聲波與相變耦合作用脫除細顆粒的裝置和方法
【專利摘要】聲波與相變耦合作用脫除細顆粒的裝置和方法，涉及除塵設備和方法。所述裝置設有煙道、氣體調節(jié)室、蒸汽質量流量控制器、聲相變室、分離器；含塵氣流進入調節(jié)室，調節(jié)室內設有蒸汽擴散式噴嘴并與蒸汽質量流量控制器連接；調節(jié)室出口與聲相變室入口連接，在聲相變室的同一側面裝有聲源，聲源依次連接功率放大器和信號發(fā)生器；聲相變室的出口接分離器，分離器出口通過排放口由引風機將處理后的干凈氣流排出，分離器設有排灰口?；诼暡ㄅc相變耦合作用，細顆粒在發(fā)生聲波團聚的同時發(fā)生相變凝結長大，提高細顆粒物的團聚效率，降低聲波團聚的聲場強度，再采用常規(guī)除塵裝置對團聚長大后的大顆粒做進一步脫除，在低聲壓級條件下高效脫除PM2.5。
【專利說明】聲波與相變耦合作用脫除細顆粒的裝置和方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及除塵設備和方法，尤其是涉及一種聲波與相變耦合作用脫除細顆粒的裝置和方法。

【背景技術】
[0002]細顆粒物，特別是空氣動力學直徑小于2.5 μ m的顆粒物(PM2.5)是我國城市大氣的首要污染物，對人類健康及生態(tài)環(huán)境，甚至全球氣候變化具有重要的影響。近來，隨著霧霾天氣的頻發(fā)，PM2.5污染已經引起公眾的廣泛關注及政府的高度重視，細顆粒物的排放控制已成為急需解決的問題。
[0003]現有的除塵設備，包括慣性除塵器、靜電除塵器、袋式除塵器及濕式除塵器等，根據自身的特點，在各除塵領域已有成熟的應用。對于大顆粒物，常規(guī)除塵設備已經可以達到非常高的除塵效率，然而這些常規(guī)設備對于細顆粒物PM2.5的脫除效率卻非常低，導致大量的PM2.5被排放到大氣環(huán)境中。要提高傳統(tǒng)除塵技術的除塵性能，往往需要以消耗大量的能耗為代價，如采用高效文丘里洗滌器，其壓降會大幅增加；而提高電除塵器的除塵效率需要增加電場數和電極長度，這也導致電除塵器的體積變大，功耗增加。
[0004]采用聲波團聚技術對細顆粒的團聚效率有限，而要獲得高的團聚效率需要高的聲壓級，聲壓級的提高導致能耗大幅增加，而高聲壓級的聲源非常不穩(wěn)定，實際應用困難。中國專利CN103736356提出了一種聲波凝聚_常規(guī)除塵技術復合的脫除細顆粒物的裝置，通過在煙道管壁面設置多組聲源使顆粒團聚，并與電除塵器結合脫除細顆粒；中國專利CN101637683A公開了一種聲波團聚復合袋式除塵裝置，使含塵顆粒先通過聲波團聚室，再由袋式除塵器去除顆粒物。這兩件專利均采用單獨聲波團聚技術，對細顆粒團聚效率的提高非常有限。為提高聲波團聚效率，中國專利CN100531862C設計了一種基于聲波與外加種子顆粒聯合作用脫除細顆粒的裝置和方法，該方法雖然有利于提高細顆粒的脫除效率，但由于固體種子顆粒添加困難，難以均勻分散于氣流中，影響了團聚效果，同時，在氣流中添加固體顆粒又增大了后續(xù)除塵器的除塵負荷；中國專利CN103706219A提出了聲波團聚結合噴霧聯合作用脫除細微顆粒物的裝置與方法，該技術一定程度上解決了固體種子顆粒添加困難的問題，但由于液滴本身的表面張力很大，難以與細顆粒結合，因此，對顆粒團聚效率的提高有限。以上兩種技術均利用了不同粒徑的顆粒在聲波場中夾帶系數的差異，弓丨起相對運動而提高細顆粒的碰撞團聚效率，從本質上講仍屬于聲波團聚的范疇，因而要獲得較高的團聚效率仍需要較高的聲壓級，如中國專利CN103706219A工作的聲壓級達到了140 ?150dB。


【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對現有細顆粒脫除技術的不足，提供一種聲波與相變耦合作用脫除細顆粒裝置。
[0006]本發(fā)明的目的是提供一種聲波與相變耦合作用脫除細顆粒的方法。
[0007]所述聲波與相變耦合作用脫除細顆粒裝置，設有煙道、氣體調節(jié)室、蒸汽質量流量控制器、聲相變室、分離器；
[0008]含塵氣流經過煙道進入氣體調節(jié)室，氣體調節(jié)室內設有蒸汽擴散式噴嘴并與蒸汽質量流量控制器相連接；氣體調節(jié)室的出口與聲相變室的入口相連接，在聲相變室的同一個側面裝有至少I個聲源，聲源依次連接功率放大器和信號發(fā)生器；聲相變室的出口與分離器相連接，分離器的出口通過排放口由引風機將處理后的干凈氣流排出，分離器設有排灰口。
[0009]所述聲相變室可采用方形聲相變室，根據需要可單獨啟動I個或同時啟動多個聲源。
[0010]所述聲波與相變耦合作用脫除細顆粒的方法，采用所述聲波與相變耦合作用脫除細顆粒裝置，包括以下步驟:
[0011]I)煙氣含濕量的調節(jié)，根據初始氣流的溫、濕度、處理流量及所需煙氣過飽和度S計算出需要添加的蒸汽量，通過蒸汽質量流量控制器及擴散式蒸汽噴嘴添加蒸汽，蒸汽擴散式噴嘴安裝在靠近氣體調節(jié)室煙氣入口處，并以逆流的方式將蒸汽噴入氣流中，確保氣體調節(jié)室出口氣流的過飽和度S > I ;
[0012]2)聲源工作頻率的確定:確定聲源工作頻率后，計算出在此工作頻率下的聲波波長，通過調節(jié)聲源與聲相變室連接的伸縮擴散管的長度使得聲源與聲相變室對側的距離為波長的整數倍，以在聲相變室內形成駐波聲場；
[0013]3)待處理的含塵氣流通過煙道進入氣體調節(jié)室調節(jié)氣流的過飽和度S ^ 1，調節(jié)后的高濕氣流進入聲相變室，同時啟動聲源，根據處理煙氣情況可同時開啟一個或多個聲源，在聲相變室形成一個或多個駐波聲場，使細顆粒在一個或多個聲波場中發(fā)生相變團聚長大；控制含塵氣流的流量，確保含塵氣流在聲相變室中的停留時間大于3s，在聲相變室內高濕氣流中的顆粒物同時發(fā)生相變凝結和聲波團聚耦合長大作用，處理后的含塵氣流進入分離器，長大后的顆粒物從氣流中分離出來，干凈氣流經由排放口排出，分離下來的顆粒物由排灰口排出。
[0014]在步驟2)中，所述聲源的頻率可采用1000?2200Hz，任意可調，聲壓級可為110?150dB任意可調。
[0015]本發(fā)明基于聲波與相變耦合作用，用于對含塵氣流中的細顆粒進行預處理，細顆粒在發(fā)生聲波團聚的同時發(fā)生相變凝結長大，兩種長大作用相互促進，極大提高了細顆粒物的團聚效率，有效降低了聲波團聚的聲場強度，再采用常規(guī)除塵裝置對團聚長大后的大顆粒做進一步脫除，最終實現了在低聲壓級條件下高效脫除PM2.5的目的。
[0016]本發(fā)明對燃煤電廠煙氣、燃油及其它含塵氣流中的細顆粒進行脫除，達到控制PM2.5排放的目的。本發(fā)明利用聲波和相變耦合作用對含塵氣流進行預處理，結合常規(guī)除塵裝置，可高效、低能耗脫除含塵氣流中的細顆粒物。
[0017]本發(fā)明的有益效果如下:
[0018]本發(fā)明涉及的聲波與相變耦合作用作為含塵氣流細顆粒的預處理措施，克服了傳統(tǒng)聲波團聚效率低、聲壓級高、能耗大的缺點，解決了在聲波場中種子顆粒添加困難、聲壓級高、后續(xù)處理麻煩等問題。結合后續(xù)除塵設備，實現了在低聲壓級條件下，高效脫除細顆粒物，極大降低了聲波團聚的能耗。經過測試，本發(fā)明的裝置在低聲壓級條件下，聲壓級低至120dB時，仍具有較高的脫除效率，特別適用于對煙氣凈化要求高的場合。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明所述聲波與相變耦合作用脫除細顆粒裝置的結構示意圖。

【具體實施方式】
[0020]以下實施例將結合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。
[0021]參見圖1，所述聲波與相變耦合作用脫除細顆粒裝置實施例，設有煙道1、氣體調節(jié)室2、蒸汽質量流量控制器3、聲相變室5、分離器7。含塵氣流經過煙道I進入氣體調節(jié)室2，氣體調節(jié)室2內設有蒸汽擴散式噴嘴4并與蒸汽質量流量控制器3相連接；氣體調節(jié)室2的出口與聲相變室5的入口相連接，在聲相變室5的同一個側面裝有至少I個聲源6，聲源6依次連接功率放大器11和信號發(fā)生器12 ;聲相變室5的出口與分離器7相連接，分離器7的出口通過排放口 8由引風機將處理后的干凈氣流排出，分離器7設有排灰口 9。
[0022]所述聲相變室5可采用方形聲相變室，根據需要可單獨啟動I個或同時啟動多個聲源6。
[0023]所述聲波與相變耦合作用脫除細顆粒的方法，采用所述聲波與相變耦合作用脫除細顆粒裝置，包括以下步驟:
[0024]I)煙氣含濕量的調節(jié)，根據初始氣流的溫、濕度、處理流量及所需煙氣過飽和度S計算出需要添加的蒸汽量，通過蒸汽質量流量控制器3及擴散式蒸汽噴嘴4添加蒸汽，蒸汽擴散式噴嘴4安裝在靠近氣體調節(jié)室2煙氣入口處，并以逆流的方式將蒸汽噴入氣流中，確保氣體調節(jié)室2出口氣流的過飽和度S > I ;
[0025]2)聲源6工作頻率的確定:確定聲源工作頻率后，計算出在此工作頻率下的聲波波長，通過調節(jié)聲源6與聲相變室5連接的伸縮擴散管10的長度使得聲源6與聲相變室5對側的距離為波長的整數倍，以在聲相變室5內形成駐波聲場；所述聲源的頻率可采用1000?2200Hz，任意可調，聲壓級可為110?150dB任意可調；
[0026]3)待處理的含塵氣流通過煙道I進入氣體調節(jié)室2調節(jié)氣流的過飽和度S > 1，調節(jié)后的高濕氣流進入聲相變室5，同時啟動聲源6，根據處理煙氣情況可同時開啟一個或多個聲源6,在聲相變室5形成一個或多個駐波聲場,使細顆粒在一個或多個聲波場中發(fā)生相變團聚長大；控制含塵氣流的流量，確保含塵氣流在聲相變室5中的停留時間大于3s，在聲相變室5內高濕氣流中的顆粒物同時發(fā)生相變凝結和聲波團聚耦合長大作用，處理后的含塵氣流進入分離器7，長大后的顆粒物從氣流中分離出來，干凈氣流經由排放口 8排出，分離下來的顆粒物由排灰口 9排出。
[0027]以下給出本發(fā)明的聲波與相變耦合作用理論依據。
[0028](I)聲波對細顆粒的匯聚作用
[0029]在聲波場中，懸浮于氣體中的細顆粒主要受顆粒與流體間相對運動產生的粘性力和壓力梯度力作用而發(fā)生運功,其波動方程為:




γ*
[0030]u(x, t) = — = -4;tfA cos(2；t —) sin(2 辦)(I)
dt λ
[0031]式(I)中，f為頻率，A為振幅，λ為波長，根據該波動方程，駐波聲場能夠使細顆粒物在短時間內在波節(jié)點附近產生劇烈的匯聚特性，這一匯聚作用，將細顆粒的相變區(qū)域相對集中在聲相變室內的某些特定區(qū)域。根據異質核化理論，顆粒數濃度的提高在局部空間提供了更多可凝結表面，促進更多蒸汽在細顆粒表面凝結，減少其在壁面凝結的損耗，強化了過飽和蒸汽在細顆粒表面的凝結長大。
[0032](2)聲波場中細顆粒的團聚與相變凝結長大耦合作用
[0033]細顆粒在聲波場中碰撞團聚，團聚過程中顆粒尺度的變化由下式表示:
[0034]= —/?(ι',,)￡ β{\\ Vv )/7 {\\?)ι1ν + -- ￡ /^( V, -v, v!)/;(vv -vj)n{v,t)dv kZj
[0035]式⑵中，n(v，t)為時間t時顆粒粒徑分布函數，β (ν, νχ)為碰撞核函數，式(2)右邊第一項為顆粒因碰撞發(fā)生團聚后引起顆粒Vx的減少速率，第二項為碰撞團聚造成顆粒Vx的生成速率；細顆粒在聲場中團聚的同時在過飽和蒸汽環(huán)境發(fā)生相變凝結長大，細顆粒增長速率方程為:
[0036]dn(Vj)=—(S >
ctdv
[0037]式(3)中，I (V)為體積V的顆粒凝結(胚胎滴)長大速率；在聲波和相變耦合作用下，細顆粒的團聚和凝結長大同時發(fā)生，聲波對細顆粒的團聚作用，改變了細顆粒的成核速率，降低了核化凝結所需的過飽和度，促使過飽和蒸汽在細顆粒表面凝結；而過飽和蒸汽在細顆粒表面凝結長大，長大后的液滴與原氣流中的細顆粒，由于夾帶系數的差異，在聲波場中產生“雙模態(tài)團聚”效應，又促進了細顆粒的聲波團聚長大；聲波和蒸汽相變在細顆粒長大過程中的相互促進作用，極大提高了細顆粒的團聚長大效果，為本發(fā)明提供了理論依據。
[0038]根據待處理煙氣的流量、溫濕度等參數計算出將煙氣調節(jié)到所需過飽和度S時需要的蒸汽量，煙氣濕度可根據實際需要進行調整，煙氣濕度越高，細顆粒團聚效率越高，但所需添加的蒸汽量也越大。通過設置在氣體調節(jié)室2內的擴散式蒸汽噴嘴4及蒸汽質量流量控制器3將所需的蒸汽量添加到氣流中，擴散式蒸汽噴嘴4安裝在靠近氣體調節(jié)室2入口處，蒸汽以逆流的方式噴入氣流中，與待處理氣流在氣體調節(jié)室2內充分混合，確保氣體調節(jié)室2出口煙氣的過飽和度S > I。
[0039]確定聲源6的工作頻率后，計算出在此工作頻率下的聲波波長，調節(jié)聲源6與聲相變室5連接的伸縮擴散管10的長度，使得聲源6到聲相變室5對側面的距離為波長的整數倍，以在聲相變室5內形成駐波聲場。根據實際需要，聲源頻率在1000?2200Hz范圍內任意可調，聲壓級在110?150dB范圍內任意可調。
[0040]將待處理的含塵氣流通過煙道I引入氣體調節(jié)室2，打開蒸汽質量流量控制器3并調節(jié)到所需的蒸汽量，蒸汽通過擴散式蒸汽噴嘴以逆流的方式噴入，使其與氣流在調節(jié)室2內充分混合，獲得所需的濕度；調節(jié)后的高濕氣流進入聲相變室5，同時啟動聲源6，根據處理煙氣情況可同時開啟一個或多個聲源6,在聲相變室形成一個或多個駐波聲場,使細顆粒在一個或多個聲波場中發(fā)生相變團聚長大；控制含塵氣流的流量，確保含塵氣流在聲相變室5中的停留時間大于3s，在聲相變室5內高濕氣流中的顆粒物同時發(fā)生相變凝結和聲波團聚耦合長大作用，處理后的含塵氣流進入分離器7，長大后的顆粒物從氣流中分離出來，干凈氣流經由排放口 8排出，分離下來的顆粒物由排灰口 9排出。分離器作為后續(xù)常規(guī)除塵設備，采用最簡單重力沉降分離室，在實際使用時，根據不同使用場合及實際需要，亦可采用其它常規(guī)除塵裝置作為后續(xù)除塵設備。
[0041]通過氣體調節(jié)室提高煙氣的含濕量達到或接近飽和狀態(tài)，在聲相變室內裝有一個或多個聲源裝置，高濕氣流在聲相變室內，過飽和蒸汽以煙氣中的細顆粒為凝結核發(fā)生相變凝結長大；同時細顆粒在聲波場中由于聲波夾帶作用迅速往聲波波節(jié)點處匯聚并發(fā)生團聚長大。細顆粒在聲波場中的匯聚和團聚長大在局部空間為相變提供了大量可供凝結的表面促進了蒸汽在細顆粒表面的凝結長大；凝結長大后的液滴由于與原始煙氣中細顆粒粒徑的差異成為聲波團聚的種子顆粒極大提高了聲波團聚作用，這兩種作用機理相互促進，極大提高了細顆粒的團聚長大效果。本發(fā)明將聲波與相變耦合作用對含塵煙氣中的細顆粒進行預處理，并結合后續(xù)的除塵設備，達到了高效脫除pm2.5的目的。該方法極大的降低了單獨使用相變作用所需要的高蒸汽消耗及單獨聲波團聚作用需要的高聲壓級，實現了在低能耗下高效脫除細顆粒。
【權利要求】
1.聲波與相變耦合作用脫除細顆粒裝置，其特征在于設有煙道、氣體調節(jié)室、蒸汽質量流量控制器、聲相變室、分離器； 含塵氣流經過煙道進入氣體調節(jié)室，氣體調節(jié)室內設有蒸汽擴散式噴嘴并與蒸汽質量流量控制器相連接；氣體調節(jié)室的出口與聲相變室的入口相連接，在聲相變室的同一個側面裝有至少I個聲源，聲源依次連接功率放大器和信號發(fā)生器；聲相變室的出口與分離器相連接，分離器的出口通過排放口由引風機將處理后的干凈氣流排出，分離器設有排灰口。
2.如權利要求1所述聲波與相變耦合作用脫除細顆粒裝置，其特征在于所述聲相變室采用方形聲相變室，根據需要單獨啟動I個或同時啟動多個聲源。
3.聲波與相變耦合作用脫除細顆粒的方法，其特征在于采用如權利要求1所述聲波與相變耦合作用脫除細顆粒裝置，所述方法包括以下步驟: 1)煙氣含濕量的調節(jié)，根據初始氣流的溫、濕度、處理流量及所需煙氣過飽和度S計算出需要添加的蒸汽量，通過蒸汽質量流量控制器及擴散式蒸汽噴嘴添加蒸汽，蒸汽擴散式噴嘴安裝在靠近氣體調節(jié)室煙氣入口處，并以逆流的方式將蒸汽噴入氣流中，確保氣體調節(jié)室出口氣流的過飽和度S > I ; 2)確定聲源工作頻率后，計算出在此工作頻率下的聲波波長，通過調節(jié)聲源與聲相變室連接的伸縮擴散管的長度使得聲源與聲相變室對側的距離為波長的整數倍，以在聲相變室內形成駐波聲場； 3)待處理的含塵氣流通過煙道進入氣體調節(jié)室調節(jié)氣流的過飽和度S^ 1，調節(jié)后的高濕氣流進入聲相變室，同時啟動聲源，根據處理煙氣情況可同時開啟一個或多個聲源，在聲相變室形成一個或多個駐波聲場，使細顆粒在一個或多個聲波場中發(fā)生相變團聚長大；控制含塵氣流的流量，確保含塵氣流在聲相變室中的停留時間大于3s，在聲相變室內高濕氣流中的顆粒物同時發(fā)生相變凝結和聲波團聚耦合長大作用，處理后的含塵氣流進入分離器，長大后的顆粒物從氣流中分離出來，干凈氣流經由排放口排出，分離下來的顆粒物由排灰口排出。
4.如權利要求3所述聲波與相變耦合作用脫除細顆粒的方法，其特征在于在步驟2)中，所述聲源的頻率采用1000?2200Hz，任意可調，聲壓級為110?150dB，任意可調。
【文檔編號】B01D51/08GK104190199SQ201410443091
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月2日 優(yōu)先權日:2014年9月2日
【發(fā)明者】顏金培, 陳立奇 申請人:國家海洋局第三海洋研究所