本發(fā)明屬于脫除燃煤鍋爐煙氣中超細(xì)顆粒物的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種蒸汽相變與湍流團(tuán)聚耦合脫除細(xì)顆粒物的裝置及方法。

背景技術(shù)：

空氣中懸浮的細(xì)顆粒物，由于其對人體健康的高危害性。在最近的幾年里已受到人們越來越多的關(guān)注。顆粒物粒徑越小，其在大氣中的擴(kuò)散效果越強(qiáng)，越不容易發(fā)生沉降效果?，F(xiàn)階段，為了減少顆粒物的排放大多數(shù)燃煤電廠均采用了較為先進(jìn)的除塵設(shè)備，含塵煙氣中的大粒徑顆粒物可被這些除塵設(shè)備幾乎能全部脫除，但對小粒徑顆粒物而言其脫除效果并不明顯?，F(xiàn)階段工廠為了減少硫化物的排放而采用的濕法煙氣脫硫過程，在一定范圍內(nèi)上反而會導(dǎo)致可吸入顆粒物的排放量的增加。傳統(tǒng)的除塵方式對小粒徑顆粒物的脫除效果很弱，所以現(xiàn)階段一般會在傳統(tǒng)除塵器前加裝預(yù)處理裝置。該裝置一般是通過物理或化學(xué)的作用使得小粒徑的顆粒物變?yōu)閭鹘y(tǒng)除塵技術(shù)可以脫除的范圍從而被脫除掉。

顆粒物的預(yù)處理技術(shù)主要包括聲聚并技術(shù)、水汽相變技術(shù)、電聚并技術(shù)、湍流聚并技術(shù)、熱聚并技術(shù)、磁聚并技術(shù)、光聚并、化學(xué)聚并等。在這其中湍流團(tuán)聚的應(yīng)用最為廣泛，而水汽相變的前景最為廣闊。在湍流團(tuán)聚的過程中，為了加強(qiáng)湍流效果，往往會設(shè)置較多的擾流元件，增加了團(tuán)聚效率的同時(shí)也使得內(nèi)部阻力過大，而水汽相變則是由于成本等原因在工業(yè)應(yīng)用中并不是十分廣泛。

公開號為cn104801420a的發(fā)明專利提出了一種湍流與化學(xué)團(tuán)聚耦合促進(jìn)長大的裝置及方法。該裝置主要分為化學(xué)團(tuán)聚區(qū)，湍流團(tuán)聚區(qū)以及靜電除塵區(qū)。細(xì)顆粒物先是在化學(xué)團(tuán)聚區(qū)急速長大，然后進(jìn)入湍流團(tuán)聚區(qū)進(jìn)一步聚合長大，最后進(jìn)入靜電除塵區(qū)將長大的顆粒物去除。化學(xué)團(tuán)聚雖然可以有效的提高顆粒物的長大，但是會增加成本且對收集到的顆粒物的后處理造成一定的影響。湍流區(qū)擾流件為10個(gè)，擾流件過多，雖然提高了團(tuán)聚幾率，但會對裝置內(nèi)煙氣的流動(dòng)產(chǎn)生較大的阻力。

公告號為cn101732970b的發(fā)明專利提出了一種燃煤濕法煙氣脫硫工藝中促進(jìn)細(xì)顆粒物脫除的裝置及方法。該裝置的主要部分是蒸汽相變室與預(yù)洗滌塔。位于濕法脫硫塔前部的預(yù)洗滌塔用來提高煙氣濕度，出來的氣體進(jìn)入蒸汽相變室內(nèi)達(dá)到過飽和并發(fā)生相變凝結(jié)長大，凝結(jié)長大后的細(xì)顆粒通過脫硫塔去除。前置的蒸汽相變室與預(yù)洗滌塔會使得工藝變得很復(fù)雜，而若想使得顆粒物在單純的蒸汽相變作用下成長到可脫除范圍需要自行添加蒸汽，消耗大量蒸汽，能耗太大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種耦合蒸汽相變與湍流團(tuán)聚的裝置及方法。該裝置可以通過少量的擾流元件的簡單耦合產(chǎn)生漩渦，達(dá)到湍流團(tuán)聚的效果。通過向裝置內(nèi)加入濕空氣使得煙氣達(dá)到過飽和狀態(tài)從而實(shí)現(xiàn)蒸汽相變，無需加入蒸汽，大大降低了能耗。該方法操作簡單，成本低廉，有利于實(shí)現(xiàn)顆粒物的長大以及團(tuán)聚，顆粒物脫除效率顯著提高。

本發(fā)明解決所述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是：提供一種蒸汽相變與湍流團(tuán)聚耦合脫除細(xì)顆粒物的裝置，其特征在于該裝置的入口處連接脫硫塔的出口，在裝置兩側(cè)的壁面各設(shè)置一個(gè)梯形噴嘴，兩個(gè)梯形噴嘴之間的距離小于入口高度，且兩個(gè)梯形噴嘴的長度等于入口寬度，該梯形噴嘴的幾何中心距入口處的距離占裝置總長度的1/6，且兩個(gè)梯形噴嘴沿裝置中心線對稱分布；在梯形噴嘴后部的裝置內(nèi)部呈等腰三角形布置三個(gè)擾流件，為一個(gè)頂角擾流件和兩個(gè)底角擾流件，頂角擾流件位于裝置中心線上，頂角擾流件的幾何中心到入口的距離占裝置總長度的7/25，兩個(gè)底角擾流件沿裝置中心線呈對稱分布，底角擾流件的幾何中心到入口處的距離占裝置總長度3/5，底角擾流件的幾何中心到裝置中心線的距離為裝置總高度的1/6；裝置的出口處連接除霧器。

一種蒸汽相變與湍流團(tuán)聚耦合脫除細(xì)顆粒物的方法，該方法應(yīng)用上述的裝置，該方法的步驟是：

1)從脫硫塔中流出的煙氣，以8-15m/s的速度進(jìn)入裝置內(nèi)；兩個(gè)梯形噴嘴向裝置內(nèi)以30-50m/s的速度噴入相對濕度為60-80％的濕空氣，使熱煙氣與濕空氣混合；

2)煙氣先流經(jīng)梯形噴嘴，在梯形噴嘴后方產(chǎn)生漩渦，對濕空氣與熱煙氣產(chǎn)生卷吸作用且中小型顆粒物也會被卷吸到漩渦中心，通過碰撞產(chǎn)生團(tuán)聚效果，長大后的顆粒物脫離漩渦，隨主氣流向下游流去；

3)來流煙氣在流過中心線處的頂角擾流件時(shí)會產(chǎn)生分流、擾流以及混流的效果，在頂角擾流件后方形成較大的速度梯度，產(chǎn)生兩個(gè)方向相反的漩渦，使得細(xì)顆粒物發(fā)生多次碰撞；

4)分流后的煙氣分別流向兩側(cè)的底角擾流件，再一次產(chǎn)生擾流、分流以及混流的效果，使得顆粒物在新的漩渦中進(jìn)一步的長大；

5)在底角擾流件后方漩渦中長大的顆粒物在主氣流的帶動(dòng)下流到出口，進(jìn)入除霧器而被脫除。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

1)本發(fā)明中裝置內(nèi)部的過飽和度是由濕空氣與濕熱煙氣混合而得到的，無需再加入過飽和蒸汽，大大減小了能耗。且在梯形噴嘴后方會產(chǎn)生較大的漩渦，混合后的氣體被卷吸進(jìn)去增加了顆粒物的滯留時(shí)間，使顆粒物在相同的蒸汽相變條件下可以成長為更大的顆粒物。

2)在裝置內(nèi)部僅僅放置了3個(gè)擾流件，可以有效減小煙氣在裝置內(nèi)流動(dòng)時(shí)所受到的阻力，且擾流件均勻的分布在流場中產(chǎn)渦效果良好，所以大多數(shù)顆粒物得以團(tuán)聚。

3)在顆粒物的脫除中耦合了蒸汽相變與湍流團(tuán)聚，使得脫除效果得以提升，顆粒物在相同的條件下可以達(dá)到更大的粒徑從而更容易被脫除。

本發(fā)明在湍流團(tuán)聚方面，通過梯形噴嘴與擾流件的組合排布使得團(tuán)聚效果更加明顯，而且采用的擾流件較少，可以有效的降低煙氣在裝置內(nèi)流動(dòng)時(shí)收到的阻力；在蒸汽相變方面，通過混合濕空氣與熱煙氣得到過飽和環(huán)境，降低了制造過飽和蒸汽的成本。耦合了湍流團(tuán)聚與蒸汽相變的作用，使得顆粒物的脫除效果進(jìn)一步提高。

本發(fā)明裝置創(chuàng)造性地將蒸汽相變與湍流團(tuán)聚結(jié)合在一起，在一個(gè)裝置內(nèi)實(shí)現(xiàn)蒸汽相變與湍流團(tuán)聚，使小粒徑顆粒物先是在蒸汽相變作用下長大，長大后的顆粒物再經(jīng)過湍流團(tuán)聚聚并進(jìn)一步長大，最終使得最小初始粒徑顆粒物數(shù)目的存留量不足初始量的1％，而且使得較大粒徑顆粒物的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到更高，且煙氣是單獨(dú)橫向噴入裝置，在裝置兩側(cè)有兩個(gè)向裝置內(nèi)部噴入常溫濕空氣的噴嘴，使得煙氣在裝置內(nèi)達(dá)到過飽和狀態(tài)而無須再向煙氣中額外添加蒸汽，顯著降低能耗，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)較好的脫除效果。

附圖說明

圖1是本發(fā)明蒸汽相變與湍流團(tuán)聚耦合脫除細(xì)顆粒物的裝置一種實(shí)施例的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為細(xì)顆粒物在實(shí)施例1的裝置內(nèi)的速度矢量圖；

圖3為經(jīng)實(shí)施例1的裝置團(tuán)聚前后的煙氣中顆粒粒徑分布圖；

圖4為經(jīng)實(shí)施例1的裝置團(tuán)聚前后的煙氣中顆粒濃度分布圖；

圖5為本發(fā)明蒸汽相變與湍流團(tuán)聚耦合脫除細(xì)顆粒物的裝置一種實(shí)施例的頂角擾流件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中，1-入口，2-梯形噴嘴，3-頂角擾流件，4-底角擾流件，5-出口。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)例以及附圖對本發(fā)明做詳細(xì)說明，但并不以此作為對本申請權(quán)利要求保護(hù)范圍的限定。

本發(fā)明蒸汽相變與湍流團(tuán)聚耦合脫除細(xì)顆粒物的裝置(簡稱裝置，參見圖1)的入口1處連接脫硫塔的出口，在裝置兩側(cè)的壁面各設(shè)置一個(gè)梯形噴嘴2，兩個(gè)梯形噴嘴之間的距離小于入口高度，且兩個(gè)梯形噴嘴的長度等于入口寬度，該梯形噴嘴的幾何中心距入口1處的距離占裝置總長度的1/6，且兩個(gè)梯形噴嘴沿裝置中心線對稱分布，梯形噴嘴用來向裝置內(nèi)噴入濕空氣；在梯形噴嘴后部的裝置內(nèi)部呈等腰三角形布置三個(gè)擾流件，為一個(gè)頂角擾流件3和兩個(gè)底角擾流件4，頂角擾流件3位于裝置中心線上，頂角擾流件的幾何中心到入口的距離占裝置總長度的7/25，兩個(gè)底角擾流件4沿裝置中心線呈對稱分布，底角擾流件4的幾何中心到入口1處的距離占裝置總長度3/5，底角擾流件4的幾何中心到裝置中心線的距離為裝置總高度的1/6；裝置的出口5處連接除霧器。

本發(fā)明裝置的進(jìn)一步特征在于所述頂角擾流件(參見圖5)底面為將三角擾流件的每一條邊長僅沿一個(gè)方向向外依次延長相應(yīng)邊長一半的距離而構(gòu)成的形狀，三角擾流件的底面為等邊三角形，三角形一條邊與其相鄰的另一條邊的延長線的夾角α為120°，圖5中l(wèi)3為延長后的一條邊的總長度，l2為該邊延長后的延長線長度，l1為延長線部分的厚度，且l1:l2:l3＝1：3：9。該擾流件在相同的壓降阻力下可以有效的提高顆粒物的團(tuán)聚效率。

本發(fā)明裝置的進(jìn)一步特征在于所述頂角擾流件的尺寸是底角擾流件尺寸的3倍，使得其可以在較小的阻力下形成較好的渦結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明蒸汽相變與湍流團(tuán)聚耦合脫除細(xì)顆粒物的方法，該方法應(yīng)用上述裝置，該方法的步驟是：

1)從脫硫塔中流出的煙氣，以8-15m/s的速度進(jìn)入湍流團(tuán)聚室；兩個(gè)梯形噴嘴向團(tuán)聚室內(nèi)以30-50m/s的速度噴入相對濕度為60-80％的常溫濕空氣，使熱煙氣與濕空氣混合；

2)煙氣先流經(jīng)梯形噴嘴，在梯形噴嘴后方產(chǎn)生漩渦，對濕空氣與熱煙氣產(chǎn)生卷吸作用且中小型顆粒物也會被卷吸到漩渦中心，通過碰撞產(chǎn)生團(tuán)聚效果，長大后的顆粒物脫離漩渦，隨主氣流向下游流去；

3)來流煙氣在流過中心線處的頂角擾流件時(shí)會產(chǎn)生分流、擾流以及混流的效果，在頂角擾流件后方形成較大的速度梯度，產(chǎn)生兩個(gè)方向相反的漩渦，使得細(xì)顆粒物發(fā)生多次碰撞；

4)分流后的煙氣分別流向兩側(cè)的底角擾流件，再一次產(chǎn)生擾流、分流以及混流的效果，大大增加了顆粒物碰撞的概率，使得顆粒物在新的漩渦中進(jìn)一步的長大；

5)在底角擾流件后方漩渦中長大的顆粒物在主氣流的帶動(dòng)下流到出口，進(jìn)入除霧器而被脫除。

在本發(fā)明裝置中梯形噴嘴和擾流件的結(jié)構(gòu)大小以及位置經(jīng)過優(yōu)化組合，在組合后的位置及形狀下產(chǎn)渦效果最優(yōu)，且前后流場銜接效果較好，讓梯形噴嘴靠近入口，讓來流煙氣在噴嘴處產(chǎn)生較大的漩渦，獲得較高的流速，然后流過頂角擾流件，產(chǎn)生較大的漩渦，且可以使煙氣分流。梯形噴嘴不僅是起到向煙氣中混合濕空氣使得煙氣過飽和從而實(shí)現(xiàn)蒸汽相變的作用，而且能起到擾流的作用。在頂角擾流件的后方加裝一對底角擾流件，兩個(gè)底角擾流件沿裝置中心線對稱分布，底角擾流件與壁面的距離不可以太小，太小起到的擾流作用太弱，也不能太大，太大對煙氣的流動(dòng)會產(chǎn)生較大的阻力。梯形噴嘴伸入裝置內(nèi)部噴入濕空氣，可以與熱煙氣更加充分的混合，從而使得煙氣的溫度降低，過飽和度升高。來自脫硫塔中流出的煙氣溫度一般是在40℃到60℃之間，相對濕度是85％，對應(yīng)添加的濕空氣溫度控制在10℃到30℃之間，10℃到30℃為常溫，相對濕度是60％到80％，相對濕度過高則會產(chǎn)生較大過飽和度甚至發(fā)生均質(zhì)成核，造成不必要的浪費(fèi)，而過低則會形不成過飽和狀態(tài)，達(dá)不到異質(zhì)成核的目的。將蒸汽相變的效果與湍流團(tuán)聚的效果相耦合，向本設(shè)計(jì)裝置內(nèi)噴入常溫濕空氣，使團(tuán)聚室內(nèi)既有蒸汽相變，又有湍流團(tuán)聚，使顆粒物的長大團(tuán)聚效果更加明顯，而且節(jié)省了空間與成本。

本發(fā)明中擾流件的個(gè)數(shù)為3個(gè)，能夠在較小的阻力下實(shí)現(xiàn)很好的團(tuán)聚效果，擾流件的形狀是特定的，可以實(shí)現(xiàn)較好的產(chǎn)渦效果。

本發(fā)明裝置對于粒徑小于1μm的顆粒也表現(xiàn)出較好的脫除效果，本發(fā)明裝置實(shí)質(zhì)上為一個(gè)能使蒸汽相變與湍流團(tuán)聚在一個(gè)裝置內(nèi)完成的團(tuán)聚室，本文中的蒸汽相變是由向熱煙氣中加入濕空氣而實(shí)現(xiàn)的。

本發(fā)明主要用于從脫硫塔中流出的煙氣中細(xì)顆粒物的長大以及團(tuán)聚，所述的煙氣中除了含有粒徑不等的顆粒外，還含有二氧化硫、水蒸氣、一些重金屬元素等。煙氣中的顆粒物在過飽和煙氣中會發(fā)生異質(zhì)成核達(dá)到長大目的，而由于擾流件而產(chǎn)生的漩渦會使得異質(zhì)成核的時(shí)間得以加長，從而可以使得顆粒物長到更大，而且漩渦使得顆粒物之間的碰撞幾率大大提升，從而使得顆粒物團(tuán)聚到傳統(tǒng)方法可以去除的粒徑范圍。

實(shí)施例1

本實(shí)施例在裝置兩側(cè)的壁面各設(shè)置一個(gè)梯形噴嘴，該梯形噴嘴距入口的距離占總長度1/6且沿中心線對稱分布，該梯形噴嘴高度占裝置高度的1/5，梯形噴嘴的高與上底之比為1：10，高與下底之比為1：1(可以在流程阻力與煙氣與濕空氣混合效果以及產(chǎn)渦效果之間實(shí)現(xiàn)一個(gè)較為平衡的狀態(tài)，即阻力會有但不是很大而且有良好的煙氣與濕空氣混合效果以及產(chǎn)渦效果。噴入濕空氣的目的是使其與煙氣混合，從而實(shí)現(xiàn)過飽和狀態(tài)，而該參數(shù)下的混合效果優(yōu)良)。在裝置的內(nèi)部分布著三個(gè)擾流件，一個(gè)位于中心線上，到入口的距離占總長度的7/25，頂角擾流件的每條邊長度一致，之間的夾角為120°。一對底角擾流件沿中心線呈對稱分布，底角擾流件到入口的距離占總長度3/5，到中心線的距離占裝置高度的1/6，形狀與頂角擾流件一致，但尺寸為頂角擾流件的1/3。出口連接除霧器。

本實(shí)施例裝置的入口和出口高度均為500mm，裝置的長度為1500mm，寬度為300mm，出口與入口位于同一水平線上。所述梯形噴嘴為等腰梯形，且煙氣和濕空氣的混合良好，噴嘴入口(梯形噴嘴的下底)長度為100mm，梯形噴嘴的高度為100mm，噴嘴出口(梯形噴嘴的上底)長度為10mm。該梯形噴嘴位于距裝置的入口250mm的位置，而且關(guān)于中心線成對稱分布,

所述頂角擾流件的底面為將三角擾流件的每一條邊長僅沿一個(gè)方向向外依次延長相應(yīng)邊長一半的距離而構(gòu)成的形狀，三角擾流件的底面為等邊三角形，三角形一條邊與其相鄰的另一條邊的延長線的夾角α為120°，圖5中l(wèi)3為延長后的一條邊的總長度，為90mm；l2為該邊延長后的延長線長度，為30mm；l1為延長線部分的厚度，為10mm。三角擾流件的一條邊與煙氣來流方向水平。底角擾流件尺寸為頂角擾流件的1/3，且沿中心線成對稱分布，到中心線的距離為83.3mm，與頂角擾流件的距離為480mm。

本實(shí)施例的來流顆粒粒徑集中在0.2到0.6微米之間，其中0.4微米的顆粒物占總數(shù)的40％，煙氣溫度為50℃，煙氣相對濕度為85％，煙氣流速為10m/s；濕空氣溫度為20℃，濕空氣相對濕度為70％，濕空氣流速為45m/s。

圖2為細(xì)顆粒物在裝置內(nèi)一個(gè)截面上的速度矢量圖，煙氣速度為10m/s,濕空氣速度為45m/s，梯形噴嘴的存在，不僅可以讓熱煙氣與濕空氣更加充分且均勻的混合，而且可以在其后方形成較大的漩渦，使得顆粒物能夠進(jìn)一步長大，碰撞從而形成較大粒徑的顆粒物。后方的頂角擾流件可以對高速來流煙氣起到分流減速的作用，使得在其后方產(chǎn)生較大的漩渦，對煙氣中的細(xì)顆粒物產(chǎn)生較強(qiáng)的卷吸作用，增大了顆粒物之間碰撞的概率，分流后的煙氣中的顆粒物在底角擾流件的作用下，再次的被卷吸到后方的漩渦中，進(jìn)一步團(tuán)聚增長，使顆粒物的粒徑進(jìn)一步長大，最后從出口流出。

圖3為經(jīng)本實(shí)施例裝置前后顆粒粒徑的分布情況，圖4為經(jīng)本實(shí)施例裝置前后顆粒濃度的分布情況?？梢钥闯?，一開始的顆粒物中，粒徑為0.4微米的顆粒物所占數(shù)量濃度與體積分?jǐn)?shù)都是最高的；經(jīng)本實(shí)施例裝置處理后在出口處則是粒徑為4.5微米的顆粒物所占的體積分?jǐn)?shù)最高，可以達(dá)到30％以上，粒徑在1微米以上的顆粒物占總體積分?jǐn)?shù)的80％，而粒徑在2微米以上的顆粒物占總體積分?jǐn)?shù)的60％。就出口顆粒物數(shù)目濃度而言，雖然粒徑為0.4微米的顆粒物數(shù)目濃度還是很大，但相比于初始的數(shù)目濃度而言存留量不足1％，所以說顆粒物的長大團(tuán)聚效果還是很明顯的，而產(chǎn)生的大粒徑顆粒物則可以通過后續(xù)的傳統(tǒng)除塵方法進(jìn)行進(jìn)一步的清理。而相比于本實(shí)施例裝置不加蒸汽時(shí)，顆粒物只在湍流團(tuán)聚的作用下凝并，出口處顆粒物的體積分?jǐn)?shù)會主要集中在1微米左右，達(dá)不到脫除效果，所以在煙氣中加入濕空氣的效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于不加濕空氣時(shí)的效果。

本發(fā)明中讓濕空氣成對噴入主流煙氣中的主要目的是使?jié)窨諝馀c煙氣充分混合降低煙氣溫度從而形成過飽和環(huán)境，直接向裝置內(nèi)噴入濕空氣，使蒸汽相變也在裝置內(nèi)實(shí)現(xiàn)；就脫除效果而言，從出口處顆粒物體積所占總數(shù)的百分比看來，經(jīng)過本實(shí)施例裝置能達(dá)到的最大體積分?jǐn)?shù)的粒徑為4.5微米。

本發(fā)明未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。