湍流团聚室及应用该团聚室脱除超细颗粒物的方法
【专利摘要】本发明涉及湍流团聚室及应用该团聚室脱除超细颗粒物的方法，其特征在于该团聚室以来流烟气为轴对称的六边形结构，入口为突扩状，出口为缩放状，入口处的宽度与团聚室总宽度的比值为0.2?0.4，入口处的壁面与来流烟气中心线的夹角为30?60?，团聚室内部设置有三棱柱扰流柱和2n个涡片，且n≧1，每两个涡片为一组，以来流烟气为轴对称布置，每个涡片与来流烟气的中心线的夹角为30?60?，涡片距离团聚室壁面的最短距离为团聚室总宽度的1/6?1/4；所述三棱柱扰流柱的主视图形状为等腰三角形，等腰三角形的底边垂直于来流烟气的中心线，等腰三角形的顶角正对入口且位于来流烟气的中心线上，等腰三角形的中心距入口处的距离为团聚室总长度的1/4?1/3。
【专利说明】
湍流团聚室及应用该团聚室脱除超细颗粒物的方法
技术领域
[0001]本发明属于脱除燃煤锅炉烟气中超细颗粒物的技术领域，具体涉及湍流团聚室及应用该团聚室脱除超细颗粒物的方法。
【背景技术】
[0002]近年来，细颗粒物(简称PM2.5)对空气环境和人们身体健康的影响已经成为公众关注的焦点问题。我国作为世界上煤炭消耗最大的国家，尤其燃煤锅炉中的煤炭消耗量巨大，因此，煤燃烧产生烟尘颗粒物成为大气颗粒物的主要来源之一。频繁出现的雾霾天气，已经严重影响到了人们的日常生活，含尘空气被吸入人体后会引发相关的呼吸道疾病，还会对人体的健康造成影响。同时，烟尘颗粒物的排放也引起空气质量的下降，导致酸雨的形成和臭氧层的破坏等。近年来，在国家各项环保措施的提出和实行下，大型电厂的锅炉的烟气处理已经基本达到排放标准，但大部分工厂中的工业锅炉还难以达到排放要求，所以探索一种便捷的适合工业锅炉烟气处理的装置势在必行。由于PM2.5粒径过小，传统的除尘方式如采用静电除尘器或布袋除尘器等均难以有效控制PM2.5的排放，所以在除尘器前面设置预处理阶段能够通过物理或者化学作用使细颗粒团聚成较大粒径的颗粒，从而能够被传统除尘器所脱除成为了一种新型的除尘方法。如今这种带有预处理的除尘技术已经成为未来发展的热门方向。
[0003 ]颗粒团聚预处理技术有很多种，包括声波团聚、化学团聚、湍流团聚、电团聚、磁团聚、蒸汽相变团聚、热泳沉积等;在众多新的团聚技术中，湍流团聚技术因不需要对现有除尘设备做任何改变，且对除尘装置固有布局改动不大，操作简单、投资、运行成本较低，脱除效率高，具有很好的发展前景。
[0004]湍流团聚室的研究目前在湍流团聚技术中成为主要方向，在团聚室中主要是通过改变扰流装置种类和排列方式产生漩涡来达到很好的团聚效果。但是现有湍流团聚室由于扰流部件排列复杂，使得运行费用较高且易于堵灰;设置的涡片主要考虑产涡效果，而忽略阻力的增加。
[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)通过建立新的模型，研究了涡片和扰流圆柱的排布方式对团聚效果的影响，进而提出了一种新型湍流凝聚器。该凝聚器采用的涡片为“+”字形截面叶片，十字形涡片产涡效果较好，其不足之处在于如此设置形成的阻力较大，致使涡片后产生漩涡尾流利用较差，并造成大颗粒在团聚室内沉积。
[0006]刘含笑(刘含笑.燃煤超细颗粒物涡聚并数值模拟.华北电力大学.2012)模拟了聚并器内超细颗粒物的湍流团聚过程。采用大小涡片相互组合而成的扰流装置，虽然大小涡片的组合方式能够产生更多的涡街，但是由于挡板的存在和扰流柱数量的增多，使得阻力增加较多，而且安装挡板使得结构复杂，涡片三行布置数量过多，间距过小，对烟气流速的要求较高。
[0007]申请号为201210056892.8的发明专利提出了一种荷电辅助促进颗粒物相互作用的装置及方法。在通道内依次设置双极预荷电段、导流段和混合段。双极预荷电段布置有正、负相间的电极板固定在通道内壁，电极板分别连接高压电源的正、负两极;导流段安装有导流叶片;混合段有依次排列的产涡涡片组成。该装置的预荷电段的目的是为了使颗粒带电，在后面的混合段中由于正负电荷的相互吸引使颗粒间的相互作用非常剧烈，但这样的结构增加了装置的复杂性，固定电极板的连接件采用不饱和聚酯树脂玻璃毡板，也增加了投资成本。
【发明内容】
[0008]针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种湍流团聚室及应用该团聚室脱除超细颗粒物的方法。该湍流团聚室可以通过利用结构简单的扰流部件组合来达到产生漩涡促进细颗粒物团聚的效果，湍流团聚室无需外加耗能，节省电极所占空间，且节约电极所消耗的能量，方便安装;该方法简化运行条件，简化设备，操作简单，更加有利于细颗粒的凝并，颗粒脱除效果显著。
[0009 ]本发明解决所述技术问题采用的技术方案是:
[0010]—种湍流团聚室，其特征在于该团聚室以来流烟气为轴对称的六边形结构，入口为突扩状，出口为缩放状，入口处的宽度与团聚室总宽度的比值为0.2-0.4，入口处的壁面与来流烟气中心线的夹角为30-60°，团聚室内部设置有三棱柱扰流柱和2η个涡片，且ng I，每两个涡片为一组，以来流烟气为轴对称布置，每个涡片与来流烟气的中心线的夹角为30-60°，涡片距离团聚室壁面的最短距离为团聚室总宽度的1/6-1/4;所述三棱柱扰流柱的主视图形状为等腰三角形，等腰三角形的底边垂直于来流烟气的中心线，等腰三角形的顶角正对入口且位于来流烟气的中心线上，等腰三角形的中心距入口处的距离为团聚室总长度的1/4-1/3;第一组涡片的左端到入口处的距离为团聚室总长度的2/5-1/2，相邻两组涡片间的距离为团聚室总长度的1/15-1/12;团聚室的出口处用于连接外部的除尘设备。
[0011 ] 一种应用上述团聚室脱除超细颗粒物的方法，该方法的步骤是:
[0012]I)锅炉尾部烟道中未被处理的烟气以10_20m/s的速度进入湍流团聚室的入口，在突扩状入口的作用下烟气预先自身发生混合和撞击，对不同粒径的颗粒达到预先筛分的目的；
[0013]2)经过预先筛分的烟气流过三棱柱扰流柱产生分流、扰流和混流的效果，同时使气流速度发生改变，在三棱柱后壁面会产生很大的速度梯度，较大速度梯度的含尘烟气在三棱柱后产生两个相邻的旋转方向相反的较大涡街，中、小粒径颗粒被卷吸入漩涡中，在漩涡中不断聚集碰撞长大为较大粒径的颗粒，长大后的颗粒被甩出漩涡与分流后的气流流向下游；
[0014]3)分流后的气流分别流向两侧涡片，每个涡片后都会产生较小涡街，在一个涡街脱落后会在下一个涡片后再产生新的涡街，流经涡片后的烟气会产生绕流效果，使小颗粒在速度梯度的作用下进入涡片后的涡街中，可使经过三棱柱扰流柱后漩涡未充分团聚的颗粒多次发生凝并；
[0015]4)经涡片凝并后的烟气进入团聚室的出口，出口为缩放状，截面积骤然变小，使得气流在此区域中心处速度急剧增加，可形成射流的效果，增加了颗粒再次凝并的机会，颗粒再次凝并长大；
[0016]5)经出口凝并长大的颗粒在离心力作用下随气流流向出口，由出口处的除尘设备脱除。
[0017]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0018]I)本发明湍流团聚室设计为六边形结构，入口处突出，入口流道突扩，突扩的结构使流体在入口两侧产生漩涡，中心区域达到射流效果，能产生更多的涡街;三棱柱扰流柱分流作用明显，涡片形状简单，有利于产涡，涡片倾斜布置可以配合三棱柱扰流柱下游烟气的分流，易于产生速度梯度，形成更多的漩涡，采用几组涡片可以促使超细颗粒物多次在漩涡中聚集，增加团聚的概率;最佳的涡片间距和摆放位置可以达到更好的团聚效果，流过三棱柱后产生两个对称的方向相反的较大漩涡，每个涡片后都产生一个较小的漩涡，大漩涡和小漩涡的组合使不同粒径的颗粒在流动漩涡中不断筛分(即中小粒径的颗粒进入漩涡，大颗粒随流体流向下游)出口的缩放状设计可以达到射流的效果。
[0019]2)本发明湍流团聚室中的涡片与上下壁面有一定距离，使上下壁面产生较高的速度，上壁面的高速区，可使颗粒经涡片后产生速度梯度，小颗粒随漩涡流动，大颗粒随高速烟气流出团聚室，减小大颗粒的停滞及沉降，防止大颗粒在壁面聚集，下壁面处的高速区可带有沉积的颗粒，增强流动效果。
[0020]3)本发明方法要求进入团聚室的烟气速度在10_20m/s范围内，由于烟气从入口进入之后流通面积突然增大，使流体的速度发生了较大变化，产生了涡街，实现对不同粒径的颗粒的预先筛分。
[0021]本发明团聚室合理的利用团聚室内的空间，利用三棱柱扰流与涡片的组合排布达到更好的团聚效果，且三棱柱扰流柱与涡片在湍流团聚室内部安装便捷，整体结构无耗能部件，运行阻力小，脱除颗粒效果显著。
【附图说明】
[0022]图1是本发明湍流团聚室一种实施例的主视结构示意图；
[0023]图2为细颗粒物在实施例1的湍流团聚室内的速度矢量图；
[0024]图3为经实施例1的团聚室团聚前后的烟气中颗粒粒径分布图；
[0025]图中，1-入□处，2-涡片，3-三棱柱扰流柱，4-出口处。
【具体实施方式】
[0026]下面结合实施例及其附图对本发明做详细说明，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。
[0027]本发明湍流团聚室(简称团聚室，参见图1)以来流烟气为轴对称的六边形结构，入口为突扩状，出口为缩放状，入口处I的宽度与团聚室总宽度的比值为0.2-0.4，入口处的壁面与来流烟气中心线的夹角为30-60°，团聚室内部设置有三棱柱扰流柱3和2n个涡片2，且ηSI，每两个涡片为一组，以来流烟气为轴对称布置，每个涡片2与来流烟气的中心线的夹角为30-60°，涡片2距离团聚室壁面的最短距离为团聚室总宽度的1/6-1/4;所述三棱柱扰流柱3的主视图形状为等腰三角形，等腰三角形的底边垂直于来流烟气的中心线，等腰三角形的顶角正对入口且位于来流烟气的中心线上，等腰三角形的中心距入口处的距离为团聚室总长度的1/4-1/3;第一组涡片2的左端到入口处的距离为团聚室总长度的2/5-1/2，相邻两组涡片间的距离为团聚室总长度的1/15-1/12;团聚室的出口处4用于连接外部的除尘设备。
[0028]本发明团聚室的进一步特征在于所述涡片2的数量为2-6个。
[0029]本发明团聚室的进一步特征在于所述涡片2的形状为三角形或平行四边形。
[0030]本发明应用该团聚室脱除超细颗粒物的方法的步骤是:
[0031]I)锅炉尾部烟道中未被处理的烟气以10_20m/s的速度进入湍流团聚室的入口，在突扩状入口的作用下烟气预先自身发生混合和撞击，对不同粒径的颗粒达到预先筛分的目的；入口中心的速度很大，入口通道截面积的突然增大在通道的上方和下方产生了两个很大的漩涡，这样的速度梯度可以增加气流的扰动，漩涡的存在能够使颗粒在通过扰流柱前达到一定的团聚效果，增加颗粒停留的时间。
[0032]2)经过预先筛分的烟气流过三棱柱扰流柱3产生分流、扰流和混流的效果，同时使气流速度发生改变，在三棱柱后壁面会产生很大的速度梯度，较大速度梯度的含尘烟气在三棱柱后产生两个相邻的旋转方向相反的较大涡街，中、小粒径颗粒被卷吸入漩涡中，在漩涡中不断聚集碰撞长大为较大粒径的颗粒，长大后的颗粒被甩出漩涡与分流后的气流流向下游；
[0033]3)分流后的气流分别流向两侧涡片，每个涡片后都会产生较小涡街，在一个涡街脱落后会在下一个涡片后再产生新的涡街，流经涡片后的烟气会产生绕流效果，使小颗粒在速度梯度的作用下进入涡片后的涡街中，可使经过三棱柱扰流柱后漩涡未充分团聚的颗粒多次发生凝并；
[0034]4)经涡片凝并后的烟气进入团聚室的出口，出口为缩放状，截面积骤然变小，速度梯度变化明显，颗粒的运动剧烈，碰撞的机会增加，由于出口处的缩放形状，可以使得气流在此区域中心处速度急剧增加，可形成射流的效果，增加了颗粒再次凝并的机会，颗粒再次凝并长大；
[0035]5)经出口凝并长大的颗粒在离心力作用下随气流流向出口，由出口处的除尘设备脱除。
[0036]本发明团聚室中三棱柱扰流柱和涡片结构大小及位置经过优化组合，入口布置于中心位置，选取能产生较大漩涡的三棱柱作为扰流柱，三棱柱扰流柱的位置使烟气分流，且在三流柱扰流柱后端产生较大漩涡；涡片的位置不能距离团聚室的壁面过近，若距离过近会造成流动的阻力增加，并且使得在流经三棱柱扰流柱后的位于团聚室中心线处的颗粒无法被卷吸进涡片后产生的小漩涡中，影响团聚效果，出口的设计与入口相同，是对称的结构，缩放状出口可以形成一定的射流效果，出口中心处的速度很大，两边速度小，颗粒运动更加剧烈，能够增加碰撞的机会，对颗粒的团聚也起到一定的作用。本发明中所说的除尘设备可以为静电除尘器和布袋除尘器，采用静电除尘器，操作起来更加方便。
[0037]本发明团聚室用于燃煤锅炉烟气中细颗粒物聚集及凝并，用于除尘设备之前将超细颗粒合并为较大颗粒后再进行脱除，所述的烟气中除了含有粒径不等的颗粒外，还含有二氧化硫、水蒸气、一些重金属元素等。该团聚室入口的截面积的突扩，在气流通过入口后经过截面积突然变大的入口通道，通道的上方和下方产生漩涡，中心处速度增加，并且经过三棱柱扰流柱分流后壁面处速度很大，在高速的流动中水蒸气会容易与二氧化硫和一些重金属元素发生碰撞结合在一起，从而可以达到部分脱除的效果。重金属元素在经过上述的入口结构后会降低温度凝结成粒状物，也可以随颗粒一起被脱除。脱除的细颗粒物是指空气动力学直径小于2.5mm的颗粒，还包括设备运行过程中形成的细小水滴和脱硫液形成的液滴。
[0038]实施例1
[0039]本实施例湍流团聚室以来流烟气为轴对称的六边形结构，入口为突扩状，出口为缩放状，入口处I的宽度与团聚室总宽度的比值为0.2，入口处的壁面与来流烟气中心线的夹角为45°，团聚室内部设置有三棱柱扰流柱3和4个涡片2，每两个涡片为一组，以来流烟气为轴对称布置，每个涡片2与来流烟气的中心线的夹角为45°，涡片2距离团聚室壁面的最短距离为团聚室总宽度的0.18;所述三棱柱扰流柱3的主视图形状为等腰三角形，等腰三角形的底边垂直于来流烟气的中心线，等腰三角形的顶角正对入口且位于来流烟气的中心线上，等腰三角形的中心距入口处的距离为团聚室总长度的1/3;第一组涡片2的左端到入口处的距离为团聚室总长度的11/24，相邻两组涡片间的距离为团聚室总长度的1/12;团聚室的出口处4用于连接外部的除尘设备。
[0040]本实施例来流颗粒是从工业锅炉除尘器前的烟道取得，颗粒粒径集中在0.6-1μπι之间，计算中设置60 %的颗粒粒径为0.6μπι。
[0041 ] 所述团聚室进出口宽度均为100mm，总长度为1200mm，总宽度为500mm，厚度为300mm，出口与入口对称布置。
[0042]所述的三棱柱扰流柱为等边三角形，边长为80mm，放置在团聚室的中心线上，三棱柱扰流柱中心距入口处中心水平距离为400mm，保证漩涡的形成效果。
[0043]所述涡片为矩形涡片，尺寸为60 X 10mm，倾斜45°放置。第一组涡片2的左端到入口处的距离550mm，距离团聚室下壁面90mm。两组涡片之间间距为100mm。上方涡片与下方涡片关于团聚室中心线对称布置。
[0044]图2为细颗粒物在本实施例湍流团聚室内的速度矢量图，在图2中，锅炉尾部烟道中的烟气以10m/s的速度进入团聚室的入口，入口形状可使含尘烟气在团聚室入口的上下区域形成涡旋流动，能够使烟气中的中、小粒径的颗粒随漩涡旋转并聚集碰撞团聚，中大颗粒在涡旋边缘流动或随惯性流向下游;烟气在流经三棱柱扰流柱后，一部分流体分流，一部分流体流过三棱柱扰流柱，在三棱柱扰流柱后壁面处形成两个方向相反的较大漩涡，中大粒径的颗粒和小颗粒都会被卷吸进入较大漩涡中，颗粒相互之间的作用增强明显，凝并为大颗粒，大颗粒随着气流的流动被甩出漩涡，进入到分流烟气中，分流后烟气流向上下两行倾斜布置的涡片，涡片对较小粒径颗粒的卷吸效果较好，产生的漩涡范围较小，形成的阻力也较小，每个涡片后的漩涡会在撞击到下一个涡片后脱落再次形成新的涡街，上游未充分混合的小颗粒再次流经被卷吸进每个涡片后的漩涡中，在漩涡外的颗粒会随着气流沿壁面流向出口，每流经一个涡片都会对颗粒进行一次筛选，将没有充分团聚的小颗粒卷吸进涡片后的漩涡中，多个产涡装置增加了颗粒的停留时间，提高了团聚的效率;缩放状的出口可以达到一定的射流效果，此处的速度梯度又增加颗粒间的相互作用，也能够促进颗粒的团聚。
[0045]图3为经本实施例团聚室团聚前后的烟气中颗粒粒径分布图。图3中横坐标为颗粒粒径，纵坐标为相应粒径颗粒所占的百分比，团聚前的颗粒主要为IMi以下的小颗粒，团聚后曲线波峰向右移动，Iym以上的颗粒占到总数的96%，表明颗粒长大效果显著，大颗粒可以被除尘器脱除。
[0046]本发明未述及之处适用于现有技术。
【主权项】
1.一种湍流团聚室，其特征在于该团聚室以来流烟气为轴对称的六边形结构，入口为突扩状，出口为缩放状，入口处的宽度与团聚室总宽度的比值为0.2-0.4，入口处的壁面与来流烟气中心线的夹角为30-60。，团聚室内部设置有三棱柱扰流柱和2n个涡片，且n^ I，每两个涡片为一组，以来流烟气为轴对称布置，每个涡片与来流烟气的中心线的夹角为30-60°，涡片距离团聚室壁面的最短距离为团聚室总宽度的1/6-1/4;所述三棱柱扰流柱的主视图形状为等腰三角形，等腰三角形的底边垂直于来流烟气的中心线，等腰三角形的顶角正对入口且位于来流烟气的中心线上，等腰三角形的中心距入口处的距离为团聚室总长度的1/4-1/3;第一组涡片的左端到入口处的距离为团聚室总长度的2/5-1/2，相邻两组涡片间的距离为团聚室总长度的1/15-1/12;团聚室的出口处用于连接外部的除尘设备。2.根据权利要求1所述的湍流团聚室，其特征在于所述涡片的数量为2-6个。3.根据权利要求1所述的湍流团聚室，其特征在于所述涡片的形状为三角形或平行四边形。4.一种应用权利要求1所述团聚室脱除超细颗粒物的方法，该方法的步骤是: 1)锅炉尾部烟道中未被处理的烟气以10-20m/s的速度进入湍流团聚室的入口，在突扩状入口的作用下烟气预先自身发生混合和撞击，对不同粒径的颗粒达到预先筛分的目的； 2)经过预先筛分的烟气流过三棱柱扰流柱产生分流、扰流和混流的效果，同时使气流速度发生改变，在三棱柱后壁面会产生很大的速度梯度，较大速度梯度的含尘烟气在三棱柱后产生两个相邻的旋转方向相反的较大涡街，中、小粒径颗粒被卷吸入漩涡中，在漩涡中不断聚集碰撞长大为较大粒径的颗粒，长大后的颗粒被甩出漩涡与分流后的气流流向下游； 3)分流后的气流分别流向两侧涡片，每个涡片后都会产生较小涡街，在一个涡街脱落后会在下一个涡片后再产生新的涡街，流经涡片后的烟气会产生绕流效果，使小颗粒在速度梯度的作用下进入涡片后的涡街中，可使经过三棱柱扰流柱后漩涡未充分团聚的颗粒多次发生凝并； 4)经涡片凝并后的烟气进入团聚室的出口，出口为缩放状，截面积骤然变小，使得气流在此区域中心处速度急剧增加，可形成射流的效果，增加了颗粒再次凝并的机会，颗粒再次凝并长大； 5)经出口凝并长大的颗粒在离心力作用下随气流流向出口，由出口处的除尘设备脱除。
【文档编号】B01D51/02GK105854500SQ201610283143
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月28日
【发明人】陈占秀, 李阳, 杨历, 刘联胜, 闵春华, 李想
【申请人】河北工业大学