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超声波辅助喷射引流除尘技术研究 赵军友万法伟王秀会刘祥猛 中国石油大学 华东 机电工程学院， 山东 青岛 266580 摘要 大量中小型锅炉未安装有效除尘设备， 在生产过程中对大气造成严重污染。根据对袋式、 湿式等各除尘方式进 行综合比较， 除尘效率高， 但设备费用及维护成本高， 对于中小型锅炉不适用。为满足新标准对烟尘排放浓度的要求， 同时降低除尘设备成本， 研制了新型超声波辅助喷射引流除尘装置。根据超声波辅助喷射引流除尘技术方案， 调整工 艺， 确定喷射引流系数与超声波参数。除尘器试验运行成功， 环境效益与经济效益凸显。 关键词 除尘系统; 超声波辅助喷射引流除尘技术; 喷射引流器; 超声波发射器 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201405014 ＲESEAＲCH ON A NEW ULTＲASOUND- ASSISTED INJECTION DＲAINAGE DEDUSTING DEVICE Zhao JunyouWan FaweiWang XiuhuiLiu Xiangmeng School of Electromechanical Engineering，China University of Petroleum Huadong，Qingdao 266580，China AbstractGenerally，effective dedusting equipment is not installed in the production of small to medium sized boiler，which could causing serious air pollution． According to investigation and comparison on bag，wet and other dedusting means， although they have a high efficiency，the equipment and maintenance costs are usually high as well． So they are not suitable for small to middle sized boilers． In order to meet the requirements of new standards for dust emission concentration and reduce the cost of dust removal equipment，a new ultrasound- assisted injection drainage dedusting device was developed． Dust removing process was modified to determine the injection drainage parameters，based on the ultrasound- assisted injection drainage dedusting design． Finally，the novel device runs successfully． Environmental and economic benefits are highlighted． Keywordsdedusting system;ultrasound- assisted injection drainage dedusting;injection drainage;ultrasonic emitter 收稿日期 2013 －07 －17 0引言 目前， 中小型锅炉仍以煤炭为主要能源， 煤炭主 要由碳、 氢、 氧、 氮、 硫和磷等元素组成。氮、 硫是煤中 常见的有害成分。未安装除尘设备的中小型锅炉煤 燃烧后所产生的硫化物、 氮氧化物排放到大气中， 增 加空气酸性， 同时排放大量黑烟对大气污染严重。现 场对袋式、 湿式等除尘方式进行调研， 除尘效率较高， 有些达到 90 以上， 完全满足新标准 ［1 ］对烟尘排放 浓度的要求。但考虑到运行成本， 针对中小锅炉需要 采用新型的除尘工艺， 在不降低除尘效率的同时， 降 低除尘成本。 烟尘气中粒径大于 10 μm 的炭黑采用喷射引流 原理清除。高压喷嘴喷出碱性溶液， 引流烟尘气， 高 速雾化的碱溶液与大颗粒炭黑结合沉降。在射流引 射除尘后， 粒径为 0. 01 ～ 10 μm 的炭黑没有很好地 沉集。用超声波处理带尘气体， 强烈的声波会使悬浮 微粒凝聚变大， 调节施加超声波的时机、 频率、 强度等 主要技术参数， 提高除尘效率。 1新型除尘器工作原理 为达到除尘要求， 从迫降式水浴除尘 ［2 ］原理出 发， 进一步设计了如图 1 所示的除尘装置。装置主要 包括高压喷嘴、 喷射引流器、 采样器、 凝聚分离室、 超 声波发生器以及雾化器等部分。煤炭燃烧后产生的 炉尘气先经过大直径的炉气弯管， 喷射引流器固连于 炉气弯管内部， 置于中央。碱性溶液由电动机带动的 离心泵经由喷嘴高压喷出， 炉尘气与碱溶液在喷射引 流器内充分混合， 混合溶液经凝聚分离室底部的排污 管排出。此时， 大颗粒炭黑已被清除， 酸性气体被中 和; 而粒径 0. 01 ～ 10 μm 的炭黑只有小部分沉集。 75 大 气 污 染 防 治 Air Pollution Control 在凝聚分离室前端安装超声波发生器， 超声波可以将 小颗粒超频震动凝聚成大颗粒， 随着气流进入凝聚分 离室， 大颗粒直接落下或是由安装于凝聚分离室上部 的 V 型过滤网过滤。雾化器定时、 间隔冲刷过滤网 防止堵塞。经过喷射引流器作用和超声波振动后， 炉 尘气达到排放标准。 图 1超声波辅助喷射引流除尘装置 Fig． 1Structure of the ultrasound- assisted injection drainage dedusting device 2除尘喷射引流器结构及安装位置确定 2. 1除尘喷射引流器［3 ］ 高压碱性溶液 工作流体 通过喷嘴高速射出， 碱性溶液被雾化， 在喷嘴出口处由于射流边界层的紊 动扩散作用， 与周围被卷吸的低压烟尘流体 引射流 体 混合进行能量交换， 形成一股压力居中的混合流 体 称为压缩流体见图 2 。 图 2喷射引流器原理 Fig．2Principle of the injection drainage device 2. 1. 1参数方程 喷射器参数方程的推导是以连续性方程、 伯努利 方程和动量方程为基础［4 ］， 根据混合管、 扩张管和吸 入管内方程式 ［ 5- 6 ］进行推导出喷射器参数方程。令 A 1 ξ2 ξ3，B 1 ξ1，ΔP P4 V2 4 2 ρ 3 － P1 V2 1 2 ρ 2 。A、 B 为喷射器的结构特性系数，ΔP 为喷射器进出口端得全压差， 即单位体积气体所获得 的有效能。根据连续性方程 M VSρ 常数， 并设 Φ S1 S3 为喷射截面比; φ S1 S2 为吸入截面比; m M2 M1 为喷射质量比; n ρ1 ρ2 为喷射密度比。 可得喷射器的参数方程 ΔP/ V2 1 2 ρ 2φ 2φVMm 2n －Aφ2 1 m 1 mn －BVm2n2 为了获得最大喷射效率， Φ、 φ 和 m 的最佳值用 数学求极值方法求得， 喷射器的结构特性系数 A、 B 中三个阻力系数 ξ1 、 ξ 2和 ξ3。 其中 ξ1和 ξ3可查表求 得， 混合管中的阻力系数可以通过 ξ2 λ l2 l3 d3 l2、 l3分别为混合管的收缩管和直管部分的长度。d3混 合管直径; λ 混合管中得摩擦阻力系数 0. 02～ 0. 05 。喷射器的主要尺寸是以混合管直径为基 准。喷射器各部分尺寸关系为 d 槡 Φd 3， l1 l2 2d3 d1 2d3， l3 3d3 d21 槡 Φd 3， l4 7 ～ 10 d3 d4 2d3， α 25， β 6 ～ 8        按上述比例关系， 可得出 A 1. 3， B 1. 15。烟 尘密度为 0. 4 ～0. 5 kg/m3， 所以 n 2. 2。 2. 2喷射引流器吸气性能 当喷嘴直径一定， 水压力与耗水量、 吸气量近似 为比例关系， 其中吸气量与耗水量也近似为线性关 系， 其倍数关系随喷嘴直径而变化［7 ］。在实验条件 下， 当喷嘴直径越小引流喷射管的吸风效率最高， 但 是直径过小喷射出的水雾量不足， 对烟尘的沉积效果 不佳， 需增大喷嘴直径， 图 3 是在实验中取喷嘴直径 为 1， 2， 3， 5， 6， 8， 10， 12， 15， 18， 20， 25， 30 mm 测得的 喷嘴直径变化与吸风量之间的关系。 提供一定适当压力， 选用不同直径的喷嘴。d0 ≤10 mm时， 吸风效率较高， 但水雾量明显不足， 取 d0≥15 mm 时， 吸气量与沉积烟尘的效果明显提高。 如图 3 所示， d0＞10 mm 吸风性能趋于平稳。考虑在 实际操作中的误差和系统漏风， 所以将喷嘴直径确定 为 20 mm。 2. 3喷射引流器结构设计 2. 3. 1喷嘴 射流发生在有限的空间内， 并将烟尘气带出， 所 85 环境工程 Environmental Engineering 图 3喷嘴直径与吸风效率关系 Fig．3The relation of nozzle diameter and aspirating capacity 以该射流属于有限空间的伴随射流 图 4 。 图 4喷嘴结构 Fig． 4Injector structure 除尘所喷射的是液体， 故喷嘴采用收缩圆锥形喷 嘴， 锥角为 13. 5， 喷嘴前端的圆柱段长度为 0. 25d0， 以达到良好的喷射扩散效果。 在以上喷射器吸气性能实验条件下， 取 d0 20 mm。在实际操作过程中会出现机械误差以及漏 风等不定因素， 将吸风效率计算值人为降低到 100。 实地考察日照市某小型锅炉烟气总量 Qv约7 000 m3/ h， 可以得到碱性溶液的需用量为 70 m3/h; 烟气流速 Qs1. 9 m3/s， 从而得出喷嘴的喷射速度为 V 4Qs 100 π d2 0 60 m/s 由经验公式， d 3d060 mm。 所以， d3 134 mm， l1 l2 d1 d4 268 mm， l3402 mm， d2147 mm， l4938 ～1 340 mm。 由高等工程流体力学理论， 按照理想流体稳态流 动分析孔口流速， 由质量守恒可以将伯努利方程简 化为 V φ2gH 槡 0 经整理， V φ2P/ 槡 ρ 式中 ρ 为碱溶液的密度; φ 为流速系数， 圆锥形收敛 管嘴， 锥角 130左右时，φ 0. 95; P 为喷嘴前后的压 力差， 因为高压碱溶液从喷嘴喷到 烟囱 大气中， 所 以此处的压力差实际上就是高压碱溶液的压力 P。 所以， 喷嘴所需要的压力 P 1. 5 MPa。 2. 3. 2喉管距的确定 喉管距 Lc对喷射性能影响很大， 喉管入口前端 类似于一个升压器， 此处喷射引流器提供动力以吸入 烟尘气体， Lc过短不能很好的提供吸力， 过长会提早 降低喷嘴处压力， 对吸气效果也会产生不良影响， 针 对这种情况做吸气性能实验。混合管直径确定后， 测 Lc不同时的吸气性能， 将喷嘴从远处逐渐的靠近喉 管， 得出了不同距径比所引流出的气体体积有很大差 异 图 5 。 图 5喉管结构与距径比不同的吸气性能 Fig．5Throat structure and the suction perance under different pitch diameter ratio 由图 5b 可看出 在 Lc∶ d31∶ 1时吸气性能最好。 结合喷嘴处射流速度， 再由以上实验结果得出的喉管 直径的最优解， 使射流流体和烟尘气得到最好的混 合， 从而大大提高除尘效率。 3除尘系统初级实验 在以上结构数据确定之后， 制造出样件组成样 机， 进行除尘系统的初级实验。如图 1 所示， 启动电 动机， 通过减压阀将压力降低至 1. 4 MPa， 碱溶液由 喷嘴喷出。超声波发生器此时并不工作。通过采样 器的前级采样和中级采样对进气管处、 凝聚分离室的 烟尘气进行采样。同时记录下采样时间和流量计读 数。并对采样气体进行提取分析， 得到前后烟尘气粒 径对比 表 1 。 表 1烟尘气颗粒分散度 Table 1The particle size dispersion in the gas 颗径＜5 μm 5 ～10 μm 10 ～20 μm 20 ～40 μm 40 ～60 μm ＞60 μm 前级采样26. 54. 55. 03. 520. 540 中级采样87103000 95 大 气 污 染 防 治 Air Pollution Control 从表 1 中可以看出 经喷射引流器引流后的烟尘 气中， 大颗粒已经清除， 仅剩微小颗粒， 这也是大多数 除尘器无法最大限度除尘的原因。 4超声波集尘 4. 1工作原理 烟气中的细尘粒在空气中作布朗运动， 加之超声 波的震动以及尘粒本身带电的磁力作用， 可使尘粒相 互撞击而引起凝聚 ［8 ］。超声波除尘的工作原理就是 利用了这一特性。超声波发生器利用声波使尘粒凝 聚成微粒团， 增加微粒的质量， 然后从气体中分离出 来从而净化烟气。 4. 2超声波发生器参数确定 为了达到更好的凝聚效果， 超声波发生器放置在 凝聚分离室前端进气管处。此处气流速度放缓， 利于 超声波作用。超声波促使粉尘凝聚的机理有 4 种 ［9 ］ 同向凝聚作用、 流体力学作用、 湍流扩散作用和湍流 惯性作用。烟尘气颗粒尺寸在亚微级， 同向凝结起主 要作用; 微粒直径在 1 ～ 10 μm 时， 流体力学作用起 主要作用。如图 6 所示， 声场强度超过 160 dB 出现 声致湍流， 此时湍流中粒径为 0. 1 ～10 μm 粒子间的 碰撞由于湍流的空间不均匀性而增加， 进而粒子的凝 聚率提高。 图 6粒子受声波作用效果 Fig．6The effect of ultrasonic wave on the paticulate matter 同样， 声强和声频对除尘效果也有一定的影响。 在实验中， 声强超过 160 dB 时， 声致湍流效应起主要 作用， 而且它对频率的变化不敏感。所以， 采用声致 湍流为主要超声凝聚作用将允许很大范围的频率选 择。为保证较低的声衰和声饱和， 选择低频的超声凝 聚会更好一些， 故选择声强 160 dB。超声波的工作 模式有两种 行波方式和驻波方式 ［10 ］。在驻波中出 现振动特别强烈的波腹地区， 对微粒的凝聚作用只有 驻波可以完成。苏联学者为了清除煤烟微粒， 用低频 超声波进行实验研究， 研究认为最合适的频率为 10 000 ～20 000 Hz。故换能器采用低频换能器， 常用 HNC- 8SS- 2540/30、 HNC- 4SS- 3835/80 等， 功率为50 ～ 1 800 W。所配备的低频超声波发生器功 率 为 50 ～100 W。 根据锅炉烟尘浓度现场调节换能器频率， 达到最 佳除尘效果。发生器输出功率会在一定范围内跟踪 超声波换能器的频率点， 使超声波发生器工作在最佳 状态。 5整机实验 在确定各个参数之后， 对整个系统进行除尘实 验， 以 30 min/频次记录实验数据。 表 2除尘前后对比 Table 2The contrast of dust concerntration before and after dedusting 频次除尘前/ mg m －3 除尘后/ mg m －3 效率/ 12 1203598. 3 22 0404098. 0 31 9503598. 2 平均值2 036. 736. 798. 2 通过实验可以看出， 驻波对直径在 0. 1 ～ 10 μm 的微粒凝聚效果很好。该系统除尘效率为 98. 2， 排放浓度 36. 7 mg/m3， 达到新修订的 GB 13223 2003火电厂大气污染物排放标准 将燃煤电厂粉尘 排放质量浓度降低到 50 mg/m3的环保要求。 6结论 喷射引流器加超声波除尘对多而细的尘粒有特 殊作用的优点， 粒径大于 10 μm 的烟尘经过喷射引 流器后与雾化的碱溶液混合， 基本可以清除殆尽。剩 余粒径 0. 1 ～ 10 μm 烟尘在凝聚分离室前端进气口 被超声波振动凝聚变大， 在凝聚分离室沉降， 经过实 验总体除尘效率可以达到 98. 2。这种技术和各种 已有定论的技术联合使用， 将来会在除尘技术上发挥 自身的潜力， 同时具有很大的实用意义。 参考文献 ［1］GB 1327122001 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