带有相变方腔与扰流柱的渐缩式团聚室的制作方法

本实用新型涉及锅炉烟气中细颗粒脱除装置技术领域，具体主要涉及到一种带有相变方腔与扰流柱的渐缩式团聚室。

背景技术：

雾霾主要成分之一就是漂浮在空中的细颗粒物，这种细颗粒物通常被人们称为PM2.5。根据空气动力学的解释，PM2.5是当量直径小于或等于2.5微米的细颗粒物。由于PM2.5活动性强，粒径小，易携带有毒物质，所以雾霾对中国大气环境以及人民身体健康有极大的危害，为此我国对有关雾霾治理技术十分的关注。PM2.5的主要来源之一就是煤燃烧产生的细颗粒物，然而大部分工厂中的燃煤锅炉很难达到排放要求。因为PM2.5颗粒粒径很小导致传统的除尘装置如静电除尘，布袋除尘等难以有效的控制PM2.5的排放，所以需要一个预处理装置通过物理或化学的作用提前使细颗粒物的粒径长大使长大后的颗粒能够被传统的除尘装置脱除。

预处理装置主要是通过湍流团聚的方法来使颗粒长大，为了使流体中的细颗粒达到团聚的效果，现阶段的团聚室一般都具有褶皱的壁面或复杂的扰流片。这样既不利于加工，也会使团聚室内积灰。

申请号201010018240.6的中国专利提出一种燃煤烟气脱硫工艺中提高细颗粒物脱除的装置及方法。这种装置是对于脱硫塔出口处具有较高湿度的烟气而设计的，此装置是一个长方形的蒸汽相变室，蒸汽相变室的烟气进口与烟气出口之间依次设有蒸汽喷嘴、除雾器,蒸汽相变室内衬具有增进相变效果和防腐双重功效的耐蚀低表面能材料。这样能够在蒸汽相变室中通过蒸汽喷嘴使烟气达到过饱和状态并使颗粒异质成核长大最终被除雾器除去，但由于相变室中装有装置，投资成本高并且也容易堵灰。

申请号201610380648.5的中国专利是一种基于蒸发冷却除尘技术的湿式电除尘的方法。此装置是在湿式电除尘前装设蒸发冷却的长方形团聚室，长方形团聚室内装有风扇与蒸发器，风扇安放在蒸发器之前并与团聚室外部的制冷剂压缩机相连。当饱和湿烟气通过团聚室时，带动风扇转动为制冷剂压缩机提供动力，制冷剂压缩机把制冷剂送到风扇后的蒸发器中促使饱和湿烟气在流过蒸发器时降温,水汽在细颗粒物表面发生相变长大，其不足之处在于蒸发冷却的团聚室中装有风扇、蒸发器，团聚室外又安装有节流阀、制冷压缩机等装置，因此装置结构复杂并且显著增加了投资成本。

熊英莹(熊英莹,谭厚章.湿式相变冷凝除尘技术对微细颗粒物的脱除研究[J].洁净煤技术,2015,(02):20-24.)在一个长方形的团聚室内设置了一排弯管的冷却装置，通过往冷却装置中添加冷水，使流过弯管处的湿烟气降温，颗粒通过异质成核长大。但是由于长大的颗粒会由于含有水分会粘在弯管上，导致弯管上积灰堵塞团聚室。

技术实现要素：

对于现有技术的不足，本实用新型拟解决的技术问题是，提供一种带有相变方腔与扰流柱的渐缩式团聚室，该团聚室能将蒸汽相变和湍流团聚结合在一个装置内完成，促使颗粒凝并长大，从而达到脱除的要求，结构简单，能耗低，维护费用少。

本实用新型解决所述的技术问题采取的技术问题；提供一种带有相变方腔与扰流柱的渐缩式团聚室，其特征在于该团聚室由蒸汽相变段、缓冲段和湍流团聚段三部分组成，蒸汽相变段一端为团聚室入口，另一端依次连接缓冲段和湍流团聚段一端；湍流团聚段的另一端为团聚室出口；所述蒸汽相变段的长度占整个团聚室总长度的3/8；所述缓冲段为渐缩的通道，缓冲段的入口与出口的宽度比为1.5，长度占整个团聚室总长度的1/16；所述湍流团聚段中设有3-5个扰流柱；所述扰流柱的长度方向与湍流团聚段的宽度方向平行，多个扰流柱依次等高度排列，扰流柱的上下底面均固定在湍流团聚段的内壁上，上下底面的形状为具有长轴和短轴、且长轴和短轴相互垂直的图形，并且扰流柱的上下底面的长轴所在的纵切面与来流方向垂直；扰流柱上下底面的长轴的长度为湍流团聚段宽度的1/5-1/3；所述湍流团聚段的长度为整个团聚室的9/16，团聚室出口连接传统静电除尘器。

与现有技术相比，本实用新型的有益的效果：

1)本实用新型带有相变方腔与扰流柱的渐缩式团聚室，整个团聚室是由三部分组成的，分别是蒸汽相变段(蒸汽相变段能为颗粒提供一定的滞留时间来进行蒸汽相变)，缓冲段(是蒸汽相变段后渐缩的通道，既可以使流体加速又可以进一步蒸汽相变，这一段是由蒸汽相变转换成湍流团聚的缓冲区域)以及湍流团聚段。蒸汽相变段的长度随着烟气流量的增大而增大，这样利于颗粒有一定的滞留时间。在相变段中烟气是过饱和，并且停留时间将影响到通过异质成核长大的颗粒粒径。缓冲段可以使烟气的流速增大从而有利于在湍流团聚段中的颗粒团聚。由于颗粒会有一段时间在缓冲段内，因此烟气中的颗粒会通过异质成核长大，使在缓冲段处的颗粒粒径长大为1.5微米左右。在湍流团聚段中通过湍流团聚使较小的颗粒凝并长大，由此长大后的颗粒可以被静电除尘装置脱除。

2)在湍流团聚段中来流横掠椭圆形扰流柱，有利于在椭圆形扰流柱后部形成速度梯度。由于椭圆形扰流柱的摆放位置使椭圆形扰流柱与壁面之间的区域处流速较高，而在椭圆扰流柱后部越靠近扰流柱的短轴位置，烟气的流速会越小，从而形成速度差。这样可以把较小的颗粒引入旋涡处，进行碰撞团聚，使其长成粒径为4-5μm的颗粒，这种粒径对于静电除尘装置是可以脱除的。

3)本实用新型团聚室中的缓冲段是一个渐缩管道，由于其形状特征，可以使从蒸汽相变段中的流出的烟气加速，从而达到增加流速的作用，促进了湍流团聚室中椭圆形扰流柱后部速度梯度的形成，更加有利于团聚较小颗粒。

本实用新型利用蒸汽相变耦合湍流团聚引起颗粒的凝并长大，从而可以使细颗粒得以脱除。同时此装置简单，扰流柱加工方便，低能耗,相较于一般颗粒粒径能长大到1-2μm的团聚室，本实用新型的团聚室颗粒粒径能长到4-5μm，是一般团聚室的2-3倍。

附图说明

图1是本实用新型带有相变方腔与扰流柱的渐缩式团聚室一种实施例的结构示意图；

图2是使用本实用新型团聚室加蒸汽脱除细颗粒的前后粒径分布图；

图3是使用本实用新型团聚室未加蒸汽脱除细颗粒的前后粒径分布图。

图中1-团聚室入口，2-蒸汽相变段 3-缓冲段，4-湍流团聚段，5-扰流柱，6-团聚室出口。

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步解释本实用新型，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。

本实用新型带有相变方腔与扰流柱的渐缩式团聚室(简称团聚室，参见图1)由蒸汽相变段2、缓冲段3和湍流团聚段4三部分组成，蒸汽相变段一端为团聚室入口1，另一端依次连接缓冲段和湍流团聚段4一端；湍流团聚段4的另一端为团聚室出口6；所述蒸汽相变段2的长度占整个团聚室总长度的3/8，蒸汽相变段内为相变方腔；所述缓冲段为渐缩的通道，缓冲段的入口与出口的宽度比为1.5，长度占整个团聚室总长度的1/16；所述湍流团聚段中设有3-5个扰流柱5；所述扰流柱的长度方向与湍流团聚段的宽度方向平行，多个扰流柱依次等高度排列，使烟气横掠过扰流柱，扰流柱的上下底面均固定在湍流团聚段的内壁上，上下底面的形状为具有长轴和短轴、且长轴和短轴相互垂直的图形，并且扰流柱的上下底面的长轴所在的纵切面与来流方向垂直；扰流柱上下底面的长轴的长度为湍流团聚段宽度的1/5-1/3；所述湍流团聚段的长度为整个团聚室的9/16，团聚室出口6连接传统静电除尘器。

本实用新型的进一步特征在于所述扰流柱的上下底面为椭圆形，椭圆形短轴的长度为长轴的1/3-1/2；有三个扰流柱，两个相邻椭圆形扰流柱之间的距离与湍流团聚段的长度比为1/3；第一个椭圆形扰流柱距离缓冲段出口的长度占整个湍流团聚段的1/8-1/9；椭圆形扰流柱在来流方向所占的空间比圆形扰流柱所占的空间小，能显著增大扰流的空间，能够使团聚效果更好。

本实用新型的进一步特征在于所述扰流柱的上下底面的形状也可为梯形或菱形，为菱形时，长轴和短轴为菱形两个对角线，为梯形时,梯形的长轴指的是梯形的下底边,短轴为梯形下底边与上底边之间的垂线，下底边迎着来流方向。所述扰流柱的上下底面的形状也可以为圆形，为圆形时，长轴和短轴相等。

本实用新型应用上述团聚室脱除超细颗粒的方法的步骤是：

1)锅炉尾部烟道中的烟气以233kg/s-699kg/s流出，在进入团聚室入口前，先与水蒸气以19:1进行混合，使入口烟气的过饱和度为1.2-1.3，方便烟气在蒸汽相变段内进行异质成核。

2)经过充分混合的烟气，进入团聚室的相变段，使其在蒸汽相变段中进行异质成核长大。

3)蒸汽相变完成后，通过一个缓冲段，由于缓冲段采用渐缩结构，使两边的烟气流向团聚室中心线的位置，使烟气流速增大，同时这一缓冲段也充当着缓冲的作用，使颗粒异质成核长大。

4)经过缓冲段以后，烟气进入装置的湍流团聚段，在湍流团聚段安装有扰流柱，该扰流柱的长轴纵切面与来流烟气垂直，在烟气流经扰流柱时，会产生扰流作用，从而在扰流柱后部产生涡结构；较小的颗粒在旋涡处可以进行团聚，从而使颗粒长大。

5)经过团聚后的颗粒随着气流流向团聚室出口。

本实用新型团聚室中蒸汽相变段的长度、缓冲段的长度以及湍流团聚段中扰流柱的形状与布置方式是经过优化组合的。在蒸汽相变段中颗粒有了一定的滞留时间从而可以通过异质成核长大。缓冲段是使颗粒进行加速的区域，并且由于缓冲段内还是过饱的(通过在入口段添加蒸汽使得入口烟气的过饱和度在1.2-1.3之间，在233kg/s-699kg/s的烟气流速下，可以保证蒸汽相变段中可以进行蒸汽相变，同时使缓冲段的过饱和度达到1.0以上)，所以同时也使颗粒通过异质成核长大。由于流体在缓冲段中提高了流速，所以促进了颗粒在湍流团聚段中的团聚。在湍流团聚段中，通过扰流柱的影响，颗粒凝并长大。

本实用新型扰流柱的数量是与团聚室入口1的入口流速成正比的，如果扰流柱的数量小于3会使团聚室内流场达不到充分的扰动，扰流柱的个数是随着入口流速的增加而增加，但上限为5个，当扰流柱数量再增加时团聚室的脱除效率不会再有更大的改善，达到一种相对稳定的状态。

本实用新型团聚室能用于燃煤锅炉烟气中细颗粒的凝并长大。本实用新型将蒸汽相变和湍流团聚在一个团聚室中进行耦合，设有蒸汽相变段，要求进入团聚室中的烟气含水量较多，较多的含水量可以吸收掉一部分烟气中含有的二氧化硫气体及一些金属元素。在湍流团聚段中这部分元素会随着团聚而被脱除，本实用新型团聚室也可以使PM2.5的细颗粒得到有效的脱除。

实施例1

本实施例带有相变方腔与扰流柱的渐缩式团聚室由蒸汽相变段2、缓冲段3和湍流团聚段4三部分组成，蒸汽相变段一端为团聚室入口，另一端依次连接缓冲段和湍流团聚段4一端；湍流团聚段4的另一端为团聚室出口6；所述蒸汽相变段2的长度占整个团聚室总长度的3/8，蒸汽相变段2内为相变方腔；所述缓冲段为渐缩的通道，缓冲段的入口与出口的宽度比为1.5，长度占整个团聚室总长度的1/16；所述湍流团聚段中设有3个扰流柱；所述扰流柱的长度方向与湍流团聚段的宽度方向平行，多个扰流柱依次等高度排列，使烟气横掠过扰流柱，扰流柱的上下底面均固定在湍流团聚段的内壁上，上下底面的形状为具有长轴和短轴、且长轴和短轴相互垂直的图形，并且扰流柱的上下底面的长轴所在的纵切面与来流方向垂直；扰流柱上下底面的长轴的长度为湍流团聚段宽度的1/5，短轴的长度则为长轴的1/2；所述湍流团聚段的长度为整个团聚室的9/16，团聚室出口6连接传统静电除尘器。

本实施例扰流柱的上下底面形状为椭圆形，两个相邻椭圆形扰流柱之间的距离与湍流团聚段的长度比值为1/3。第一个椭圆形扰流柱距离缓冲段出口的长度占整个湍流团聚段的1/9。

所述的团聚室入口的宽度为120mm,团聚室出口6的宽度为80mm,团聚室总长度为800mm，高度是150mm。

蒸汽相变段为300mm,缓冲段为50mm,湍流团聚段为450mm.

椭圆形扰流柱的长轴为16mm，短轴为8mm,相邻椭圆形扰流柱间的距离为150mm。

本实施例中的来流颗粒是从燃煤锅炉除尘器前的烟道内取得的，颗粒粒径集中在0.2μm左右。使用本实施例的团聚室进行超细颗粒脱除时控制锅炉尾部烟道中的烟气以233kg/s的流速流出，在进入团聚室入口前，先与水蒸气以19:1进行混合，然后进入团聚室进行脱除，得到团聚室入口1处、缓冲段3和团聚室出口6处沿团聚室宽度方向上粒径的分布(参见图2)。另外，在该团聚室中，烟气以233kg/s的流速直接进入团聚室，进行超细颗粒脱除，得到团聚室入口1处、缓冲段3和团聚室出口6处沿团聚室宽度方向上粒径的分布(参见图3)

图2与图3中横坐标是距离团聚室中心线的相对位置，纵坐标是颗粒粒径,并且分别为添加蒸汽和未添加蒸汽的工况，图2中在添加蒸汽的工况下细颗粒直径从入口处的0.2μm通过蒸汽相变与湍流团聚的共同作用长大为4-5μm。图3中未添加蒸汽的工况下颗粒只能从入口处的0.2μm通过湍流团聚长大为0.8-0.9μm。通过图2与图3的对比可以发现，加蒸汽比不加蒸汽效果好，在加蒸汽的出口处出现双峰结构是因为经过异质成核产生的大颗粒其惯性力占主导位置使得颗粒会从椭圆形扰流柱与壁面之间的区域直接流走，而较小的颗粒由于惯性力较小，会受到涡卷吸的作用从而碰撞凝并长大。所以会在出口两侧出现双峰。未添加蒸汽的工况中部出现单峰，是由于这时装置主要靠椭圆形扰流柱后的涡结构进行细颗粒的碰撞与团聚，所以会在中部产生较大颗粒。

首先脱除效率是与本实用新型未添加蒸汽直接喷颗粒的工况进行比较，当未添加蒸汽时装置出口的粒径60％-70％在0.8-0.9μm之间。而添加蒸汽进行蒸汽相变时，装置出口的颗粒粒径60％-70％都在4-5μm之间，这种粒径可以由静电除尘脱除，加蒸汽进行脱除的脱除效果显著。

本实用新型未述及之处适用于现有技术。