CN104455897B - 一种三相涡街均流方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相涡街均流装置，包括前端导流板和三相涡街均流挡板，所述三相涡街均流挡板的迎风面为流线体结构，三相涡街均流挡板的背风面为钝体结构；所述前端导流板与三相涡街均流挡板的流线体结构端连接。该三相涡街均流板可用于在转弯道、渐扩管道或突扩管道中进行涡街均流增效。本发明的三相涡街均流装置的迎风面为流线体结构，充分减小了气、液、固三相运动过程中的阻力，从而降低系统的压降与能耗，降低运行费用；背风面为钝体结构，使气体、液滴与颗粒流过钝体时，在其后方产生双向涡街，增大均流板后方的流场湍动性，涡街横向传输实现使三相混合更加均匀。

Description

一种三相涡街均流方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种三相涡街均流方法及其装置，属于流体流动技术领域。

背景技术

工业设备管道中，管道截面反生变化和管道方向的改变会导致流体运动方向改变，进而引起流体携带的液体相或固体颗粒相分离，最终使流体在流经急转弯道、渐扩管道或突扩管道后截面速度/浓度分布不均，进一步影响后续设备的混合、传递、反应等工作效率。若在流体流经入口急弯头段、渐扩段或突扩段时，使用正确设计的均流装置能够大大避免这些不利的影响，保持气流的形态，使气流速度/浓度分布均匀。

目前，国内工业设备管道中的均流装置以导流板为主流，安装导流板虽然可以使气体速度较为均匀，但固相或者液相的颗粒本身在惯性力及曳力的作用下多贴近于导流板的附面层运动，使固相或液相在导流板近壁区域浓度过大，远离导流板的区域浓度过小，最终各个通道中的液体相或固体相浓度分布不均，从而导致管道中气固液三相混合不均。工业生产设备中气固液三相混合不均会引发反应器内催化剂磨损不均、气体污染物扩散不均、颗粒荷电不均、受力分离不均、气液传质不均、液滴携带不均等多种问题，严重影响设备效率。如静电除尘器中，气流在流经入口弯头段与渐扩段时，安装常规导流板虽然可以使入口气流速度均匀，但微细颗粒及其液滴不均，致使除尘器内部颗粒荷电不均、团聚与分离效果不佳，最终导致脱除效率降低。总而言之，常规导流板是以气体速度均匀为目标，没有考虑液体相或固体相与气体相的协同均匀，开发一种使气固液三相混合均匀的均流板及其均流增效的方法是目前亟待解决的问题。虽然一些学者在常规导流板的基础上做了许多的创新设计，如专利“一种流线型导流板结构”(201310083921.4)，对导流板的前端进行了流线型修改，但主要目的是减少流通系统的阻力且降低由于截面突变而引起的流体扰动和动量损失，仍然没有解决三相分布不均的问题。

对于三相均流问题国内外也有相关的研究即三角翼技术，三角翼技术是利用三角翼挡板结构使气流在挡板之后产生双向涡街，增加了挡板后的气流湍动性从而优化多相均布效果。国外德国巴克杜尔公司自85年起就开始利用三角翼技术解决管道内的气流混合不均问题(US4498786、US4527903、US5234672、US6615507)，近年来，美国巴布科克能源公司(US8517599)以及国内的国电龙源环保公司(200810304121.x)均在SCR系统中采用了三角翼技术来保证SCR入口阶段NH₃/NO_X与烟气混合均匀，此项技术的主要原理是在三角翼挡板的背风面设置还原剂喷管，利用三角翼后方的漩涡延展方向与喷管喷淋方向相反以及三角翼挡板背风面的漩涡效应等有利因素使NH₃/NO_X与烟气混合更为均匀。但以上技术均有不足之处，首先，三角翼技术本身利用的迎风面和背风面均为钝体结构，迎风面钝体结构在迎风面产生较大的高压区，极大地增加了系统的压阻，可以说是以牺牲系统阻力为前提实现的均流，极大增加了系统的运行成本。另外，SCR系统中的三角翼均流作用主要关注的是外来流体与管道中流体的多相混合，然而，如果管道内部流体本身为多相流体，不借助外来流体强制混合作用时应如何实现多相均流并没有提及。

总之，摒除常规导流板和三角翼技术的不足，开发一种既可以使管道内部流体气固液三相混合均匀又可以在此基础上减少系统压阻的增效均流方法及其装置，是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种三相涡街均流方法及其装置，该三相涡街均流装置的迎风面为流线体结构，充分减小了气、液、固三相运动过程中的阻力，从而降低系统的压降与能耗，降低运行费用；背风面为钝体结构，使气体、液滴与颗粒流过钝体时，在其后方产生双向涡街，增大均流装置后方的流场湍动性，涡街横向传输实现使三相混合更加均匀。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种三相涡街均流装置，包括前端导流板和三相涡街均流挡板，所述三相涡街均流挡板的迎风面为流线体结构，三相涡街均流挡板的背风面为钝体结构；所述前端导流板与三相涡街均流挡板的流线体结构端连接。

所述三相涡街均流挡板的流线体结构为直线型、弧形或内双曲型，流线体形状会影响整个系统的压阻，同时也会影响后方涡街产生的形式，可根据不同的管道形式以及均流要求选择不同形式的流线体结构，以达到最佳均流效果以及系统最低压阻；管道渐扩段或渐突段的陡度大于1％时，优选内双曲型；小于1％时优选直线型或弧形；弯道弯角为90-120°之间优选内双曲型；大于120°优选直线型或弧形。

所述三相涡街均流挡板的流线体结构后方可为开口或闭口形式，开口或闭口形式会影响钝体后方的涡街衰减速度，可根据弯道、渐扩段或突扩段与作用面的距离大小来选择开口或闭口形式，以保证气流经过涡街均流板之后在特定的反应段有最佳的气固液分布效果；开口或闭口形式以作用面与均流挡板钝体面的距离和管道当量直径的比值为判断标准，当比值大于3时，采用闭口形式，当比值小于3时，可采用开口形式。

所述三相涡街均流挡板的钝体结构的截面为圆形、四边形或三角形；钝体的形状会影响三相涡街均流挡板的迎流面宽度，从而影响后方涡街的产生频率与涡街稳定程度，可根据不同的管径大小来确定迎流面积宽度。

所述三相涡街均流挡板的迎流面宽度与所处管道的管径的比值为0.2-0.4，优选为0.277，此时产生的涡街会达到一个稳定的状态，进一步根据迎流面宽度选择合适的钝体结构的形状，使后方涡街达到最佳稳定度。

所述三相涡街均流挡板的钝体结构采用平口形式、凹陷形式或凸起形式。不同的钝体结构的形式会改变后方流体的流动空间大小，从而影响三相混合程度，可根据来流中气固液的混合比例来调整钝体结构的形式，以达到最佳混合效果；若来流中气相所占比例较大，可采用平口形式；固相所占比例较大，可采用凹陷形式，液相所占比例较大可采用凸起形式。

所述前端导流板与三相涡街均流挡板的连接处采用过渡处理，即连接处无接驳痕迹，使流体在流过连接处时相当于流过一个光滑的圆弧状的结构，减小来流的阻力，进一步减小整个系统的压阻。

本发明的三相涡街均流装置的均流方法，步骤如下：

针对不同形式的管道入口，对各个参数进行设置：根据管径的大小以及钝体面的遮挡系数(管道内三相涡街均流装置的钝体结构的截面占整个管道截面的百分比，一般取50-80％之间)确定均流装置的数量及间隔距离，然后，根据实际管道中的流动情况，对三相涡街均流板的大小(迎面流体流速较小处布置形状较小的三相涡街均流装置)和疏密程度(迎面流体流速较小处布置密集一些)进行适当调整修正，最终进一步确定均流装置间距离，使均流效果最佳。

本发明的有益效果：

(1)本发明首先通过前端导流板对烟气进行一次均流，随后，流体流经与前端导流板相连的三相涡街均流挡板，在流经迎风面流线体部分时，固体颗粒或液滴的阻力充分减小，顺利流向背风面钝体部分，同时，背风面钝体部分产生双向涡街，旋涡的强力旋转使流经的固体颗粒或液滴与气相均匀混合，最终达到三相均流效果；

(2)本发明的迎风面采用流线体，固体颗粒或液滴在流经流线体时产生的阻力最小，使颗粒或液滴顺利到达钝体面之后并充分进入板后的漩涡中，实现钝体板后三相充分混合的同时也降低系统压阻；

(3)本发明的背风面采用钝体，使流体在钝体之后，在板的前缘产生广延恒温态的旋涡，这些旋涡呈双向、圆锥形分布，它们的转向相反，离开板后的直径逐渐增大，同时，旋涡的强力旋转使流经的固体颗粒或液滴与气相均匀混合，最终达到三相均流效果；

(4)前端导流板与三相涡街均流挡板的连接处采用过渡处理，进一步减小了装置本身对固体颗粒和液滴的阻力，进而降低系统阻力。

附图说明

图1为本发明的三相涡街均流装置结构示意图；

图2为三相涡街均流装置在急转弯道、渐扩管道和突扩管道中的布置形式示意图

图3为设置有本发明的三相涡街均流板的静电除尘器结构示意图；

其中，1-前端导流板；2-迎风面流线体结构；3-背风面钝体结构；

211-入口；212-前端导流板；213-三相涡街均流挡板；214-作用截面；

221-入口；222-前端导流板；223-三相涡街均流挡板；224-作用截面；

231-入口；232-前端导流板；233-三相涡街均流挡板；234-作用截面；

31-入口；32-直角弯道；33-三相涡街均流装置；34-收尘室入口；35-收尘室；36-灰斗；37-出口。

具体实施方式

结合实施例对本发明作进一步的说明，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。

实施例1

如图1中(a)所示，一种三相涡街均流装置，包括前端导流板1和三相涡街均流挡板，所述三相涡街均流挡板的迎风面为流线体结构2，三相涡街均流挡板的背风面为钝体结构3；所述前端导流板1与三相涡街均流挡板的流线体结构端连接。可以与常规导流板直接连接，也可以单独使用。

所述三相涡街均流挡板的流线体结构2为直线型(如图1中(a)所示)、弧形(如图1中(b)所示)或内双曲型(如图1中(c)所示)，流线体形状会影响整个系统的压阻，同时也会影响后方涡街产生的形式。

所述三相涡街均流挡板的流线体结构2后方可为开口形式(如图1中(d)、(e)、(f)所示)或闭口形式(如图1中(a)、(b)、(c)所示)，开口或闭口形式会影响钝体后方的涡街衰减速度，可根据弯道、渐扩段或突扩段与作用面的距离大小来选择开口或闭口形式，以保证气流经过涡街均流板之后在特定的反应段有最佳的气固液分布效果。

三相涡街均流挡板的钝体结构的截面可以选为圆形、四边形或三角形(如图1中(c)所示)；钝体的形状会影响涡街发生体的迎流面积宽度，从而影响后方涡街的产生频率与涡街稳定程度，可根据不同的管径大小来确定迎流面积宽度。

涡街发生体的迎流面宽度与所处管道的管径的比值为0.277时，此时产生的涡街会达到一个较为稳定的状态，进一步根据迎流面宽度选择合适的钝体结构的形状，使后方涡街达到最佳稳定度。

所述三相涡街均流挡板的钝体结构采用平口形式、凹陷形式或凸起形式(如图1中(b)所示)。不同的钝体结构的形式会改变后方流体的流动空间大小，从而影响三相混合程度，可根据来流中气固液的混合比例来调整钝体结构的形式，以达到最佳混合效果；

所述前端导流板与三相涡街均流挡板的连接处采用过渡处理，即连接处无接驳痕迹，使流体在流过连接处时相当于流过一个光滑的圆弧状的结构，减小来流的阻力，进一步减小整个系统的压阻。

实施例2：三相涡街均流装置在转弯道、渐扩管道和突扩管道中的作用过程

由图2所示，为三相涡街均流装置在转弯道(图2中(a))、渐扩管道(图2中(b))和突扩管道(图2中(c))中的布置形式；以转弯道管道为例，气流由从入口211进入转弯道时，多相流经过前端导流板212(根据不同的管道形式设置不同形式的导流板)，实现一次气相均流作用，随后，在一次气相均流的基础上，流体在迎风面流线体背风面钝体结构的三相涡街均流挡板213(根据入口截面各部分速度差异设计了大小和疏密程度不同的三相涡街均流挡板以实现高效三相均流)的作用下进行三相混合，最终，流体到达作用截面214时实现三相均匀混合。

三相涡街均流装置在渐扩弯道和突变弯道的作用过程与转弯道类似。

实施例3：三相涡街均流装置在静电除尘器中的应用

图3为设置有本发明的三相涡街均流板的静电除尘器结构示意图，燃煤烟气从入口31进入，流经直角弯道32时，气固两相流在三相涡街均流装置33，根据除尘器入口截面各部分速度差异设计了大小和疏密程度不同的三相涡街均流挡板以实现高效三相均流，三相涡街均流装置33设置数量与所处管道的管径比为：5个/3600mm，三相涡街均流装置33之间的间隔距离为300-600mm不等。在三相涡街均流装置33的作用下两相均匀混合，混合均匀的气流经过收尘室入口34进入收尘室35，由于克服了弯头等原因引起的气固分布不均问题，静电除尘器入口颗粒分布均匀，使静电除尘器(ESP)内部的气固两相或湿式静电除尘器(WESP)内部的气液固三相混合更为均匀，颗粒荷电均匀，团聚效果更佳，脱除效率提高，净化后的烟气由出口37排出，除去的尘粒由灰斗36排出。

在未设有本发明的三相涡街均流板的情况下，多相流来流截面速度分布标准差δ高于0.4，实施例3中，在三相涡街均流装置的作用下，多相流来流截面速度分布标准差δ为0.0889-0.1475之间，符合美国RMS标准对气流速度的分布的要求(δ≤0.1为优秀，δ≤0.2为良好，δ≤0.25为合格)，来流截面固体颗粒、液滴与气体分布均匀，阻力特性、混合效果均满足技术要求，且比安装传统的导流板装置的均流效果更佳。

另外，加装了三相涡街均流装置之后，与加装三角翼挡板的系统相比，系统阻力减少20％左右，使系统在三相均流提高效率的基础上，进一步减少了系统的运行成本。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种三相涡街均流装置，其特征在于，包括前端导流板和三相涡街均流挡板，所述三相涡街均流挡板的迎风面为流线体结构，三相涡街均流挡板的背风面为钝体结构；所述前端导流板与三相涡街均流挡板的流线体结构端连接；

所述三相涡街均流挡板的迎流面宽度与所处管道的管径的比值为0.2-0.4。

2.如权利要求1所述的一种三相涡街均流装置，其特征在于，所述三相涡街均流挡板的流线体结构为直线型、弧形或内双曲型。

3.如权利要求1所述的一种三相涡街均流装置，其特征在于，所述三相涡街均流挡板的流线体结构后方为开口或闭口形式。

4.如权利要求1所述的一种三相涡街均流装置，其特征在于，所述三相涡街均流挡板的钝体结构的截面为圆形、四边形或三角形。

5.如权利要求1所述的一种三相涡街均流装置，其特征在于，所述三相涡街均流挡板的迎流面宽度与所处管道的管径的比值为0.277。

6.如权利要求1所述的一种三相涡街均流装置，其特征在于，所述三相涡街均流挡板的钝体结构采用平口形式、凹陷形式或凸起形式。

7.如权利要求1所述的一种三相涡街均流装置，其特征在于，所述前端导流板与三相涡街均流挡板的连接处采用过渡处理。

8.权利要求1至7任一项所述的三相涡街均流装置的均流方法，其特征在于，步骤如下：

三相涡街均流装置与导流板直接连接或单独使用，根据管径的大小以及钝体面的遮挡系数确定三相涡街均流装置的数量及间隔距离,管道内三相涡街均流装置的钝体结构的截面占整个管道截面的百分比为50-80％。

9.权利要求1至7任一项所述的三相涡街均流装置在转弯道、渐扩管道或突扩管道中进行涡街均流增效的应用。