專利名稱：聲波與外加種子顆粒聯(lián)合作用脫除微顆粒物的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一套脫除含塵氣流中粒徑小于2.5微米的可吸入顆粒物(以下簡(jiǎn)稱PM2.5)的裝置和方法，屬于污染控制設(shè)備制造的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
當(dāng)今的顆粒物排放控制技術(shù)中，傳統(tǒng)的方法是根據(jù)顆粒的慣性、擴(kuò)散和靜電作用等原理，采用靜電除塵器、旋風(fēng)分離器、布袋除塵器和陶瓷過(guò)濾器等常規(guī)脫除設(shè)備脫除顆粒。盡管這些設(shè)備脫除大于5μm的顆粒已達(dá)到非常高的效率，但是對(duì)細(xì)顆粒物PM2.5的脫除效率較低，仍有極大數(shù)量的細(xì)顆粒物排放至大氣中，不能滿足目前日趨嚴(yán)格的環(huán)保要求。一般來(lái)說(shuō)，采用改善傳統(tǒng)除塵方法脫除效果的途徑會(huì)遇到實(shí)際的困難，如采用高效旋風(fēng)分離器，其阻力降會(huì)大大增加；在高效靜電除塵器中增加電場(chǎng)數(shù)、加長(zhǎng)電極會(huì)使原本就很大的電除塵器體積變得更龐大，而且功耗也大大增加。
由于一般的聲波團(tuán)聚方法在較低聲強(qiáng)下對(duì)PM2.5的團(tuán)聚效率較低，僅有40％左右。本發(fā)明基于聲波和外加種子顆粒的聯(lián)合作用，作為對(duì)含塵氣流中細(xì)顆粒進(jìn)行聲波團(tuán)聚的預(yù)處理過(guò)程，再采用后續(xù)的常規(guī)除塵裝置將團(tuán)聚后的大顆粒作進(jìn)一步脫除，最終達(dá)到高效脫除PM2.5的目的。
在現(xiàn)有專利中檢索，得到相關(guān)中國(guó)專利及文獻(xiàn)如下 1，專利號(hào)02276809.2，立式顆粒流除塵器 2，專利號(hào)03132195.X，旋轉(zhuǎn)流化床反吹顆粒層除塵器 3，專利號(hào)200510095431，點(diǎn)布結(jié)合除塵工藝及其設(shè)備 4，專利號(hào)200510032204，煙道式煙塵除塵凈化裝置 5，專利號(hào)01130066.3，凝聚式靜電除塵方法及其裝置 6，專利號(hào)96105749.1，抽氣型除塵方法與除塵裝置 7，專利號(hào)92102104.6，磁化吸附高效除塵器 8，專利號(hào)99106814.9，一種超聲震蕩除塵方法及裝置 上述檢索到的有關(guān)顆粒脫除的專利中，都不能有效地脫除可吸入顆粒PM2.5。其中第八個(gè)專利是采用超聲震蕩法除塵，由于較低功率下的超聲波除塵效果較差，在采用較高功率的超聲波時(shí)能耗較大，所以很難保證長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠工作。本裝置及其方法在穩(wěn)定可靠的低頻聲源下，采用聲波和種子顆粒聯(lián)合作用方法，有效地脫除粒徑范圍為0.01～2.5μm的常規(guī)除塵設(shè)備難以捕集的超細(xì)顆粒。


發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的是采用一種聲波與外加種子顆粒聯(lián)合作用脫除PM2.5的裝置和方法，對(duì)燃煤電廠的排煙、柴油機(jī)尾氣和其它含塵氣流中的可吸入顆粒物PM2.5進(jìn)行脫除，達(dá)到控制PM2.5排放的目的。本發(fā)明利用聲源，通過(guò)聲波和外加種子顆粒聯(lián)合作用的預(yù)處理過(guò)程，結(jié)合后續(xù)的除塵裝置，可高效地脫除含塵氣流中的PM2.5。
技術(shù)方案本發(fā)明的聲波與外加種子顆粒聯(lián)合作用脫除PM2.5的裝置中，含塵氣流進(jìn)口的水平煙道的一端與立式聲波團(tuán)聚室的上端相連接；種子顆粒加料器與立式聲波團(tuán)聚室隨頂端相連接；立式聲波團(tuán)聚室中部的兩個(gè)側(cè)面分別通過(guò)連接法蘭與水平設(shè)置的兩個(gè)異徑連接管相連接，兩個(gè)異徑連接管的另一端分別用法蘭與兩個(gè)聲源相連接；立式聲波團(tuán)聚室的下部出口端與顆粒第一級(jí)分離器相連接，第一級(jí)分離器的出口再與第二級(jí)分離器相連接，第二級(jí)分離器的出口端經(jīng)煙道與引風(fēng)機(jī)相連接；最后由引風(fēng)機(jī)將處理后的氣流排出。
本發(fā)明的聲波與外加種子顆粒聯(lián)合作用脫除PM2.5的裝置的脫除PM2.5的方法為 1)聲源工作頻率的確定聲源的工作頻率確定后，計(jì)算出在此工作頻率下平面聲波的波長(zhǎng)，通過(guò)改變異徑連接管的長(zhǎng)度使得兩個(gè)聲源之間的間距為半波長(zhǎng)整數(shù)倍，當(dāng)兩個(gè)聲源安裝在半波長(zhǎng)的整數(shù)倍的位置上時(shí)，在聲波團(tuán)聚室中形成駐波； 2)立式聲波團(tuán)聚室總高度的確定立式聲波團(tuán)聚室的總長(zhǎng)度為含塵氣流進(jìn)出立式聲波團(tuán)聚室的高度差，根據(jù)處理的氣體流量，確定聲波團(tuán)聚室的截面和總長(zhǎng)度，保證含塵氣流在聲波團(tuán)聚室內(nèi)總的停留時(shí)間不小于3秒； 3)種子顆粒的加入外加種子顆粒由立式聲波團(tuán)聚室的頂部通過(guò)種子顆粒加料器加入，種子顆粒為固體顆?；蛞后w顆粒，根據(jù)聲波的頻率選擇顆粒的大小，加入的種子顆粒依靠自身的重力，匯入氣流進(jìn)入立式聲波團(tuán)聚室； 4)啟動(dòng)聲源，同時(shí)開(kāi)啟立式聲波團(tuán)聚室頂部的顆粒加料器，以額定的給料量將種子顆粒加入立式聲波團(tuán)聚室中。待處理的含塵氣流，由通道進(jìn)入立式聲波團(tuán)聚團(tuán)聚室后，氣流中的PM2.5同時(shí)受到聲波的夾帶和外加大顆粒的捕集作用，被處理后的含塵氣流再進(jìn)入第一級(jí)分離器與第二級(jí)分離器分離器，最后引風(fēng)機(jī)排出。聯(lián)合作用的理論依據(jù)及計(jì)算過(guò)程 (1)聲波夾帶引起的相對(duì)運(yùn)動(dòng) 小顆粒在聲波場(chǎng)中由于黏性的作用，使得顆粒隨氣體分子的振動(dòng)而振動(dòng)，聲波夾帶是小顆粒特有的性質(zhì)。細(xì)顆粒在聲波場(chǎng)中的夾帶由下式表示 其物理意義是顆粒振動(dòng)幅值和空氣質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)幅值之比。式1中的ω是角頻率，ω＝2πf，f是頻率；τ是顆粒的馳豫時(shí)間，表達(dá)式為 式2中的ρp是顆粒密度；dp是顆粒半徑；μg是氣體介質(zhì)動(dòng)力粘度。C為肯寧漢修正系數(shù)，其定義式為 式3中的λg是空氣分子平均自由程。
根據(jù)式1，對(duì)于大小不同的顆粒，其夾帶系數(shù)存在差異。表明了充分夾帶的小顆粒與幾乎不被夾帶的種子顆粒間產(chǎn)生較大的相對(duì)速度，為顆粒碰撞團(tuán)聚創(chuàng)造了條件。為本發(fā)明中種子顆粒捕集PM2.5提供了理論依據(jù)。
(2)重力沉降引起的相對(duì)運(yùn)動(dòng) 根據(jù)顆粒在空氣中沉降速度 其中g(shù)是重力加速度。大小和密度不同的顆粒沉降速度由差異。在本專利的立式聲波團(tuán)聚室中，尺度較大的種子顆粒與細(xì)顆粒存在不同的顆粒沉降速度，而產(chǎn)生相對(duì)速度。重力沉降也是增加顆粒間碰撞率的依據(jù)之一。
(3)聲致漂移引起的相對(duì)運(yùn)動(dòng) 顆粒在聲波夾帶中的黏性不對(duì)稱導(dǎo)致顆粒在駐波聲場(chǎng)中發(fā)生漂移，顆粒的聲致漂移速度由如下表示 其中k是波數(shù)，U0為聲波速度幅值，x為聲波場(chǎng)中位置。從式5可知，較大的種子顆粒和可吸入顆粒PM2.5間在聲場(chǎng)中有不同的漂移速度，而使得顆粒間產(chǎn)生相對(duì)速度。
有益效果在可靠聲源與外加種子顆粒聯(lián)合作用下，結(jié)合后續(xù)除塵設(shè)備，有效地脫除數(shù)濃度峰值粒徑在亞微米區(qū)域內(nèi)含塵氣流中的PM2.5是本發(fā)明的重要特點(diǎn)。通過(guò)測(cè)試，本發(fā)明的裝置可使含塵氣流中細(xì)顆粒PM2.5的數(shù)濃度脫除率達(dá)到68％，質(zhì)量濃度的脫除率達(dá)到80％。本裝置適用于環(huán)保及空氣凈化有較高要求的場(chǎng)合。



圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖。其中有煙道1、立式聲波團(tuán)聚室2、聲源3、種子顆粒加料器4、第一級(jí)分離器5、第二級(jí)分離器6、引風(fēng)機(jī)7。

具體實(shí)施例方式 本發(fā)明的整個(gè)裝置如圖1所示分為三大部分聲源；含塵氣流通道系統(tǒng)(團(tuán)聚室)；外加顆粒系統(tǒng)和后續(xù)的常規(guī)除塵設(shè)備。本圖中的后續(xù)常規(guī)除塵設(shè)備，作為一個(gè)例子，采用兩級(jí)沉降室分離，并具有相應(yīng)的切割粒徑。實(shí)際使用時(shí)可采用單級(jí)或多級(jí)各類常規(guī)除塵設(shè)備。
具體的連接方式如下含塵氣流進(jìn)口的水平通道的一端與立式聲波團(tuán)聚室的上端相連接；外加顆粒的振動(dòng)給料裝置與立式聲波團(tuán)聚室隨頂端相連接；聲波團(tuán)聚室中部的兩個(gè)側(cè)面分別安裝連接法蘭，與水平設(shè)置的兩個(gè)異徑連接管相連接；兩個(gè)異徑管的另一端用法蘭與兩個(gè)聲源相連接；聲波團(tuán)聚室的出口端(下端口)與顆粒分離室相連接，為保證分離效果可以串連連接設(shè)置多級(jí)常規(guī)分離裝置；分離裝置的下游端由法蘭經(jīng)煙道與引風(fēng)機(jī)相連接；最后由引風(fēng)機(jī)將處理后的氣流排出。
聲源的工作頻率確定后，計(jì)算出在此工作頻率下平面聲波的波長(zhǎng)，通過(guò)改變異徑管的長(zhǎng)度使得兩個(gè)喇叭之間的間距為半波長(zhǎng)整數(shù)倍。當(dāng)兩個(gè)聲源安裝在半波長(zhǎng)的整數(shù)倍的位置上時(shí)，在聲波團(tuán)聚室中形成駐波。
立式聲波團(tuán)聚室總高度的確定聲波團(tuán)聚室的總長(zhǎng)度為含塵氣流進(jìn)出立式聲波團(tuán)聚室的高度差。根據(jù)處理的氣體流量，確定聲波團(tuán)聚室的截面和總長(zhǎng)度，保證含塵氣流在聲波團(tuán)聚室內(nèi)總的停留時(shí)間不小于3秒。
外加種子顆粒由聲波團(tuán)聚室的頂部加入。種子顆?？梢詾楣腆w顆?；蛞后w顆粒，根據(jù)聲波的頻率選擇顆粒的大小，如聲波頻率為1kHz時(shí)，種子顆粒大小為15～20μm，相應(yīng)的種子顆粒濃度量級(jí)為104個(gè)/cm3，。加入的種子顆粒依靠自身的重力，匯入氣流進(jìn)入聲波團(tuán)聚室。
對(duì)分離設(shè)備的選取應(yīng)確保脫除團(tuán)聚后的大顆粒能全部被從氣流中分離，分離設(shè)備的分割粒徑選取為D50不超過(guò)種子顆粒的直徑，為了保證后續(xù)分離效果，可采用多級(jí)分離。
本裝置系統(tǒng)的具體運(yùn)行過(guò)程如下啟動(dòng)聲源，同時(shí)開(kāi)啟聲波團(tuán)聚室頂部的給料裝置，以額定的給料量將種子顆粒加入聲波團(tuán)聚室中。待處理的含塵氣流，由通道進(jìn)入立式聲波團(tuán)聚團(tuán)聚室后，氣流中的PM2.5同時(shí)受到聲波的夾帶和外加大顆粒的捕集作用，被處理后的含塵氣流再進(jìn)入常規(guī)分離設(shè)備(例如圖1中的第一和第二級(jí)常規(guī)分離器)，最后引風(fēng)機(jī)排出。
權(quán)利要求
1.一種聲波與外加種子顆粒聯(lián)合作用脫除PM2.5的裝置，其特征在于含塵氣流進(jìn)口的水平煙道(1)的一端與立式聲波團(tuán)聚室(2)的上端相連接；種子顆粒加料器(4)與立式聲波團(tuán)聚(2)室隨頂端相連接；立式聲波團(tuán)聚室(2)中部的兩個(gè)側(cè)面分別通過(guò)連接法蘭(21)與水平設(shè)置的兩個(gè)異徑連接管(22)相連接，兩個(gè)異徑連接管(22)的另一端分別用法蘭與兩個(gè)聲源(3)相連接；立式聲波團(tuán)聚室(2)的下部出口端與顆粒第一級(jí)分離器(5)相連接，第一級(jí)分離器(5)的出口再與第二級(jí)分離器(6)相連接，第二級(jí)分離器(6)的出口端經(jīng)煙道與引風(fēng)機(jī)(7)相連接；最后由引風(fēng)機(jī)將處理后的氣流排出。
2.一種如權(quán)利要求1所述的聲波與外加種子顆粒聯(lián)合作用脫除PM2.5的裝置的脫除PM2.5的方法，其特征在于該方法為
1)聲源(3)工作頻率的確定聲源的工作頻率確定后，計(jì)算出在此工作頻率下平面聲波的波長(zhǎng)，通過(guò)改變異徑連接管(22)的長(zhǎng)度使得兩個(gè)聲源(3)之間的間距為半波長(zhǎng)整數(shù)倍，當(dāng)兩個(gè)聲源(3)安裝在半波長(zhǎng)的整數(shù)倍的位置上時(shí)，在聲波團(tuán)聚室中形成駐波；
2)立式聲波團(tuán)聚室(2)總高度的確定立式聲波團(tuán)聚室(2)的總長(zhǎng)度為含塵氣流進(jìn)出立式聲波團(tuán)聚室的高度差，根據(jù)處理的氣體流量，確定聲波團(tuán)聚室的截面和總長(zhǎng)度，保證含塵氣流在聲波團(tuán)聚室內(nèi)總的停留時(shí)間不小于3秒；
3)種子顆粒的加入外加種子顆粒由立式聲波團(tuán)聚室(2)的頂部通過(guò)種子顆粒加料器(4)加入，種子顆粒為固體顆?；蛞后w顆粒，根據(jù)聲波的頻率選擇顆粒的大小，加入的種子顆粒依靠自身的重力，匯入氣流進(jìn)入立式聲波團(tuán)聚室；
4)啟動(dòng)聲源(3)，同時(shí)開(kāi)啟立式聲波團(tuán)聚室(2)頂部的顆粒加料器(4)，以額定的給料量將種子顆粒加入立式聲波團(tuán)聚室(2)中，待處理的含塵氣流，由通道進(jìn)入立式聲波團(tuán)聚團(tuán)聚室后，氣流中的PM2.5同時(shí)受到聲波的夾帶和外加大顆粒的捕集作用，被處理后的含塵氣流再進(jìn)入第一級(jí)分離器(5)與第二級(jí)分離器(6)分離器，最后引風(fēng)機(jī)排出。
全文摘要
基于聲波和外加種子顆粒聯(lián)合作用脫除可吸入顆粒PM2.5的裝置和方法涉及一套脫除含塵氣流中粒徑小于2.5微米的可吸入顆粒物(以下簡(jiǎn)稱PM2.5)的裝置和方法，它由聲源、聲波團(tuán)聚室和種子顆粒供給裝置，以及后續(xù)常規(guī)除塵設(shè)備等組成。在各類燃燒源排放的煙氣或者其它含塵氣流流經(jīng)聲波團(tuán)聚室時(shí)，氣流中的細(xì)顆粒在聲波作用下發(fā)生不同程度的夾帶，而加入的種子顆粒由于慣性較大幾乎不發(fā)生夾帶，同時(shí)細(xì)顆粒和種子顆粒間的重力沉降和聲致漂移也存在差異，這三個(gè)因素促使兩者間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使氣流中可吸入顆粒PM2.5和種子顆粒間產(chǎn)生很高的碰撞率?？晌腩w粒PM2.5與種子顆粒碰撞后，兩者發(fā)生團(tuán)聚，團(tuán)聚生成的團(tuán)聚體由后續(xù)的常規(guī)除塵設(shè)備進(jìn)一步加以脫除。
文檔編號(hào)B01D51/00GK101219318SQ200710132690
公開(kāi)日2008年7月16日 申請(qǐng)日期2007年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月18日
發(fā)明者沈湘林, 兵 趙, 陳厚濤, 進(jìn) 徐 申請(qǐng)人:東南大學(xué)