一种多尺度湍流耦合促进颗粒物团聚的装置

1.本发明涉及颗粒物团聚效应技术领域，尤其是一种多尺度湍流耦合促进颗粒物团聚的装置。


背景技术：

2.燃煤等化石燃料的燃烧是细颗粒物的主要来源。我国是世界上最大的煤炭生产和消费国家，煤炭消费占能源消费总量比重长期稳定在70％左右，因此，燃煤细颗粒物排放的治理问题已成为重中之重。目前我国大部分燃煤电厂使用的除尘设备主要为静电除尘器与布袋除尘器等。这些传统的除尘设备对粒径较大的粗颗粒脱除效率较高，但是由于细颗粒物粒径较小，具有特殊的气动特性，因此其脱除效果相对较差。细颗粒物有效控制的技术发展方向主要为采用新型高效除尘技术，以及在常规除尘设备前设置预处理措施使其通过物理或化学作用长大成较大颗粒后加以清除。细颗粒物团聚技术主要包括声波团聚、化学团聚、电团聚、磁团聚、水汽相变团聚以及湍流团聚等。其中湍流团聚技术是利用细颗粒物在湍流流场中的速度梯度以及湍流脉动作用而引起的团聚现象，因其结构简单，使用及改造成本较低等优点，受到了广大研究者的关注。
3.湍流团聚与其他团聚技术，例如蒸汽相变、化学团聚等耦合技术也有发展。申请号为201621297870.0的实用新型专利提出了一种烧结烟气微细颗粒物折转捕集单元及团聚捕集装置，团聚部分主要采用化学团聚以及湍流团聚的方法。该实用新型利用团聚剂喷头向团聚装置喷入团聚剂，但团聚效果受很多因素影响，比如团聚剂剂量、团聚剂浓度、温度、以及表面活性的影响，所以实际操作起来比较困难，同时，化学团聚会产生其他污染物，还要对其进行后处理，故化学团聚与湍流团聚耦合的团聚方式不利于实际操作。
4.刘含笑(刘含笑.燃煤超细颗粒物涡聚并数值模拟[d].华北电力大学，2012.)设计出一种团聚装置，团聚装置内部在靠近入口处布置了四个三棱柱来分流，然后在后方布置了三行z形涡片，每行六个涡片，z形涡片的角度与来流烟气方向垂直，其不足之处：涡片间的距离较近，会使后面涡片影响前面涡的发展，破坏已形成的旋涡，进而影响团聚效果；另外，由于涡片数目过多会导致阻力增加，压力降增大，不利于设备的正常运行。


技术实现要素：

[0005]
本发明提供了一种多尺度湍流耦合促进颗粒物团聚的装置，利用第一扰流子产生大尺度涡流，再利用第二扰流子在上游大尺度涡流的作用下产生一系列小尺度的涡流，增加烟气扰动程度，同时第二扰流子可以缓解第一扰流子引起的烟气流速激增，在保证烟气扰动的情况下延长烟气停留时间，从而极大地提升颗粒物在团聚装置内的团聚效果。
[0006]
本发明采用的技术方案如下：
[0007]
一种尺度湍流耦合促进颗粒物团聚的装置，包括壳体，所述壳体内形成有烟气流道，所述烟气流道内沿烟气来流方向设有多组扰流组件，每组所述扰流组件包括位于上游位置的第一扰流子和位于所述第一扰流子下游的第二扰流子，所述第一扰流子使烟气产生
大尺度涡流，所述第二扰流子使烟气在大尺度涡流基础上产生一系列小尺度涡流，以增加烟气扰动程度延长停留时间。
[0008]
所述第一扰流子包括至少一组沿所述壳体的宽度方向间隔设置的两个z字型扰流板；所述第二扰流子包括多个十字型扰流板，多个十字型扰流板依次间隔设置在每个所述z字型扰流板的下游；每个所述z字型扰流板的迎风面及背风面呈折弯形，两个z字型扰流板沿烟气来流方向间隔且镜像设置，并且两个z字型扰流板的迎风面均由壳体侧面向中心位置倾斜，使两个z字型扰流板之间形成折弯形的导流通道。
[0009]
每个十字型扰流板包括垂直交差呈十字形的四个单元板，其中一个单元板与烟气来流方向平行。
[0010]
所述z字型扰流板为三段折弯板，包括两个间隔设置的端板，两个端板之间连接一中间斜板，所述中间斜板与两个端板之间的夹角为α，α大于90
°
小于180
°
；两个端板与烟气来流方向平行。
[0011]
所述z字型扰流板为内接于圆的三段折弯板。
[0012]
两个端板的长度相同，且小于所述中间斜板的长度，以及两个端板之间的距离。
[0013]
若以烟气来流方向为行，每行的z字型扰流板及其下游的十字型扰流板的中心在同一直线上。
[0014]
相邻两列的十字型扰流板的中心连线与烟气来流方向垂直。
[0015]
z字型扰流板与十字型扰流板的数量比例为1∶4～1∶6。
[0016]
所述z字型扰流板、十字型扰流板的高度和所述壳体的高度一致。
[0017]
所述壳体的入口端与燃煤机组的空气预热器烟气出口连接，所述壳体的出口端与燃煤机组的静电除尘器烟气入口连接。
[0018]
本发明的有益效果如下：
[0019]
本发明利用z字型扰流板和十字型扰流板相结合，烟气经z字型扰流板产生大尺度的涡流，继而在经过十字型扰流板时在上游大尺度涡流的作用下产生一系列小尺度的涡流，增加烟气扰动程度，同时十字型扰流板可以缓解z字型扰流板引起的烟气流速激增，在保证烟气扰动的情况下延长烟气停留时间，保证颗粒物在团聚装置内的团聚效果。本发明可应用于空预器与静电除尘器之间，经过团聚后的含尘烟气经过静电除尘器进行脱除，实现颗粒物的团聚与高效脱除。本发明还具有如下优点：
[0020]
(1)本发明利用z字型扰流板和十字型扰流板相结合提高颗粒物团聚效果，前端z字型扰流板产生大尺度涡流，增强烟气扰动效果，同时可以不同程度提升十字型扰流板后的涡流尺度，提高十字型扰流板对烟气扰动能力。
[0021]
(2)本发明十字型扰流板通流截面大，阻力小，采用z字型扰流板和十字型扰流板一配多的配置比例，可以降低整个装置内烟气流动速度，延长烟气停留时间，保证团聚效果；同时，装置整体阻力降低，系统运行更稳定。
[0022]
(3)本发明结构简单，不需要复杂的装置或多种技术耦合，通过湍流团聚装置内的扰流子结构和布置方式优化，仅通过即可实现颗粒物的有效团聚和高效脱除，结构简单合理操作便捷可靠。同时装置运行稳定高效，应用和推广难度低、前景大。
附图说明
[0023]
图1为本发明的俯视视角的结构示意图。
[0024]
图2为本发明的z字型扰流板的立体结构示意图。
[0025]
图3为本发明的十字型扰流板的立体结构示意图。
[0026]
图4为本发明的z字型扰流板的俯视图。
[0027]
图5为本发明的对比例和实施例的结构示意图。
[0028]
图6为本发明的对比例和实施例的流场速度矢量图。
[0029]
图中：1、入口端；2、壳体；3、第一扰流子；31、z字型扰流板一；32、z字型扰流板二；41、十字型扰流板；5、出口端；301、端板；302、中间斜板；411、单元板。
具体实施方式
[0030]
以下结合附图说明本发明的具体实施方式。
[0031]
如图1所示，本实施例的尺度湍流耦合促进颗粒物团聚的装置，包括壳体2，壳体2内形成有烟气流道，烟气流道内沿烟气来流方向设有多组扰流组件，每组扰流组件包括位于上游位置的第一扰流子3和位于第一扰流子3下游的第二扰流子，第一扰流子3使烟气产生大尺度涡流，第二扰流子使烟气在大尺度涡流基础上产生一系列小尺度涡流，以增加烟气扰动程度延长停留时间。
[0032]
第二扰流子包括多个十字型扰流板41，多个十字型扰流板41依次间隔设置在每个z字型扰流板的下游。
[0033]
如图1所示，第一扰流子3包括至少一组沿壳体2的宽度方向间隔设置的两个z字型扰流板，具体地，包括z字型扰流板一31、z字型扰流板二32。
[0034]
每个z字型扰流板的迎风面及背风面呈折弯形，两个z字型扰流板沿烟气来流方向间隔且镜像设置，并且两个z字型扰流板的迎风面均由壳体2侧面向中心位置倾斜，使两个z字型扰流板之间形成折弯形的导流通道。
[0035]
如图3所示，每个十字型扰流板41包括垂直交差呈十字形的四个单元板411，其中一个单元板411与烟气来流方向平行。
[0036]
在相邻两个十字型扰流板41之间形成有小扰流区。
[0037]
每个十字型扰流板41包括垂直交差呈十字形的两个单元板411，两个单元板411尺寸相同。
[0038]
如图2和图4所示，z字型扰流板为三段折弯板，包括两个错位平行设置的端板301，两个端板301之间连接一中间斜板302，中间斜板302与两个端板301之间的夹角为α，α大于90
°
小于180
°
。
[0039]
在一种实施情况下，端板301长17mm，α＝120
°
，z字型扰流板内接于如图4所示的虚线表示的圆中，圆心为中间斜板302的中心，直径为φ＝60mm。
[0040]
两个端板301的长度相同，且小于中间斜板302的长度，以及两个端板301之间的距离。
[0041]
具体地，z字型扰流板、十字型扰流板41的高度和壳体2的高度一致。
[0042]
具体实施时，如图1所示，扰流组件壳体2长度方向可以设置多组，如果壳体2沿宽度方向的尺寸较大，根据实际情况，还可以沿宽度方向设置多组扰流组件；每组扰流组件可
以设置成两排或者两排以上。z字型扰流板与十字型扰流板41的具体地尺寸也是根据壳体2尺寸进行设计和调整，以满足流场的需求。
[0043]
本实施例实施过程中，壳体2的入口端1与燃煤机组的空气预热器烟气出口连接，壳体2的出口端5与燃煤机组的静电除尘器烟气入口连接。
[0044]
壳体2内从左往右依次布置有z字型扰流板和十字型扰流板41。z字型扰流板和十字型扰流板41均为绝缘扰流板，高度均与壳体2高度相等。
[0045]
z字型扰流板横截面形状为z字型，z字型的端板301平行且边长相等，长度为15～20cm，两条端板301垂直距离为30cm，中间斜板302与两端板301的夹角均为120
°
。两垂直交叉的单元板411构成十字型扰流板41的四条边边长相等，端点最远距离为20cm。
[0046]
z字型扰流板两条端板301与烟气来流方向平行，十字型扰流板41其中任意一块单元板411正对烟气来流方向。
[0047]
z字型扰流板和十字型扰流板41成组布置，每组内z字型扰流板与十字型扰流板41数量比为1∶4～1∶6，共有n组，n≥1；沿壳体2轴线方向为行，共m行，m≥2。
[0048]
z字型扰流板和十字型扰流板41，每行扰流板在布置时扰流子的中心线在同一直线上，且与壳体2长度方向轴线平行；相邻两列的两个十字型扰流板41中心的连线与烟气来流方向垂直，且中心连接距离为40～60cm，每行相邻两个扰流板中心线之间距离为60～80cm，最外侧扰流板中心到壳体2的间距为20～30cm。
[0049]
z字型扰流板和十字型扰流板41，加工板材厚度为3～5mm。
[0050]
本实施例的多尺度湍流耦合促进颗粒物团聚的装置的工作过程具体包括如下步骤：
[0051]
(1)经过空气预热器换热后的烟气以＞10m/s的速度进入团聚装置，进入团聚装置的含尘烟气会发生扩散，其中颗粒与颗粒之间会产生碰撞作用；
[0052]
(2)烟气经过扩散后，流经z字型扰流板，在z字型扰流板后形成尺度较大的涡流，直径较小的粒子在涡内侧跟随涡旋转碰撞，进而成长为较大的颗粒；但由于z字型扰流板的阻挡作用，团聚装置内形成明显的主流区和回流区，烟气通流面积减小，引起流经z字型扰流板的烟气流速激增；
[0053]
(3)然后扰动的烟气继续流经十字型扰流板41区域，由于十字型扰流板41垂直来流方向阻挡面积较小，十字型扰流板41后形成尺度较小的涡流，团聚效果相对较差，但在上游z字型扰流板的作用下产生的大尺度涡流会对后续十字型扰流板41产生的涡流产生影响，且越靠近z字型扰流板影响越明显，使得从左往右十字型扰流板41后形成一系列逐渐衰减的涡流，同时由于十字型扰流板41阻挡面积较小，烟气流速变缓，流经湍流装置的时间延长，使颗粒物有充足时间团聚长得，提升颗粒物团聚效果；
[0054]
(4)z字型扰流板产生的大尺度涡流对后续十字型扰流板41产生的小尺度涡流作用效果沿流向逐渐减弱，在第4至第6个十字型扰流板41后产生的涡流已逐渐接近十字型扰流板41单独形成的涡流尺度，因此如图1所示，可以继续设置第二组扰流组件，使得烟气再次依次流经z字型扰流板和十字型扰流板41，进一步延长颗粒物团聚时间，增强团聚效果；
[0055]
(5)流经多组扰流子扰流后的烟气从烟气出口流出，进入静电除尘器，由静定除尘器完成对颗粒物的捕集和脱除。
[0056]
为了验证本装置的技术效果，下面结合对比例说明本实施例的多尺度湍流耦合促
进颗粒物团聚的装置的优越性，如图5所示，由上至下分别为对比例1、对比例2以及采用本实施例装置结构的实施例1的结构图。图5也为俯视视角，即从壳体2顶部向下看去的视角。
[0057]
采用图5中三种扰流组件布置方式对比研究其团聚效果。对比例1、对比例2和实施例1的结构分别为单独z字型扰流板布置、单独十字型扰流板41布置和本发明中提出的z字型扰流板和十字型扰流板41成组布置。三种情况下壳体2的长宽高均为1320mm，100mm，100mm。
[0058]
如图中所示，对比例1中z字型扰流板设置多组，每组的两个上下左右(以图中的方向命名，下同)间隔径向设置，形成上下两行怕排布的形式；最左侧的板到入口距离为75mm，板最外侧距离壳体侧面的距离为10mm；相邻两组z字型扰流板的最接近的两个沿烟气来流方向距离为30mm，每组的两个z字型扰流板沿烟气来流方向距离为16mm。
[0059]
对比例2中十字型扰流板41设置两行，每行的十字型扰流板41等间距分布，且两行整齐上下对正排布，沿烟气来流方向的相邻两个十字型扰流板41之间的距离为75mm，十字型扰流板41中心到与其接近的壳体侧面的距离为25mm；最接近入口的十字型扰流板41的中心距离入口的距离为97.5mm。
[0060]
实施例1中设置两组扰流组件，每组包括两个上下左右间隔径向分布的z字型扰流板以及沿壳体长度方向等间距排在各z字型扰流板下游的六个十字型扰流板41。最左边一个z字型扰流板距离入口的距离为75mm，z字型扰流板距离壳体侧面的距离10mm，每组中相邻两个z字型扰流板之间16mm，每组的z字型扰流板与十字型扰流板41的间距52.5mm，每组的相邻两个十字型扰流板41之间75mm，十字型扰流板41中心到与其接近的壳体侧面的距离为25mm；前一组十字型扰流板41与后一组z字型扰流板之间的距离42.5mm。
[0061]
三种情况采用相同的测试系统和运行参数，系统包括空气加热器、混合器、湍流装置壳体和扰流组件、静电除尘器、引风机等，烟气量为300nm3/h，烟气温度为150℃，由sag 410/u气溶胶发生器向混合器中喷入一定量的除尘器收集的粉煤灰，用于模拟电除尘前烟气氛围。管道内烟气流速为10m/s，电除尘工作电压为
‑
40kv。采用电称低压冲击器elpi在线测试颗粒物浓度及粒径分布，经测试，原始烟气中颗粒物质量浓度为309mg/m3，数量浓度为9.05
×
106/cm3。未进行任何湍流团聚时，打开静电除尘器，测得电除尘出口颗粒物质量浓度为28.4mg/m3，数量浓度为1.86
×
106/cm3。
[0062]
对比例1、对比例2和实施例1烟气中颗粒物数量浓度由原始烟气中的9.05
×
106/cm3分别下降至7.39
×
106/cm3、6.62
×
106/cm3和6.22
×
106/cm3；对于0.1μm以下的超细颗粒，数量浓度则由原始烟气中的8.86
×
106/cm3分别下降至7.02
×
106/cm3、6.53
×
106/cm3和5.55
×
106/cm3。
[0063]
经测试，对比例1中，电除尘出口颗粒物质量浓度为24.4mg/m3，数量浓度为1.57
×
106/cm3，提升效果分别为14.1％和15.6％；对比例2中，电除尘出口颗粒物质量浓度为19.5mg/m3，数量浓度为1.41
×
106/cm3，提升效果分别为31.3％和24.2％；实施例1中，电除尘出口颗粒物质量浓度为13.0mg/m3，数量浓度为1.10
×
106/cm3，提升效果分别为54.2％和40.9％。
[0064]
图6中由上至下分别为对比例1、对比例2和实施例1团聚装置内的速度矢量图，相比于对比例1，实施例1团聚装置内烟气流速得到明显改善；相比于对比例2，实施例1团聚装置内十字型扰流板41后涡流发生明显变化；实施例1团聚装置内增强了十字型扰流板41后
的涡流，同时改善了多z字型扰流板布置时产生的流速激增等问题。