一种湍流回流耦合相变装置

1.本发明涉及脱除燃煤锅炉烟道中超细颗粒物技术领域，特别涉及一种湍流回流耦合相变装置。


背景技术：

2.pm2.5不仅会损害呼吸系统、心血管系统和神经系统，还会损害免疫系统，增加新生儿患病的风险。而pm2.5的主要来源是燃煤电厂的烟气颗粒物排放。
3.对于细颗粒物的脱除，传统的技术与手段相对成熟，如电除尘器和布袋式除尘器等质量脱除率可达99%以上，但其数量脱除的效果并不佳，针对以上缺点，主要有两种思路来解决。新兴高效除尘技术，如低低温静电除尘技术、湿式电除尘技术、电袋复合除尘技术等。但其面临成本高、改造难度大等问题，因此目前主要采用团聚促进预处理技术，主要包括化学团聚、电团聚、声团聚、湍流边界团聚等，使超细颗粒物长大再使用传统方法脱除。相较而言，水汽相变凝核长大与湍流聚并具有较强的耦合性，并且对现有设备改造小，效果明显易实现且经济的特点。而水汽相变凝核是利用水蒸气在过饱和状态下会在颗粒物表面凝结，从而使颗粒物直径变大的现象，而湿法脱硫尾部的烟气接近饱和状态，只需稍微冷却即可达到过饱和状态。而冷却管的排布会使气流紊乱出现湍流，通过介入不同的扰流组件，可以和湍流聚并完美耦合。同时引入回流管，对冲的回流管再次增加湍流的混乱度，并且可以延长颗粒物在聚并室内的停留时间，使得再循环颗粒可以吸附新的颗粒物，有利于粒径的长大。
4.专利号为zl201820394586.8的发明专利提出了一种强化烟气种细颗粒物碰撞装聚并长大的装置。烟气经过两个斜对冲的入口（夹角大约40~70
°
），两个烟道尾部相连进入聚并器后，经过三角形扰流元件后，进入渐扩的通道，渐扩通道内具有多排“v”型扰流元件。不足之处在于，渐扩通道的制造难度与成本较大，且通道扩大后的颗粒碰撞概率会降低。
5.专利号为zl202110276654.7的发明专利提出了一种回流式湍流团聚耦合水汽相变脱除细颗粒物的装置，可以有效处理细颗粒物，使其长大到常规除尘手段可以有效脱除的范围。但是这种布置形式难以处理大烟气量，因此本专利针对大烟气量的燃煤电厂信提出了一种装置。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种湍流回流耦合相变装置，能够解决上述存在的问题。所述技术方案如下：提供了一种湍流回流耦合相变装置，所述装置包括：烟气进口段、烟气回流混合段、湍流冷却聚并段和烟气出口段；所述烟气进口段包含对冲设置的第一烟气进口11和第二烟气进口12，所述烟气回流混合段包括过渡段21和回流混合段，所述回流混合段包含对冲设置的第一回流管22和第一回流管23，其中，所述过渡段21连接所述回流混合段和所述烟气进口段；
所述湍流冷却聚并段31的一端与所述第一回流管22和第一回流管23分别连接，所述湍流冷却聚并段31的另一端与所述烟气出口段相连，所述烟气出口段包含对流设置的第一抽气管41和第二抽气管42；所述烟气进口段的汇合处设置有扰动元件13，所述湍流冷却聚并段31内设置有间隔布置的z形元件与冷凝管，所述z形元件用于增强湍流扰动，所述冷凝管用于实现水汽相变与湍流聚并耦合，在所述水汽相变与所述湍流聚并耦合情况下，最终颗粒粒径变大。
7.可选的，所述烟气进口之间与水平方向呈90
°
相对设置，在相对对冲设置下，所述两个烟气进口的流向表现为三通管向混合流动。
8.可选的，水平段的宽度为第一烟气进口11和第二烟气进口12之和的60%-80%，所述水平段包括所述过渡段21和所述湍流冷却聚并段(31)。
9.可选的，第一烟气进口11和第二烟气进口12为等截面通道，第一回流管22和第一回流管23为等截面通道。
10.可选的，回流量选取为入口流量的10%-20%。
11.可选的，冷凝管呈叉排排列，z形元件取代对应管子的位置。
12.可选的，冷凝管内采用常温水冷却方式，所述冷凝管达到定壁温的边界条件。
13.可选的，第一回流管22和第一回流管23的入口位置取于最后一排冷凝管后8倍管径的位置，第一回流管22和第一回流管23的出口位置取于第一排管子前4倍管径的位置。
14.可选的，所述烟气进口段的入口烟气为湿法脱硫的尾部烟气。
15.可选的，第一回流管22和第一回流管23的回流效果通过在入口处设轴流式风机实现。
16.本发明能够带来的有益效果：本发明中一种湍流回流耦合相变装置结构简单，为针对现有方法的不足提出的一种强化烟气种细颗粒物聚并长大的装置，该装置通过两侧烟气倾斜喷射进入聚并器，在两侧烟气在混合过程中会提高颗粒物的碰撞频率，增强团聚作用有利于细颗粒物的混合，经过扰流、冷却，会使水蒸气在颗粒物表面凝结，并且湍流运动会使含尘液滴与细颗粒物相互碰撞，从而达到长大的效果；在凝并器的尾部，抽取部分烟气再次进入入口段，使劲二次冷却，这样可以延长叹气在烟道内的停留时间，使其充分长大；同时，二次回流的烟气中的含尘液滴可以吸附捕集新进入凝并器中的细颗粒物。
附图说明
17.图1 示出了本技术一个示例性实施例示出的湍流回流耦合相变装置的结构示意图。
实施方式
18.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
19.在本文中提及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
请参考图1，示出了本技术一个示例性实施例示出的湍流回流耦合相变装置的结构示意图。
20.如图1所示，提供了一种湍流回流耦合相变装置，装置包括：烟气进口段、烟气回流混合段、湍流冷却聚并段和烟气出口段。
21.烟气进口段包含对冲设置的第一烟气进口11和第二烟气进口12，烟气回流混合段包括过渡段21和回流混合段，回流混合段包含对冲设置的第一回流管22和第一回流管23，其中，过渡段21连接回流混合段和烟气进口段。
22.湍流冷却聚并段31的一端与第一回流管22和第一回流管23分别连接，湍流冷却聚并段31的另一端与烟气出口段相连，烟气出口段包含对流设置的第一抽气管41和第二抽气管42。
23.烟气进口段的汇合处设置有扰动元件13，湍流冷却聚并段31内设置有间隔布置的z形元件与冷凝管，z形元件用于增强湍流扰动，冷凝管用于实现水汽相变与湍流聚并耦合，在水汽相变与湍流聚并耦合情况下，最终颗粒粒径变大。
24.可选的，烟气进口之间与水平方向呈90
°
相对设置，在相对对冲设置下，两个烟气进口的流向表现为三通管向混合流动。
25.可选的，水平段的宽度为第一烟气进口11和第二烟气进口12之和的60%-80%，水平段包括过渡段21和湍流冷却聚并段31。
26.可选的，第一烟气进口11和第二烟气进口12为等截面通道，第一回流管22和第一回流管23为等截面通道，回流量选取为入口流量的10%-20%。
27.其中，冷凝管呈叉排排列，z形元件取代对应管子的位置。冷凝管内采用常温水冷却方式，冷凝管达到定壁温的边界条件。
28.在一种可能的实施方式中，第一回流管22和第一回流管23的入口位置取于最后一排冷凝管后8倍管径的位置，第一回流管22和第一回流管23的出口位置取于第一排管子前4倍管径的位置。
29.可选的，烟气进口段的入口烟气为湿法脱硫的尾部烟气。
30.在一种可能的实施方式中，第一回流管22和第一回流管23的回流效果通过在入口处设轴流式风机实现。
31.进一步的，烟气进口段有两个倾斜对称布置的烟气进口组成、两个烟道尾部相连，烟气混合碰撞段包括过渡段和回流段、过渡段为两烟道开始接触到水平前端的位置，呈现渐缩结构，其与水平段呈y型排布，水平段的宽度小于两个入口段的宽度之和，在水平段前端的中心处设置了等腰直角三角形的扰流结构，其底面边长为水平段宽度的1/5，在三角形与第一排管子中间位置对冲布置的回流管入口，其距离第一排管子和三角形底面都为4倍冷却管径的位置，所述装置中回流管的直径为2~4倍冷却管直径，所述的聚并段为均匀等截面管壳式模型，包括两种组件，即圆形冷却管、z形扰流组件，呈现错排排列。冷却管与扰流组件交替排布设置6~10层，z形扰流组件取代对应位置的圆管，在最后一排管子后6倍管长位置处，设有两个对称布置的回流管入口，其结构形式与回流管出口相同，采用轴流式风机，抽取部分出口气体进入团聚装置进一步得长大，其中，抽取比例为10%-20%。
32.在一种可能的实施方式中，在冷凝团聚区的前后分别设有对称布置的回流入口与出口，并且在回流管入口选用轴流式风机将主流区的部分烟气再次吸入冷凝团聚段之前。
回流管为等截面圆管，直径选为冷却管的2.5倍。同时，轴流式风机可以控制回流量的大小。
33.在一种可能的实施方式中，所述的装置内表面由水性极强的聚四氟乙烯材料制成，一颗有效防止水蒸气在装置的表面上凝结，避免水汽的无效耗散，提高装置内的过饱和度。同时也能起到减轻表面腐蚀的作用。圆形冷却管的材质为氟钢管，耐压、抗弯、可塑性好，且适用于低温腐蚀性工作环境。
34.本发明中，主体结构为列管式换热器，含有接近饱和状态的烟气从两个烟气入口进入装置，交汇时初次混合，经过三角形扰流元件进一步混合后进入冷却团聚区。在冷却团聚区，烟气受到冷却降温，达到过饱和状态发生凝结。内表面的含氟材料使得水蒸气主要凝结在细颗粒物上，随着水蒸气的凝结，细颗粒物逐渐长大形成含尘液滴，并且在湍流中不断碰撞，多个含尘液滴相互团聚，粒径进一步长大。由于存在过饱和度低以及颗粒未完全长大，本发明增设回流管，将出口的部分烟气再次吸入装置前部。如此，可以延长烟气在装置内的停留时间，并且增强装置内的过饱和度。再次进入装置内的含尘液滴可以进一步长大，同时也能吸附捕集新进入装置内的细颗粒物。回流管可以有效增加颗粒物的长大效果，在工程上，根据实际情况可以追加回流管的数量。
35.可选的，装置冷却管直径为40mm，间距60mm，回流管直径100mm；入口烟道宽度450mm，水平段烟道宽度636mm；回流管入口中心处距离第一排管中心处210mm，回流管出口中心处距离最后一排管子中心处距离为470mm，使用上述装置利用湍流团聚耦合水汽相变促进细颗粒物核化长大，最后通过传统方式脱除颗粒物。
36.综上所述，本发明中一种湍流回流耦合相变装置结构简单，为针对现有方法的不足提出的一种强化烟气种细颗粒物聚并长大的装置，该装置通过两侧烟气倾斜喷射进入聚并器，在两侧烟气在混合过程中会提高颗粒物的碰撞频率，增强团聚作用有利于细颗粒物的混合，经过扰流、冷却，会使水蒸气在颗粒物表面凝结，并且湍流运动会使含尘液滴与细颗粒物相互碰撞，从而达到长大的效果；在凝并器的尾部，抽取部分烟气再次进入入口段，使劲二次冷却，这样可以延长叹气在烟道内的停留时间，使其充分长大；同时，二次回流的烟气中的含尘液滴可以吸附捕集新进入凝并器中的细颗粒物。
37.以上所述仅为本技术的可选实施例，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种湍流回流耦合相变装置，其特征在于，所述装置包括：烟气进口段、烟气回流混合段、湍流冷却聚并段和烟气出口段；所述烟气进口段包含对冲设置的第一烟气进口（11）和第二烟气进口（12），所述烟气回流混合段包括过渡段（21）和回流混合段，所述回流混合段包含对冲设置的第一回流管（22）和第一回流管（23），其中，所述过渡段（21）连接所述回流混合段和所述烟气进口段；所述湍流冷却聚并段(31)的一端与所述第一回流管（22）和第一回流管（23）分别连接，所述湍流冷却聚并段(31)的另一端与所述烟气出口段相连，所述烟气出口段包含对流设置的第一抽气管（41）和第二抽气管（42）；所述烟气进口段的汇合处设置有扰动元件（13），所述湍流冷却聚并段（31）内设置有间隔布置的z形元件与冷凝管，所述z形元件用于增强湍流扰动，所述冷凝管用于实现水汽相变与湍流聚并耦合，在所述水汽相变与所述湍流聚并耦合情况下，最终颗粒粒径变大。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述烟气进口之间与水平方向呈90
°
相对设置，在相对对冲设置下，所述两个烟气进口的流向表现为三通管向混合流动。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，水平段的宽度为第一烟气进口（11）和第二烟气进口（12）之和的60%-80%，所述水平段包括所述过渡段（21）和所述湍流冷却聚并段(31)。4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，第一烟气进口（11）和第二烟气进口（12）为等截面通道，第一回流管（22）和第一回流管（23）为等截面通道。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，回流量选取为入口流量的10%-20%。6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，冷凝管呈叉排排列，z形元件取代对应管子的位置。7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，冷凝管内采用常温水冷却方式，所述冷凝管达到定壁温的边界条件。8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，第一回流管（22）和第一回流管（23）的入口位置取于最后一排冷凝管后8倍管径的位置，第一回流管（22）和第一回流管（23）的出口位置取于第一排管子前4倍管径的位置。9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述烟气进口段的入口烟气为湿法脱硫的尾部烟气。10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，第一回流管（22）和第一回流管（23）的回流效果通过在入口处设轴流式风机实现。

技术总结
本发明公开了一种湍流回流耦合相变装置，属于脱除燃煤锅炉烟道中超细颗粒物技术领域。该装置通过两侧烟气倾斜喷射进入聚并器，在两侧烟气在混合过程中会提高颗粒物的碰撞频率，增强团聚作用有利于细颗粒物的混合，经过扰流、冷却，会使水蒸气在颗粒物表面凝结，并且湍流运动会使含尘液滴与细颗粒物相互碰撞，从而达到长大的效果；在凝并器的尾部，抽取部分烟气再次进入入口段，使劲二次冷却，这样可以延长叹气在烟道内的停留时间，使其充分长大；同时，二次回流的烟气中的含尘液滴可以吸附捕集新进入凝并器中的细颗粒物。新进入凝并器中的细颗粒物。新进入凝并器中的细颗粒物。


技术研发人员：韦壮壮 张军
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/8/13