射流消烟除尘装置技术设计及应用 长期以来，国内外诸多科研机构、专家、学者为了解决各种锅炉、窑炉排放的烟气有害物质，研制出了采用改造炉膛、多管旋风子、化学法、电除尘、湿气除尘等方法的消烟除尘设备与装置，但往往因改造工作复杂、成本高，有的寿命短，有的造成严重二次污染、或除尘效果不佳，结果推广应用的局限性较多。
为了克服上述弱点，本发明装置综合采用了高速射流原理及多相系统等原理及技术成果，不仅具有设计思想新、消烟除尘效果好、不必改造炉体、节能效果好、可回收有价值的副产品等特点，而且耗能非常低，性能可靠，结构简单，成本低，寿命长，对锅炉与窑炉消除烟尘、工业压滤与凝结等生产工艺、观察分析松驰效应和化学反应速率、进行高焓值离解和电离研究等多种领域，具有较高的推广与应用价值。
本装置由五部分组成，包括高速射流入口、预旋区、有边界涡核区、扩散导流区和扩散减压区。后四部分为一包容体，由不同曲率半径的连续曲线组成。与本发明装置相适应的还有反馈控制射流系统、多相系统流体处理装置、反馈自动控制系统。本发明的工作原理视不同用途而异，主要是：
一、用于锅炉、窑炉消烟除尘。本装置(13)采用安装在工业锅炉、多孔窑上的本发明装置工艺流程(15)，射流装置开拓应用工艺流程(16)及本发明中的电气原理图(18)。当高速射流以预旋进入有边界涡核区时，涡核中心的强大径向负压对炉膛内燃煤产生的烟气、尘粒、微滴组成多相系统，进行连续超高压辊轧。在暂态自封闭状态下多相系统发生物化与离化效应，在短暂复杂的过程内生成密度极大、脱硫的颗粒被送回炉膛，实现完全燃烧。因此排放的气体少，含酸极低，从而回收了具有利用价值高的活性碳，收集的煤灰只有通常设备的1/15--1/20，其排放烟尘数量远低于国家规定的一级允许排放水平，具有高效除尘效果。
二、用于工业生产。本发明采用(14)结构时，则采用射流装置应用在消烟除尘工艺流程。主要用于高温高压条件下物化、离子化等的生产工艺。除了“一”的原理外，靠有边界涡核中心轴向两外侧的汲取口和汲取器所起的作用，由传感、数控对排放物综合控制可达此目的。其优点是工艺周期短，能耗少，成本低。
三、用于某些科研项目。主要用于观察分析松驰效应、化学反应速率、电离、电解等项目的研究。其原理是射流以亚音速进入边界涡核区后，随即形成超音速、极强的激波系。通过有边界涡区轴向两侧设置的传感器数控显示，可有效观察出凹面激波系传播的暂态过程中射流速度、密度等剧烈变化的情况。其特点是观察方便，手段简单易行。
本发明利用射流原理达到消烟除尘、工业中物化和离子化等生产工艺以及进行某些科研项目地目的，在国内外是一新途径。其中用于已造成严重环境污染的多孔窑的消烟除尘设备，已被列为福建省政府1994年为全省办48件实事中的头10件比较重要的实事行列。日本和台湾获息福建日报登载的这一消息后，已多方设法摸本发明的技术。为此，本发明将详细介绍射流消烟除尘装置技术设计及应用。
射流消烟除尘装置技术设计及应用
一、气流预旋状态的建立
在本发明装置的包容体图1内，令射流以速度Vo射入曲率半径R的的驻点A。根据欧拉法，流体可看成具有绵续性的连续介质，它的运动参数速度、压强、密度等是空间点座标X、Y、Z和时间T的连续函数，即在某一瞬时t＝t1，流体的流动参数是给定的，它满足
ux＝ux(x·y·z·t1)
p＝p(x·y·z·t1)
uy＝uy(x·y·z·t1)以及 (1-1)
＝(x·y·z·t1)
uz＝uz(x·y·z·t1)
由于流场各点的速度是空间点座标的连续单值函数，根据运动学条件可知，除了速度等于零的点外，经过流场内的一点只能画一条流线，流线既不可能相交或分支，也不会突然转折，否则，在相交、分支或转折点将有几个不符合实际的不同速度。由于流体不能穿过边界，也不可能脱离边界形成空隙，因此流线各点的流速相切，且不可能有边界法线方向的相对分速度。由此可知，当射流以Vo速度射入驻点A，并立即保持Vo沿方向运动(不考虑粘性因素的影响)时，微元件i便出现旋转，其旋速ωo＝Vo/R′，由此射流预旋状态建立。
二、暂态负高压自封闭状态的形成
1、涡旋的充要条件 若流体处于流动中，流体质点具有绕其自身轴旋转的运动特性，通称之为旋流，则其涡旋分量ωx、ωy、ωz均不等于0。表达式如下：ωx=12(∂uz∂Y-∂uy∂Z)≠0]]>ωy=12(∂ux∂Z-∂uz∂X)≠0]]>ωz=12(∂uy∂x-∂ux∂y)≠0----(2-1)]]>
当一群流体质点不但共同绕某一瞬时轴旋转，而且它们还绕自身轴旋转(即自转)，例如：地面上的旋风，那么，流场内速度分布可依照刚体转动规律处理。如图2所示。设某点座标(X，y)，速度u，并在半径为ro的圆周上运动，角速度为ω，则有u＝ω·ro其分速ux＝-usinθ＝-ω·y，uy＝ucosθ＝ω·x，其涡流分量ωz计算如下：ωz=12(∂uy∂x-∂ux∂y)=12(ω-(-ω))=ω---(2-2)]]>
即涡流分量ωz＝ω
可见，流场中备质点不仅有相同的自转角速度与公转的角速度ω相等，而且吻合了有涡或有旋运动的充要条件。
如图1所示，当射流以速度Vo完成了曲率半径R的弧的曲线运动时，即从速度点B进入曲率半径Ro的曲线段。令在涡旋流场中它们将存在如下文所述关系。2、涡旋内部能量：
根据不可压缩流体的葛罗米柯(громико)微分方程可知：∂∂x(U-PS-u22)=2(uz·ωy-uy·ωz)+∂ux∂t;]]>∂∂y(U-PS-u22)=2(ux·ωz-uz·ωx)+∂uy∂t;]]>∂∂z(U-PS-u22)=2(uy·ωx-ux·ωy)+∂uz∂t;]]> (2-3)
设：单位质量流体所受质量力即重力可忽略不计，而∂ux∂t≠0,∂uy∂t≠0,∂uz∂t≠0]]>时，则：其中机械能表达式与演变原理如下：U-PS-u22=PS·g+u22g=Pγ+u22g]]> (2-4)即常数令Pγ+u22g=H]]>H是变量 (2-5)对式(2-5)取全微分后，可得dH=dPγ+u·dug---(2-6)]]>
当dH＝0时，流体的运动流场为无旋运动流场。除涡核(或称物理核)外，其余流场区域为无旋运动，即为势流。
在图3中，在半径r的圆周运动的流场中，微元件所受压力的表达式是：
dPγ=u2g·drr---(2-7)]]>
由式(2-6)及物理涡u＝ωr取全微分du＝ω·dr，知dH=2ω2g·r·dr;]]>
边界条件：当r＝0 u＝0时，H＝Ho
因此∫dH=∫2ω2g·r·dr]]>
积分可得：H=Ho+ω2gr2]]>
式(2-8)表明了在有旋区域中的机械能，即动压头是随半径r的增大呈抛物线规律上升，在涡核边界处总压头最大。而涡核中心最小，同时也表明了在不同半径上给流体增加的离心压头及速度压头是不相同的。可见，有旋区域内各点的总能量不为常数，其静压头P为P=γ(Ho+u22g)----(2-9)]]>3、涡旋区域内高负压自封闭系统状态机理：
在图3中，当射流进入物理涡后，在不同曲率半径的速度必须符合点涡流速规律，即
ω表示射流进入约束区BC后自转与公转的角速度ω=Vo·Rro2]]>
在图4中，取涡旋区半径为r的微元体i，其压力P1＝P＋dP与切线速度ui之间存在关系是：dP=γg·ur2·drr----(2-11)]]>
(式中γ为烟气平均重度kg/m3)
从式(2-10)代入式(2-11)整理得：dp=γg·(VoR)2·drr----(2-12)]]>
边界条件是：当r从涡核中心到边界的ro则压力P从0到Pr。
对式(2-12)积分得：Pr=((Rro)2-1)·γ·Vo22g]]>例：在本设计应用中，先用参数及计算结果如下：
(1)引风机：Y5-47-5C
设计点参数：气压P＝1765pa
流量Q＝6580m3/h
出口面积AC＝0.0793M2
出口风速Vc＝23m/s
(2)射流音匀变入口管
出口面积4＝0.0793M2
出口风速V＝406m/s
(3)当射流匀变风管的出口多相气流以速度406m/s射到驻点A，经引旋段(曲率半径2.022M)进入有界旋区内，变界点B的速度VB＝Vo＝406m/s曲率半径r＝0.15m涡核“中心轴”半径r＝1×10-3m则中心压力Pr＝-2484kg/mm2在分析涡核内部速度分布过程中，式(2-8)充分表明涡核内部即有旋区域中动压头的变化规律的事实。从应用参数计算出的数据来看，涡核边界与涡核中心沿周边径向方向之间，存在着巨大的压力差。显而易见，涡核中心有相当大的吸力，也就是有旋区域确实存在高负压。4、暂态过程
从图4可知：射流进入验点A，流程段保持流速Vo＝100M/S，一旦进入段，情况就大不一样。从点涡流速规律证实，涡核边界向中心方向时，存在着一定宽带的流体流速大大超过了声速。从亚音速到超音速变化过程，马赫数＝1时，便产生激波。激波导致压力的“阶跃”同时产生膨胀波。激波的三维效应、有限时间效应的影响、边界层产生粘性效应及激波后的高温使气体性质有所改变，均使流体流速降低、密度减低。在本设计应用中，波的持续时间不超过2.4毫秒。暂态另一原因是PVT=R,]]>在绝热过程中P猛增，即导致体积急剧缩小。5、高负压效应
在图5中，由于涡核中心具有强大的吸力即高负压，等效有旋区域是一个圆柱，且圆柱端面具有相当大的表面张力，从而使高负压处在自封闭状态。
烟气中多相系统的“微粒”、“微滴”均在径向负压作用下以螺旋运动轨迹向涡核中心汇集，接受强大径向压力的“辊轧”。此过程中伴随着剧烈而又复杂的物化和离子化效应。
形象地说，“微粒”、“微滴”不断的汇集、滚动压实，又不断地层层包围重新承受强压“辊轧”，则等效圆粒中心就尤如一支密度相当大的细长轴，在“辊轧”过程中伸长并在圆柱端面“脱体”下落。三、高负压区域内的物化及离子化效应1、“低温高压”的绝热状态：
在“低温高压”时，分子间的作用力变成重要因素。这种力就是气体可能液化的范徳瓦尔斯力；在“高温低压”时，则出现了高解和电离过程。这两种状态过程均改变了质点的数目，这是因为气体常数R是个某个不变的参考值。
例如双原子气体氧在足够高的温度下(≈3×103K)离解为O2和O而且是可反应的混合物。这种完全气体混合物并不像焓只依靠温度的完全气体。
在低温高压时，由于分子之间作用力的影响，气体变成非热完全或非量热完全气体。因此可将起初气体的状态方程写成以“压缩系数”Y表示的形式：PVT=Y(P·T)]]>焓h＝h(P·T)，且压缩系数Y≠1。2、物理过程
从微观上说，本课题涉及的“烟尘”流体是一种多相系统和“凝结气体”。其中液相形成微滴夹带在空气中，而其中的NO2、H2S、SO2、CO等除外，蒸汽则近乎完全气体。此时，可认为这些微滴类似于非常重的气体分子，而“尘粒”更是如此。如H2O、煤焦油(烃类)等，其凝结“反应方程”是n1·H2O＝D1 n2·煤焦油＝D2… D1、D2…即表示微滴，而n1、n2是个很大的数。
如果把质量定律用于此反应，其结论是：凝结过程与离解、电离过程具有明显的相似性。令某气体压力、质量、流速为P1、m1、V1，则对应“微滴”气为P2、m2、V2。如m2＝n·m1＝n·m，则有P1nP2=K(T)]]>或写成对数形式nlnP1-lnP2=lnK(T)=-1KT(n·m1·V1-m2·V2)]]>
用汽化热Q表示，则可写成：dlnPdT=1n·dlnKdT=QRT2]]>
这是用来确定相平衡时压力的方程式。潜热是把一个微滴分解成它的组元分子所需能量的度量，它包括表面张力效应在内。3、化学、离子化效应：
烟气中SO2在空气中能被气化并和水蒸气生成酸霉，与NO2、CO2等一起形成酸雨，酸雾和酸雨对人体健康、农作物生长以及自然界造成极大危害。
本设备的优势是具有降低工业锅炉、多孔窑烟气中所含的硫的功能。具体原理是：烟气在高负压区域内，会出现剧烈而又复杂化学及离子化效应，烃类(煤焦油)因被乳化而分解，碳原子同炭烟、煤尘受到高压挤压后会结合成细粉团粒。在煤尘中的金属氧化物、碳酸盐等的催化作用下，细粉团粒又和水蒸汽、二氧化碳、氧气发生了活化反应，最终生成活性碳。其反应有：当射流进入有旋区域时，其温度小于200℃。在这种情况下，上述的化学反应是不易进行的，但是在高压状态下，这些反应则可得以充分进行。碳的活化反应一般在600℃左右易发生，所生成的活性碳，便吸附了二氧化硫等气体。
在实验过程中，我们曾取出本射流装置排放的渣样进行了化验，其结果显示：(1)“渣样”不仅具有脱色作用，而且清洗液显强酸性。这表明它是活性碳，具有脱硫作用，最终表现为吸附硫酸，其反应为：(2)“渣”中的炭黑粉量很小，其原因是烟尘中煤焦油乳化分解后生成的碳及碳黑烟在高压状态下被活化，一部分碳原子活化生成CO，并从烟囱口排放。(3)“渣”中活性碳细粉松散无粘性。
因此，应用本装置不仅可消烟除尘，回收很有价值的副产品活性碳，还可降低烟气中90％的二氧化硫，从而收到了治理环境污染和变废为宝的作用。四、减压“分层”流动
在图6中，在涡核区经高压挤出的高密度颗粒伴随剩余气体沿涡核中心等效“圆柱”的两端面往外脱体而出，沿的两侧壁穿越，并以螺旋运动的形式流入减压区，随即出现如下自动“分层”现象：密度极大的粗颗粒夹散在气流中继续作圆周运动。在离心力的作用下，颗粒逐渐地沿方向并最终贴底面滑动。这种螺旋下落过程十分类似跳跃式抛物运动。与此同时，气流因减压扩散呈渐大螺旋线状在区域推进。此间由于粗颗粒的跳跃抛物碰击，那些直径极小的微颗粒则被重新扬到上层气流中，经过大螺旋运动的气体搅混后在生成的粗颗粒流动中前进。由于的等效弦长的水平倾角不小于35°，因此能使粗颗粒自由下滑。五、回收方法
由于采取了减压“分层”措施，使流体流速急剧降低，上层气流是颗粒夹带飞扬。下层是密度极大颗粒与气体混合流体，故只需经简单的次降他离器，即可达到气与渣彼此分离回收的目的。当气流经过末端设置分流口、配流控制板，分别进入扩散式旋风分离器后，便完全净化，最后在高空排放。(可参考本发明装置总成图即图13)六、实验效果判断1、消烟除尘效果：本市(地区级)环保局检测站于1993年10月15日—21日的5次检测数据是：烟气黑度均低于林格曼1级，除尘效率分别高达91％、93％、96％、98％和97％，平均值为95％，这表明，终了排烟量及排烟含烟量已达到甚至绝大部分数据达到国家规定的一级排放标准。2、金属腐蚀疲劳评估：
在射流工作段内部，及两侧，分别贴上5×5cm2、厚度1毫米冷轧薄钢板作试件，经半年连续运行，取出洗净，除底面及两侧分别量出厚度为0.9及0.94(毫米)，其余板仍保持1毫米厚度。出现这种磨损的原因是：底面受“原始”烟气颗粒及酸气流强烈冲涮的结果。而两侧仅受高压综合效应“辊轧”挤出流体的冲涮。的各工作接触面极少受连续性强力冲涮。因此，只要对区域尤其底面采取防腐蚀及抗磨措施外，整个结构采用厚度为1.5毫米的冷轧薄钢板，本发明装置的连续运行寿命可超过5年。3、低能耗、低成本、动态范围大：
本发明装置在配备Y47-5-5c引风机、5.5KW的动力后，可用于锅炉尾部作为除尘装置，其效果均达国家一级排放标准。本发明装置的结构紧凑，工艺简化，加工生产及安装使用方便，耗钢仅500千克。
综上所述，本装置与目前国内外所采用的各种除尘消烟装置相比，具有4个优势和特点：一是设计思想新，最关键的特点是将射流原理应用到除尘设计上，消烟、除尘和节能效果好。二是造价低，不必改造炉体，而且安装工作简单。三是在设计中已排除了各种容易出现的技术故障，安装后烟气畅通无阻，操作简单易行，不必维修，适应各种炉工技术操作水平。四是不造成二次污染，能回收具有很高经济价值的活性碳。七、开拓应用
由于本装置具有高效、脱硫等功能，其排放混合气体体积仅占进入气体体积的1/15以下，完全可取代传统的高耗能、高成本的重力沉降、离心分层、静电除尘设备，成本低，效率高。
应用本发明装置及机理可在许多行业取代利用高温、高压对多相处理的设备，如离心、压滤、物化、离子化、凝结、电离、离解等。可简化工艺过程，大幅度降低制造和生产成本。应用本发明装置机理及数控方式，还可观察松驰效应、化学反应速率，甚至可用来达到高值处理离解和电离等问题。主要参考文献：
水力学(华东水电学院)；
水力学(吕世磐)；
流体力学(盛敬超)；
通风机(华中工学院)；
气动动力学基础(H.W.李普曼)；
《工业炉窑烟尘排放标准》GB9078-88
工业锅炉房设计手册(中国建筑工业出版社)
《大气环境质量标准》GB3095-82图1本发明射流装置中的气流预旋原理图2本发明射流装置中的物理涡速度分布图3本发明射流装置中的涡核内外部的速度分布图4本发明射流装置中的射流工作原理图5本发明射流装置中产生的高负压效应图6本发明射流装置中产生的减压分层流动图7由四部分组成的整套射流装置图8由五部分组成的整套射流装置图9由三部分组成的整套多相系统流体处理装置图10射流合成工作段图11同步转换开关图12本装置用于工业锅炉、多孔窑消烟除尘时的接入方式图13是本发明射流装置结构的纵向剖面图图14是本发明射流装置中的数控汲取器和数控排放器图15是安装在工业锅炉、多孔窑上的本发明装置工艺流程图16是射流装置开拓应用的工艺流程图17是射流装置应用在消烟除尘中的工艺流程图18是本装置的电气原理图。参照图7(1)高速射流入口(2)预旋工作段(3)有边界涡核工作区(4)扩散导流板(5)扩散减压区(6)射流夹角参照图8(1)高速射流入口(2)预旋工作段(3)有边界涡核工作区(4)扩散导流板(5)扩散减压区(6)射流夹角参照图9(1)整套射流装置(2)配流调节器(3)分流口参照图10(1)流量调节器(2)流量调节器参照图11(1)弹性铰座(2)活动盖板(3)活节(4)螺母(5)螺杆(6)齿轮传动(7)电机(8)方管(9)常数定板参照图12(1)净化气(2)射流装置(3)同步转换闸板(4)烟囱(5)蒙板参照图13一个具有良好消烟除尘性能、回收活性碳射流装置结构的纵向剖面图。(1)地下烟道(2)集灰管φ500(3)细颗粒沉降室(4)进烟管(5)反馈调节闸(6)沉降室排气管(7)螺旋出渣器(8)引风机，5.5KW Y47-5-5C(9)配流板(10)粗颗粒沉降室(12)射流装置(14)间歇过滤器，集灰箱(15)电动闸(16)小引风机(17)间歇排渣电动闸P＝300paQ＝1000N3/h(18)烟囱φ500，标高5M。整套装置的尺寸为长2.2M×宽2M×高0.8M。参照图15(1)工业锅炉或多孔窑的炉膛(2)添煤时产生的浓烟(3)闪火阶段(4)引风机，Y47-5-5C，5.5KW(5)射流装置(6)反馈闸(7)沉降室(8)间歇过滤器(9)电动闸(10)小引风机1.5KW(11)排渣(12)烟囱φ500，标高5M本装置流程的间歇运行状态连续工作为小于45分钟，停止后至下一次加煤进炉膛时，由负责操作的工人用人工启动即可。参照图16(1)多相系统流体(2)高压引射器(3)预旋工作段(4)涡核中心高负压涡旋区(5)减压工作段(6)涡核中心传感器B(7)间歇式的数控排放电脑(8)涡核中心传感器A(9)间歇式数据电脑(10)涡核中心汲取器(11)排放器(12)排放物(13)回收产品。其中(3)预旋工作段、(4)涡核中心高负压涡旋区和(5)减压工作段，系本发明的射流装置。参照图17(1)未处理的烟气(2)引风机5.5KW，Y47-5-5C(3)高速未处理的烟气(4)预旋工作段(5)涡核中心高负压涡核区(6)扩散导流(7)扩散减压工作段(8)配流调节器(9)分流道(10)细颗粒混合气流(11)沉降室(12)粗颗粒混合气流。其中(4)预旋工作段、(5)涡核中心高负压涡核区、(6)扩散导流、(7)扩散减压工作段、(8)配流调节器和(9)分流道为本发明的射流装置，主要用于消烟除尘。参照图18(1)引风机5.5KW，Y47-5-5C(2)小引风机1.5KW(3)电动阐(4)间歇过滤器(5)反馈闸(6)NE555.延时1min(7)调节器IC：PID(8)NE555，延时可调(9)来自净化气传感器(10)来自炉膛司炉工况传感器