筛帘阵列和沉降装置以及废气处理方法
阅读：83发布：2024-01-11
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1.一种用于减少废气中的颗粒和气体排放物的沉降装置，包括：
流动室，其限定穿过其中的流动路径；
多个筛帘，其彼此相对设置以在其间限定多个间隙，用于接收穿过其中的废气，筛帘中的每一个包括多个细长帘线，所述多个细长帘线沿所述筛帘纵向延伸并且被配置为在第一位置和第二位置之间横向振动，使得细长帘线中的每一个在废气内产生后缘涡流，用于收集后缘涡流内的多个颗粒。
2.根据权利要求1所述的沉降装置，其中，所述多个筛帘中的每一个都包括用于接收液体的入口和用于排出液体的出口，并且还包括：
液体收集器，其靠近所述多个筛帘中的每一个的出口定位并且构造成从所述多个筛帘收集液体。
3.根据权利要求2所述的沉降装置，还包括：
热交换器，其流体地连接到液体收集器，并构造成在液体已经被废气加热之后从液体收集器接收液体，以从其中回收热能。
4.根据权利要求2所述的沉降装置，其中所述多个筛帘被配置成从废气中产生冷凝物并且液体和冷凝物一起流入液体收集器，并且沉降装置还包括：
泵，其流体地连接到液体收集器和所述多个筛帘的入口，使得泵将液体和冷凝物从液体收集器引导到入口用于重新使用。
5.根据权利要求1所述的沉降装置，其中细长帘线中的每一个在流动室内暴露于流动路径，使得流过其中的废气直接接触沿着帘线流动的液体。
6.根据权利要求1所述的沉降装置，其中所述多个筛帘是电接地的，并且还包括：
多个放电电极，其位于所述多个筛帘的附近并且电连接到电源，使得所述多个放电电极利用与废气一起流动的多个带电微粒对多个颗粒进行充电，用于在所述多个筛帘上积聚带电的所述多个粒子。
7.根据权利要求1所述的沉降装置，其中所述多个筛帘在流动室内垂直于流动路径延伸，并且定位成使得第一筛帘的后缘涡流影响相邻的筛帘。
8.一种用于处理废气的筛帘组件，包括：
多个筛帘，其彼此相对设置以在其间限定用于接收穿过其中的废气的多个间隙，筛帘中的每一个包括沿其纵向延伸并被配置为在第一位置和第二位置之间横向振动的细长帘线，使得细长帘线中的每一个在废气内产生后缘涡流，用于收集后缘涡流内的多个颗粒。
9.根据权利要求8所述的筛帘组件，还包括：
第一支撑构件和相对的第二支撑构件，所述多个筛帘连接到第一支撑构件和第二支撑构件并在第一支撑构件和第二支撑构件之间延伸。
10.根据权利要求9所述的筛帘组件，其中细长帘线中的每一个被保持在预定的张力下，使得细长帘线中的每一个被构造成通过沿其横向地引导废气流而振动。
11.根据权利要求8所述的筛帘组件，还包括：
第一支撑构件，其限定构造成接收液体的液体供应导管，所述多个筛帘从支撑构件突出，使得细长帘线中的每一个流体连接到液体供应导管以接收液体且在细长帘线中的每一个振动时沿所述细长帘线输送液体。
12.根据权利要求11所述的筛帘组件，还包括连接至热交换器的液体收集器。
13.根据权利要求11所述的筛帘组件，其中细长帘线中的每一个由疏水性材料形成。
14.根据权利要求8所述的筛帘组件，其中细长帘线中的每一个由钢丝绳形成。
15.一种利用多个筛帘处理废气的方法，所述多个筛帘彼此相对设置以在其间限定用于接收穿过其中的废气的多个间隙，筛帘中的每一个包括沿其纵向延伸并且被配置为在第一位置和第二位置之间横向振动的细长帘线，所述方法包括：
使液体沿细长帘线流动并使所述多个颗粒撞击液体以从废气流中进一步去除所述多个颗粒，
将废气导向所述多个筛帘；
使细长帘线中的每一个振动，以便分别在废气流内产生多个后缘涡流，每一个后缘涡流分别跟随细长帘线中的每一个的振动横向运动；
使废气中的多个颗粒撞击细长帘线中的每一个，以便从废气流中去除多个大颗粒并由此处理废气。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述多个颗粒包括多个小颗粒，并且所述方法还包括：
在所述多个后缘涡流内收集废气的多个小颗粒；
将后缘涡流内的所述多个小颗粒聚结成多个大颗粒；以及
使废气中的所述多个大颗粒撞击细长帘线中的每一个。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述细长帘线至少以10-100赫兹的频率振动。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，细长帘线中的每一个由液体可渗透材料形成，并且所述方法还包括：
将液体沿着液体可渗透材料渗透，使得液体沿着液体可渗透材料流动。
19.根据权利要求17所述的方法，还包括：
使液体以多个液滴的形式从细长帘线中的每一个分散；以及
将所述多个颗粒与所述多个液滴混合以进一步处理废气。
20.根据权利要求15所述的方法，还包括：
沿着细长帘线中的每一个横向地引导废气流，以使细长帘线中的每一个振动。
21.根据权利要求15所述的方法，还包括：
将所述多个筛帘电接地，
对靠近所述多个筛帘的多个放电电极供电；
利用废气内的多个微粒使所述多个颗粒带电；以及
在所述多个筛帘上积聚带电的多个颗粒。
22.一种用于减少废气中的颗粒和气体排放物的沉降装置，包括：
流动室，其限定穿过其中的流动路径，所述流动室具有水平部分和竖直部分；
所述垂直部分中的多个筛帘，所述筛帘相对于彼此装置以在其间限定多个间隙，用于接收穿过其中的废气；
所述筛帘中的每一个包括细长帘线，所述细长帘线从所述竖直部分的第一侧延伸到第二侧并且相对于所述气体流动设置在倾斜位置；
所述帘线的第一端连接到水源；
位于所述帘线的第二端附近的集水槽，用于收集从所述帘线滴下的水；
所述槽具有排水量，所述排水量有效地将在所述集水槽中收集的水向下引导通过所述流动室的所述水平部分进入集水装置。
23.根据权利要求22所述的沉降装置，还包括将水从所述集水槽中引导至所述水源的再循环流动路径。
24.根据权利要求23所述的沉降装置，还包括流体连接到所述再循环流动路径的热交换器。
25.根据权利要求1所述的设备，其中，所述帘线各自具有长度，并且所述帘线的所述长度被制定成以增加所述帘线的振动频率。
26.根据权利要求15所述的方法，其中，所述细长帘线的长度被制定成以增加所述细长帘线的频率。
筛帘阵列和沉降装置以及废气处理方法
技术领域
[0001] 本发明主要涉及沉降装置和废气处理方法，更特别地涉及用于处理废气的多个筛帘。
背景技术
[0002] 传统的沉降器，如电沉降器和洗涤器被广泛用于处理含有气体污染物和/或颗粒排放物的废气。例如，工业过程(诸如电力和热量生成)可能产生对环境有害的颗粒和气体排放物，这些排放物可能保持悬浮在空气中。这些排放物在被人类和动物吸入时往往会造成健康危害。此外，颗粒排放物趋于沉淀在设备和建筑物上，并可能导致褪色甚至干扰设备的正常功能。因此，去除废气中的这些颗粒排放物是很重要的。
[0003] 废气可以通过传统的热交换器回收废气中的热能。毕竟，许多工业过程在高温下将废气排放到环境中，回收这种热能提供了提高工业过程效率的机会。能够在高温下排放含有气体污染物的废气的工业过程也可以配备洗涤器和/或湿式电沉降器(“湿式ESP”)以去除诸如颗粒排放物之类的气体污染物并回收热能。湿式电沉降器通常包括诸如水之类的液体以捕获颗粒和气体排放物并且回收热能，其可以被引导通过热交换器以提高效率。
[0004] 尽管电沉降器、洗涤器和热交换器通常已知地用于工业过程，由于传统的设计限制和用于处理过程的各种不同的部件，至少在一定程度上限制处理废气的有效性。例如，配置用于处理废气的电沉降器、洗涤器和热交换器通常需要独特的合金和涂层，这增加了总体成本并限制了可用空间。因此，沉降器、洗涤器和热交换器中的任何一个的可用表面积减少，同样降低了处理的效果。另外，传统的湿式电沉降器经常产生液雾，这增加了一个或多个电极的电极短路的可能性，这也降低了其收集颗粒排放物的有效性。
[0005] 需要一种处理废气的装置和方法，其改进处理效果、降低复杂性、降低成本、并解决例如上面讨论的那些现有的挑战和特征。
发明内容
[0006] 本发明的目的是使用潮湿振动帘线(柱状物或绳索)阵列来从热气体流中捕获颗粒同时进行有效的能量回收。当含有颗粒的热气流经垂直潮湿帘线阵列时，它们由于涡流脱落而趋于振动。特别地，帘线将具有主要垂直于流动方向的振动并且具有沿流动方向的小振动。在本发明中，这些振动被调整到接近帘线阵列的固有频率的频带，以使得振动速度和加速度提高。利用增加的振动速度和加速度，颗粒捕获增加，其中能量和质量转移显著提高。这种潮潮湿振动帘线从而作为颗粒捕获和能量回收仪器非常有效地起作用。
[0007] 本发明的目的是将这些振动调节在尽可能接近帘线阵列固有频率的频带内，以使得振动速度和加速度提高。更高帘线加速度和更高涡流分离频率意味着气流和帘线之间的相互作用力更大。在振动速度和加速度增加的情况下，颗粒捕获增强。此外，热量转移增加，并且潮湿帘线和从中提取大部分所需水的流动气体之间的水蒸汽和潮湿液滴的转移显著增加。当气体通过冷却而过饱和时，微粒尺寸增大并且在微粒上发生凝结。通过从帘线上的水膜上剪切掉，也在高速气流中添加了液滴。因此，这种潮湿振动帘线阵列可以用来执行以下功能：
[0009] (B)作为能量回收仪器，原因在于(i)高热量转移、(ii)增加湍流剪切、(iii)产生作为洗涤器的水滴、以及(iv)增加水在帘线上的蒸发和冷凝。
[0010] (C)作为用于气体和蒸汽的洗涤器，原因在于帘线上的水膜和潮湿颗粒的洗涤作用以及通过高速气体在振动帘线上的剪切作用产生的水滴而进行的洗涤。
[0011] 该技术可以与使用微粒充电并且安装在下游的任何沉淀装置结合。但是这两个单元都需要进行微调以达到最佳效果。如果不进行微调，帘线仍然会振动，并将在一定程度上有助于微粒捕获，但并不会像调整过一样；这是本发明的关键特征。
[0012] 由于该技术成本低且即使不使用电力也具有大颗粒收集效率，即其应用简单且安全，因此其可以找到广泛的住宅和商业用途。以下部分详细介绍了振动对颗粒捕集、热量转移，能量回收和微粒增大的影响。附图说明
[0014] 图1A是用于处理废气的具有多个筛帘组件的装置的第一示例性实施方式的立体图。
[0015] 图1B是图1A的设备在管道中的俯视平面图。
[0016] 图2是用于处理废气的具有筛帘阵列的装置的第二示例性实施方式的俯视平面图。
[0017] 图3A是沿着图1A所示的筛帘组件的筛帘流动的废气的俯视截面图，其中筛帘处于初始横向位置。
[0018] 图3B是类似于图3B的废气和筛帘的俯视截面图，但是示出筛帘处于终端横向位置。
[0019] 图4A是静止弦和振动弦的示意图，示出从静止柱状物分离的旋涡的直线运动。
[0020] 图4B是多个振动帘线的示意图，示出柱状物沿一个方向振动，其中涡流沿相反方向摇摆；在下一个振动周期中，柱状物和涡流的运动方向被改变。
[0021] 图4C是示意图，示出通过撞击捕获大微粒以及捕获靠近振动柱状物流动并被晃动的涡流带走并被捕获在潮湿柱状物背面上的小微粒。
[0022] 图5A和5B是振动弦的示意图。
[0023] 图6是本发明另一实施方式的侧面剖视图。
[0024] 图7是图6所示实施方式的俯视截面图。
具体实施方式
[0025] 在图1A和图1B所示的振动湿式沉降器10(VWP)中，带有颗粒的热气流过在管道12内伸展的竖立潮湿帘线26阵列30。帘线26被调整为由于气流而振动。特别地，帘线26将具有垂直于流动方向的振动以及在流动方向上的小程度的振动。通过控制关键参数，诸如气流速度、帘线长度和直径及其物理性质、帘线间距、清洗水量，微粒收集和热量转移的效率最大化。
[0026] 图1A和1B示出沉降装置10的示例性实施方式，其中多个帘线26以期望的张力固定在顶部和底部。有三排标有26(a)、26(b)和26(c)的帘线，它们分别是筛帘38、40和42的一部分。如上面简要讨论的那样，所述多个筛帘24被设置成限定所述多个间隙28，废气从管道入口20穿过所述多个间隙流到管道出口22，其中相同的数字表示上述相同的特征。根据示例性实施方式，细长帘线26为首选但不是必须地具有圆形横截面的绳索的形式。然而，将会认识到的是，也可以使用振动的替代材料和结构。
[0027] 筛帘组件16分别包括第一、第二和第三筛帘装置38、40、42。筛帘装置38、40、42中的每一个包括沿着直线排彼此偏移和平行的筛帘24。多个筛帘24大致竖直地/纵向地定向，并且因此垂直于排气的横向流动方向。虽然筛帘24围绕流动室14大致均匀地分布以限定类似的间隙28，但是应该理解的是，可以以管道12内的各种方向和位置使用更多或更少的筛帘24。
[0028] 优选地，筛帘以及因此绳索26(a)至26(c)被间隔开，使得来自第一绳索26(a)的涡流影响相邻的绳索26(b)以及随后的绳索26(c)，如图4B所示。
[0029] 每一个筛帘装置38、40、42包括大致水平延伸的支撑构件44，所述支撑构件限定延伸穿过其中的液体供应管道46。支撑构件44支撑大致竖直定向的细长帘线26，并被构造成将液体引入其中以限定筛帘入口50。根据示例性实施方式，支撑构件44和液体供应管道46处于单细长管的集成形式；然而，可以理解的是，可以使用许多其它设计来支撑筛帘24并向筛帘入口50提供液体供应。
[0030] 根据示例性实施方式，筛帘入口50和筛帘出口54定位在细长帘线26的相反端部处。然而，将认识到的是，筛帘入口50和筛帘出口54可以可选地包括或附加地包括可以分别限定入口和出口的另外结构。
[0031] 振动湿式沉降装置10还包括液体收集器56，所述液体收集器靠近筛帘出口54定位，用于收集从筛帘出口54排出的液体。另外，细长帘线26连接到作为另一个框架构件56的液体收集器56。这样，细长帘线26在框架构件44、56之间延伸，并被构造成在其间振动。
[0032] 细长帘线26更具体地构造成通过使废气流沿其横向地经过而振动。可选地，细长帘线26可以可操作地连接到振动机构，所述振动机构被构造成在使用期间主动地振动细长帘线26。
[0033] 液体收集器56为托盘56的形式，所述托盘包括底部58和周围侧壁60，所述底部和周围侧壁被构造成将液体引导至液体处理系统62。液体处理系统62包括泵64、过滤系统66和热交换器68。泵64构造成将液体从液体收集器56引导至过滤系统66，所述过滤系统构造成去除液体中的颗粒排放物。然后泵64继续引导液体穿过热交换器68以从液体中回收热能。虽然液体可以从沉降装置10移除，但是液体也可以被重新引导回到液体供应管道46中，以穿过细长帘线26被重新使用，如图1中示意性地示出的那样。应该理解的是，泵64、过滤系统66和热交换器68可以被选择和组装以适应处理任何给定的工业过程的废气的任何性能要求。出于这个原因，泵64、过滤系统66和热交换器68可根据本领域普通技术人员容易理解的已知要求来选择和组装。
[0035] 在使用中，如图3A-3B和图4B所示，废气的流动迫使细长帘线26(a)在第一和第二位置之间振动。相对较大颗粒52撞击细长帘线26(a)，所述细长帘线26(a)收集这些颗粒。然而，相对较小颗粒53倾向于跟随振动的细长帘线26(a)周围的废气流动。为此，细长帘线26(a)产生后缘涡流，并有效地捕捉和收集每一个后缘涡流内的较小颗粒。来自帘线26(a)中的涡流将撞击帘线26(b)，所述帘线26(b)的又会撞击帘线26(c)，所有这些帘线将振动，如图3A和3B所示。相对较小颗粒相互碰撞并聚结成较大颗粒，所述较大颗粒也撞击细长帘线26(a)-26(c)以去除。通过绳索沿流动方向的小振幅的振动进一步增强有益湍流；这些振动具有比横向振动高两倍的频率。然后沿细长帘线26流动的液体可收集颗粒并将颗粒引导至托盘58以通过液体处理系统62移除。
[0036] 与传统的电沉降器相反，在更高气体速度下，颗粒捕获效率预计会更高，伴随着更高涡流分离频率引起的帘线的高振动速度和加速度，并且微粒更有可能在高相对速度和加速下通过撞击而沉积。因此，振动沉降器的尺寸可以减小，并且甚至可以在现有的管道中安装帘线，而不是扩大管道以降低流速，像常规电沉降器一样。
[0037] 增加微粒大小是改善撞击收集的有效手段。微粒增大可以通过碰撞和冷凝或通过气流中水的冷凝而发生。由于绳索对流过它们的水施加的大力量，高流速引起的湍流剪切和以非常高加速度振动和分离旋涡的帘线的扰动将产生高碰撞速率，使得微粒增大速率变成振动沉降器的显著特点。
[0038] 即使振动收集器中的速度很高，小尺寸微粒也很难通过撞击而被捕获。但是，它们可以通过在高速气体中振动帘线产生的小水滴捕获。众所周知，小水滴的收集效率对从气体流中收集微粒具有很高的效率。应该指出的是，喷雾室用于去除颗粒(洗涤)。以非常高的加速度振动的拉紧帘线对沿其流动的水膜施加大力量，并产生与洗涤器中类似的喷雾室环境，并且适于捕获非常细小的颗粒。
[0039] 帘线振动对颗粒捕获的影响如下：
[0040] 尽管柱形帘线倾向于在交叉流动中以非常小幅度振动，但是本发明利用高频振动，典型地具有在10-100赫兹范围内的频率。因此，帘线的振动速度和加速度非常高。当涡流分离频率锁定在帘线固有频率上时，基本的横向振动特别显著(参见图3A和3B)。这发生在4
[0041] 这些较高振动频率与升高的流速下产生的更高涡流分离频率一起将产生打破潮湿帘线上的边界层的额外湍流，并由于帘线的高振动速度/加速而增加微粒的扩散沉积以及撞击。撞击过程由微粒和帘线之间的相对速度决定。振动速度和流速一起产生导致更高撞击率的更高有效速度斯托克斯数，如下所述。这可以增加颗粒捕获，无论是否需要对其进行充电，导致电力的显著降低甚至其完全消除，即，排除变压器/整流器单元、放电电极以及相应的控制设备、维护等。
[0042] 迁移速度是ESP效率所依赖的关键参数。在传统的ESP中，所述迁移速度非常小，通常只有0.02-0.08米/秒，取决于各个行业的灰尘特性。它们是ESP效率低的主要原因。在本发明中，这些速度不是通过使微粒更快地朝着潮湿帘线移动而是因为帘线朝向微粒快速移动而增加。为了产生这样的速度，使颗粒带电会有所帮助，但这不是必要的。
[0043] 为了增加颗粒捕获效率，帘线在顶部通过供应液体(通常为水但不包括其它介质)保持潮湿。帘线可以由许多可以是亲水性和疏水性的材料制成，因为连续的帘线振动将使流体沿它们流畅地流动。在没有高压场的情况下，可以允许水滴被剪切掉，而不像传统的电沉降器那样产生短路，从而通过洗涤作用产生更好的颗粒捕获。因此，当不使用充电电极时，可以使用疏水性帘线。而亲水帘线优选与ESP一起使用，即在颗粒带电的情况下使用。
[0044] 在具有彼此相继排列的多排帘线的帘线阵列或束(图1)的情况下，这些传送过程更加复杂并且取决于纵向和传送节距。在流动方向上的纵向节距为SL且横向节距为ST的情况下，直径为D的帘线的收集效率可以计算为：
[0045]
[0046] 其中N＝行数，STn＝ST/D，SLn＝SL/D，并且单个帘线(柱状物)效率(η)基于转移过程(例如撞击、扩散等)。该阵列可以根据上述公式来设计，以获得最佳颗粒转移。
[0047] 热量转移
[0048] 通过帘线的振动，从气体到沿帘线向下流动的水的热量转移显著增加；通过增加振动幅度和频率以及通过减小帘线直径来增大该热通量。由于可以改变/调整帘线的几何形状(长度、直径、横截面形状)及其物理性质(使用的材料、施加的张力)，所以这个数量以及收集的灰尘量也是可以改变的。已知在帘线表面上的每一个点处，热量转移取决于局部温度以及边界层的温度和速度。总热通量与帘线的总表面积和局部热量转移系数成正比。如果帘线在斯特劳哈尔频率附近摆动，则热量转移效果最佳。
[0049] 高热量转移系数特别存在于高振幅和高频振动处，特别是在涡流卷绕过程的影响最显著的帘线后半部分。这对应于其中v/fD(f是以Hz为单位的帘线频率)和幅度/直径比A/D<0.8的状态。在这种状态下，在帘线后面形成的旋涡具有较短的形成长度(它们在非常接近帘线表面处形成)，因此在热量转移和质量转移方面是有效的。
[0050] 在具有彼此相继排列的多排帘线的帘线束的情况下，有几项研究提供对静止柱状物阵列的热量转移。帘线振动的效果是产生更接近柱状物的涡流，并且在涡流通过靠近柱状物的振动而摇摆的情况下(图4A)，热量转移得到增强。现在可以通过调整柱状物的节距和涡流形成长度来优化热量转移，使得涡流影响多个相邻的柱状物(图4B)。
[0051] 水蒸汽运输
[0052] 潮湿帘线振动的一个重要影响是蒸汽从绳索传输的巨大增加。从振动潮湿柱状物到静止潮湿柱状物的质量转移系数的比率由下式给出：
[0053]
[0054] 其中kv是振动帘线的质量转移系数，kst是静止帘线的质量转移系数，A是振幅，D是直径，v是运动粘度。这个公式由R.Lemlich和M.R.Levy(AIChE Journal，Val.7，p.240，1951)提出，基于他们的实验，他们能够得到660％的质量转移的增加。
[0055] 因此，潮湿帘线振动的效果是在气流进入帘线阵列时立即使气流饱和。同时，热量转移过程将冷却气体，并且流动将变得过饱和，水蒸气将在微粒表面和潮湿帘线上冷凝。可以看出，微粒的冷凝增大将非常快地发生，因此如下所述通过撞击增加它们的捕获。
[0056] 水滴的产生
[0057] 高振动频率、速度以及特别是潮湿帘线的高加速度和气流的高速度的组合预计可以产生从帘线上的水膜剪切掉的液滴。水滴的大小可以通过帘线的表面纹理来调整，它们的大小也将取决于水膜上的剪切力和由流动引起的涡流。这些液滴通过布朗运动和湍流剪切非常有效地捕获细颗粒。
[0058] 因此，振动沉降器可以起到喷雾室的作用，从气流中捕获颗粒。
[0059] 为了在系统内发生蒸发和冷凝过程，设计将包括具有足够供水的潮湿帘线初始阵列，其可以通过蒸气运输使气体饱和。在这部分，最大的微粒将通过撞击而被捕获。
[0060] 接下来会有一个中间阵列，气体将被充分冷却，开始微粒和潮湿帘线上的冷凝。在这部分，较小的微粒会增大，并且可以参与洗涤有毒蒸气或气体。在这部分VWP的横截面积可以增加，以增加冷凝和洗涤的停留时间。
[0061] 在最后的部分，微粒将通过潮湿帘线阵列而从高速气流中被捕获。水会发生更多的冷凝；而总的冷凝将有助于从热气体中的热量转移。应该指出的是，潮湿弦将在所有部分中起到洗涤器的作用。
[0062] 流动引起的振动
[0063] 参照图5A和5B所示，对于沿垂直于气体/流体流动的y方向振动的长度为L的弹性支撑的弦/绳索，位移由微分公式描述(RD Blevins：Flow-Induced Vibration，Van Nostrand Reinhold，New York，1990)：
[0064]
[0065] 其解是：
[0066] y(t)＝Acos(ωvt-φ) (2)[0067] 其中振幅A为：
[0068]
[0069] 其它量为：
[0070] -加速度(米/秒^2)和速度(米/秒)
[0071] ρG-气体密度，kg/立方米
[0072] ξ-结构阻尼；对于很多物体为1％-3％，即， 且其可以很容易地实验确定
[0073] v-气体速度，米/秒
[0074] D-弦的直径，米
[0075] CL-无量纲提升系数；对雷诺数范围内的柱状物
[0076] ωn-弦的固有频率，1/s
[0077]
[0078] L-弦的长度，米
[0079] T-弦的张力，牛
[0080] m-弦的单位质量，千克/米
[0081] k-硬度 -相
[0082] ων-涡流脱离频率，1/秒
[0083]
[0084] S-无量纲斯特劳哈尔数；对于圆形柱状物
[0085] 在一组平行柱状物之间流动的情况下，(5)中的斯特劳哈尔数是基于柱状物之间的最大平均速度。如果这个开口是h，使用质量守恒：
[0086]
[0087] 根据(2)，振动速度为
[0088]
[0089] 使得沿与气流垂直的方向的最大速度和最大加速度是
[0090]
[0091] 因此速度与涡流分离频率成正比，而加速度可以是非常大的，因为所述加速度与2
所述涡流分离频率的平方成正比，否则为高频。帘线的固有频率为10弧度/秒的数量级，而涡流分离频率高几倍。鉴于气体流动状态，特别是气体流速，公式(4)解释了需要做些什么来增加帘线的固有频率以接近涡流分离频率。在较低的气体速度下，为了增加固有频率，帘线的有效长度可以通过以下方式减小：a)限制帘线不仅在其端部而且在其间的一个或多个位置处运动，或者b)通过悬挂几个短的帘线(带有自己的供水系统)，而不是使用单一长帘线。
所述涡流分离频率的平方成正比，否则为高频。帘线的固有频率为10弧度/秒的数量级，而涡流分离频率高几倍。鉴于气体流动状态，特别是气体流速，公式(4)解释了需要做些什么来增加帘线的固有频率以接近涡流分离频率。在较低的气体速度下，为了增加固有频率，帘线的有效长度可以通过以下方式减小：a)限制帘线不仅在其端部而且在其间的一个或多个位置处运动，或者b)通过悬挂几个短的帘线(带有自己的供水系统)，而不是使用单一长帘线。
[0092] 对于仅在两端悬挂的帘线，公式(7)，(8)指的是振动弦的中点x＝L/2，而在任何其它点处
[0093]
[0094] 因此，最大位移和速度接近弦的中间，并且朝着两端逐渐减小。
[0095] 合理的是假定经过使微粒沉积于其上的振动柱状物(其沿大致垂直于微粒路径的方向振动)之间的微粒的迁移速度与其速度(7)成正比。由于较大的惯性，较大微粒将较不容易通过流动而摇摆(通过移动的柱状物而位移)，而较小微粒则会适应流动。
[0096] 帘线直径的典型值为1-5毫米，张力为100-1000牛，帘线长度为0.5-3米，潮湿帘线重量约为5-100g，气体速度为3-30米/秒。
[0097] 通过碰撞、凝结和冷凝造成的微粒增大
[0098] 悬浮在气体中的颗粒物质可以通过多种方式在尺寸方面增大。对于振动沉降器，可以预料两种模式：碰撞/凝结和冷凝。
[0099] 当微粒彼此接触并发生团聚时，发生碰撞和凝结。在传统的ESP的分析处理中，假定悬浮液中的微粒被充分分离，从而可以忽略它们之间的相互作用。主要原因是微粒之间的气体的粘性力阻止微粒像气体分子一样碰撞，粘性力必须通过范德瓦耳斯力克服，才能发生碰撞(参考：MK Alam，“The Van Der Waals and Viscous Forces on Aerosol Coagulation”，Journal of Aerosol Science and Technology，Vol.6，pp.41-52，1987)。
[0100] 气体介质中的微粒碰撞率已经被许多研究人员分析过，并且已经表明碰撞可以由于流体流动中的剪切而发生。可以通过比较凝结的特征时间(或时间常数)来评估气流中的碰撞和凝结的意义，其由(参考：SK Friedlander，“Smoke，Dust and Haze，Fundamentals of Aerosol Behavior”，Wiley，纽约，1977)给出。 其中μ是动态粘度，K是碰撞率，k是玻尔兹曼常数，T是温度，Nd是微粒的数量浓度。
[0101] 对于湍流剪切，碰撞率和增大通过湍流能量耗散而被控制，这种湍流能量耗散已经在柱状物尾部被测量过(参考：X.Zhang，W.Zhong，J.Yang和M.Lu，“Dimensional Analysis and Dissipation Rate Estimation in the Near Wake of a Circular Cylinder”，Journal of Applied Mathematics and Physics，Vol.2，pp 431-436，2014)。当气体流速约为16米/秒、ESP中的典型颗粒浓度为3g/立方米时，特征时间在涡流中远小于
1秒。因此湍流剪切作用会促进微粒增大。
1秒。因此湍流剪切作用会促进微粒增大。
[0102] 当气体流变得过饱和时，微粒上将发生冷凝。在潮湿帘线阵列中，这将很快发生，因为振动帘线在气体欠饱和的情况下将高速生成湿气。由于冷却气体的振动帘线的涡流分离，所以也具有高的热量转移率。在含有微粒的气体穿过阵列移动时，它们将根据以下公式(参见Friedlander)通过冷凝而增大：
[0103]
[0104] 其中dp是微粒直径，D是扩散系数，vm是水的分子体积，(Pg-Pd)是气流和微粒表面之间的水蒸气压差。对于冷却到约40摄氏度含约15％水蒸气的典型燃烧废气，增大时间对于小于5微米的微粒而言为毫秒级。从上面的公式中可以看出，更小微粒会更快地增大。因此，以冷凝方式增大将大大增加振动湿式沉降器的微粒尺寸。
[0105] 通过扩散、拦截和撞击捕获颗粒物
[0106] 颗粒捕获是振动湿式沉降器10的目标。没有振动，只有对于较大微粒(大于1微米)，捕获才变得显著。潮湿帘线的振动显著改变气流模式——振动弦周围的湍流强度增加，而弦与微粒之间的相对速度也变化。这些现象通过以下机制在颗粒捕获方面产生增强：
[0107] (i)对流扩散：由于期望的流动是湍流，收集效率是雷诺数和施密特数的函数。研究表明，通过纤维过滤器捕获的颗粒通过振动雷诺数(基于振动峰值速度计算)增强，这导致柱状物纤维周围的扩散强度增加。对于频率为f(Hz)和振幅为A的振动弦，振动雷诺数(Rev)和振动速度(最大值)由下式给出：
[0108] 以及振动速度Vv＝2πfA
[0109] Kim等人对纤维过滤器的研究(参考：S.C.Kim，H.Wang，M.Imagawa和D.Chen，“Experimental and Modeling studies of the Stream-wise Filter Vibration effect on the Filtration Efficiency”，Aerosol Sci.and Tech.，40：389-395，2006)示出，利用小到Vv＝0.03米/秒的速度，在捕获效率方面提高60％。振动沉降器的振动速度可能相当高；对于1毫米的振幅和2000的频率，这个值是Vv＝26米/秒。因此，可以期待通过对流扩散获得高捕捉效率。
[0110] (ii)撞击：由湍流中的撞击产生的颗粒捕获主要由通过以下公式定义的斯托克斯数(Stk)确定：
[0111]
[0112] 其中U是气体流速，D是弦的直径，v是气体的运动粘度，Cc是校正因子(参考：P.Douglas和S.Ilias，“On the Deposition of Aerosol Particles on Cylinders in Turbulent Cross Flow”，J.Aerosol Science，Vol.19(4)：451-461，1988)，捕获效率随着斯托克斯数的增加而快速上升。在帘线的振动阵列中，斯托克斯数由以下机制增加：
[0113] (a)速度U现在是气体流和振动速度的合成速度。因此，微粒更可能撞击弦。观察这种机制的另一种方式是振动增加拦截面积，因为粒子垂直于振动速度移动。
[0114] (b)斯托克斯数也通过由于每一个弦后面的涡流中的湍流剪切造成的凝结而导致的微粒尺寸增大而增加，以及
[0115] (c)饱和气流在其穿过潮湿帘线的阵列移动时冷凝增加微粒尺寸，从而增加其撞击效率。
[0116] 实施例：台式测试单元，由12英尺长的入口、4英尺的出口和在入口和出口之间的2英尺长的测试部分组成。测试部分容纳两个或八个1英寸厚的筛帘，相隔三英寸。每一个筛帘由30个聚丙烯5毫米绳索(实际上其是穿过孔卷绕的单一绳索)构成，中心到中心距离为10毫米，占地30×12英寸，总面积为360平方英寸＝0.23平方米。在相邻的筛帘中的绳索是对齐的，而不是交错的。
[0117] 为了能够对绳索施加可变的张力，在单个绳索的顶部，通过能够向上或向下移动的厚空心梁中的孔来卷绕。绳索的张力为25、35或45磅。
[0118] PVC管被用来输送沿弦流下的水。在所有测试中使用的水量是在所有单元中每一个单元每分钟0.75升。
[0119] 使用SCHENK AccuRate型MOD102M灰尘进给器将浓度为30-70毫克/立方米的3微米飞灰在入口处注入空气中。
[0121] 使用两个Thermo Scientific MIE ADS-1500微粒监测(PM)单元测量灰尘收集效率，并在第一个单元前20英寸和最后一个单元后20英寸的横截面处取样。在两个横截面的每一个处，在三个点处采集灰尘样本：一个位于中央竖直和水平管道的对称平面的交叉处，另两个位于该点的左侧和右侧的水平中心平面上。然后，PM单元的读数取平均。
[0122] 下表为根据绳索中的张力、利用2个和8个单元的灰尘收集效率结果。
[0123]张力(lbs) 2个单元的效率(％) 8个单元的效率(％)
25 7.55 48.86
35 21.45 60.86
45 7.135 64.18
25 7.55 48.86
35 21.45 60.86
45 7.135 64.18
[0124] 下面的两个表格根据Ramesh Shah和Dusan Sekulic在2003年的“Fundamentals of Heat Exchanger Design”中的算法计算出压降和传热系数的结果。它们针对在不同空气速度下的非振动、静止的柱状物计算，假定绳索处于交错位置，并且单元在空气和水温分别为130华氏度和80华氏度下运行。假定绳索的直径为3毫米或5毫米，并且单行和多行的两根绳索之间的相应间隔本身分别为7毫米和10毫米。应该注意的是，由于流体和表面之间的相对运动导致的热量转移和质量转移的增加也伴随着流体中的附加压降。第一个表格给出利用3毫米绳索在不同速度下以水的英寸数表示的压降结果。第二个表格给出对于3毫米和5毫米绳索在25英尺/秒的空气速度下的压降和热量转移系数(h)。
[0125]
[0126]
[0127] 以交错的位置设置绳索将导致颗粒收集效率增加，但压降稍微增加。由于热量转移和质量转移通过增加气体速度和减小绳索的直径而得到增强，使用3毫米绳索代替5毫米绳索，交错排列在八个单元中，预期灰尘收集效率显著高于在刚刚描述的测试中获得的64％。
[0128] 该系统可以与传统的ESP进行比较。假想的常规水平流动湿式ESP具有矩形入口，其横截面与上述测试单元中的横截面相同，即360平方英寸(0.23平方米)。此外，假定ESP在气温140华氏度，水温80华氏度下运行。此外，假定ESP由三个1.5米高和1.7米长的板形成，板之间的距离为0.3米，放电电极在中间。在入口中的25英尺/秒＝7.62米/秒(即，ESP中的6.36英尺/秒＝1.94米/秒)的空气速度下，流量为Q＝3708实际立方英尺/分＝1.75立方米/秒。进一步假定电沉降器在收集粉煤灰的设备中工作，并且粉煤灰迁移速度非常高，w＝
0.18米/秒(其典型值为0.03-0.20米/秒)。使用Deutsch-Anderson公式η＝1-exp(-wA/Q)，可以发现刚刚描述的传统ESP单元具有与安装在其管道中、在室温下(即，在非常不理想的条件下)工作、且不使颗粒带电的体积为30分之一的30×12×8英寸测试单元相比具有相同的效率η＝0.64。
0.18米/秒(其典型值为0.03-0.20米/秒)。使用Deutsch-Anderson公式η＝1-exp(-wA/Q)，可以发现刚刚描述的传统ESP单元具有与安装在其管道中、在室温下(即，在非常不理想的条件下)工作、且不使颗粒带电的体积为30分之一的30×12×8英寸测试单元相比具有相同的效率η＝0.64。
[0129] 尽管本发明在不使微粒带电的情况下起作用，但是在某些情况下，本发明可以结合到静电沉降器中。与图1A和1B所示的实施方式不同，ESP中不期望有液体飞溅，因此气体速度降低。
[0130] 此外，帘线由亲水性材料(诸如亲水性聚合物)形成。以较低的气体速度调整帘线通过具有几条较短的帘线或通过限制单一绳索的运动来减小帘线的有效长度而完成，不仅在顶部和底部，而且在之间的一个或多个位置上。图2示出结合有多个沉降器的静电沉降器。沉降器装置110包括具有流动室14和筛帘组件16的管道12。筛帘组件16定位在流动室14内以限定穿过其中的流动路径18。如图2所示，筛帘组件16可以装置在流动室14内，以协调处理从管道入口20朝向管道出口22流过管道12的废气的三阶段方法。该实施方式利用电极36使微粒带电有助于捕获颗粒。但是，电极是可选的，在大多数应用中不是必需的。
[0131] 根据该示例性实施方式，废气具有多余的热能和多个颗粒和气体排放物，这两者都可以在处理期间从排气中移除和回收。筛帘组件16包括多个筛帘24。与图1A所示的结构一样，筛帘24中的每一个都包括一个或多个细长帘线26，其部分地阻挡沿流动路径18流动的废气并沿其纵向延伸。所述多个筛帘24在其间限定多个间隙28，用于接收从管道入口20流到管道出口22的废气。细长帘线26中的每一个被构造成在第一位置和第二位置之间振动以便在废气流内产生后缘涡流。如图4A所示，后涡流收集与废气一起流动的相对较小颗粒，使得颗粒彼此碰撞形成较大颗粒。进而，颗粒聚结成撞击细长帘线26的较大颗粒，以从废气流中移除。更具体地说，绳索或帘线的间距被设计成使得第一帘线或前方帘线的涡流影响相邻的帘线，如图4B所示。
[0132] 此外，筛帘24被构造成接收液体(诸如水或碱溶液)，使得液体通过重力和/或毛细管作用沿细长帘线26流动。更具体地，细长帘线26由液体可渗透材料形成。由此，经过管道12的多个颗粒和气体排放物(例如，NOx、SOx、CO2和汞)和过量热能积聚在用于处理废气的液体内，所述液体然后被排放到环境。根据示例性实施方式，多个筛帘24从废气中回收颗粒排放物、气体排放物和热能。然而，可以理解的是，任何数量的筛帘24可以以任何数量的装置来使用，并且专用于洗涤和/或回收和去除排放物或热能中的一个或两个。这样，术语“处理”不意图限制本文所述的发明。
[0133] 处理的第一阶段包括位于管道入口20附近的筛帘组件16的第一部分70。因此，处理的第一阶段是处理的第二阶段和第三阶段的上游，所述第二阶段和第三阶段分别包括筛帘组件16的第二部分和第三部分72、74。处理的第一阶段包括筛帘组件16的第一部分70，所述第一部分被配置成经由撞击从废气中去除多个颗粒排放物，并用作洗涤器，同时也从废气中去除热能。与此相对，处理的第二阶段包括电接地的筛帘组件16的第二部分72和靠近筛帘组件16定位的多个放电电极36。所述多个放电电极36被配置成使废气中颗粒排放物带电。接下来，筛帘组件16的第二部分72吸引带电的颗粒排放物，所述颗粒排放物然后积聚在其上以从废气中移除。最后，在处理的第三阶段中，所述多个筛帘24的第三部分74重复处理的第一阶段以最终回收颗粒排放物和热能。可能在筛帘组件16上形成的任何液体和冷凝物可被再循环并重新使用，以用于将来处理另外的废气，如以下更详细讨论的那样。
[0134] 关于所述多个放电电极36，可以理解的是，通过使这些颗粒发射穿过气体离子流动的区域(即电晕)，颗粒排放物通常被给予负电荷。更具体地，在放电电极36和接地细长帘线26之间形成电场，所述接地细长帘线由于液体沿其流动而导电。每一个放电电极36可操作地连接到电源，以便维持放电电极36和作为收集电极的细长帘线26之间的高电压。因此，可以理解的是，沉降器装置还包括用于产生高压电源的电气设备，诸如高压变压器和整流器。这些和其它部件可以操作地连接到放电电极36和细长帘线26，如现有技术中目前所了解的那样。替代地，筛帘24中的每一个可进一步包括收集电极，诸如靠近细长帘线26定位的框架构件，所述收集电极可被电接地以吸引带电颗粒排放物。进一步理解的是，电晕也可以带正电荷，并且就此而言，根据本文所述的本发明可以使用任何电荷。这样，本发明并不意在仅限于上面讨论的负电荷。
[0135] 图6和图7示出本发明的另一个实施方式，即垂直流动湿式振动沉降器，其中气流开始于水平流动并变成垂直流动。如图6所示，分离器80包括管道82，所述管道包括水平气体入口84和垂直气体出口86。管道82包括通向竖直管道部分90的水平管道部分88。管道结合有分离单元92，所述分离单元包括与图1和2中的帘线24类似的多个帘线94。这些帘线在管道82的进水口96和侧壁98之间的斜面上被拉伸。集水槽100位于帘线94的端部，并引导从帘线94落下的水102沿管道82的垂直部分90并穿过水平部分88到达集水槽104。
[0136] 泵106引导水从槽104中穿过导管108沿箭头110方向回到水源96。如在前述实施方式中一样，再循环液体可首先经过热交换器。因此，在操作中，在空气被引入入口84时，其将经过滴下的水102，这将导致微粒结合在水滴中，形成较大微粒。空气然后将向上经过水平通道90，穿过由帘线94形成的筛帘。被引入入口96的水将向下并穿过帘线94朝向侧壁98流动。在水沿成角度的帘线向下移动时，其将落入包括多个孔101的槽100中，所述多个孔允许收集的水滴落入槽104中，如箭头102所示。再次，在该实施方式中，帘线94被设计成振动并产生后缘涡流。这是通过相对于穿过筛帘组件92的气流选择合适的帘线材料、长度和张力来实现的。
[0137] 因此，该实施方式既结合有由箭头102所示的促进较小微粒聚结成较大微粒的水幕，同时提供根据本发明的振动筛帘组件92。
[0138] 虽然已经通过对本发明的一个或多个实施方式的描述说明了本发明，并且虽然已经相当详细地描述了实施方式，但是它们并不旨在将所附权利要求的范围限制或以任何方式限制到这样的细节。这里示出和描述的各种特征可以单独使用或以任何组合使用。
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