專利名稱：具有最佳遠程噴霧的文氏管除塵器和方法
技術領域：
本發明涉及空氣污染控制領域，且特別是涉及經過改進的用于去除熱廢氣流中污染物質的濕法文氏管除塵系統。
背景技術：
在過去的幾十年里，控制空氣污染已經成為社會上首先關心的問題。美國及其它一些國家針對一些有要求的工廠和其它主要的空氣污染源，已經制定出非常詳細的管制計劃，安裝所能獲得的最佳控制技術(BACT)，目的是去除釋放到大氣中的氣流內的污染物質。控制空氣污染的標準是越來越嚴格，因此對于更高效的污染控制技術的需求是長期存在的。另外，運行污染控制設備的操作成本是相當大的，所以對于能效更高的技術的需求也是長期不變的。
對于從廢氣流中去除污染物質，一類眾所周知的裝置是文氏管除塵器。人們一般認為，在現有的除塵裝置中，文氏管除塵器對于細顆粒的收集效率最高。正如其名稱所表明的，在文氏管除塵器中，廢氣被迫或被抽吸通過一個具有一狹＂喉＂部的文氏管，隨著氣體運動通過該喉口，它被加速到高速。呈液滴形態的洗滌液體，一般是水，通常于喉口處被加入到文氏管并進入氣流。所用的水滴一般比所要收集的污染物顆粒大幾個數量級，結果它們在通過文氏管時即以不同的速率加速。加速度的不同造成了水滴和污染物顆粒之間的相互作用，使污染物顆粒為水滴所收集。其收集機理基本包括顆粒與液滴之間的碰撞和顆粒向液滴的表面的擴散。對于任何一種情況，顆粒均為液滴所捕獲。取決于污染物的大小，這些機理中一種或另一種可能是主要的，對于非常小的顆粒，擴散是主要的收集機理；而對于大顆粒，碰撞或攔截是主要機理。一文氏管除塵器還可以通過擴散有效地收集可溶性氣體化合物。關于這種洗滌機理的詳細介紹在M.Crawford所著《空氣污染控制理論》的第9章中有所討論(Mc Graw-Hill 1976)。
在顆粒污染物質被水滴收集之后，將水滴從廢氣流中脫去，氣流即得以凈化。水滴的去除可以采用多種已知的手段來完成。各種脫除方法大都依靠這樣的事實，水滴相對較大，由于慣性，不能很快改變方向。例如，可將氣流導向一個諸如一撞擊板的表面。在氣體繞該表面運動的同時，慣性使相對較大的水滴撞擊到該表面，并在該處被捕獲。同樣，如果水滴受到環流作用，例如在一旋風分離器中那樣，由于離心力的作用，大水滴將撞在分離器的壁上。
現今在使用中的大多數文氏管除塵器是＂自霧化＂的，即液滴的形成是使液體流入文氏管的喉口并在該處由氣流來霧化。在實施起來很簡單的同時，這種方法卻不能產生直徑非常小的液滴。盡管在工業化實施例中應用得不多，但文氏管除塵器的收集效率與洗滌器中所用水滴的大小有關是知之已久的。特別是收集效率隨著洗滌器中所用水滴表面積的增加而提高的，而且眾所周知，對于給定量的液體，其表面積隨液滴尺寸減少而增加。因此，根據這種學說，看起來洗滌液的液滴尺寸似乎應該減到最小。
但是，根據本發明人對此的認識和本文所述，存在著這樣一個點，在該點洗滌液液滴尺寸的進一步減小開始變得有害。作為一個實際問題，現有技術的文氏管洗滌裝置，甚至是那些聲稱使用了極微細液滴的，實際上使用的液滴也比根據本文理論所得出的最佳值大很多。
在此之前所用的提高文氏管除塵器的收集效率的基本方法是縮小喉口的尺寸或提高氣流通過該系統的整體速度。這兩種方法都是增大了污染物顆粒和液滴在通過文氏喉口時它們之間的速度差。造成顆粒和液滴之間產生更多的相互作用，從而提高污染物質的脫除率。但是用這種方式提高收集效率需要大大提高向系統內的能量輸入，從而導致操作成本較高。額外能量的花費是由于因喉口直徑縮小而使氣流總阻力增加，或者是由于氣流通過文氏管的整體流速提高。無論是哪一種情況，通過文氏管的壓降都是增大的，且需要有更大的泵抽能力。相應地，迄今為止，為提高文氏管除塵器的細顆粒收集效率所做的努力都是大大增加向系統內的能量輸入。
在空氣污染控制領域中人們最關心的是＂旋光＂顆粒的收集。此處所用＂旋光顆粒＂一詞應理解為是指直徑在大約0.1微米至1.0微米范圍的顆粒。由于這些顆粒尺寸小，所以在傳統的文氏管除塵器中它們是難于收集的。然而，處在這個尺寸范圍的顆粒中包括有毒材料，它們是不允許釋放出的。由于旋光顆粒的表面積較大，它們吸收的污染物質的量也很大。正如其名稱所表明的，旋光顆粒與光相互作用。即使它們不包含有毒物質，逸出的旋光顆粒也是清晰可見的，從審美的觀點出發也是不希望的。
(直徑大于1.0微米的顆粒有時也認為是旋光的。但是本發明與這些較大直徑顆粒的收集不直接相關，因此本文所用旋光一詞的定義中不包括它們。人們一般認為直徑大于1.0微米顆粒的收集相對要容易得多。)采用文氏管除塵器的空氣污染控制系統經常用于這樣的場合，即通過該系統的污染氣流的量是隨時間而變的。例如，氣體流量、氣流的溫度或者氣流中所含顆粒的量將會發生變化。如前所述，所用的大多數文氏管除塵器依靠自霧化形成洗滌液滴。在這樣的系統里，伴隨著任何污染氣體流量降低而造成的通過文氏管氣流的減少都會減少洗滌液滴形成的數目，從而對洗滌效率產生負作用。再者，氣流減少還會使液滴和顆粒通過文氏管的加速度差縮小，進一步降低洗滌效率。
顆粒在污染氣流中的濃度、大小和狀態由于多種因素也將隨時間而變。為了符合規章要求，洗滌除塵系統在面對氣流中污染物質含量最大的情況下必須能夠有效操作。但是，所需要的最大洗滌能力不可能在所有情況下都是必須的，而當不需要時通過降低洗滌能力水平可以獲得較高的操作效率。
最后，如果廢氣流的是熱的，象許多情況下那樣，氣流溫度大大高于其環境溫度，那么在文氏管內由液滴所收集的顆粒還可能在洗滌后重新進入氣流。例如這可以發生在這樣的情況下，已經捕獲了一個或多個污染物顆粒的液滴在它被收集前在文氏管的下游蒸發了。在許多工業過程中，氣流中的水蒸氣含量較飽和狀態為低，因此進入氣流的細小液滴即使是在溫度僅有不太大升高的情況下也很容易蒸發。例如，從煤干燥系統中排出廢氣體的溫度可能是200°F左右，濕度小于百分之十(10％)。即使是含有被捕獲污染物的液滴不蒸發，氣流的高溫也可以造成細小液滴內污染物質的揮發，使其重新進入廢氣流。
因此，本發明的一個目的是提供一種經過改進的文氏管除塵器，它可以提高顆粒的收集能力而又不需要增大通過系統的氣體流速或減小文氏管喉口的尺寸。
本發明的另一個目的是提供一種經過改進的文氏管除塵器，其中用于收集污染物顆粒的液滴尺寸是最佳的。
本發明的又一個目的是提供一種具有高收集效率的文氏管除塵器，而同現有技術相比，向系統內輸入的能量又不需要有同等數量的增加。
本發明的又一個目的是提供一種用于文氏管除塵器的噴嘴，它所需要具有的特點是，能夠高效率地產生對于收集旋光污染物顆粒而言尺寸最佳的液滴。
本發明的又一個目的是提供一種空氣污染控制系統，它能在洗滌階段之前高效率地冷卻氣流，從而使洗滌液滴在洗滌器的下游不容易蒸發，且污染物顆粒不會再次揮發。
發明概要本發明的上述目的及其它一些對于本技術領域內的專業人士通過結合附圖及所附權利要求閱讀本說明書后是顯而易見的目的均通過一套新型的空氣污染控制系統來實現。在其基本形式中，本發明包括一個文氏管除塵器，它具有引入具有預定最佳直徑的洗滌液液滴的裝置。在優選實施例中，洗滌液液滴的最佳直徑大約比廢氣中旋光顆粒的直徑大兩到三個數量級。更具體地，洗滌液滴最好在10微米至200微米之間，且應該是在旋光顆粒直徑的100至500倍之間。在一個實施例中，一個設計用于形成所需直徑液滴的噴嘴包括使洗滌液和氣體的混合物在壓力下流動通過一個孔的裝置。通過控制液體和氣體各自供入噴嘴的壓力，液滴產生的速度和大小都可以單獨調節。根據本發明，洗滌液滴的噴霧在文氏管喉口上游較遠處即被引入廢氣流，因此該噴霧起到冷卻氣流的作用，使氣流在到達文氏管喉口時變成大體上是飽和的。在一個優選實施例中，噴嘴處于文氏管喉口上游距其一段距離之處，使噴霧液滴到達文氏管喉口的時間在0.05秒至2.0秒，更好的情況是，液滴在進入文氏管喉口前的滯留時間是在0.1秒至1.0秒之間。
根據本發明的一種方法包括的步驟有，于文氏管除塵器喉口上游一段距離處將水滴噴霧引入廢氣流，使得在噴霧液滴和廢氣流的混合物到達文氏管除塵器喉口時氣流成為基本飽和的，以及隨后使該混合物通過除塵器的喉口。
在另一方面，本發明包括使用自動控制系統監視和調節引入洗滌系統的噴霧的量、溫度和(或)液滴尺寸，以補償廢氣流的變化。例如，在一個實施例中是監測氣流的溫度，且隨溫度的變化調節噴入系統的洗滌液的量，以保證廢氣流在到達文氏管喉口時穩定地保持在大體飽和的狀態。同樣，在排氣煙囪處可使用顆粒監測器，以保證引入系統的液滴尺寸，從而控制洗滌效率。
圖的簡要說明
圖1是根據本發明的空氣污染控制系統的部分示意性橫截面圖；圖2A和2B是表示對于污染物顆粒直徑分別為0.1微米和1.0微米時，中間值噴霧液滴直徑與顆粒收集效率之間關系計算值的曲線圖；圖3A是表示液滴尺寸與將一廢氣流冷卻到大體飽和溫度所需距離之間關系的曲線圖；圖3B是表示液滴尺寸與將一廢氣流冷卻到大體飽和溫度所需時間之間關系的曲線圖；圖4A是表示液滴尺寸、將一廢氣流冷卻到大體飽和溫度所需距離和噴霧的液氣比之間關系的曲線圖；圖4B是表示液滴尺寸、將一廢氣流冷卻到大體飽和溫度所需時間和噴霧的液氣比之間關系的曲線圖。
詳細說明首先參見圖1，圖中給出了本發明完整的空氣污染控制系統10。一富含污染物質的廢氣流產生于一空氣污染源(未示出)，如用于產生工業蒸汽的鍋爐或煤干燥器的排氣口。在此所用的＂廢氣＂和＂污染氣體＂等詞包括其中夾帶有液體或固體顆粒物質的廢氣流，包括隨著廢氣流冷卻可能冷凝的蒸汽。應當指出，許多空氣污染源都涉及，至少在開始時由燃燒過程產生的熱廢氣流。例如，來自鍋爐的氣流其溫度可能為大約350°F，而來自煤干燥器的廢氣流其溫度可能是200°F左右。
污染氣流(如箭頭15所示)進入本發明的空氣污染控制系統并被導入前腔室20。正如下面將詳細說明的，氣體在前腔室20中被冷卻到一較低的溫度，最好是達到氣流的飽和溫度，即在此溫度下氣流中的水蒸氣是飽和的，并開始冷凝。正如下面將更詳細說明的，來自噴嘴35的水30的細水滴噴霧用來冷卻氣流和使之飽和，使廢氣大致達到飽和溫度。人們已經發現，直徑最佳的液滴不僅對于文氏管內進行有效洗滌是最好的，而且在短距離內冷卻廢氣流和使之飽和也是特別有效的，即在進入文氏管之前在系統內的滯留時間最短，從而提高了洗滌效率。
如圖1所示，噴嘴35處在距文氏管喉口的入口較遠的位置，下面將說明。噴嘴最好定位于喉口的入口的上游，其距離是使噴霧液滴從其被噴霧進入系統到進入文氏管的喉口所用的時間是在0.05秒至2.0秒之間。這個時間，即液滴從噴嘴運動到文氏管喉口的時間，即稱為滯留時間。此滯留時間最好是在0.1秒至1.0秒之間。在典型的采用本發明的空氣污染控制系統中，氣流以大約70英尺/秒的速度運動通過該系統。
在流過前腔室20之后，廢氣進入包括一入口錐40、一喉口50和一出口錐60的文氏管除塵器。文氏管的洗滌液由來自噴嘴35的噴霧提供。噴嘴35最好是雙流體噴嘴，它形成具有液滴的洗滌液噴霧，液滴對于最大限度地收集旋光顆粒是最佳的。有關噴嘴35操作的討論和形成具有一最佳直徑液滴的討論陳述于下。噴嘴35與一水源70和一壓縮空氣源80相通，它們是通過一個噴嘴或霧化控制器90來調節的，它調節閥門92和94，以保證供入噴嘴35的空氣和水的壓力/流量。
進口或入口錐40的內角最好比典型的文氏管除塵器中所采用的要大。入口錐的內角最好在60°至90°之間，而現有技術的文氏管除塵器中一般是在30°-45°范圍。相對較大的夾角在使氣體運動通過文氏管所需能量方面增加一些費用，但是它通過增大污染物顆粒和洗滌液滴之間的速度差而提高了洗滌效率。另外，出口錐最好比較長，以增加自氣流和液滴中能量的回收。洗滌也將發生于出口錐，因為洗滌液滴，即處于最佳尺寸范圍的液滴和任何殘留的污染物質顆粒將以不同的速率減速。
廢氣和噴霧液滴的混合物自前腔室20穿過至文氏管，在此噴霧液滴以前述方式去除污染物顆粒。在本發明的一個實施例中，廢氣的喉口速度是每秒200英尺-500英尺，而洗滌液以每1000實際立方英尺(acf)飽和廢氣通過文氏管為1加侖-10加侖的比率引入。自噴嘴35引入的洗滌液最好是比較均勻地進入廢氣流，以實現均勻冷卻，而且當氣流和洗滌液進入文氏管入口40時可形成均勻一致的混合體。在引入點噴霧液滴和氣流之間的速度差最好不大。如果液滴以遠遠大于氣流的速度引入廢氣流，那它們在進入較慢的運動氣流時要減速，造成聚集，即液滴的長大。與一些現有技術的文氏管噴霧不同，本發明的噴霧不用來幫助氣流通過文氏管。
在離開文氏管的出口錐60后，要將富含污染物的噴霧液滴自廢氣流中去除。在圖1示例性的空氣污染控制系統10中，自廢氣流中去除污染的噴霧液滴采用的是一個帶一除霧器110的旋風分離器100。如圖所示，可在緊靠除霧器110的上游處自多個噴嘴120向氣流中引入除霧器噴霧115，以保持其表面濕潤和清潔。旋風分離器和除霧器的操作對于本技術領域的專業人士是眾所周知的，因此無需進一步討論。由于廢氣和噴霧液滴的混合物已經被降到大體飽和的溫度，所以在排出文氏管后洗滌液滴幾乎或根本不存在蒸發。因此，本發明克服了現有技術中被洗滌噴霧捕獲的污染物質在液滴被收集和從系統中去除之前重新進入氣流的問題。
在通過旋風分離器100和除霧器110后，廢氣可通過煙囪150排入大氣。通過系統10的氣流由吸風機170推進，并且可通過風機入口閥門175進行控制。
如上面所指出的，本發明采用一個或多個雙流體噴嘴25來形成液滴，液滴直徑對于收集廢氣流中的旋光顆粒是最佳的。每個噴嘴35均由一加壓洗滌液源和一加壓氣源供給，前者通過供應管80輸送至該噴嘴，后者通過供應管70輸送至噴嘴35。為了方便和降低操作成本，該氣體和液體最好分別用空氣和水。另外，用水作為洗滌液，由于有些水的蒸發，有助于噴嘴35的噴霧使氣流飽和。可以用于本發明的這類雙流體噴嘴可從加利福尼亞州Novato的Enviro Care International公司購得，商標為MicroMistTM。
為了描述噴霧中液滴的直徑，采用了多種計量手段。在實際噴霧中，液滴的直徑是變化的，即沒有那個噴嘴能夠產生具有完全均勻液滴的噴霧。在此，涉及噴霧中液滴的直徑或中間值直徑時，申請人所指用更精確的表述就是中量直徑(MVD)(有時也稱為總量中值直徑(VMD))。中量直徑所指的液滴尺寸是，所噴液體總量的百分之五十由直徑大于該中值的液滴組成。而所噴液體總量的百分之五十由直徑小于該中值的液滴組成。噴霧的液滴最好是盡可能地均勻，使大部分液滴的直徑接近中值。
通過控制進入噴嘴35的氣體和液體的流量和壓力，就有可能單獨控制液滴的尺寸和噴入系統的洗滌液的量。具體地講，相對于液體壓力給噴嘴增大空氣壓力，趨向于減小所產生液滴的尺寸，而提高水壓則增加所形成的噴霧量。液滴的平均直徑最好應比廢氣流中旋光顆粒的直徑大兩到三個數量級。更具體地說，液滴應處在10微米至200微米范圍，使得在最佳狀態下其直徑是廢氣中旋光顆粒直徑的100倍至500倍。這種獨立調節噴霧特性的能力對于廢氣流特性是可變化的場合特別有用。這樣，如果氣流中旋光顆粒的濃度或大小發生變化，或者廢氣流的溫度或含水量發生變化，那么噴霧的特性可做相應調節。一般而言，本發明遠距離噴霧的一個目的就是引入足夠量的具有一預定直徑液滴的液體，使得在蒸發后所保留下來的液體在量和液滴尺寸兩方面對于收集廢氣流中的旋光顆粒都是合適的。
要獲得最佳尺寸的液滴不采用雙流體噴嘴是很難的。正如上面指出的，大部分現有技術的文氏管除塵器依靠自霧化，利用來自風機的能量霧化洗滌液體，即這種系統不依靠噴嘴形成液滴。洗滌液體直接引入文氏管的喉口，在該處由其周圍的加速氣流霧化。
有些現有技術的文氏管除塵器采用單流體液體噴嘴將洗滌液體的噴霧引入文氏管。采用單流體噴嘴要產生最佳尺寸的液滴是非常困難的，而且一般不可能單獨控制液滴尺寸和所噴液體的量。人們不得不借助極高的噴嘴壓力來獲得所需的霧化程度，而且即使在高壓下，市售的噴嘴也沒有向氣流中提供大量液體的能力。據本發明人所知，目前還沒有任何現有技術的裝置在所需壓力下操作的跡象。例如，為了產生尺寸合適的液滴，可以相信從Spraying Systems公司得到的市售＂細噴霧＂單流體液力噴嘴必須在800磅/英寸2以上的壓力下操作，而在此壓力水平下只能向文氏管內供入每分鐘兩加侖以下的液體。因此，雖然有些現有技術采用了液體噴嘴來形成液滴，但可以相信，現有技術的文氏管除塵器沒有使用中量直徑(MVD)在500微米-1000微米以下液滴的。單流體噴嘴還有一個缺點，它不能單獨調節液滴尺寸和由噴嘴所噴液體的量。
(一種類型的單流體噴嘴，即所謂的高壓液力＂旁路＂噴嘴，允許對所噴液體的量和液滴的尺寸進行單獨控制。(這類噴嘴有時稱為＂回溢＂噴嘴。)雖然因為它需要在高液體壓力下操作所以相對于雙流體噴嘴不看好它，但液力旁路噴嘴也可以結合在本發明中使用，因為它可以提供單獨控制液體量和液滴尺寸的能力，只是范圍較小。)現有技術中某些特定的學說建議用于文氏管除塵器中的液滴應盡可能地細。這種不明確的現有技術學說既不定性也不定量，看起來是從片面的觀點得出的，對于洗滌效率只考慮了洗滌液滴的總表面積。然而，根據同樣的學說，事實上所用的液滴比本發明推薦的大得多。正如下面將說明的，對于最佳的液滴尺寸由一個下限，而液滴如果比此下限更細則對污染物顆粒的收集效率幾乎沒有影響。
使液滴尺寸最佳以求最大收集效率的能力已經得到試驗證明且有理論解釋。例如，在一個試驗中，本發明人對液滴尺寸大約等于廢氣流中的旋光顆粒尺寸的噴霧的洗滌效率進行了研究。此試驗確定了這樣的噴霧在洗滌廢氣流方面效率較低，這與現有技術細液滴提高洗滌效率的說法背道而馳。
這個結果的理論解釋可如下理解。文氏管洗滌依賴于洗滌液滴和污染物顆粒之間的速度差。廢氣和噴霧液滴均以較低的速度進入文氏管的入口錐。速度差的獲得基本上是由于在通過文氏管的喉口時受到加速。通常，旋光污染物顆粒比較小，結果其質量也小得多，所以在很短距離內快速加速，達到環境氣體的速度。另一方面，洗滌液滴通常較大和較重，所以要達到氣流的速度需較長距離。一般而言，這些洗滌液滴在到達喉口的端點或喉口的端點之后以前是達不到此最終速度的。
由于產生洗滌作用的就是這個速度差，所以一旦液滴和顆粒達到同樣的速度，兩者間相互作用的數目將減少到一個毫無意義的點，而且不會發生進一步的顆粒洗滌。因此，如果液滴一開始就具有與污染物顆粒大致相同的尺寸，那么它們則以大致相同的速率加速，因此在通過文氏管時就不會獲得明顯的速度差。所以，如果噴霧液滴過于細小，即與污染物顆粒具有同樣數量級，顆粒的洗滌效率將降低。
因此，現有技術＂越細越好＂的學說只是到某一個點之前是成立的，過了該點之后進一步減小液滴尺寸實際會降低洗滌效率。圖2A給出了對于直徑為0.1微米污染物顆粒收集效率(以百分比表示于縱軸)和洗滌液滴尺寸(以微米表示于橫軸)之間關系的計算值。可以看出，最佳的液滴尺寸是大約50微米，而且當液滴小于或大于此最佳尺寸時收集效率均快速下降。圖2B給出了對于直徑為1.0微米的污染物顆粒，旋光顆粒范圍的最大值，收集效率和洗滌液滴尺寸之間關系的計算值。在此例中，最佳的液滴尺寸是近乎200微米。盡管在這種情況下液滴尺寸不是最佳時收集效率的下降不如較小的0.1微米顆粒的那樣驚人，但它仍然十分顯著。
根據本發明，獲得具有預定的最佳直徑的噴霧液滴是可能的，因此洗滌效率可以得到提高。在現有技術中，用來提高洗滌效率的基本方法是提高氣流通過文氏管的速度，要么通過縮小喉口，要么通過提高氣體通過該系統的整體流速。無論在哪種情況下，由于需要功率更大的風機，所以明顯地需要更多的能量，從而提高了系統的操作成本。同現有技術的系統相比本發明只需要增加很少的能量來操作噴嘴，但是每單位輸入能量的增加所獲得的洗滌效率的提高則遠遠大于現有技術提高效率的方法所能夠獲得的。因此，該發明是一種高成本效率的提高洗滌效率的方法。例如，一套采用自霧化的現有技術的設計得到99.3％的總收集效率估計通過文氏管的壓降將需要55英寸水柱。隨之是每1000acfm將需要使用15.4馬力。而另一方面，本發明的文氏管可以實現99.4％的收集效率，通過文氏管的壓降僅16英寸水柱，只需要6.3hp/acfm。
本發明的一個重要方面是噴嘴35相對于文氏管喉口50的入口遠距離設置。正如所注意到的，噴嘴35最好設置在這樣一個位置上，根據液滴尺寸、溫度、水蒸氣含量和射入氣流的液滴總表面積，使噴霧有足夠的飛行時間，在廢氣到達文氏管喉口的入口時能將其冷卻到接近飽和。如上所述，噴嘴的設置使噴霧液滴在系統內有一滯留時間，在0.05秒至2.0秒之間為好，最好是在0.1秒至1.0秒之間。本發明的遠距離噴嘴使噴霧30不僅可用于給文氏管提供洗滌液滴，而且可用于冷卻氣流和使其飽和，從而使氣流在到達文氏管的喉口時大體飽和。
含有水蒸氣的熱氣體可通過兩個方式達到飽和。可以降低氣體的溫度，或者可以通過向氣體內引入額外的水蒸氣來提高氣體的水蒸氣含量。來自噴嘴35的噴霧30均采用了這兩種機理，以使氣流變成大體飽和，即噴霧30既通過對流換熱對氣流進行了冷卻，又通過蒸發將更多的水蒸氣引入氣流。再者，液滴中水的蒸發隨著相變從氣流中吸收熱能。噴霧液滴最好以較低的溫度引入氣流，從而使其由于熱氣和相對較冷液體之間的對流熱交換而自氣流吸收的熱能比較顯著。這樣，氣流的冷卻則通過熱交換和蒸發兩方面來實現。
本發明認識到對于洗滌旋光顆粒大體是尺寸最佳的液滴在通過文氏管除塵器時對于在氣流進入文氏管之前使其飽和也非常有效。盡管在現有技術中人們也知道在文氏管的上游引入液滴噴霧冷卻氣流和使其飽和，但迄今為止冷卻噴霧尚未被用作文氏管噴霧，而且無論對于廢氣流中旋光顆粒的收集亦或冷卻都未最佳化。因此，已知的在文氏管的上游引入的現有技術的冷卻噴霧液滴都較粗大，即液滴的直徑比本發明的液滴大得多。本發明的液滴直徑較小，提供的表面積大，對于給定量引入系統的水，所提供的對流換熱的表面積就大。另外，表面積大提高蒸發的速度，因此氣流蒸發冷卻的速度和水蒸氣加入廢氣流的速度都提高了。
根據本發明，在廢氣和噴霧液滴的混合物到達文氏管的喉口時氣流不必完全飽和。只要氣流接近飽和點，有關污染洗滌液滴蒸發和旋光污染顆粒重新進入氣流的問題即可得到有效解決。只要氣流接近飽和，蒸發速度將非常低，因此該洗滌液滴可在問題出現之前得以收集。
對于給定量的由噴嘴35噴入廢氣流的液體，用現有技術的較粗大的噴霧使氣流飽和將是比較困難的。圖3A是表示初始溫度為302°F的氣流用每1000實際立方英尺氣流1加侖的噴霧量進行冷卻的曲線。Y軸表示該氣體飽和溫度以上的溫度，而X軸表示自噴霧引入的距離。該距離是根據每秒70英尺的流速得出的，這是應用本發明系統的典型流速。圖中示出了四種不同液滴直徑的曲線，范圍在小到50μm(處在本發明的范圍內)至大到500μm(仍比現有技術中一般所用的小)。可以看到，50μm的液滴在引入點的下游不到10英尺的距離即將氣流冷卻到大體飽和的溫度，所有90μm或以下的液滴都在約15英尺以內將氣流冷卻到飽和溫度以上25度之內。相反，引入等量的MVD為500μm的液滴在自噴嘴50英尺的距離只能將氣流冷卻到飽和溫度以上略微不到150°F。
圖3B給出一類似曲線，但是橫軸反映的是自噴霧引入點始以秒表示的時間，可以看到，對于在50μm-100μm范圍的液滴，氣流均在1秒內被冷卻到飽和；而對于直徑750μm的液滴，5秒后氣流仍處在飽和溫度以上近100°F。
看采用最佳液滴冷卻氣流優點的另一種方式示于圖4A和4B。圖4A表示將302°F的氣流冷卻到其飽和溫度1度以內所需的冷卻液體量，X軸表示加入氣流的液體的相對量，Y軸表示氣體在達到飽和前所必需的運動距離。同樣，這些數據也是假設氣流以70英尺/秒的速度通過該系統。可以看出，每1000實際立方英尺1加侖50μm的液滴在約10英尺內就將氣流冷卻到接近飽和；而引入8倍數量的750μm液滴的液體需要100英尺才能使氣流變成飽和。
因此，在正常的管道速度下使該氣體飽和，噴射粗霧化的洗滌液體將需要一個不切實際的長距離，即它們要求一個能接受的長滯留時間，而大多數液滴在到達文氏管前將不再懸浮，或凝集起來(即霧化逆過程)。另外，要產生用本發明最佳液滴時所獲得的效果所需要的粗霧化水量將是不可能滿足的。所以，就現有技術所被告知的在文氏管之前有效地冷卻氣流而言，它所被告知的是采用兩步法，首先在上游的冷卻室中引入大量的冷卻噴霧，而在文氏管二次引入洗滌液源。
圖4B與圖4A相似，但是縱軸表示的是使氣流達到飽和溫度1度以內所需的時間。這樣，每實際立方英尺的飽和氣流1加侖50μm-100μm范圍的液滴僅僅在約0.4秒-1.0秒能將氣流冷卻到飽和溫度，而8倍流量的750μm液滴要用8秒左右。
根據本發明，來自噴嘴35的霧化噴霧液滴在到達文氏管喉口之前只有一小部分蒸發。因此，在到達文氏管的喉口時液滴直徑只有很少的減小，該液滴仍處在洗滌廢氣流的最佳范圍。如果需要，可以通過調節噴嘴引入稍大一些的液滴，來對噴霧液滴的蒸發進行補償。噴入系統的水量應足夠，使氣流在通過文氏管時其中存留液滴的數量和大小對于捕獲旋光顆粒都是最佳的。
在通過文氏管之前將廢氣流冷卻到大體飽和的溫度有多個有利效果，它們可改善空氣污染系統的性能。這包括通過消除蒸發過程中細顆粒自文氏管洗滌液滴的表面的遷移和增大細顆粒的尺寸(通過吸附)而消除了蒸發轉移。通過對氣流進行冷卻，氣流中許多可凝聚化合物，如大分子量有機物和有毒金屬，沉淀出來為文氏管除塵器所捕獲。另外，細噴霧使廢氣流中的較大顆粒潤濕，使這些大顆粒能幫助從氣流中去除較小的旋光顆粒。如圖1所示，與許多文氏管洗滌系統不同，大顆粒不在文氏管階段之前收集。
噴嘴35的噴霧所用的洗滌液最好是處在一較低溫度，以便于通過對流熱傳遞冷卻廢氣流。在環境溫度不低的地方，如在溫熱氣候下或在夏季的幾個月里，可對洗滌液進行主動冷卻。洗滌液的冷卻可通過多種已知技術的任一種來完成，如蒸發冷卻或致冷。使用冷卻后的液體保證了廢氣流的充分冷卻，且提高了污染氣體的溶解度。某些特定的蒸氣，如汞，看來更容易被冷卻后的洗滌液捕獲。同樣，可冷凝的碳氫化合物也更容易被冷卻后的洗滌液捕獲。
圖1的文氏管設計特別適合于改造現有的污染控制設備，以提高洗滌效率和降低操作成本。典型的現有系統包括緊接在一焚化設備、鍋爐或其它產生熱廢氣流的工藝后面的文氏管段。此文氏管段再供入一第二除塵器段，如碰撞除塵器或旋風分離器。現有的文氏管可用一直導管段代替，置于本發明的文氏管除塵器之前，起預冷卻室的作用。吸風機可以更替或降低速度以產生本發明所需的穿過文氏管的壓降，在此同時可節省大量的能量。
正如上面所指出的，在許多應用場合，進入一洗滌系統的污染氣流的特性是隨時間變化的。例如，通過該系統的污染氣體量和/或廢氣流的顆粒含量都可能變化。在這種情況下，該洗滌系統在能夠處理最惡劣條件(即最大顆粒含量)的同時，它不必在所有條件下都提供同樣程度或類型的處理。當條件變化時通過調節空氣污染控制系統滿足降低了的要求，有機會節約操作費用。
在本發明的一個實施例中，煙囪150內設置了一顆粒監測裝置180。顆粒監測裝置180及與其相連的控制模塊(未示出)的電子電路對存在于通過煙囪的廢氣流內的顆粒濃度進行跟蹤。該顆粒監測裝置控制模塊與噴嘴控制器90連接，自動調節控制至雙流體噴嘴35的氣流和液流的閥門。根據本發明的一個實施例，當廢氣流中的顆粒濃度自一預期水平變化時，顆粒監測裝置控制模塊給噴嘴控制器報警，改變向文氏管內的噴霧，在顆粒收集效率方面做相應的補償變化。噴霧可通過改變所噴的液體量或改變來自噴嘴35的噴霧內的液滴尺寸來改變。如上所述，雙流體噴嘴具有單獨控制液滴尺寸和噴霧量的能力。總的講，所噴液體的量由至噴嘴的液體壓力或流量來決定，因此可根據顆粒濃度讀數的增大而加大液體流量。另一方面，液滴尺寸由施加到噴嘴的氣體壓力或至噴嘴的氣體流量來決定，因此根據本發明顆粒濃度增高可用來提高至噴嘴的氣體壓力和氣體流量，而一般不影響液體流量。噴霧量和液滴尺寸可同時調節，也可順序調節。例如，控制系統可先將噴霧量提高到一目標水平，如果顆粒濃度沒有充分降低，則可再減小液滴尺寸。
一種與本發明相結合十分有用的這種類型的顆粒監測子系統可從密蘇里州堪薩斯城的BHA集團公司得到，型號為CPM1000TM。此子系統基于LED技術且配有微處理器，可以提供可用于控制一個或多個閥門的可變輸出電壓。為了平緩顆粒濃度測量值的瞬時變化，可在使用者確定的時間周期上對顆粒濃度的變化進行平均處理。特別是，該裝置的響應時間可設定在0.1秒至999秒之間的任何位置。本技術領域的專業人士將意識到，其它顆粒監測和控制系統是等效的，而且也可以使用。
如圖1所示，顆粒監測裝置180最好置于風機150的下游，使氣體在到達監測裝置之前先流過風機。風機150的能量給氣流稍許加熱，使可能通過除霧器的一些極細的液滴蒸發。這就避免了在顆粒濃度的測量中將這些液滴包括在內。
根據本發明的另一個控制系統可用于監測廢氣流的量，因為在許多應用場合該產生的廢氣量是隨時間變化的。在本發明的一個實施例中，為了此目的文氏管也作為流量計的一部分。氣體流量用壓差來計算。一個測壓點置于文氏管的入口喉口部，以測量文氏管喉口內的壓力；另一個測壓點置于文氏管喉口的上游的文氏管腔內。正如在本技術領域眾所周知的，壓差由兩測壓點測得的壓力相減來確定。壓差計的輸出值被系統用來根據流量的變化自動調節由噴嘴35引入的噴霧。一種用于此目的合適的壓差計可從印第安那州密執根城的Dwyer Instruments公司得到，銷售系列號＂605＂。本技術領域的專業人士將意識到，其它壓差計也可用于該文氏管之一內，或者其它等效的方法也可用于監測通過系統的流量。
當通過文氏管的流量減少時，氣體通過文氏管的加速度也同樣減小。這對于洗滌效率有不良影響，因為洗滌效率是與氣體和液滴通過文氏管時它們之間的加速度差有關的。因此，根據本發明的一個優選實施例，當系統探測到廢氣流量減少時，噴嘴控制器負責增加噴入文氏管的液體量。
在本發明的又一個方面，系統中的廢氣流的溫度由置于文氏管入口之前的溫度監測器190監測。如果氣流的溫度升高，由噴嘴35引入的液體量增加，以進行更強烈的冷卻。盡管比較復雜，本技術領域的專業人士將意識到，所引入水噴霧的溫度也可調節。
雖然已結合優選實施例對本發明進行了說明，但對本技術領域的專業人士是很明顯的，對于所說明的尚有許多變型和等效物。例如，盡管本發明所述是對收集旋光顆粒最佳化，然而在某些特定的應用場合可能希望提高與其不同尺寸范圍顆粒的收集效率。所以，希望本發明僅為下述權利要求所限定。
權利要求書按照條約第19條的修改1.一種用一文氏管除塵器凈化一污染氣流的方法，上述氣體處于比上述氣體的濕氣飽和溫度高得多的初始溫度，該方法包括的步驟有在上述文氏管的喉口的上游某一預定距離處將具有一預定直徑的液滴的噴霧引入該氣流，使上述氣流在其到達上述文氏管的喉口時變成大體飽和，且使大量的水滴保留在該氣流內，進入上述文氏管的喉口的所保留的水滴的直徑范圍約為10-200微米之間，并且讓該氣流和存留水滴的混合體通過上述文氏管的喉口，因此該氣流為上述液滴所洗滌。
2.如權利要求1所述的方法，其中由上述噴霧引入該氣流的水量在每1000acf(飽和)1加侖-10加侖之間。
3.如權利要求1所述的方法，其中上述噴霧在上述文氏管除塵器的入口錐的上游引入，使該液滴在其到達文氏管的喉口之前在氣流中的滯留時間為0.05秒至2.0秒之間。
4.如權利要求3所述的方法，其中上述噴霧在距文氏管的喉口一段距離處引入，使滯留時間在0.1秒至1.0秒之間。
5.如權利要求1所述的方法，其中上述水經過主動冷卻。
6.如權利要求1所述的方法，其還包括監測氣流的特性和根據氣流的特性的變化調節引入氣流的噴霧。
7.一種用于凈化一高溫氣流的空氣污染控制系統，上述氣體溫度是在它的水蒸氣飽和溫度之上其包括一個帶有一入口錐、一喉口和一出口錐的文氏管除塵器，置于上述文氏管除塵器的喉口的上游較遠處用來將水滴噴霧引入氣流的噴嘴裝置，目的是使該氣流大體飽和，上述噴霧中水滴的直徑是預定的，以使上述液滴到達文氏管的喉口時它們的直徑在10微米至200微米之間。
8.如權利要求7所述的空氣污染控制系統，其中由上述噴霧引入該氣流的水量在每1000acf(飽和)1加侖-10加侖之間。
9.如權利要求7所述的空氣污染控制系統，其中通過系統的氣流速度的范圍是已知的，且該噴嘴裝置位于距文氏管的喉口一段距離之處，對上述已知范圍內的氣流速度而言，在該氣流中的液滴到達文氏管的喉口之前液滴的滯留時間為0.05秒至2.0秒之間。
10.如權利要求7所述的空氣污染控制系統，其還包括主動冷卻噴入氣流的水的裝置。
11.如權利要求7所述的空氣污染控制系統，其中上述噴嘴裝置位于上述文氏管的入口錐的上游。
12.如權利要求7所述的空氣污染控制系統，其中上述噴嘴裝置包括一個雙流體噴嘴。
13.如權利要求7所述的空氣污染控制系統，其還包括監測氣流特性的監測裝置和根據上述特性的變化調節引入該氣流噴霧特性的控制裝置。
14.如權利要求13所述的空氣污染控制系統，其中上述監測裝置測量氣流中顆粒的數量。
15.如權利要求13所述的空氣污染控制系統，其中上述監測裝置測量氣流的溫度。
16.如權利要求13所述的空氣污染控制系統，其中上述監測裝置測量每單位時間的氣流量。
權利要求
1.一種用一文氏管除塵器凈化富含顆粒的污染氣流的方法，上述氣體包括水蒸氣且處于比上述氣體的飽和溫度高得多的初始溫度，該方法包括的步驟有在上述文氏管的喉口的上游某一預定距離處將具有一預定直徑的液滴的噴霧引入該氣流，使上述氣流在其到達上述文氏管的喉口時變成大體飽和，且使大量的水滴保留在該氣流內，所存留的水滴的直徑處在能有效洗滌氣流中的旋光顆粒的范圍，并且讓該氣流和存留水滴的混合體通過上述文氏管的喉口，因此該氣流為上述液滴所洗滌。
2.如權利要求1所述的方法，其中液滴的直徑在引入氣流時在10微米至200微米之間。
3.如權利要求1所述的方法，其中由上述噴霧引入該氣流的水量在每1000acf(飽和)1加侖-10加侖之間。
4.如權利要求1所述的方法，其中上述噴霧在上述文氏管除塵器的入口錐的上游引入，使該液滴在其到達文氏管的喉口之前在氣流中的滯留時間為0.05秒至2.0秒之間。
5.如權利要求4所述的方法，其中上述噴霧在距文氏管的喉口一段距離處引入，使滯留時間在0.1秒至1.0秒之間。
6.如權利要求1所述的方法，其中上述水經過主動冷卻。
7.如權利要求1所述的方法，其還包括監測氣流的特性和根據氣流的特性的變化調節引入氣流的噴霧。
8.一種用于凈化富含顆粒高溫氣流的空氣污染控制系統，其包括一個帶有一入口錐、一喉口和一出口錐的文氏管除塵器，置于上述文氏管除塵器的喉口的上游較遠處用來將水滴噴霧引入氣流的噴嘴裝置，目的是使該氣流大體飽和，上述噴霧中水滴的直徑是預定的，以使上述液滴到達文氏管的喉口時它們的直徑比氣流中的旋光顆粒的直徑大1至3個數量級。
9.如權利要求8所述的空氣污染控制系統，其中液滴的直徑在10微米至200微米之間。
10.如權利要求8所述的空氣污染控制系統，其中由上述噴霧引入該氣流的水量在每1000acf(飽和)1加侖-10加侖之間。
11.如權利要求8所述的空氣污染控制系統，其中該噴嘴裝置位于距文氏管的喉口一段距離之處，使該液滴在其到達文氏管的喉口之前在氣流中的滯留時間為0.05秒至2.0秒之間。
12.如權利要求8所述的空氣污染控制系統，其還包括主動冷卻噴入氣流的水的裝置。
13.如權利要求8所述的空氣污染控制系統，其中上述噴嘴裝置位于上述文氏管的入口錐的上游。
14.如權利要求8所述的空氣污染控制系統，其中上述噴嘴裝置包括一個雙流體噴嘴。
15.如權利要求8所述的空氣污染控制系統，其還包括監測氣流特性的監測裝置和根據上述特性的變化調節引入該氣流噴霧特性的控制裝置。
16.如權利要求15所述的空氣污染控制系統，其中上述監測裝置測量氣流中顆粒的數量。
17.如權利要求15所述的空氣污染控制系統，其中上述監測裝置測量氣流的溫度。
18.如權利要求15所述的空氣污染控制系統，其中上述監測裝置測量每單位時間的氣流量。
全文摘要
一種結合采用文氏管除塵器的空氣污染控制系統和一種凈化富含顆粒污染氣流的方法。采用噴嘴向文氏管引入最佳化的洗滌液液滴,使對旋光顆粒的收集效率最高。噴嘴引入最佳化的液滴是在文氏管的喉口的上游較遠處,使噴霧與廢氣流混合且將氣流在其進入文氏管的喉口之前冷卻到大體飽和的溫度。這促進了可凝集物質的收集和阻止了已被洗滌液滴收集的污染物的二次揮發,否則液滴可能會蒸發進入熱氣流。最佳化的液滴在快速冷卻廢氣流方面效率很高。
文檔編號B01D47/12GK1171747SQ95197206
公開日1998年1月28日 申請日期1995年10月2日 優先權日1994年11月4日
發明者J·J·施瓦布 申請人:環境關注國際有限公司