过文氏管。
在离开文氏管的出口锥60后，要将富含污染物的喷雾液滴自废气流中去除。在图1示例性的空气污染控制系统10中，自废气流中去除污染的喷雾液滴采用的是一个带一除雾器110的旋风分离器100。如图所示，可在紧靠除雾器110的上游处自多个喷嘴120向气流中引入除雾器喷雾115，以保持其表面湿润和清洁。旋风分离器和除雾器的操作对于本技术领域的专业人士是众所周知的，因此无需进一步讨论。由于废气和喷雾液滴的混合物已经被降到大体饱和的温度，所以在排出文氏管后洗涤液滴几乎或根本不存在蒸发。因此，本发明克服了现有技术中被洗涤喷雾捕获的污染物质在液滴被收集和从系统中去除之前重新进入气流的问题。
在通过旋风分离器100和除雾器110后，废气可通过烟囱150排入大气。通过系统10的气流由吸风机170推进，并且可通过风机入口阀门175进行控制。
如上面所指出的，本发明采用一个或多个双流体喷嘴25来形成液滴，液滴直径对于收集废气流中的旋光颗粒是最佳的。每个喷嘴35均由一加压洗涤液源和一加压气源供给，前者通过供应管80输送至该喷嘴，后者通过供应管70输送至喷嘴35。为了方便和降低操作成本，该气体和液体最好分别用空气和水。另外，用水作为洗涤液，由于有些水的蒸发，有助于喷嘴35的喷雾使气流饱和。可以用于本发明的这类双流体喷嘴可从加利福尼亚州Novato的Enviro Care International公司购得，商标为MicroMistTM。
为了描述喷雾中液滴的直径，采用了多种计量手段。在实际喷雾中，液滴的直径是变化的，即没有那个喷嘴能够产生具有完全均匀液滴的喷雾。在此，涉及喷雾中液滴的直径或中间值直径时，申请人所指用更精确的表述就是中量直径(MVD)(有时也称为总量中值直径(VMD))。中量直径所指的液滴尺寸是，所喷液体总量的百分之五十由直径大于该中值的液滴组成。而所喷液体总量的百分之五十由直径小于该中值的液滴组成。喷雾的液滴最好是尽可能地均匀，使大部分液滴的直径接近中值。
通过控制进入喷嘴35的气体和液体的流量和压力，就有可能单独控制液滴的尺寸和喷入系统的洗涤液的量。具体地讲，相对于液体压力给喷嘴增大空气压力，趋向于减小所产生液滴的尺寸，而提高水压则增加所形成的喷雾量。液滴的平均直径最好应比废气流中旋光颗粒的直径大两到三个数量级。更具体地说，液滴应处在10微米至200微米范围，使得在最佳状态下其直径是废气中旋光颗粒直径的100倍至500倍。这种独立调节喷雾特性的能力对于废气流特性是可变化的场合特别有用。这样，如果气流中旋光颗粒的浓度或大小发生变化，或者废气流的温度或含水量发生变化，那么喷雾的特性可做相应调节。一般而言，本发明远距离喷雾的一个目的就是引入足够量的具有一预定直径液滴的液体，使得在蒸发后所保留下来的液体在量和液滴尺寸两方面对于收集废气流中的旋光颗粒都是合适的。
要获得最佳尺寸的液滴不采用双流体喷嘴是很难的。正如上面指出的，大部分现有技术的文氏管除尘器依靠自雾化，利用来自风机的能量雾化洗涤液体，即这种系统不依靠喷嘴形成液滴。洗涤液体直接引入文氏管的喉口，在该处由其周围的加速气流雾化。
有些现有技术的文氏管除尘器采用单流体液体喷嘴将洗涤液体的喷雾引入文氏管。采用单流体喷嘴要产生最佳尺寸的液滴是非常困难的，而且一般不可能单独控制液滴尺寸和所喷液体的量。人们不得不借助极高的喷嘴压力来获得所需的雾化程度，而且即使在高压下，市售的喷嘴也没有向气流中提供大量液体的能力。据本发明人所知，目前还没有任何现有技术的装置在所需压力下操作的迹象。例如，为了产生尺寸合适的液滴，可以相信从Spraying Systems公司得到的市售＂细喷雾＂单流体液力喷嘴必须在800磅/英寸2以上的压力下操作，而在此压力水平下只能向文氏管内供入每分钟两加仑以下的液体。因此，虽然有些现有技术采用了液体喷嘴来形成液滴，但可以相信，现有技术的文氏管除尘器没有使用中量直径(MVD)在500微米-1000微米以下液滴的。单流体喷嘴还有一个缺点，它不能单独调节液滴尺寸和由喷嘴所喷液体的量。
(一种类型的单流体喷嘴，即所谓的高压液力＂旁路＂喷嘴，允许对所喷液体的量和液滴的尺寸进行单独控制。(这类喷嘴有时称为＂回溢＂喷嘴。)虽然因为它需要在高液体压力下操作所以相对于双流体喷嘴不看好它，但液力旁路喷嘴也可以结合在本发明中使用，因为它可以提供单独控制液体量和液滴尺寸的能力，只是范围较小。)现有技术中某些特定的学说建议用于文氏管除尘器中的液滴应尽可能地细。这种不明确的现有技术学说既不定性也不定量，看起来是从片面的观点得出的，对于洗涤效率只考虑了洗涤液滴的总表面积。然而，根据同样的学说，事实上所用的液滴比本发明推荐的大得多。正如下面将说明的，对于最佳的液滴尺寸由一个下限，而液滴如果比此下限更细则对污染物颗粒的收集效率几乎没有影响。
使液滴尺寸最佳以求最大收集效率的能力已经得到试验证明且有理论解释。例如，在一个试验中，本发明人对液滴尺寸大约等于废气流中的旋光颗粒尺寸的喷雾的洗涤效率进行了研究。此试验确定了这样的喷雾在洗涤废气流方面效率较低，这与现有技术细液滴提高洗涤效率的说法背道而驰。
这个结果的理论解释可如下理解。文氏管洗涤依赖于洗涤液滴和污染物颗粒之间的速度差。废气和喷雾液滴均以较低的速度进入文氏管的入口锥。速度差的获得基本上是由于在通过文氏管的喉口时受到加速。通常，旋光污染物颗粒比较小，结果其质量也小得多，所以在很短距离内快速加速，达到环境气体的速度。另一方面，洗涤液滴通常较大和较重，所以要达到气流的速度需较长距离。一般而言，这些洗涤液滴在到达喉口的端点或喉口的端点之后以前是达不到此最终速度的。
由于产生洗涤作用的就是这个速度差，所以一旦液滴和颗粒达到同样的速度，两者间相互作用的数目将减少到一个毫无意义的点，而且不会发生进一步的颗粒洗涤。因此，如果液滴一开始就具有与污染物颗粒大致相同的尺寸，那么它们则以大致相同的速率加速，因此在通过文氏管时就不会获得明显的速度差。所以，如果喷雾液滴过于细小，即与污染物颗粒具有同样数量级，颗粒的洗涤效率将降低。
因此，现有技术＂越细越好＂的学说只是到某一个点之前是成立的，过了该点之后进一步减小液滴尺寸实际会降低洗涤效率。图2A给出了对于直径为0.1微米污染物颗粒收集效率(以百分比表示于纵轴)和洗涤液滴尺寸(以微米表示于横轴)之间关系的计算值。可以看出，最佳的液滴尺寸是大约50微米，而且当液滴小于或大于此最佳尺寸时收集效率均快速下降。图2B给出了对于直径为1.0微米的污染物颗粒，旋光颗粒范围的最大值，收集效率和洗涤液滴尺寸之间关系的计算值。在此例中，最佳的液滴尺寸是近乎200微米。尽管在这种情况下液滴尺寸不是最佳时收集效率的下降不如较小的0.1微米颗粒的那样惊人，但它仍然十分显著。
根据本发明，获得具有预定的最佳直径的喷雾液滴是可能的，因此洗涤效率可以得到提高。在现有技术中，用来提高洗涤效率的基本方法是提高气流通过文氏管的速度，要么通过缩小喉口，要么通过提高气体通过该系统的整体流速。无论在哪种情况下，由于需要功率更大的风机，所以明显地需要更多的能量，从而提高了系统的操作成本。同现有技术的系统相比本发明只需要增加很少的能量来操作喷嘴，但是每单位输入能量的增加所获得的洗涤效率的提高则远远大于现有技术提高效率的方法所能够获得的。因此，该发明是一种高成本效率的提高洗涤效率的方法。例如，一套采用自雾化的现有技术的设计得到99.3％的总收集效率估计通过文氏管的压降将需要55英寸水柱。随之是每1000acfm将需要使用15.4马力。而另一方面，本发明的文氏管可以实现99.4％的收集效率，通过文氏管的压降仅16英寸水柱，只需要6.3hp/acfm。
本发明的一个重要方面是喷嘴35相对于文氏管喉口50的入口远距离设置。正如所注意到的，喷嘴35最好设置在这样一个位置上，根据液滴尺寸、温度、水蒸气含量和射入气流的液滴总表面积，使喷雾有足够的飞行时间，在废气到达文氏管喉口的入口时能将其冷却到接近饱和。如上所述，喷嘴的设置使喷雾液滴在系统内有一滞留时间，在0.05秒至2.0秒之间为好，最好是在0.1秒至1.0秒之间。本发明的远距离喷嘴使喷雾30不仅可用于给文氏管提供洗涤液滴，而且可用于冷却气流和使其饱和，从而使气流在到达文氏管的喉口时大体饱和。
含有水蒸气的热气体可通过两个方式达到饱和。可以降低气体的温度，或者可以通过向气体内引入额外的水蒸气来提高气体的水蒸气含量。来自喷嘴35的喷雾30均采用了这两种机理，以使气流变成大体饱和，即喷雾30既通过对流换热对气流进行了冷却，又通过蒸发将更多的水蒸气引入气流。再者，液滴中水的蒸发随着相变从气流中吸收热能。喷雾液滴最好以较低的温度引入气流，从而使其由于热气和相对较冷液体之间的对流热交换而自气流吸收的热能比较显著。这样，气流的冷却则通过热交换和蒸发两方面来实现。
本发明认识到对于洗涤旋光颗粒大体是尺寸最佳的液滴在通过文氏管除尘器时对于在气流进入文氏管之前使其饱和也非常有效。尽管在现有技术中人们也知道在文氏管的上游引入液滴喷雾冷却气流和使其饱和，但迄今为止冷却喷雾尚未被用作文氏管喷雾，而且无论对于废气流中旋光颗粒的收集亦或冷却都未最佳化。因此，已知的在文氏管的上游引入的现有技术的冷却喷雾液滴都较粗大，即液滴的直径比本发明的液滴大得多。本发明的液滴直径较小，提供的表面积大，对于给定量引入系统的水，所提供的对流换热的表面积就大。另外，表面积大提高蒸发的速度，因此气流蒸发冷却的速度和水蒸气加入废气流的速度都提高了。
根据本发明，在废气和喷雾液滴的混合物到达文氏管的喉口时气流不必完全饱和。只要气流接近饱和点，有关污染洗涤液滴蒸发和旋光污染颗粒重新进入气流的问题即可得到有效解决。只要气流接近饱和，蒸发速度将非常低，因此该洗涤液滴可在问题出现之前得以收集。
对于给定量的由喷嘴35喷入废气流的液体，用现有技术的较粗大的喷雾使气流饱和将是比较困难的。图3A是表示初始温度为302°F的气流用每1000实际立方英尺气流1加仑的喷雾量进行冷却的曲线。Y轴表示该气体饱和温度以上的温度，而X轴表示自喷雾引入的距离。该距离是根据每秒70英尺的流速得出的，这是应用本发明系统的典型流速。图中示出了四种不同液滴直径的曲线，范围在小到50μm(处在本发明的范围内)至大到500μm(仍比现有技术中一般所用的小)。可以看到，50μm的液滴在引入点的下游不到10英尺的距离即将气流冷却到大体饱和的温度，所有90μm或以下的液滴都在约15英尺以内将气流冷却到饱和温度以上25度之内。相反，引入等量的MVD为500μm的液滴在自喷嘴50英尺的距离只能将气流冷却到饱和温度以上略微不到150°F。
图3B给出一类似曲线，但是横轴反映的是自喷雾引入点始以秒表示的时间，可以看到，对于在50μm-100μm范围的液滴，气流均在1秒内被冷却到饱和；而对于直径750μm的液滴，5秒后气流仍处在饱和温度以上近100°F。
看采用最佳液滴冷却气流优点的另一种方式示于图4A和4B。图4A表示将302°F的气流冷却到其饱和温度1度以内所需的冷却液体量，X轴表示加入气流的液体的相对量，Y轴表示气体在达到饱和前所必需的运动距离。同样，这些数据也是假设气流以70英尺/秒的速度通过该系统。可以看出，每1000实际立方英尺1加仑50μm的液滴在约10英尺内就将气流冷却到接近饱和；而引入8倍数量的750μm液滴的液体需要100英尺才能使气流变成饱和。
因此，在正常的管道速度下使该气体饱和，喷射粗雾化的洗涤液体将需要一个不切实际的长距离，即它们要求一个能接受的长滞留时间，而大多数液滴在到达文氏管前将不再悬浮，或凝集起来(即雾化逆过程)。另外，要产生用本发明最佳液滴时所获得的效果所需要的粗雾化水量将是不可能满足的。所以，就现有技术所被告知的在文氏管之前有效地冷却气流而言，它所被告知的是采用两步法，首先在上游的冷却室中引入大量的冷却喷雾，而在文氏管二次引入洗涤液源。
图4B与图4A相似，但是纵轴表示的是使气流达到饱和温度1度以内所需的时间。这样，每实际立方英尺的饱和气流1加仑50μm-100μm范围的液滴仅仅在约0.4秒-1.0秒能将气流冷却到饱和温度，而8倍流量的750μm液滴要用8秒左右。
根据本发明，来自喷嘴35的雾化喷雾液滴在到达文氏管喉口之前只有一小部分蒸发。因此，在到达文氏管的喉口时液滴直径只有很少的减小，该液滴仍处在洗涤废气流的最佳范围。如果需要，可以通过调节喷嘴引入稍大一些的液滴，来对喷雾液滴的蒸发进行补偿。喷入系统的水量应足够，使气流在通过文氏管时其中存留液滴的数量和大小对于捕获旋光颗粒都是最佳的。
在通过文氏管之前将废气流冷却到大体饱和的温度有多个有利效果，它们可改善空气污染系统的性能。这包括通过消除蒸发过程中细颗粒自文氏管洗涤液滴的表面的迁移和增大细颗粒的尺寸(通过吸附)而消除了蒸发转移。通过对气流进行冷却，气流中许多可凝聚化合物，如大分子量有机物和有毒金属，沉淀出来为文氏管除尘器所捕获。另外，细喷雾使废气流中的较大颗粒润湿，使这些大颗粒能帮助从气流中去除较小的旋光颗粒。如图1所示，与许多文氏管洗涤系统不同，大颗粒不在文氏管阶段之前收集。
喷嘴35的喷雾所用的洗涤液最好是处在一较低温度，以便于通过对流热传递冷却废气流。在环境温度不低的地方，如在温热气候下或在夏季的几个月里，可对洗涤液进行主动冷却。洗涤液的冷却可通过多种已知技术的任一种来完成，如蒸发冷却或致冷。使用冷却后的液体保证了废气流的充分冷却，且提高了污染气体的溶解度。某些特定的蒸气，如汞，看来更容易被冷却后的洗涤液捕获。同样，可冷凝的碳氢化合物也更容易被冷却后的洗涤液捕获。
图1的文氏管设计特别适合于改造现有的污染控制设备，以提高洗涤效率和降低操作成本。典型的现有系统包括紧接在一焚化设备、锅炉或其它产生热废气流的工艺后面的文氏管段。此文氏管段再供入一第二除尘器段，如碰撞除尘器或旋风分离器。现有的文氏管可用一直导管段代替，置于本发明的文氏管除尘器之前，起预冷却室的作用。吸风机可以更替或降低速度以产生本发明所需的穿过文氏管的压降，在此同时可节省大量的能量。
正如上面所指出的，在许多应用场合，进入一洗涤系统的污染气流的特性是随时间变化的。例如，通过该系统的污染气体量和/或废气流的颗粒含量都可能变化。在这种情况下，该洗涤系统在能够处理最恶劣条件(即最大颗粒含量)的同时，它不必在所有条件下都提供同样程度或类型的处理。当条件变化时通过调节空气污染控制系统满足降低了的要求，有机会节约操作费用。
在本发明的一个实施例中，烟囱150内设置了一颗粒监测装置180。颗粒监测装置180及与其相连的控制模块(未示出)的电子电路对存在于通过烟囱的废气流内的颗粒浓度进行跟踪。该颗粒监测装置控制模块与喷嘴控制器90连接，自动调节控制至双流体喷嘴35的气流和液流的阀门。根据本发明的一个实施例，当废气流中的颗粒浓度自一预期水平变化时，颗粒监测装置控制模块给喷嘴控制器报警，改变向文氏管内的喷雾，在颗粒收集效率方面做相应的补偿变化。喷雾可通过改变所喷的液体量或改变来自喷嘴35的喷雾内的液滴尺寸来改变。如上所述，双流体喷嘴具有单独控制液滴尺寸和喷雾量的能力。总的讲，所喷液体的量由至喷嘴的液体压力或流量来决定，因此可根据颗粒浓度读数的增大而加大液体流量。另一方面，液滴尺寸由施加到喷嘴的气体压力或至喷嘴的气体流量来决定，因此根据本发明颗粒浓度增高可用来提高至喷嘴的气体压力和气体流量，而一般不影响液体流量。喷雾量和液滴尺寸可同时调节，也可顺序调节。例如，控制系统可先将喷雾量提高到一目标水平，如果颗粒浓度没有充分降低，则可再减小液滴尺寸。
一种与本发明相结合十分有用的这种类型的颗粒监测子系统可从密苏里州堪萨斯城的BHA集团公司得到，型号为CPM1000TM。此子系统基于LED技术且配有微处理器，可以提供可用于控制一个或多个阀门的可变输出电压。为了平缓颗粒浓度测量值的瞬时变化，可在使用者确定的时间周期上对颗粒浓度的变化进行平均处理。特别是，该装置的响应时间可设定在0.1秒至999秒之间的任何位置。本技术领域的专业人士将意识到，其它颗粒监测和控制系统是等效的，而且也可以使用。
如图1所示，颗粒监测装置180最好置于风机150的下游，使气体在到达监测装置之前先流过风机。风机150的能量给气流稍许加热，使可能通过除雾器的一些极细的液滴蒸发。这就避免了在颗粒浓度的测量中将这些液滴包括在内。
根据本发明的另一个控制系统可用于监测废气流的量，因为在许多应用场合该产生的废气量是随时间变化的。在本发明的一个实施例中，为了此目的文氏管也作为流量计的一部分。气体流量用压差来计算。一个测压点置于文氏管的入口喉口部，以测量文氏管喉口内的压力；另一个测压点置于文氏管喉口的上游的文氏管腔内。正如在本技术领域众所周知的，压差由两测压点测得的压力相减来确定。压差计的输出值被系统用来根据流量的变化自动调节由喷嘴35引入的喷雾。一种用于此目的合适的压差计可从印第安那州密执根城的Dwyer Instruments公司得到，销售系列号＂605＂。本技术领域的专业人士将意识到，其它压差计也可用于该文氏管之一内，或者其它等效的方法也可用于监测通过系统的流量。
当通过文氏管的流量减少时，气体通过文氏管的加速度也同样减小。这对于洗涤效率有不良影响，因为洗涤效率是与气体和液滴通过文氏管时它们之间的加速度差有关的。因此，根据本发明的一个优选实施例，当系统探测到废气流量减少时，喷嘴控制器负责增加喷入文氏管的液体量。
在本发明的又一个方面，系统中的废气流的温度由置于文氏管入口之前的温度监测器190监测。如果气流的温度升高，由喷嘴35引入的液体量增加，以进行更强烈的冷却。尽管比较复杂，本技术领域的专业人士将意识到，所引入水喷雾的温度也可调节。
虽然已结合优选实施例对本发明进行了说明，但对本技术领域的专业人士是很明显的，对于所说明的尚有许多变型和等效物。例如，尽管本发明所述是对收集旋光颗粒最佳化，然而在某些特定的应用场合可能希望提高与其不同尺寸范围颗粒的收集效率。所以，希望本发明仅为下述权利要求所限定。
权利要求书按照条约第19条的修改1.一种用一文氏管除尘器净化一污染气流的方法，上述气体处于比上述气体的湿气饱和温度高得多的初始温度，该方法包括的步骤有在上述文氏管的喉口的上游某一预定距离处将具有一预定直径的液滴的喷雾引入该气流，使上述气流在其到达上述文氏管的喉口时变成大体饱和，且使大量的水滴保留在该气流内，进入上述文氏管的喉口的所保留的水滴的直径范围约为10-200微米之间，并且让该气流和存留水滴的混合体通过上述文氏管的喉口，因此该气流为上述液滴所洗涤。
2.如权利要求1所述的方法，其中由上述喷雾引入该气流的水量在每1000acf(饱和)1加仑-10加仑之间。
3.如权利要求1所述的方法，其中上述喷雾在上述文氏管除尘器的入口锥的上游引入，使该液滴在其到达文氏管的喉口之前在气流中的滞留时间为0.05秒至2.0秒之间。
4.如权利要求3所述的方法，其中上述喷雾在距文氏管的喉口一段距离处引入，使滞留时间在0.1秒至1.0秒之间。
5.如权利要求1所述的方法，其中上述水经过主动冷却。
6.如权利要求1所述的方法，其还包括监测气流的特性和根据气流的特性的变化调节引入气流的喷雾。
7.一种用于净化一高温气流的空气污染控制系统，上述气体温度是在它的水蒸气饱和温度之上其包括一个带有一入口锥、一喉口和一出口锥的文氏管除尘器，置于上述文氏管除尘器的喉口的上游较远处用来将水滴喷雾引入气流的喷嘴装置，目的是使该气流大体饱和，上述喷雾中水滴的直径是预定的，以使上述液滴到达文氏管的喉口时它们的直径在10微米至200微米之间。
8.如权利要求7所述的空气污染控制系统，其中由上述喷雾引入该气流的水量在每1000acf(饱和)1加仑-10加仑之间。
9.如权利要求7所述的空气污染控制系统，其中通过系统的气流速度的范围是已知的，且该喷嘴装置位于距文氏管的喉口一段距离之处，对上述已知范围内的气流速度而言，在该气流中的液滴到达文氏管的喉口之前液滴的滞留时间为0.05秒至2.0秒之间。
10.如权利要求7所述的空气污染控制系统，其还包括主动冷却喷入气流的水的装置。
11.如权利要求7所述的空气污染控制系统，其中上述喷嘴装置位于上述文氏管的入口锥的上游。
12.如权利要求7所述的空气污染控制系统，其中上述喷嘴装置包括一个双流体喷嘴。
13.如权利要求7所述的空气污染控制系统，其还包括监测气流特性的监测装置和根据上述特性的变化调节引入该气流喷雾特性的控制装置。
14.如权利要求13所述的空气污染控制系统，其中上述监测装置测量气流中颗粒的数量。
15.如权利要求13所述的空气污染控制系统，其中上述监测装置测量气流的温度。
16.如权利要求13所述的空气污染控制系统，其中上述监测装置测量每单位时间的气流量。
权利要求
1.一种用一文氏管除尘器净化富含颗粒的污染气流的方法，上述气体包括水蒸气且处于比上述气体的饱和温度高得多的初始温度，该方法包括的步骤有在上述文氏管的喉口的上游某一预定距离处将具有一预定直径的液滴的喷雾引入该气流，使上述气流在其到达上述文氏管的喉口时变成大体饱和，且使大量的水滴保留在该气流内，所存留的水滴的直径处在能有效洗涤气流中的旋光颗粒的范围，并且让该气流和存留水滴的混合体通过上述文氏管的喉口，因此该气流为上述液滴所洗涤。
2.如权利要求1所述的方法，其中液滴的直径在引入气流时在10微米至200微米之间。
3.如权利要求1所述的方法，其中由上述喷雾引入该气流的水量在每1000acf(饱和)1加仑-10加仑之间。
4.如权利要求1所述的方法，其中上述喷雾在上述文氏管除尘器的入口锥的上游引入，使该液滴在其到达文氏管的喉口之前在气流中的滞留时间为0.05秒至2.0秒之间。
5.如权利要求4所述的方法，其中上述喷雾在距文氏管的喉口一段距离处引入，使滞留时间在0.1秒至1.0秒之间。
6.如权利要求1所述的方法，其中上述水经过主动冷却。
7.如权利要求1所述的方法，其还包括监测气流的特性和根据气流的特性的变化调节引入气流的喷雾。
8.一种用于净化富含颗粒高温气流的空气污染控制系统，其包括一个带有一入口锥、一喉口和一出口锥的文氏管除尘器，置于上述文氏管除尘器的喉口的上游较远处用来将水滴喷雾引入气流的喷嘴装置，目的是使该气流大体饱和，上述喷雾中水滴的直径是预定的，以使上述液滴到达文氏管的喉口时它们的直径比气流中的旋光颗粒的直径大1至3个数量级。
9.如权利要求8所述的空气污染控制系统，其中液滴的直径在10微米至200微米之间。
10.如权利要求8所述的空气污染控制系统，其中由上述喷雾引入该气流的水量在每1000acf(饱和)1加仑-10加仑之间。
11.如权利要求8所述的空气污染控制系统，其中该喷嘴装置位于距文氏管的喉口一段距离之处，使该液滴在其到达文氏管的喉口之前在气流中的滞留时间为0.05秒至2.0秒之间。
12.如权利要求8所述的空气污染控制系统，其还包括主动冷却喷入气流的水的装置。
13.如权利要求8所述的空气污染控制系统，其中上述喷嘴装置位于上述文氏管的入口锥的上游。
14.如权利要求8所述的空气污染控制系统，其中上述喷嘴装置包括一个双流体喷嘴。
15.如权利要求8所述的空气污染控制系统，其还包括监测气流特性的监测装置和根据上述特性的变化调节引入该气流喷雾特性的控制装置。
16.如权利要求15所述的空气污染控制系统，其中上述监测装置测量气流中颗粒的数量。
17.如权利要求15所述的空气污染控制系统，其中上述监测装置测量气流的温度。
18.如权利要求15所述的空气污染控制系统，其中上述监测装置测量每单位时间的气流量。
全文摘要
一种结合采用文氏管除尘器的空气污染控制系统和一种净化富含颗粒污染气流的方法。采用喷嘴向文氏管引入最佳化的洗涤液液滴,使对旋光颗粒的收集效率最高。喷嘴引入最佳化的液滴是在文氏管的喉口的上游较远处,使喷雾与废气流混合且将气流在其进入文氏管的喉口之前冷却到大体饱和的温度。这促进了可凝集物质的收集和阻止了已被洗涤液滴收集的污染物的二次挥发,否则液滴可能会蒸发进入热气流。最佳化的液滴在快速冷却废气流方面效率很高。
文档编号B01D47/12GK1171747SQ95197206
公开日1998年1月28日 申请日期1995年10月2日 优先权日1994年11月4日
发明者J·J·施瓦布 申请人:环境关注国际有限公司