專利名稱：非能動翅片管可吸入顆粒物脫除塔的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種工業(yè)除塵設(shè)備，具體說，是利用流經(jīng)除塵塔的溫度較高空氣與外界的較冷空氣形成自然循環(huán)，對除塵塔內(nèi)管外管壁進行冷卻，含可吸入顆粒物的流體在管內(nèi)流動時，顆粒在溫度差作用下，由于熱泳效應(yīng)，顆粒將沉積于管子內(nèi)冷壁面，實現(xiàn)對可吸入顆粒物進行脫除的一種新型工業(yè)除塵裝置，屬于除塵技術(shù)領(lǐng)域或環(huán)境保護技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
脫除氣流中的可吸入顆粒物(PM2.5)是國際一項難題，很多現(xiàn)有的除塵設(shè)備對如此細小的可吸入顆粒物(PM2.5)幾乎沒有脫除效果。熱泳現(xiàn)象是國際上研究的熱門課題。當使含有可吸入顆粒物(PM2.5)且溫度較高的氣流流過被冷卻的管道時，可吸入顆粒物(PM2.5)會在氣流與冷壁面之間的溫度差作用下，產(chǎn)生熱泳效應(yīng)，顆粒向溫度降低方向移動，并沉積在冷壁面上。根據(jù)目前國外的實驗和理論研究結(jié)果，當所用的管道直徑小于厘米數(shù)量級，湍流時單純由熱泳效應(yīng)造成的熱泳沉積效率只有20％～30％；當管道直徑大于厘米數(shù)量級，湍流時單純由熱泳效應(yīng)造成的熱泳沉積效率只有10％左右。熱泳沉積效率較低，是由于熱泳力是短程力，只在管道邊界層附近才發(fā)揮作用。而且研究表明，當管道長度在2m以上時，熱泳沉積效率就停止增長。而且要維持壁面較低的溫度，必須配有相關(guān)的水冷系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和工程制造安裝及運行費用。所以，利用熱泳效應(yīng)制成的除塵器還鮮見報導(dǎo)。2002年韓國的Byung UkLee和Sang Soo Kim對一種裝有冷的壓板的新型俘獲沖擊器開展了實驗研究(Byung UK Lee，Sang Soo Kim.(2003).New type of impactor with a cooled impaction plate for capturingPM2.5 and other aerosols.Journal of Aerosol Science.(34)957-967.)。他們同時利用顆粒對冷銅壓板的慣性碰撞和熱泳沉積、并在冷銅壓板上涂黃油以粘結(jié)顆粒，才使總沉積效率達到50％以上。這種方法很難應(yīng)用于工程實際。根據(jù)英國科技和醫(yī)藥帝國大學(xué)的AlvinC.K.Lai等的實驗研究結(jié)果對于光滑的普通圓管，顆粒的湍流沉積速度為0.0008～0.01m/s，若設(shè)法使管內(nèi)含塵氣流發(fā)生宏觀的三維湍流流動，則湍流沉積速率可以達到0.01～0.1m/s(Alvin C.K.Lai，Miriam A.Byrne，Anthony J.H.Goddard.(2001).Aerosoldeposition in turbulent channel flow on a regular array of three-dimensionalroughness elements.Journal of Aerosol Science.32，121-137.)，說明湍流可以提高顆粒沉積效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種新型脫除可吸入顆粒物的裝置，即利用熱泳原理對可吸入顆粒物進行脫除，采用非能動自然循環(huán)風冷系統(tǒng)，設(shè)計一種非能動翅片管可吸入顆粒物脫除塔，從而開發(fā)出一種結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、脫除效率較高、性能穩(wěn)定且適用于大規(guī)模脫除可吸入顆粒物的除塵裝置，以解決工業(yè)可吸入顆粒物難以脫除的問題。
本發(fā)明的目的是通過如下兩種技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明提供的第一種非能動翅片管可吸入顆粒物脫除塔，其特征在于該脫除塔包括塔體，固定在塔體內(nèi)的熱泳工作管束，含塵氣流進口過渡管段，凈化氣流出口過渡管段，含塵氣流進口閥門和凈化氣流進出口閥門，設(shè)置在塔體上的上、下進出口風門以及由空壓機，旁路進出口閥門及相應(yīng)的管道組成的清灰旁路系統(tǒng)；所述的熱泳工作管束與塔體中心線平行且由內(nèi)外帶翅片的熱泳工作管段組成，其長度為0.1～3m，其內(nèi)徑為1～10cm；在塔體內(nèi)，管內(nèi)的含塵氣流與管外空氣流動方向相反或相同，自然冷卻風從塔下部的下風門進入，上部的上風門流出，塔內(nèi)外熱冷空氣流構(gòu)成非能動自然循環(huán)系統(tǒng)。
上述第一種方案中所述的內(nèi)外帶翅片的熱泳工作管段的優(yōu)選長度為0.5～1.5m，管內(nèi)徑優(yōu)選為1～5cm。熱泳工作管段的外翅片采用直肋或環(huán)肋，內(nèi)翅片采用三維肋，或管內(nèi)加螺紋、波紋或擾流子。
本發(fā)明提供的第二種非能動翅片管可吸入顆粒物脫除塔，其特征在于該脫除塔包括塔體，固定在塔體內(nèi)且與塔體中心線垂直的框架管束以及設(shè)置在塔體上的進出口風門；所述的框架管束至少由一排框架管組成；每排框架管由含塵氣流進口閥門、凈化氣流進出口閥門(6)、含塵氣流進口過渡管段、凈化氣流出口過渡管段、塔內(nèi)光管熱泳管、彎管和內(nèi)外帶翅片的熱泳工作管段連接成U型結(jié)構(gòu)或多邊形結(jié)構(gòu)；所述的內(nèi)外帶翅片的熱泳工作管段采用并聯(lián)或串聯(lián)結(jié)構(gòu)，其長度為0.1～3m，管內(nèi)徑為1～10cm；通過所述塔體上的進出口風門連通塔內(nèi)外熱冷空氣流構(gòu)成非能動自然循環(huán)系統(tǒng)；在每排框架管含塵氣流進出口閥門之間設(shè)有由空壓機、旁路進出口閥門及相應(yīng)的管道組成的清灰旁路系統(tǒng)。在本發(fā)明的所述的第二種非能動翅片管可吸入顆粒物脫除塔，其特征還在于所述的框架管束相鄰一排框架管中的熱泳工作管段采用叉排結(jié)構(gòu)。熱泳工作管段的優(yōu)選長度為0.5～1.5m，管內(nèi)徑優(yōu)選為1～5cm；熱泳工作管段的外翅片采用直肋或環(huán)肋，內(nèi)翅片采用三維肋，或管內(nèi)加螺紋、波紋或擾流子。
在上述兩種方案中，所述的非能動翅片管可吸入顆粒物脫除塔均包括一個用于提高來流溫度的輔助加熱裝置，所述的輔助加熱裝置與進口閥門相連。所述的塔體可為混凝土、磚或鋼等制成的塔體，其斷面可以為方形、圓形、雙曲線或梯形等。為了促使塔內(nèi)空氣形成強迫循環(huán)流動，本發(fā)明還可在塔體外設(shè)置促使塔內(nèi)空氣形成強迫循環(huán)流動的風機。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下突出優(yōu)點及效果本發(fā)明提供的非能動翅片管熱泳除塵裝置，是國內(nèi)外首次利用熱泳原理對可吸入顆粒物進行脫除，采用非能動自然循環(huán)風冷系統(tǒng)。目前已有的靜電除塵器對細顆粒的脫除效率較低，其它諸如旋風分離器等除塵設(shè)備只對粒徑達數(shù)十微米的顆粒有效，對可吸入顆粒物基本沒有脫除效果。而本發(fā)明提供的裝置，使用帶內(nèi)外翅片的內(nèi)徑較大的鋼管，此時的換熱系數(shù)h＝Bh0A/A0，其中A和A0是加翅片后和前的表面積，B是翅片效率，由于增加翅片，不僅使換熱系數(shù)成倍增大，同時使管內(nèi)外換熱面積及顆粒沉積面積明顯增大；在管外低溫側(cè)帶翅片有可有效降低管壁溫度，采用管內(nèi)外流體逆向流動和交叉橫掠管束流動，可保持最大的溫差；增強管外換熱；采用光管熱泳工作段與翅片熱泳工作段聯(lián)接形成的伸入塔內(nèi)的框架式結(jié)構(gòu)，使熱泳工作段內(nèi)流動可能處于速度溫度非充分發(fā)展的情況，以上措施的綜合作用，可對提高熱泳沉積效率有明顯效果。管內(nèi)翅片的增加，可以加大含塵氣流的湍流作用，以提高顆粒的湍流沉積作用，顯著提高顆粒脫除總效率?；谝陨蠗l件，總的沉積效率可以達到85％。本發(fā)明由于采用非能動自然風冷卻系統(tǒng)，省去了復(fù)雜的冷卻水系統(tǒng)，不僅降低設(shè)備造價，而且可節(jié)約寶貴的水資源，達到了環(huán)保而節(jié)能目的。本發(fā)明實施方便，控制簡單易行，結(jié)構(gòu)合理，性能可靠，調(diào)節(jié)靈活，運行費用低，可有效地使用在各類環(huán)境中，對治理細顆粒排放引起的環(huán)境污染有突出效果?；谝陨咸攸c，本發(fā)明可很容易地進行市場化推廣應(yīng)用。兩種裝置可適用于不同的環(huán)境條件，實現(xiàn)高效脫除可吸入顆粒物。


圖1為非能動翅片管可吸入顆粒物脫除塔第一種實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為圖1的俯視圖。
圖3為非能動翅片管可吸入顆粒物脫除塔第二種實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為圖3的右視圖。
圖5為圖4的B-B剖面圖；表示出熱泳工作段采用并聯(lián)式的一排框架管的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是圖4的B-B剖面圖；表示出熱泳工作段采用串聯(lián)式的一排框架管的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7是圖4的A-A剖視圖。
圖中1-含有塵氣流進口閥門，2-含塵氣流進口過渡管段，3-熱泳工作管束，4-凈化氣流出口過渡管段，5-塔體，6-凈化氣流出口閥門，7-旁路進口閥門，8-旁路出口閥門，9-內(nèi)外帶翅片的熱泳工作管段，10-熱泳工作段的外翅片，11-熱泳工作段內(nèi)的三維肋塊，12-塔內(nèi)空氣流空間通道，14-伸入塔內(nèi)的框架管，15-伸入塔內(nèi)的框架管束光管段，16-伸入塔內(nèi)的框架管束的彎管段，17-進口風門，18-出口風門具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)、工作過程和最佳實施方式作進一步說明。
圖1和圖2是本發(fā)明提供的非能動逆流式翅片管熱泳除塵塔第一種實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。該脫除塔包括塔體5，固定在塔體內(nèi)的熱泳工作管束3，含塵氣流進口過渡管段2、凈化氣流出口過渡管段4，含塵氣流進口閥門1和凈化氣流出口閥門6，設(shè)置在塔體上的上、下進出口風門以及由空壓機，旁路閥門7、8及相應(yīng)的管道組成的清灰旁路系統(tǒng)；所述的熱泳工作管束與塔體中心線平行且由內(nèi)外帶翅片的熱泳工作管段9組成，其長度為0.1～3m，其內(nèi)徑為1～10cm；優(yōu)選長度為0.5～1.5m，管內(nèi)徑優(yōu)選為1～5cm；所述翅片采用三維肋片11。在塔體內(nèi)，管內(nèi)含塵氣流與管外空氣流動可采用順流或逆流方式，最佳方式是管內(nèi)含塵氣流與管外空氣流動方向相反，自然冷卻風從塔下部的下風門進入，上部的上風門流出，塔內(nèi)外熱冷空氣流構(gòu)成非能動自然循環(huán)系統(tǒng)。含有可吸入顆粒物的溫度較高的氣流在管內(nèi)流動，自然冷卻風從塔下部風門進入，對管束進行縱向沖刷，以冷卻管內(nèi)的含塵氣流，使管內(nèi)顆粒發(fā)生熱泳沉積。管外空氣被加熱后，從塔上部風門離開。在塔內(nèi)空氣流空間通道12中，塔內(nèi)逆向流動的冷卻用空氣，以自然循環(huán)的方式從下自上流動，與塔外大氣形成回路，塔內(nèi)的熱空氣與塔外冷空氣構(gòu)成自然循環(huán)系統(tǒng)。
圖3為非能動翅片管可吸入顆粒物脫除塔第二種實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。在該實施例中，塔中布置橫向框架管束，框架管束與塔中心線垂直。該脫除塔包括塔體5，固定在塔體內(nèi)且與塔體中心線垂直的框架管束以及設(shè)置在塔體上的進出口風門17、18；所述的框架管束至少由一排框架管組成；每排框架管由含塵氣流進口閥門1、凈化氣流出口閥門6、含塵氣流進口過渡段2、凈化氣流出口過渡段4、塔內(nèi)光管熱泳管15、彎管16和內(nèi)外帶翅片的熱泳工作管段9連接成U型結(jié)構(gòu)、多邊形結(jié)構(gòu)或S形狀結(jié)構(gòu)；所述的內(nèi)外帶翅片的熱泳工作管段采用并聯(lián)或串聯(lián)結(jié)構(gòu)，其長度為0.1～3m，其優(yōu)化長度為0.5～1.5m，管內(nèi)徑優(yōu)化為1～10cm。通過所述塔體上的進出口風門連通塔內(nèi)外熱冷空氣流構(gòu)成非能動自然循環(huán)系統(tǒng)；在每排框架管含塵氣流進出口閥門之間設(shè)有由空壓機、旁路閥門7、8及相應(yīng)的管道組成的清灰旁路系統(tǒng)。
圖5和圖6呈現(xiàn)了兩中類型的單排框架管的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是框架中帶翅熱泳管段的并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，適合于大于10m/s的流速；圖6是框架中帶翅熱泳管段的串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，適合小于10m/s的流速。每排框架管14包括含塵氣流進口閥門1、凈化氣流出口閥門6，清灰回路旁路進口閥門7和旁路出口閥門8，含塵氣流進口過渡管段2和凈化氣流出口過渡管段4，光管熱泳工作管段15和內(nèi)外帶帶翅片的熱泳工作管段9以及彎管16。所述的熱泳工作管段的排列方式可以采用叉排結(jié)構(gòu)，亦可采用順排等多種形式；管內(nèi)外氣流的流動方向可采用逆流、叉流、順流或各類復(fù)雜流；所述的熱泳工作管段的外翅片10可以根據(jù)具體情況采用直肋或環(huán)肋等，內(nèi)翅片11最好采用三維肋，或內(nèi)管用螺紋管、波紋管，或管內(nèi)加擾流子等；三維肋的材料用碳鋼即可。塔體截面可以是方形、圓形、雙曲線以及梯形等。除塵可采用多塔串聯(lián)的方式；塔體材料可以是鋼制、磚或混凝土等，但對鋼制塔，外部應(yīng)加保溫層；可以在塔外加強力風機，促使塔內(nèi)空氣形成強迫循環(huán)流動。
圖7表示出熱泳工作管段9的叉排情況，即帶翅片的熱泳工作管段對從下部進口風門17進入上升的空氣流呈叉排方式。含有可吸入顆粒物的溫度較高的氣流在管內(nèi)流動，自然冷卻風從塔下部風門進入，對管束進行橫向沖刷，冷卻管內(nèi)的含塵氣流，使管內(nèi)顆粒發(fā)生熱泳沉積。管外空氣被加熱后，從塔上部風門離開，塔內(nèi)的熱空氣與塔外空氣構(gòu)成自然循環(huán)系統(tǒng)。
上述兩種非能動翅片管可吸入顆粒物脫除塔，還包括一個提高來流溫度的輔助加熱裝置，所述的輔助加熱裝置與含塵氣流進口閥門1相連。
本發(fā)明特別適合于脫除電廠排出的高溫含塵氣體中的顆粒，與電廠配套設(shè)計。非高溫氣?；旌衔锟梢越?jīng)過輔助加熱器，溫度加熱到200℃以上，進入熱泳工作段，在氣冷壁面的作用下，顆粒按照熱泳規(guī)律沉積于管內(nèi)壁面。一般而言，高溫含塵氣體應(yīng)在200℃以上，以充分發(fā)揮設(shè)備的特點。如果待除可吸入顆粒物的氣流溫度較低，低于50℃，則需在塔外增加輔助加熱系統(tǒng)，對來流進行加熱。本發(fā)明所述的輔助加熱器，主要是用于對來流提高溫度，對已經(jīng)具備有較高溫度的含塵氣體，如鍋爐煙氣、窯爐煙氣等，則可以省略此環(huán)節(jié)。輔助加熱器可以采用電加熱器。由此提高可吸入顆粒物總的脫除效率。若需要進一步提高總沉積效率，可采用多塔串聯(lián)方式予以解決。伸入塔的管道與塔體的連接處一定要嚴格密封。光管熱泳工作段與翅片熱泳工作段的連接可以采用用氬弧焊接或彎頭密封連接。
熱泳脫除器運行一定時期后，可開啟設(shè)置在含塵氣流進口閥門1和凈化氣流出口閥門6之間的清灰旁路系統(tǒng)。首先關(guān)閉進出兩路主閥門1和6，然后旁路閥門7和8，設(shè)其中一閥門7為進氣口，并通入壓縮空氣，定期吹掃沉積的可吸入顆粒物，并以另一閥門8作為壓縮空氣出口，通過管道與布袋或其它容器連接，以收集可吸入顆粒物。若系統(tǒng)有熱空氣供給，可以將熱空氣從風門通入，同時利用較冷的壓縮空氣通過管道，同樣利用熱泳的作用，將可吸入顆粒物高效率吹入布袋收集。當然，系統(tǒng)也可以很方便地用諸如水之類的各類溶劑進行清洗。
權(quán)利要求
1.一種非能動翅片管可吸入顆粒物脫除塔，其特征在于該脫除塔包括塔體(5)，固定在塔體內(nèi)的熱泳工作管束(3)，含塵氣流進口過渡管段(2)，凈化氣流出口過渡管段(4)，含塵氣流進口閥門(1)和凈化氣流進出口閥門(6)，設(shè)置在塔體上的上、下進出口風門以及由空壓機，旁路進出口閥門(7、8)及相應(yīng)的管道組成的清灰旁路系統(tǒng)；所述的熱泳工作管束與塔體中心線平行且由內(nèi)外帶翅片的熱泳工作管段(9)組成，其長度為0.1～3m，其內(nèi)徑為1～10cm；在塔體內(nèi)，管內(nèi)的含塵氣流與管外空氣流動方向相反或相同，自然冷卻風從塔下部的下風門進入，上部的上風門流出，塔內(nèi)外熱冷空氣流構(gòu)成非能動自然循環(huán)系統(tǒng)。
2按照權(quán)利要求1所述的一種非能動翅片管可吸入顆粒物脫除塔，其特征在于所述熱泳工作管段(9)的長度為0.5～1.5m，其管內(nèi)徑為1～5cm。
3.一種非能動翅片管可吸入顆粒物脫除塔，其特征在于該脫除塔包括塔體(5)，固定在塔體內(nèi)且與塔體中心線垂直的框架管束以及設(shè)置在塔體上的進出口風門(17、18)；所述的框架管束至少由一排框架管組成；每排框架管由含塵氣流進口閥門(1)、凈化氣流進出口閥門(6)、含塵氣流進口過渡管段(2)、凈化氣流出口過渡管段(4)、塔內(nèi)光管熱泳管(15)、彎管(16)和內(nèi)外帶翅片的熱泳工作管段(9)連接成U型結(jié)構(gòu)或多邊形結(jié)構(gòu)；所述的內(nèi)外帶翅片的熱泳工作管段采用并聯(lián)或串聯(lián)結(jié)構(gòu)，其長度為0.1～3m，管內(nèi)徑為1～10cm；通過所述塔體上的進出口風門連通塔內(nèi)外熱冷空氣流構(gòu)成非能動自然循環(huán)系統(tǒng)；在每排框架管含塵氣流進出口閥門之間設(shè)有由空壓機、旁路進出口閥門(7、8)及相應(yīng)的管道組成的清灰旁路系統(tǒng)。
4.按照權(quán)利要求3所述的一種非能動翅片管可吸入顆粒物脫除塔，其特征在于所述熱泳工作管段(9)的長度為0.5～1.5m，其管內(nèi)徑為1～5cm。
5.按照權(quán)利要求3或4所述的一種非能動翅片管可吸入顆粒物脫除塔，其特征在于所述的框架管束相鄰一排框架管中的熱泳工作管段采用叉排結(jié)構(gòu)。
6.按照權(quán)利要求1、2、3或4所述的一種非能動翅片管可吸入顆粒物脫除塔，其特征在于所述的熱泳工作管段的外翅片(10)采用直肋或環(huán)肋，內(nèi)翅片(11)采用三維肋，或管內(nèi)加螺紋、波紋或擾流子。
7.按照權(quán)利要求1或2所述的一種非能動翅片管可吸入顆粒物脫除塔，其特征在于該熱泳脫除器還包括一個用于提高來流溫度的輔助加熱裝置，所述的輔助加熱裝置與含塵氣流進口閥門(1)相連。
8.按照權(quán)利要求7所述的一種非能動翅片管可吸入顆粒物脫除塔，其特征在于所述的塔體(5)為混凝土、磚或鋼制成的塔體，其斷面為方形、圓形、雙曲線或梯形。
9.按照權(quán)利要求8所述的一種非能動翅片管可吸入顆粒物脫除塔，其特征在于在塔體外設(shè)有促使塔內(nèi)空氣形成強迫循環(huán)流動的風機。
全文摘要
一種非能動翅片管可吸入顆粒物脫除塔，涉及一種工業(yè)除塵設(shè)備。本發(fā)明由塔體，固定在塔體的內(nèi)框架或管束，進出口閥門，上下進出口風門，清灰旁路系統(tǒng)組成。該除塵塔分為管束平行塔中心軸線布置和垂直塔中心軸線布置兩種基本類型。塔體內(nèi)的熱泳管段加內(nèi)外翅片，塔內(nèi)外空氣流的構(gòu)成非能動自然循環(huán)系統(tǒng)，涉及利用流經(jīng)除塵塔的溫度較高空氣與外界的較冷空氣形成自然循環(huán)，對除塵塔內(nèi)管外管壁進行冷卻，含可吸入顆粒物的流體在管內(nèi)流動時，顆粒在溫度差作用下，由于熱泳效應(yīng)，顆粒將沉積于管子內(nèi)冷壁面。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、脫除效率高、實施方便，性能穩(wěn)定且適用于大規(guī)模脫除可吸入顆粒物的除塵裝置，以解決工業(yè)可吸入顆粒物難以脫除的問題。
文檔編號B01D49/00GK1663668SQ200410101818
公開日2005年9月7日 申請日期2004年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月24日
發(fā)明者周濤, 楊瑞昌, 趙磊, 劉若雷 申請人:清華大學(xué)