一种电喷雾辅助细颗粒核化凝结的预处理装置和方法与流程

本发明属于废气处理技术领域，具体涉及一种电喷雾辅助细颗粒核化凝结的预处理装置和方法。

背景技术：

我国以燃煤为主的能源结构造成了排放到大气环境中细颗粒等污染物日益增多，特别是pm2.5(空气动力学当量直径小于等于2.5微米的颗粒物)尤为严重。近年来，我国各地频发大规模的雾霾天气，造成了环境空气质量的日益恶化，严重影响了人类的身心健康。因此有效脱除燃煤烟气中的细颗粒物，特别是pm2.5，已经成为大气环境治理中的重要技术问题。目前传统的燃煤烟气处理技术可以有效脱除99％以上的颗粒物，但对pm2.5的脱除效率只有25％左右。

针对pm2.5的脱除技术与方法主要采用现有设备的升级改造，主要是在现有除尘设备之前安装粉尘预处理装置，主要包括，静电聚并、磁场聚并、化学团聚、声场聚并以及水汽相变技术等。研究表明水汽相变促使细颗粒物长大成为最具有应用前景的除尘预处理技术之一。水汽相变促使细颗粒物长大的原理是，在过饱和的条件下，水蒸汽以细颗粒物为核心形成晶胚，并在晶胚表面进一步凝结长大成为更大的含尘液滴。尽管水汽相变能够促使70％以上的细颗粒物长大并能实现后续的有效脱除，但仍有部分细颗粒物在预处理装置中难以长大到被后续装置脱除的目的。这是因为在细颗粒表面形成晶胚所需的饱和度有关，如果水蒸气饱和度不理想则产生液体晶胚较为困难；然而即使存在一定的过饱和度，形成晶胚的仍需要一定的时间，后续液滴的长大也需要一定的时间。而细颗粒在预除尘装置中通常都在几秒钟以内，因此单纯通过水汽在细颗粒物表面凝结促使细颗粒物长大至传统的除尘设备所需的粒径范围仍存在一定的困难。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明公开了一种电喷雾辅助细颗粒核化凝结的预处理装置和方法，利用电喷雾产生几十纳米至几百纳米级的带电细雾滴，并在静电作用下快速与细颗粒物聚并，细雾滴即成为颗粒表面的液体晶胚，有助于水汽在细颗粒物表面的快速核化和凝结长大至传统除尘设备可以脱除的尺寸大小。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种电喷雾辅助细颗粒核化凝结的预处理装置，包括一个竖直放置的圆筒形烟气预处理塔；烟气预处理塔底部设有烟气进口，顶部设有烟气出口，烟气进口、烟气出口的中心线与烟气预处理塔的中心线重合；在烟气预处理塔内，烟气进口和烟气出口之间的区域有电喷雾辅助核化区、水汽凝结区，其中水汽凝结区在电喷雾辅助核化区的上方，烟气预处理塔的外部设有电喷雾系统；所述水汽凝结区底部外侧设有水蒸汽进口；电喷雾辅助核化区的左右两侧设有毛细管喷嘴；所述毛细管喷嘴连接电喷雾系统内的微流量注射泵和高压静电发生器。

本发明所述的一种电喷雾辅助细颗粒核化凝结的预处理方法，具有以下步骤：

通过烟气进口将含细颗粒物的并且具有一定温度烟气输入烟气预处理塔内，同时开启微流量注射泵和高压静电发生器，毛细管喷嘴产生锥射流雾化模式产生极细的带电液体雾滴；带电雾滴在烟气作用下发生微量的蒸发后达到瑞利极限实现二次破碎，可形成几十纳米级的极细的高带电液滴；此极细的带电雾滴在静电力作用下迅速与细颗粒物结合，在细颗粒物表面形成液体晶胚；带有晶胚的细颗粒物进入水汽凝结区，同时将水蒸气从蒸汽入口输入水汽凝结区，并使水汽凝结区内的水蒸气刚刚达到过饱和状态；水汽凝结区内的水蒸汽迅速在带有晶胚的细颗粒物表面凝结形成大的含尘液滴。

其中毛细管喷嘴通过微流量注射泵供应液体；毛细管喷嘴通过高压静电发生器提供雾化所需电压，毛细管喷嘴在电喷雾辅助核化区内形成锥射流雾化产生大量的细液滴。在燃煤烟气预处理塔底部设有液体排出口；为保证雾化射流为稳定的锥射流雾化模式，必须限定流量与电压的范围。通过实验可知，其流量的最小值为q0＝σε0/ρk，其中σ为液体的表面张力，ε0为真空介电常数，ρ为液体的密度，k为液体的电导率，其最大流量不超过100q0。电压的范围为u1和u2之间，其具体数值与流量有一定的关系。

本发明的创新点在于：

1.采用电喷雾的方法产生带电细雾滴，在一定温度的烟气下带电细雾滴发生蒸发现象，从而实现库仑破碎，产生二次雾化，形成几十纳米的带电细液滴；

2.带电的几十纳米的细雾滴在静电力的作用下与非带电的细颗粒物结合，即在颗粒物表面形成一个或者多个液滴晶胚，此晶胚远大于临界晶胚的尺寸，实现了即使非饱和状态下也能产生液体晶胚的可能；

3.由于电辅助雾化在细颗粒物表面形成液体晶胚，当其进入水汽凝结区时，此时水汽的过饱和度即使很低，仍能实现水汽在细颗粒物表面的凝结，实现细颗粒物的长大；

4.电辅助雾化的流量极低，耗水量极小，有利于节省水资源；同时由于电喷雾强制性地在细颗粒物表面产生了液体晶胚，因此在水汽凝结区时输入的蒸汽量也适当降低，节约了水蒸气的用量。

附图说明

图1为电喷雾辅助细颗粒表面水汽核化的预处理装置示意图。

附图标记列表：

1.烟气出口；2.水汽凝结区；3.电喷雾辅助核化区；4.电喷雾系统；5.烟气进口；6.液体排

出口；7.高压静电发生器；8.微流量注射泵；9.毛细管喷嘴；10.水蒸气入口。

图2为液滴的库仑破碎示意图。

图3为纳米尺度雾滴在颗粒物表面粘附形成晶胚的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图所示，本发明所述的一种电喷雾辅助细颗粒核化凝结的预处理装置，包括一个竖直放置的烟气预处理塔；烟气预处理塔底部设有烟气进口5，烟气进口5上接有一根竖直的进烟管道，所述的进烟管道一端一直延伸入烟气预处理塔内部；进烟管道的最高点高于塔最底部；烟气预处理塔顶部设有烟气出口1，烟气出口1和烟气进口5的中心线与烟气预处理塔的中心线是重合在一起的。烟气预处理塔内，烟气进口和烟气出口之间的区域自上而下分为水汽凝结区2、电喷雾辅助核化区3；水汽凝结区的底部设有2-3对水蒸汽入口10，各水蒸汽入口10距离烟气处理塔的底部的高度一致，且沿水汽凝结区2外壁等间距分布；水蒸汽入口10上接有蒸汽输入管，蒸汽输入管的长度方向垂直于烟气预处理塔的中心线。电喷雾辅助核化区3所在的烟气预处理塔内壁设有3-6对毛细管雾化喷嘴9，毛细管雾化喷嘴的内径为0.10-0.50mm之间，其轴线方向与烟气预处理塔的中心线垂直。毛细管雾化喷嘴的位置位于电辅助核化区的所在烟气预处理塔的中间位置。各毛细管雾化喷嘴9需要垂直穿过烟气预处理塔的壁面，并采用绝缘装置与壁面进行绝缘处理，以便毛细管雾化喷嘴的带电而不至于使烟气预处理塔壁面带电。在电喷雾辅助核化区3外侧即烟气预处理塔外侧设置电喷雾系统4；各毛细管雾化喷嘴9通过微流量注射泵8提供液体流量；各毛细管雾化喷嘴9通过高压静电发生器进行荷电。微流量注射泵8的供液流量在某个特定qv0以内，并根据烟气量进行相应的调整；同时高压静电发生器产生合适的电压u0；以保证在特定的流量和电压下产生稳定的锥射流，其雾滴粒径维持在数百纳米至1-2微米之间。烟气预处理塔底部还设有液体排放出口6。

本发明所述的一种电喷雾辅助细颗粒核化凝结的预处理装置通过以下步骤实现颗粒的长大：

将具有一定温度的烟气从烟气进口5进入烟气预处理塔，同时将电喷雾系统4开启，将几百纳米和亚微米级的带电细雾滴喷入电喷雾辅助核化区3。细雾滴在较高的烟气影响下产生蒸发并产生库仑破碎现象，形成50纳米至300纳米之间的超细带电液滴。带电液滴表面具有电荷(一般为负电荷，负荷电产生的雾化较好)，在电像力的作用下迅速结合在颗粒物的表面，形成冠状的液态晶胚。在烟气进入烟气预处理塔的同时，将水蒸汽入口10输入水蒸汽凝结区2并能够实现在该区域形成水蒸汽处于过饱和状态。由于在电喷雾辅助核化区3已经部分完成了颗粒物表面的强制核化过程，水蒸汽凝结区2内的水蒸汽在烟气中的含有的细颗粒物表面将迅速形成一层水膜，使细颗粒长大成为含尘液滴。显然，在电喷雾辅助核化区3产生的数十纳米级的雾滴，在电像力的作用下强化了颗粒的核化过程，提高了核化率，从而在后续水汽凝结区2加快了雾滴长大过程和长大率，达到传统除尘设备的有效脱除粒径。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。