促进燃煤锅炉烟气中细颗粒物相互作用的装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及促进燃煤锅炉烟气中细颗粒物相互作用的装置，其特征在于该装置包括矩形通道、缩放喉口、湍流团聚室和烟气出口，所述矩形通道为烟气入口，所述缩放喉口包括渐缩部分和渐扩部分，渐缩部分与矩形通道连接，渐扩部分与湍流团聚室一端连接，湍流团聚室的另一端设有烟气出口，烟气出口与后续的除尘设备连接；所述湍流团聚室内设有若干数量的矩形翅片，每两个矩形翅片为一组，共有n组，且n≥2，每组的两个矩形翅片呈“八”字形，“八”字形小口端朝向烟气来流方向，n组矩形翅片沿烟气来流方向依次布置在湍流团聚室内；所述矩形翅片与烟气来流方向呈20~60?的夹角，湍流团聚室在宽度方向的长度与缩放喉口的喉口处直径的比例为6:5。
【专利说明】
促进燃煤锅炉烟气中细颗粒物相互作用的装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及燃煤烟气中细颗粒物的脱除技术，具体涉及促进燃煤锅炉烟气中细颗粒物相互作用的装置。【背景技术】
[0002]可吸入颗粒物(PM1Q)是指空气动力学直径小于等于10_的细颗粒物，特别是其中包含的pm2.5已经导致了严重的大气环境问题，引起了我国的高度重视。PM2.5的危害在于，粒径小，比表面积大，容易吸附病毒、细菌等有害物质，进入人体后能够于肺泡形成沉积，引发呼吸系统疾病及心肺疾病，对人体危害极大；同时，细颗粒物在大气中滞留时间长、传输距离远，含有硫酸盐和硝酸盐的细颗粒物进入云水或降水体系后，极有可能促进降水的酸化， 对大气环境也造成了极大的影响。
[0003]相关资料显示，我国大气中PM2.5浓度增大的主要因素是大量的烟尘排放，而烟尘排放的70%来自于煤炭燃烧，燃煤发电厂又是煤炭消耗的主要场所。燃煤过程产生大量的粉尘，现有除尘设备主要是采用静电除尘器、布袋除尘器以及湿法静电除尘器等，对脱除粒径较大颗粒效率较高，质量脱除效率可以达到99%以上;但对粒径较小的细颗粒物，现有除尘设备对其捕获率较低，若以数量计，仍有占粉尘总数量的90%以上的细颗粒未被脱除而进入环境大气，虽然其所占质量分数较小，但数量巨大，更易被人体吸收，造成极大危害。干法、半干法以及湿法烟气脱硫也仅能抑制粗颗粒的排放，对PM2.5等细颗粒捕集困难，并且经过湿法烟气脱硫系统后，在一定程度上还会产生新的细颗粒物，进一步增加了 PM2.5的排放。 目前，国内外对燃烧源细颗粒物控制技术的研究主要运用物理以及化学方法，促使细颗粒物团聚长大为较大颗粒，再借助传统除尘设备将其处理，可有效提高对细颗粒物的脱除效果。
[0004]现阶段主要的团聚技术包括声波团聚技术、磁团聚技术、蒸汽相变团聚技术、电凝并技术、化学团聚技术以及湍流团聚技术等，但都存在不同程度的问题:声波团聚能耗过高，且产生较大的噪声;磁团聚技术以及蒸汽相变团聚技术均要求细颗粒物具备相应的物理特性；电凝并技术主要取决于粒子浓度、粒径、电荷分布以及电场强度等因素，团聚效果较好，然而，由于细颗粒物的微观性及复杂性，目前仍处于实验研究阶段，工业应用极少;化学团聚技术需要配置特定酸度、浓度的团聚促进剂，由于化学试剂的配制以及吸附细颗粒物后有害元素的处理方面较为困难;相对而言，湍流团聚技术利用烟气流动中产生的涡旋结构，不同粒径的颗粒物在漩涡的不同区域聚集，粒径较大的颗粒由于惯性在漩涡边界流动或被甩出漩涡，粒径越小的颗粒物则容易被卷吸于漩涡中心，形成较大浓度聚集区，这就增加了不同粒径颗粒物之间碰撞和相互作用的可能性。
[0005]李云飞(李云飞.烟气细颗粒物湍流团聚的研究[D].哈尔滨工业大学.2014)提出了一种新型的湍流凝聚器。该湍流凝聚器是在矩形通道中设置扰流部件，考虑到扰流圆柱能产生大尺度的涡，涡片能产生小尺度的涡，因此在矩形烟道安装两个并列的扰流圆柱，以产生大尺度的涡，在圆柱后安装4X6的“十”字形涡片，以产生小涡。其不足之处是“十”字形件的使用使烟道阻力增加，不利于烟气流动，要减少这一缺陷又会使设备体积增大，成本增加。
[0006]申请号为201010504951.4的发明专利公开了一种促进颗粒物相互作用的装置及方法，该方法将来流烟气通过导流柱将流体分隔成不同的流道，进入装有许多外凸或内凹的产涡涡片的团聚腔中，通过涡片绕流作用促进细颗粒物发生碰撞团聚，据称可达到良好的团聚效果。波浪形涡片虽然能降低流道阻力，但流体速度梯度变化较小，产涡效果较差， 致使团聚效果取决于涡片数量;同时涡片加工精度要求高，增加了设备的投入成本。【实用新型内容】
[0007]针对现有技术的不足，本实用新型拟解决的技术问题是，提供一种促进燃煤锅炉烟气中细颗粒物相互作用的装置及方法。该装置考虑到湍流团聚存在的不足，通过加装涡流发生器(本实施例即矩形翅片)保证湍流效果的基础上，尽量避免了湍流涡片造成的流动阻力，采用了喷嘴射流以及涡流发生器诱导漩涡技术，具有设备简单，结构精巧，产涡效果好，脱除效率高的特点。
[0008]该方法用于经过干法、半干法以及湿法烟气脱硫处理后的高温烟气中细颗粒物的脱除，利用装置各部分的合理布局同时加装涡流发生器，使来流烟气在矩形通道内混合，在缩放喉口的喉口处加速，在涡流发生器的作用下，经过加速的烟气会产生较大的速度梯度， 促进漩涡的产生，诱导细颗粒物局部富集，进而增加了颗粒碰撞的概率，达到细颗粒物团聚为较大颗粒的效果。
[0009]本实用新型解决所述技术问题采取的技术方案是:
[0010]—种促进燃煤锅炉烟气中细颗粒物相互作用的装置，其特征在于该装置包括矩形通道、缩放喉口、湍流团聚室和烟气出口，所述矩形通道为烟气入口，所述缩放喉口包括渐缩部分和渐扩部分，渐缩部分与矩形通道连接，渐扩部分与湍流团聚室一端连接，湍流团聚室的另一端设有烟气出口，烟气出口与后续的除尘设备连接;所述湍流团聚室内设有若干数量的矩形翅片，每两个矩形翅片为一组，共有n组，且n多2，每组的两个矩形翅片呈“八”字形，“八”字形小口端朝向烟气来流方向，n组矩形翅片沿烟气来流方向依次布置在湍流团聚室内；所述矩形翅片与烟气来流方向呈20?60°的夹角，湍流团聚室在宽度方向的长度与缩放喉口的喉口处直径的比例为6:5。
[0011]—种促进燃煤锅炉烟气中细颗粒物相互作用的方法，该方法使用上述装置，具体步骤是:经过干法、半干法或湿法烟气脱硫系统的高温烟气，进入矩形通道内进行充分筛选混合;随后，烟气进入缩放喉口，产生射流效果;然后进入湍流团聚室，经过一组呈“八”字形对称布置的矩形翅片，由于矩形翅片的扰流作用，流场产生速度梯度，进而在矩形翅片后方产生一对相互对称并且速度相反的涡流，颗粒发生相互碰撞团聚，使细颗粒粒度增大，当颗粒增大到一定程度，在惯性的作用下随主流烟气流向出口，未团聚的细颗粒经过第二组矩形翅片，作进一步碰撞团聚;小颗粒随涡团聚，大颗粒随惯性流出，循环往复，最终经烟气出口由除尘器脱除。
[0012]与现有技术相比，本实用新型的有益效果是:
[0013]1、本实用新型装置利用矩形通道内(缩放喉口前)上下边界处的涡旋，使进入矩形通道的来流烟气产生较大漩涡，不但能使烟气中不同粒径的颗粒充分混合，而且使漩涡中心的部分细颗粒物形成团聚。
[0014]2、本实用新型装置中的缩放喉口采用缩放状喷口结构设计，使经过充分混合的来流烟气在喉口处降温降压增速，达到射流效果，促使烟气中的水蒸气与颗粒之间发生异质核化，改变了颗粒表面的性质，使粉尘颗粒转变为亲水性粒子，提高了粒子间相互附着、凝并的概率；
[0015]3、本实用新型湍流团聚室内加装矩形翅片，在矩形翅片后方垂直于流动方向上能够产生一对几乎对称但流向相反的漩涡，即流向涡。粒径较小的颗粒随流动方向在流向涡附近产生局部聚集、碰撞以及团聚，流向涡的存在延长了颗粒物在此区域的停留时间，而大颗粒由于惯性作用摆脱漩涡卷吸，随流动方向的烟气流出，小颗粒继续旋转，能够实现对颗粒的选择及凝并，从而保证了颗粒的脱除效果。
[0016]4、本实用新型矩形通道、缩放喉口、湍流团聚室，整体布局合理，前后联系紧密;来流烟气经过前期筛选混合，射流加速，强化扰动，提高了团聚效果；同时，装置结构简单，操作方便，无活动部件，安装在工业生产过程中除尘设备之前，与高效除尘设备结合，无需改变燃煤电厂的除尘结构，具有良好的工程应用前景。
[0017]本实用新型设置多组矩形翅片，有利于团聚效果的增强，在一定程度上克服了产涡差的缺陷；利用缩放喉口与“八”字形分布的矩形翅片的组合，细颗粒物首先经过缩放喉口，产生降压降温增速作用，促使烟气中的水蒸气与颗粒之间发生异质核化，改变了颗粒表面的性质，使粉尘颗粒转变为亲水性粒子，随后加速后的颗粒物经过“八”字形分布的矩形翅片的分流作用，产生较大的速度梯度，加强产涡效果，进而提高了颗粒物局部富集、碰撞的概率，达到良好的团聚效果，克服了现有技术中单纯依靠进口速度经过涡片，减小速度梯度而造成的产涡效果差的缺陷。【附图说明】
[0018]图1是本实用新型促进燃煤锅炉烟气中细颗粒物相互作用的装置一种实施例的立体结构示意图；
[0019]图2是本实用新型促进燃煤锅炉烟气中细颗粒物相互作用的装置一种实施例的俯视结构示意图；
[0020]图3是本实用新型促进燃煤锅炉烟气中细颗粒物相互作用的装置内颗粒的速度矢量图；
[0021]图4是本实用新型促进燃煤锅炉烟气中细颗粒物相互作用的装置一种实施例的矩形翅片附近颗粒速度矢量局部放大图；
[0022]图5是本实用新型促进燃煤锅炉烟气中细颗粒物相互作用的装置一种实施例的燃煤锅炉烟气细颗粒物的脱除装置团聚前后的粒径分布对比图。
[0023]图1中:1-矩形通道;2-缩放喉口； 3-湍流团聚室;31-矩形翅片;4-烟气出口。【具体实施方式】
[0024]下面结合实施例和附图对本实用新型进行详细的描述，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。
[0025]本实用新型促进燃煤锅炉烟气中细颗粒物相互作用的装置(简称装置，参见图1-2)包括矩形通道1、缩放喉口2、湍流团聚室3和烟气出口4,所述矩形通道1为烟气入口，所述缩放喉口 2包括渐缩部分和渐扩部分，渐缩部分与矩形通道1连接，渐扩部分与湍流团聚室3 一端连接，湍流团聚室3的另一端设有烟气出口 4，烟气出口 4与后续的除尘设备连接;所述湍流团聚室3内设有若干数量的矩形翅片31，每两个矩形翅片为一组，共有n组，且n多2,每组的两个矩形翅片31呈“八”字形，“八”字形小口端朝向烟气来流方向，n组矩形翅片沿烟气来流方向依次布置在湍流团聚室3内；所述矩形翅片31与烟气来流方向呈20?60°的夹角， 湍流团聚室3在宽度方向的长度与缩放喉口的喉口处直径的比例为6: 5。
[0026]本实用新型的进一步特征在于矩形翅片31在长度方向和宽度方向的长度比为4:1 ?6:1。基于实际工业生产过程中，锅炉的运行负荷不低于60%，不同负荷下来流烟气的速度，颗粒数量都会发生改变，根据本实用新型装置的湍流团聚室3的结构布局，当流速较小时，可以适当减小矩形翅片的长宽比，当流速较大时，可以适当增加矩形翅片的长宽比。综合考虑烟气流速与本实用新型装置产涡效果，矩形翅片31在长度方向和宽度方向的长度比为4:1?6:1时效果较好，尤其是矩形翅片在长度方向和宽度方向的长度比为5:1时，效果最佳。在湍流团聚室内，矩形翅片在长度方向和宽度方向的长度比过大会导致矩形翅片宽度较小，流体发生扰流不利于漩涡的产生;过小，即宽度过大，会阻塞流道，增加流动阻力。
[0027]本实用新型的进一步特征在于所述湍流团聚室3长度方向与宽度方向上的长度之比为2.5?3.5:1;矩形通道1在长度方向和宽度方向上的比例为0.5-0.9，缩放喉口 2宽度方向上的尺寸参考矩形通道的尺寸参数，且喉口处(即缩放喉口 2宽度最小处)直径与矩形通道宽度之比为10:19。
[0028]本实用新型的进一步特征在于所述矩形翅片的数量为4-6个，共2-3组。
[0029]本实用新型促进燃煤锅炉烟气中细颗粒物相互作用的方法，该方法使用上述装置，具体步骤是:经过干法、半干法或湿法烟气脱硫系统的高温烟气，进入矩形通道1内进行充分筛选混合;随后，烟气进入缩放喉口 2，产生射流效果;然后进入湍流团聚室3，经过一组呈“八”字形对称布置的矩形翅片，由于矩形翅片的扰流作用，流场产生速度梯度，进而在矩形翅片后方产生一对相互对称并且速度相反的涡流，颗粒发生相互碰撞团聚，使细颗粒粒度增大，当颗粒增大到一定程度，在惯性的作用下随主流烟气流向出口，未团聚的细颗粒经过第二组矩形翅片，作进一步碰撞团聚;小颗粒随涡团聚，大颗粒随惯性流出，循环往复，最终经烟气出口 4由除尘器脱除。
[0030]本实用新型中矩形通道1用于筛选来流烟气中各种粒径的颗粒物，来流烟气由于温度较高，可能会导致小颗粒浮升力较大，为了避免这种可能性，且由于小颗粒跟随性较好，所以利用矩形通道1上下边界处的涡旋，使小颗粒产生的富集、碰撞，发生一定的团聚， 一定程度上使进入缩放喉口 2的粒径相差较小，颗粒物粒径分布较为均匀;缩放喉口 2可使来流烟气实现射流;湍流团聚室3中加装矩形翅片31，用于在流场中产生涡旋，增加粒子停留时间，强化细颗粒物团聚效果，矩形翅片31又称为涡流发生器。矩形通道、缩放喉口、湍流团聚室通过依次紧密连接在一起，构成整套装置，并通过紧固件连接在除尘装置入口之前。
[0031]本实用新型基于以下认识:来流烟气中具有不同质量、不同空气动力学粒径的细颗粒物，不同粒径的颗粒物对不同尺度的涡旋结构跟随性不同，即对流体内具有确定大小的湍流涡有不同的运动效果，细颗粒物被湍流涡所卷入的程度不同。因此，细颗粒物在经过湍流涡后，运动轨迹将会发生变化，增加了不同粒径的细颗粒物碰撞和团聚的概率。
[0032]本实用新型中每组矩形翅片的组间距需要满足后面一组矩形翅片安装的位置不会破坏前面一组矩形翅片产生的流向涡为依据。但组数和组间距不宜过大。组数较多能够产生较多涡街并使颗粒物停留时间增加，由于涡流发生器安装在湍流团聚室3中，所以涡流发生器组间距的大小也直接影响团聚室的大小，但安装过多会增加烟道阻力，间距过大，会增加不必要尺寸，增加设备成本。根据实际要求，综合考虑确定矩形翅片组数，初始组间距不小于100_，其后根据安装组数不同，组间距随流速按照依次递减分布。
[0033]本实用新型促进燃煤锅炉烟气中细颗粒物相互作用的装置对燃煤电厂烟气中细颗粒物的脱除原理和过程如下:经过干法、半干法或湿法烟气脱硫系统的高温烟气，以一定的流速进入矩形通道1内进行充分筛选混合，使各个粒径的细颗粒物混合均匀，随后，烟气进入缩放喉口 2，压力降低，速度增大，产生射流效果，其后经过一组呈“八”字形对称布置的矩形翅片31，由于矩形翅片的扰流作用，流场产生速度梯度，进而在矩形翅片后方产生一对相互对称并且速度相反的涡流，即产生高度湍动、细颗粒物浓度较高的撞击区，由于细颗粒具有良好的跟随性，故涡流的存在增加了颗粒的停留时间并形成高浓度区，发生相互碰撞团聚，使细颗粒粒度增大，当颗粒增大到一定程度，在惯性的作用下随主流烟气流向出口， 未团聚的细颗粒经过第二组矩形翅片，作进一步碰撞团聚。小颗粒随涡团聚，大颗粒随惯性流出，循环往复，进而增加了烟气出口4中较大粒径的颗粒物的数密度百分含量，最终由除尘器脱除。
[0034]本实用新型方法的改进点在于，来流烟气经过在矩形通道的入口与矩形通道1时能够形成凸扩流动，产生的漩涡可以对来流烟气中的颗粒物进行初筛选，使粒径较小的颗粒物团聚，进而使进入缩放喉口 2的颗粒物粒径相差较小，颗粒物粒径分布较为均匀；随后， 不同粒径的颗粒物在缩放喉口 2处降温降压增速，细颗粒物与烟气中的水气在一定程度上发生异质核化，使颗粒转化为亲水性物质，有利于颗粒之间的碰撞团聚；同时，经过加速的颗粒可以在涡片后产生较大的速度梯度，促进涡旋的产生，加强颗粒的局部富集，提高碰撞、团聚效果。
[0035]实施例1
[0036]本实施例促进燃煤锅炉烟气中细颗粒物相互作用的装置包括矩形通道1、缩放喉口 2、湍流团聚室3和烟气出口 4，所述矩形通道1为烟气入口，所述缩放喉口 2包括渐缩部分和渐扩部分，渐缩部分与矩形通道1连接，渐扩部分与湍流团聚室3—端连接，湍流团聚室3 的另一端设有烟气出口 4，烟气出口 4与后续的除尘设备连接;所述湍流团聚室3内设有若干数量的矩形翅片31，每两个矩形翅片为一组，共有n组，且n多2,每组的两个矩形翅片31呈 “八”字形，“八”字形小口端朝向烟气来流方向，n组矩形翅片沿烟气来流方向依次布置在湍流团聚室3内；所述矩形翅片31与烟气来流方向呈30°的夹角，两个矩形翅片构成“八”字形安装于湍流团聚室内，湍流团聚室3在宽度方向的长度与缩放喉口的喉口处直径的比例为 6: 5〇
[0037]本实施例所述湍流团聚室3内矩形翅片31的数量为4个，共2组，S卩n = 2,所述矩形翅片31在长度方向和宽度方向的长度比为5:1的矩形耐磨板制成;初始组间距为110mm。
[0038]矩形通道1的尺寸为100mmX190mmX209mm;缩放喉口 2的喉口处直径为100mm，长高分别为150mm、209mm，端流团聚室3的尺寸为350mmX 120mmX 209mm，在端流团聚室上下两个表面上按照矩形翅片31的布置方式开设尺寸为55mmX 15mm的矩形孔，其中，矩形翅片31的长宽高分别为209mm X 50mm X 10mm，两个矩形翅片对称布置，形成“八”字形结构，构成一组。
[0039]本实施例来流烟气是从某电厂除尘器前的烟道取得。由静电低撞击器测定烟气中的颗粒范围，颗粒尺度分布在0.021_-6.256_之间，其中96%的颗粒处于0.021_-0.2_ 之间。烟温可以达到150°C，来流烟气以13m/s的速度进入矩形通道，不同粒径尺度的粒子充分混合，进入缩放喉口 2产生射流效果，速度增大到21m/s，降压加速后的烟气进入湍流团聚室3,在矩形翅片31的作用下，产生涡街发生聚集，产生涡街可增加碰撞频率，显著加强团聚效果。
[0040]图3是本实施例装置中颗粒的速度矢量图，从图3中可以看出，来流烟气流入矩形通道1内，由于射流结构的影响，来流烟气在喉口处压力降低，速度增大，呈“八”字形布置的矩形翅片31起到了很好的分流作用，同时在矩形翅片后方出现回流现象，形成了两个几乎对称、流向相反的流向涡(参见图4)，小颗粒由于质量小扩散能力强，会在矩形翅片周围富集，颗粒碰撞频率相应增加，有利于颗粒团聚;呈“八”字形布置的矩形翅片能够将湍流团聚室的烟气通道近似划分成缩放喷嘴状，分流后的流体由于速度不同，在速度梯度的作用下， 促使流体混合、碰撞，进一步增加了细颗粒物的团聚效果。
[0041]图5是经本实施例装置团聚前后的粒径分布对比图，初始阶段来流烟气中细颗粒粒径处于0.021M1-6.256M1，其中大约96%的细颗粒物处于0.021M1-0.2M1范围内(如图5可知)，在本装置中经过聚集、碰撞以及团聚后，在烟气出口处烟气粒径发生了变化，粒径进一步增大，数密度百分比最大处的粒径达到2.4wii左右，并且颗粒粒径在2M1-6M1左右的数密度浓度均达到80%左右，由此说明本实用新型装置对细颗粒物具有很好的团聚效果，有效地证明燃煤细颗粒物经过本实用新型装置及方法处理后，颗粒团聚效果明显。
[0042]本实用新型未述及之处适用于现有技术。
【主权项】
1.一种促进燃煤锅炉烟气中细颗粒物相互作用的装置，其特征在于该装置包括矩形通 道、缩放喉口、湍流团聚室和烟气出口，所述矩形通道为烟气入口，所述缩放喉口包括渐缩 部分和渐扩部分，渐缩部分与矩形通道连接，渐扩部分与湍流团聚室一端连接，湍流团聚室 的另一端设有烟气出口，烟气出口与后续的除尘设备连接;所述湍流团聚室内设有若干数 量的矩形翅片，每两个矩形翅片为一组，共有n组，且n多2，每组的两个矩形翅片呈“八”字 形，“八”字形小口端朝向烟气来流方向，n组矩形翅片沿烟气来流方向依次布置在湍流团聚 室内；所述矩形翅片与烟气来流方向呈20?60°的夹角，湍流团聚室在宽度方向的长度与缩 放喉口的喉口处直径的比例为6:5。2.根据权利要求1所述的促进燃煤锅炉烟气中细颗粒物相互作用的装置，其特征在于 所述矩形翅片在长度方向和宽度方向的长度比为4:1?6:1。3.根据权利要求1所述的促进燃煤锅炉烟气中细颗粒物相互作用的装置，其特征在于 所述湍流团聚室长度方向与宽度方向上的长度之比为2.5?3.5:1;矩形通道在长度方向和 宽度方向上的比例为〇.5-0.9，缩放喉口的喉口处直径与矩形通道宽度之比为10:19。4.根据权利要求1所述的促进燃煤锅炉烟气中细颗粒物相互作用的装置，其特征在于 所述矩形翅片的数量为4-6个，共2-3组。
【文档编号】B01D45/16GK205598871SQ201620385991
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年4月28日
【发明人】李佳, 陈占秀, 杨历, 闵春华, 张铁臣, 刘联胜
【申请人】河北工业大学