一種切圓旋流霧化與聲波作用凝並微細顆粒物裝置與方法與流程

2023-05-10 20:13:51 2

本發明涉及氣固微細顆粒脫除技術領域，尤其涉及一種切圓旋流霧化與聲波作用凝並微細顆粒物裝置與方法。

背景技術：

工業和車輛排放的廢氣中含有的微細顆粒已經嚴重影響人類的健康和汙染大氣環境。微細顆粒直接或間接攜帶有毒、有害的物質，一旦進入人體內部組織會對人體身心健康造成嚴重的危害；同時微細顆粒能夠在大氣中長時間停留、遠距離輸送，懸浮在大氣中不僅會造成城市和風景區的能見度降低，而且還會產生霧霾現象。因此脫除煙氣中的微細顆粒顯得極其重要。

煤炭和重油燃燒後排放的顆粒粒徑數量分布主要集中在從幾納米到幾微米之間。然而，常規除塵器對於超細顆粒特別是粒徑在0.1μm～2μm的脫除效率很低，設置預處理設施，通過物理或化學的方法，使微細顆粒物先凝並長大成大顆粒，就能用常規除塵器高效地脫除。

採用單一凝聚技術促進微細顆粒長大至常規除塵器高效脫除的粒徑範圍有一定難度，而且能耗高、凝並時間長。因此，開發一種基於多種凝並機理的複合凝並裝置，聯合多種凝並技術共同促進微細顆粒快速凝並長大非常必要。

國內外試驗和模擬的研究已經證明聲波凝並技術能有效地促進微細顆粒物的凝並，並且聯合粒徑較大的種子顆粒效果更佳，但是要獲得較好的凝並效果需要高的聲波強度，有研究表明當聲壓級達158db以上，微細顆粒才能發生明顯的凝並現象，高的聲波強度需要高能耗為代價，同時產生的噪聲危害也需要消除。相變凝並是利用過飽和蒸汽在微細顆粒表面發生相變凝並，使微細顆粒粒度增大，但是單靠過飽和水汽在微細顆粒表面的凝並作用，長大至高效除霧器有效脫除的粒徑範圍3μm～5μm以上有一定的難度，實現高過飽和度所需要的蒸汽消耗成為該技術的難點；湍流凝並技術簡單、高效，早已廣泛應用於控制微細顆粒物的排放，但是單靠湍流凝並技術促進微細顆粒物長大會造成系統較大的壓降，能耗大；以上單一強化微細顆粒碰撞和單一增加煙氣溼度的方法都存在明顯的缺陷。

技術實現要素：

本發明的目的在於克服上述現有技術的缺點和不足，提供一種切圓旋流霧化與聲波作用凝並微細顆粒物裝置與方法。

本發明通過下述技術方案實現：

一種切圓旋流霧化與聲波作用凝並微細顆粒物裝置，包括如下部件：

雙層筒體6；雙層筒體6前後端分別為煙氣進口1、煙氣出口9；

沿雙層筒體6內壁面陣列分布的凝並擾流子5；陣列分布在雙層筒體6內壁面的凝並擾流子5形成旋流凝並區4；

在雙層筒體6的煙氣進口1端的內壁面，陣列並切圓方式布置有多個旋流霧化聲波湍流器2；旋流霧化聲波湍流器2圍成的截面區域，形成高壓旋流區3；旋流霧化聲波湍流器2噴射的是高壓射流；含塵餘熱煙氣進入高壓旋流區3對高壓射流進行加熱；

含塵餘熱煙氣由煙氣進口1進入高壓旋流區3時，與旋流霧化聲波湍流器2產生的溼飽和蒸汽在聲波的作用下沿切圓方向有運動並相互撞擊，並以切圓的方式螺旋向前運動進入旋流凝並區4，在與凝並擾流子5碰撞後形成渦流；含塵餘熱煙氣微細顆粒物在聲波、相變和湍流的相互耦合作用下，實現凝並分離。

雙層筒體6的內筒為由陣列貫穿分布的篩孔10構成；在雙層筒體6的下方設有一收集器7；

溼飽和蒸汽夾帶的含塵餘熱煙氣中的顆粒，在與凝並擾流子5碰撞後形成渦流，含塵餘熱煙氣微細顆粒物在聲波、相變和湍流的相互耦合作用下，一部分凝並分離後的微細顆粒物由篩孔10進入收集器7，再經收集器7底部的排放口8排出；剩餘凝並的微細顆粒從煙氣出口9排出，進行後續處理。

所述煙氣進口1和煙氣出口9的截面面積小於雙層筒體6的截面面積；

煙氣進口1和煙氣出口9與雙層筒體6採用漸縮過渡連接。

一種切圓旋流霧化與聲波作用凝並微細顆粒物的方法，其包括如下步驟：

步驟一：高壓射流流經旋流霧化聲波湍流器2的過程中，在旋流霧化聲波湍流器2節流、降壓、降溫的作用下，產生溼飽和蒸汽；

步驟二：高壓射流流經旋流霧化聲波湍流器2過程中，旋流霧化聲波湍流器2產生頻率範圍為1-10khz、聲壓級範圍為130-158db的聲波，產生的聲波隨溼飽和蒸汽一同進入微細顆粒凝並裝置；

步驟三：含塵餘熱煙氣流經煙氣進口1進入高壓旋流區3與旋流霧化聲波湍流器2噴出的溼飽和蒸汽相遇時，產生一個沿切圓方向相互撞擊與混合的作用，撞擊流強化了微細顆粒與溼飽和蒸汽間的混合與凝並，接著由高壓旋流區3中心射向旋流凝並區4進入旋流凝並區4；

在旋流凝並區4內跟隨旋轉的溼飽和蒸汽作快速螺旋向前運動，並且在螺旋向前運動的過程中與溼飽和蒸汽相互卷吸混合，含塵餘熱煙氣中的微細顆粒由於受到離心力的作用而向旋流凝並區4方向繼續螺旋前進，與此同時，在凝並擾流子5的擾流作用下產生渦流，含塵餘熱煙氣中夾帶的微細顆粒物在聲波、相變和湍流的相互耦合作用下實現凝並分離。

凝並分離是指：一部分凝並分離後的微細顆粒物由篩孔10進入收集器7，再經收集器7底部的排放口8排出；剩餘凝並的微細顆粒從煙氣出口9排出，進行後續處理。

本發明相對於現有技術，具有如下的優點及效果：

1、撞擊流與相變凝並兩者相互促進，能耗低、凝並效率高。含塵煙氣在高壓旋流區3與旋流霧化聲波湍流器2產生的溼飽和蒸汽相撞擊，撞擊流強化了微細顆粒與溼飽和蒸汽間的混合與凝並，溼飽和蒸汽中的蒸汽迅速在微細顆粒表面發生凝結，表面凝結有水膜的微細顆粒在撞擊的過程中進一步碰撞凝並長大，兩者作用相互促進。

2、聲波凝並與相變凝並兩者相互促進，能耗進一步降低，凝並效率進一步提高。高壓射流高速通過旋流霧化聲波湍流器2時，使旋流霧化聲波湍流器2產生的聲波隨溼飽和蒸汽一同進入凝並裝置，由於聲波對微細顆粒具有匯聚作用，在波節點的位置顆粒數濃度高，提供了大量可凝結的顆粒表面，有利於過飽和蒸汽在其表面凝結長大，長大後的液滴與煙氣中微細顆粒形成寬粒徑分布則又促進微細顆粒間的聲波凝並，兩種作用相互促進。

3、相變凝並與湍流凝並兩者相互促進，能耗繼續降低、凝並效率繼續提高。由於溼飽和蒸汽沿切圓方向噴出，使得煙氣在旋流凝並區4內跟隨高速旋轉的溼飽和蒸汽作快速螺旋向前運動，並且在螺旋向前運動的過程中煙氣與溼飽和蒸汽相互卷吸混合，煙氣中的微細顆粒由於受到離心力的作用而向凝並裝置內壁靠攏，使得凝並裝置內壁附近的區域成為一個顆粒高濃度區，高濃度的旋流區提供了大量可凝結的顆粒表面，有利於過飽和水汽在其表面凝結長大，長大後表面凝結有水膜的微細顆粒充當收集核，與其發生碰撞的微細顆粒則很容易被黏附在其表面促進微細顆粒凝並長大，兩種作用相互促進。

4、在旋流凝並區內壁附近的區域產生一個顆粒高濃度區，強化了微細顆粒的凝並效果。由於溼飽和蒸汽沿切圓方向噴出，使得煙氣在旋流凝並區4內跟隨高速旋轉的溼飽和蒸汽作快速螺旋向前運動，煙氣中的微細顆粒由於受到離心力的作用而向凝並裝置內壁靠攏，使得旋流凝並區內壁附近的區域成為一個顆粒高濃度區，高濃度的旋流區增大了微細顆粒間發生碰撞而凝並的機率，強化了微細顆粒的凝並效果。

5、煙氣快速繞流凝並擾流子5，強化了微細顆粒的湍流凝並效果。由於溼飽和蒸汽沿切圓方向噴出，使得煙氣在旋流凝並區4內跟隨高速旋轉的溼飽和蒸汽作快速螺旋向前運動，煙氣作旋流運動的軌線遠大於作直線運動的跡線，使得在同等的進氣條件下，煙氣作旋流運動繞流凝並擾流子5的速度遠大於作直線運動時的速度，繞流速度越大，產渦效果越好，湍流凝並效率越高。

6、煙氣繞流凝並擾流子5時產生的渦流沿氣流方向螺旋向前運動，流場的湍流強度得到有效地提高，強化了微細顆粒的湍流凝並效果。

7、所述雙層筒體6中的內筒體上均勻分布多個篩孔10，外筒體為封閉不鏽鋼圓柱，部分凝並分離後的微細顆粒物由篩孔10進入外筒體，經收集器7收集，再由排放口8排出，以此脫除煙氣中的部分微細顆粒，達到煙氣初步淨化的效果。

8、旋流霧化聲波湍流器2產生的溼飽和蒸汽中的微細湍流液滴，其粒徑主要為50～80μm，該粒徑的微細湍流液滴進入凝並裝置中，在無需額外提供能耗的前提下能進一步提高微細顆粒的凝並效率。

9、高壓射流經旋流霧化聲波湍流器2時產生一定頻率和聲壓級的聲波，與通過外加聲源產生聲波相對比，簡化了凝並裝置。

10、高壓射流經旋流霧化聲波湍流器2時由於節流、降溫、降壓的作用產生一定壓力、溫度和幹度的溼飽和蒸汽，減少了直接生產高壓高溫蒸汽的能耗。

附圖說明

圖1為本發明結構示意圖。

圖2為高壓旋流區3的圓周面，沿切圓方向噴射的旋流霧化聲波湍流器2布置示意圖。

圖3為旋流凝並區4的圓周面，凝並擾流子5的擾流示意圖。

圖4為雙層筒體6中的內筒，內筒上均勻分布多個篩孔10的分布示意圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明作進一步具體詳細描述。

實施例

如圖1至4所示。本發明公開了一種切圓旋流霧化與聲波作用凝並微細顆粒物裝置，包括如下部件：

雙層筒體6；雙層筒體6前後端分別為煙氣進口1、煙氣出口9；

沿雙層筒體6內壁面陣列分布的凝並擾流子5；陣列分布在雙層筒體6內壁面的凝並擾流子5形成旋流凝並區4；

在雙層筒體6的煙氣進口1端的內壁面，陣列並切圓方式布置有多個旋流霧化聲波湍流器2；旋流霧化聲波湍流器2圍成的截面區域，形成高壓旋流區3；旋流霧化聲波湍流器2噴射的是高壓射流；含塵餘熱煙氣進入高壓旋流區3對高壓射流進行加熱；

含塵餘熱煙氣由煙氣進口1進入高壓旋流區3時，與旋流霧化聲波湍流器2產生的溼飽和蒸汽在聲波的作用下沿切圓方向有運動並相互撞擊，並以切圓的方式螺旋向前運動進入旋流凝並區4，在與凝並擾流子5碰撞後形成渦流；含塵餘熱煙氣微細顆粒物在聲波、相變和湍流的相互耦合作用下，實現凝並分離。

雙層筒體6的內筒為由陣列貫穿分布的篩孔10構成；在雙層筒體6的下方設有一收集器7；

溼飽和蒸汽夾帶的含塵餘熱煙氣中的顆粒，在與凝並擾流子5碰撞後形成渦流，含塵餘熱煙氣微細顆粒物在聲波、相變和湍流的相互耦合作用下，一部分凝並分離後的微細顆粒物由篩孔10進入收集器7，再經收集器7底部的排放口8排出，以此脫除煙氣中的部分微細顆粒，達到煙氣初步淨化的效果。剩餘凝並的微細顆粒從煙氣出口9排出，進行後續處理。

所述煙氣進口1和煙氣出口9的截面面積小於雙層筒體6的截面面積；

煙氣進口1和煙氣出口9與雙層筒體6採用漸縮過渡連接。

本發明旋流凝並區4周向分布的多層凝並擾流子5，當高速旋轉的溼飽和蒸汽帶動煙氣以切圓的方式快速繞流凝並擾流子5時，沿螺旋方向產生一系列尺度不一的渦流，產生的渦流螺旋運動提高了湍流強度，強化了湍流凝並效果；且由於氣流在旋流凝並區4內螺旋向前運動，在同等條件下，與直線運動相比運動跡線大大地增長，氣流繞流速度極大的提高，速度的提高強化了湍流凝並效果。微細顆粒物在撞擊及渦流作用下，產生凝並分離。

如上所述。本發明在微細顆粒表面凝結所用的蒸汽是利用高壓射流高速通過旋流霧化聲波湍流器時的節流、降壓、降溫作用產生的溼飽和蒸汽提供的，減少直接生產高壓高溫蒸汽的能耗；同時，利用高壓射流衝擊旋流霧化聲波湍流器時產生的聲波對微細顆粒物進行凝並，與利用外在聲源產生聲波相對比，簡化了微細顆粒凝並裝置。採用了旋流霧化聲波湍流器噴射的溼飽和蒸汽與含塵煙氣相撞擊，利用撞擊流促進溼飽和蒸汽與微細顆粒的混合凝並，有效地強化了蒸汽在微細顆粒表面的凝結和促進表面凝結有水膜的微細顆粒進一步碰撞長大。

由於溼飽和蒸汽沿切圓方向旋流噴出，使煙氣與溼飽和蒸汽相互卷吸混合，並沿著旋流凝並區的內圓周方向螺旋向前，煙氣中的微細顆粒由於受到離心力的作用向旋流凝並區內壁靠攏，旋流凝並區內壁附近成為一個顆粒高濃度區，高濃度的旋流區增大了顆粒間發生碰撞而凝並的機率，強化了顆粒的凝並效應。

本發明在保證煙氣軸向流速不變或減少的情況下，增大了圓周速度，並以螺旋運動的方式快速繞流凝並擾流子，在凝並擾流子後面產生一系列螺旋運動的渦流，強化了湍流強度。湍流強度的增強和繞流速度的提高，都能強化湍流凝並的效果。

由於旋流霧化聲波湍流器產生的溼飽和蒸汽中的微細湍流液滴粒徑主要為50～80μm，該粒徑的微細湍流液滴進入凝並裝置中，在無需額外提供能耗的前提下能進一步提高微細顆粒的凝並效率。

本發明雙層筒體，外筒為封閉不鏽鋼圓柱，內筒為不鏽鋼篩網，由陣列分布的若干個篩孔構成。外筒與內筒之間具有間隙。部分凝並分離後的微細顆粒物通過篩孔進入收集器收集，再由排放口排出，以此脫除煙氣中的部分微細顆粒，達到煙氣初步淨化的效果。

本發明切圓旋流霧化與聲波作用凝並微細顆粒物的方法，可通過如下步驟實現：

步驟一：高壓射流流經旋流霧化聲波湍流器2的過程中，在旋流霧化聲波湍流器2節流、降壓、降溫的作用下，產生溼飽和蒸汽；

步驟二：高壓射流流經旋流霧化聲波湍流器2過程中，旋流霧化聲波湍流器2產生頻率範圍為1-10khz、聲壓級範圍為130-158db的聲波，產生的聲波隨溼飽和蒸汽一同進入微細顆粒凝並裝置；

步驟三：含塵餘熱煙氣流經煙氣進口1進入高壓旋流區3與旋流霧化聲波湍流器2噴出的溼飽和蒸汽相遇時，產生一個沿切圓方向相互撞擊與混合的作用，撞擊流強化了微細顆粒與溼飽和蒸汽間的混合與凝並，接著由高壓旋流區3中心射向旋流凝並區4進入旋流凝並區4；

在旋流凝並區4內跟隨旋轉的溼飽和蒸汽作快速螺旋向前運動，並且在螺旋向前運動的過程中與溼飽和蒸汽相互卷吸混合，含塵餘熱煙氣中的微細顆粒由於受到離心力的作用而向旋流凝並區4方向繼續螺旋前進，與此同時，在凝並擾流子5的擾流作用下產生渦流，含塵餘熱煙氣中夾帶的微細顆粒物在聲波、相變和湍流的相互耦合作用下實現凝並分離。

凝並分離是指：一部分凝並分離後的微細顆粒物由篩孔10進入收集器7，再經收集器7底部的排放口8排出；剩餘凝並的微細顆粒從煙氣出口9排出，進行後續處理。以此脫除煙氣中的部分微細顆粒，達到煙氣初步淨化的效果。

本發明雙層筒體不僅適合圓柱形結構，也適應矩形或其它截面形狀。

如上所述，便可較好地實現本發明。

本發明的實施方式並不受上述實施例的限制，其他任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。