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第五章 除尘装置 第一节 机械除尘 一、重力沉降（重力沉降室） 下图是一个重力沉降室的剖面图 进风口风速V,如果沉降室面积是进风口5倍,则风速降低为V/5 V0 Vs 如果粉尘不能 越过这一线， 则被拦截 ？影响除 尘效率的 因素？ 假定沉降室内气流为柱塞流；颗粒均匀分布于烟气中 忽略气体浮力，粒子仅受重力和阻力的作用 纵剖面示意图 u t1=L/u vs t2=hc/vs 1、工作原理 重力沉降室是通过重力作用使尘粒从气流中分离的。如图所示 ，含尘气流进入重力沉降室后，由于突然扩大了过流面积，流速 便迅速下降，此时气流处于层流状态，其中较大的尘粒在自身重 力作用下缓慢向灰斗沉降 在沉降室内，尘粒一方面以沉降速度vs下降，另一方面随着气 流以气流在沉降室内的流速继续向前运动，如果气流平均流速为 u（m/s），则气流通过沉降室的时间为t=L/u（s）。要使沉降速 度为vs的尘粒在重力沉降室内全部沉降下来，必须使气流通过沉 降室的时间大于或等于尘粒从顶部沉降到底部灰斗所需的时间t ，即 式中：L沉降室长度；u沉降室内气流运动速度；H沉降室高度 ；vs尘粒的沉降速度 u应尽可能的小，一般0.22.0 当H确定后，由上式可求出沉降室的最小长度L 反之，若L已定，可求出最大高度H 沉降室宽度W取决于处理气体流量Q Q=WHu 沉降室处理气体量Q在理论上仅与沉降室的水平面积（W.L） 及尘粒的沉降速度u有关 在Q、L确定后，可由Q确定出宽度W t秒钟内，粒径为dp的尘粒（沉降速度为vs）的垂直降落高度为 h=vst 当h H时，粒径为dp的尘粒可全部降落至室底，否则不能全 部清除 粒径不同的尘粒沉降速度vs不同，在相同时间内降落距离h也不 同 因此可用h/H表示沉降室对某一粒径粉尘的分级除尘效率，即 =hH=（vsL）（Hu）=vsLW/Q 对一定结构的沉降室，可求出对不同粒径粉尘的分级除尘效率 或作出分级效率曲线，从而计算出总除尘效率 当沉降室的尺寸和气体速度u（或流量Q）确定后，用斯托克斯 式可求得该沉降室所能捕集的最小尘粒的粒径： 理论上， 的尘粒可全部捕集下来，但实际上，由于 气流运行状况，浓度分布等影响，沉降效率会有所降低 根据公式： 提高重力沉降室的捕集效率可以采取三种措施：（1）降低 室内气流速度u；（2）降低沉降室的高度H；（3）增大沉降 室长度L Howard多层沉降室，在室内沿水平方向设置了多层隔板，在 一定程度上解决了问题 沉降室的设计计算 主要步骤； 根据需要确定该沉降室能100%捕集的最小尘粒的粒 径，并根据粉尘的密度计算出该尘粒的沉降速度vs； 选取沉降室内气流速度 u，并根据现场情况确定 沉降室高度H（或宽度W）： = W=Q/（3600Hu） 其中Q：沉降室处理的空气量 适用范围 沉降室适用于净化密度大、颗粒粗的粉尘，特别是磨损性很强 的粉尘 能有效地捕集50m 以上的尘粒，但不宜捕集20m 以下尘粒 重力沉降室体积虽大，效率不高，一般仅为4070%，但结构简 单，投资少，压力损失小，维护管理方便，一般作为第一级或 预处理设备 例题 设计锅炉烟气重力沉降室。 已知：烟气量：2800m3/h；烟气温度t=150 ； 烟气真密度p=2100kg/m3 要求：能除去Dp30m的烟尘 解： 查表得t=150时粘性系数 =2.410-4Pa.s 有： 尘粒沉降速率 取沉降室内气体流速u=0.25m/s，H=1.5m，有沉降室长度： 相应的，沉降室宽度为 计算所得沉降室尺寸为： 长 L=8.8m 宽 W=2.07m 高 H=1.5m 其中高H为设定的数据，据此设计出的沉降室比较庞大， 应考虑改进： 改进 可采用3层水平隔板，即有4个沉降室，每层高H=0.4m 总高度调整为1.6m 这时沉降室长度： 取长度L=2.5m，沉降室宽度 计算所得沉降室尺寸为： 长 L=2.5m 宽 W=2.0m 高H=1.6m 其中高H为设定的数据 此沉降室能捕集的最小粒径为： 二、惯性除尘 气流方向 粉尘1 粉尘3 粉尘2,离心分离 是使含尘气流冲击在挡板上，气流方向发生急剧转变，借助尘粒 本身的惯性力作用使其与气流分离的装置 当含尘气流冲击到挡板B1上时，惯性力大的粗粒（d1）首先被 分离下来，而被气流带走的尘粒（如d2），且d2dl，由于挡 板B2使气流方向改变，借助离心力的作用又被分离下来。假设 该点气流的旋转半径为R2，切线速度为U0，这时尘粒 d2的分离 速度与 成正比 这类除尘器不仅依靠惯性力分离粉尘，还利用了离心力和重力 的作用 （a）为单级碰撞式 （b）为多级碰撞式 （c）为回转式 （d） 为百叶窗式 应用 净化密度和粒径较大的金属或矿物粉尘具有较高的除尘效率 对于粘结性和纤维性粉尘，易堵塞，不宜采用 多用于多级除尘的第一级，捕集1020m以上的粗尘粒 其压力损失一般为 1001000pa 三、旋风除尘 旋风除尘器是利用旋转气流的离心力使尘粒从气流中分离 的，它通常用于分离粒径大于10m的尘粒 普通的旋风除尘器的除尘效率很少大于90，因此也常和 其他除尘器配合使用 沿切向进入 外围强迫向下，因曲率半 径减小，大粒子先分离 中心强迫上升 准自由涡流，径 向速度辐合 强制涡流，径向 速度辐散 1、工作原理 （1）旋风除尘器内气流与尘粒的运动 旋风除尘器一般由进气管、筒体、锥体和排出管组成 含尘气流从切线进口进人除尘器后，沿外壁由上向下作旋转 运动，这股向下旋转的气流称为外旋流 外旋流到达锥体底部之后，转而向上旋转，最后经排出管排 向体外，这股向上旋转的气流称为内旋流 向下的外旋流和向上的内旋流的旋转方向相同 气流作旋转运动时尘粒在离心力推动下移向外壁，达到外壁 的尘粒在气流和重力的共同作用下，沿壁面落入灰斗 实际气体具有粘性，气流在旋转过程存在摩擦损失， 所以外旋流不是纯自由涡旋而是所谓准自由涡流；内 旋流类同于刚体的转动，称为强制涡旋 简单地： 外旋流是旋转向下的准自由涡流，同时有向心的径 向运动 内旋流是旋转向上的强制涡流，同时有离心的径向 运动 为研究方便，常把内、外旋流的全速度分解成为三个 速度分量：切向速度、径向速度和轴向速度 切向速度 旋风除尘器内气流的切向速度分布如图 从图中可以看出，外旋流的切向速度vc是随半径r的减小而 增加，在内外旋流的交界处vc达到最大 可近似认为：内、外旋流交界面的半径r0=0.60.5（d/2）， d为排出管直径，内旋流的切向速度是随r的减小而减小 旋风除尘器内某一断面上的切向速度分布规律可用下式表示 ： 外旋流 vcrn=常数 内旋流 vc/r= 式中： r距轴心距离； vc切向速度； n常数，n+l-l通过实验确定；nl时为自由涡；n 0.50.9时为外旋流中的实际流动状态；n0时，vc=常数，即 处于内外旋流交界面上，vc到达最大值；n-l时，是内旋流的 强制涡流；旋转角速度 连续性原理 动力学原理 径向速度 假设内、外旋流的交界面是一个圆柱面，外旋流气流均匀地 经过该圆柱面进入内旋流，那就可以近似地认为，气流通过 这个圆柱面时的平均速度就是外旋流气流的平均径向速度： 式中：Q旋风除尘器的处理气量；F交界圆柱面的表面积；r0 交界圆柱面的半径；H出口管底至锥体底部的高度，即交界 圆柱面的高度 轴向速度 外旋流外侧的轴向速度向下，内旋流的轴向速度向上，因而 在内、外旋流之间必然存在一个轴向速度为零的交界面。在 内旋流中，随着气流的逐渐上升，轴向速度不断增大，在排 出管底部达到最大值 2、压力损失 一般认为旋风除尘器的压力损失与气体进口速度的平方成 正比，即 式中： 压力损失 进口气流平均速度 旋风除尘器阻力系数，无因次 缺乏实验数据时可用下式估计 ： 式中： K 常数，取2040； A 除尘器进口截面积； D 外筒体直径； d 排出管直径； L 外圆筒部分长度； H 锥体长度 当气体温度，湿度和压力变化较大时，将引起气体密度发生 较大变化必须对旋风除尘器的压力损失予以修正 3、除尘效率 （1）旋风除尘器的临界粒径（分割粒径） 计算旋风除尘器效率的方法多是以分割粒径，即临界粒 径这一概念为基础的 临界粒径是指分级效率为50时的粒径。 在旋风除尘器内，尘粒在径向上受到力p，p为尘粒惯性离心 力 和向心运动的气流对尘粒的阻力 之合力： 式中： 球形颗粒粒径； 颗粒的密度 颗粒旋转半径 设尘粒为球形颗粒，其粒径为 ，密度为 ，有 实质就是：质量 乘以向心加速度 粘滞阻力力: 惯性离心力的方向是向外的，气流的径向运动是向心的，两者 方向相反，因此 返回电除尘 在交界面上: 如果 ，尘粒在惯性离心力的推动下移向外壁； 如果 ，尘粒在向心气流的推动下进入内旋流， 最后由排出管排出； 如果 = ，则作用在尘粒上的外力之和等于0，根据 理论分析，尘粒应在交界面上不停地旋转 实际上由于各种随机因素的影响，处在 = 状态的 尘粒有50可进人内旋流，另50可能移向外壁，它的分级 除尘效率为 50,此时的粒径即为除尘器的分割粒径，或者 称作临界粒径 表示: 愈小，除尘器效率愈高 时， 有： 式中： 交界面上气流的切向速度 由上式知： 随 和 增加而变小 （2）影响除尘效率的因素 入口流速 旋风除尘器的临界粒径随增加入口流速而减小。但入口流速也 不能过大，否则气流运动过强有可能将已分离的尘粒重新扬起带 走，降低除尘效率 同时压力损失与进口速度平方成正比，入口流速过大，旋风除 尘器的阻力会急剧上升 进口气速一般控制在1225m/s之间为宜 旋风除尘器尺寸 同样的切线速度下，筒体直径愈小，尘粒受到的惯性离心力 大，除尘效率也就高 但若筒体直径过小，以致筒体直径与排出管直径相近时，尘 粒容易逃逸，使效率下降 内旋流的范围随排出管直径d的减小而减小，减小内旋流有利 于提高除尘效率，但d不能过小，否则阻力太大 一般取简体直径与排出管直径之比值为1.52.0 除尘器下部的严密性 入口含尘浓度增高时，多数情况下除尘效率有所提高 粉尘性质影响也是很重要的，其密度和粒径增大，效率明显 提高。而气体温度和粘度增大，效率下降 除尘器的结构、分类与选择 一级进口 二级进口 三级进口 垂直剖面 水平剖面 气流动图 胖子型图 实物图 并行图 旋风除尘器的设计 选择除尘器的型式 根据含尘浓度、粒度分布、密度等烟气特征，及除尘 要求、允许的阻力和制造条件等因素 - 根据允许的压力损失确定进口气速，或取为12-25m/s -确定入口截面A，入口宽度b和高度h - 确定各部分几何尺寸 第二节 湿 除 尘 湿式除尘器是使废气与液体（一般为水）密切接触，将污染 物从废气中分离出来的装置，又称湿式气体洗涤器 湿式气体洗涤器既能净化废气中的固体颗粒污染物，也能脱 除气态污染物（气体吸收），同时还能起到气体的降温作用 。湿式除尘器还具有结构简单，造价低和净化效率高等优点 ；适用于净化非纤维性和不与水发生化学作用的各种粉尘， 尤其适宜净化高温、易燃和易爆气体 缺点：管道设备必须防腐、污水和污泥要进行处理、能使烟 气抬升高度减小以及冬季烟囱会产生冷凝水等 采用湿式除尘器可以有效地除去粒度在0.120m的液滴 或固体颗粒，压力损失在2501500Pa（低能耗）和 25009000Pa（高能耗）之间 根据净化机理，可将湿式除尘器分为七类： 重力喷雾洗涤器； 旋风式洗涤器； 自激喷雾洗涤器； 泡沫洗涤器； 填料床洗涤器； 文丘里洗涤器； 机械诱导喷雾洗涤器 一、除尘机理 惯性碰撞 拦截 扩散 小颗粒，随 气流，绕过 大颗粒，距 离远，绕过 大颗粒，惯性 大，脱离流线 ，正面碰撞： 惯性碰撞 非惯性碰撞，接 触吸附、拦截 挤压，流速加快 仍然有被捕捉的可能：不一 定必须正面碰撞 惯性碰撞：当气流中某一尘粒接近小水滴时因惯性脱 离绕过水滴的气流流线，并继续向前运动而与水滴碰 撞，发生了惯性碰撞的捕集作用，这是捕集密度较大 的尘粒的主要机理 拦截：尘粒随着绕过水滴的流线作用，当流线距液滴 表面的距离小于尘粒半径时，便发生拦截作用 扩散：微细粉尘在气体分子撞击下，象气体分子一样 作布朗运动而发生扩散，并与水接触而从气流中分离 关于碰撞 Xs 粉尘停止距离 Xd 气流开始改变运动特征距离 尘粒在运动过程中如果同液滴相遇，则在液滴前Xd处气 流开始改变运动特征时仍然保持原运动特征 关于碰撞 尘粒从脱离流线至惯性运动结束，总共移动的直线距离为 通常称为停止距离 假如停止距离大于 ，则尘粒和液滴就发生碰撞 停止距离 和液滴直径 比值称为碰撞数 尘粒和液滴的碰撞效率就是尘粒从气流中被捕集的效率 和碰撞数 有关 惯性碰撞数反映惯性碰撞的特征。Ni数愈大，说明尘粒和物体（如液滴，挡板、 纤维）的碰撞机会愈多，碰撞愈强烈，因而惯性碰撞所造成的除尘效率也愈高 关于碰撞 或 式中 为尘粒相对于液滴的速度 假定尘粒运动符合于斯托克斯定律，可推导求出 表达式 根据尘粒力的平衡，有尘粒本身的惯性力 和周围空气对 其阻力 平衡时，即 = 斯托克斯公式 关于碰撞 为简化计算，阻力项中 用尘粒在整个运动中的平均速度 代替，假定尘粒是密度为 正球体，气体粘度系数为 尘粒脱离气体流线时的相对速度（假定气速相同，即气液 相对速度）为 则在t时间段内，尘粒移动的距离： 关于碰撞 有：碰撞数 碰撞数取决于：液滴直径、粉尘粒径、粉尘密度、气流速度 对于一个已定的湿式除尘系统，要提高Ni值，必须 提高气液相对运动速度和减小液滴直径 关于碰撞 尘粒的粒度和密度确定后，碰撞数与相对速度成正比，与液 滴的直径成反比 也即，工艺条件确定之后，要想提高碰撞数，则必须提高气 液的相对速度，并减小液滴直径 但并不是说液滴直径愈小愈好 直径过小的液滴容易随气流一起运动，减小了气液的相对运 动速度:试验表明，液滴直径约为捕集粒径的150倍时，效果最好 因此对于给定尘粒的除尘效率有一个最佳液滴直径 这时两者质量相 差多少？ 关于碰撞 粉尘粒径 关于碰撞 截留作用 尘粒随气流绕过液滴过程中，尘粒距液 滴小于尘粒半径时，尘粒即与水滴碰撞 而被截留 截留参数NR： NR值越大，截留效率越大，液滴捕集效 率越高 关于截留 dp：尘粒直径 dD：液滴直径 扩散作用 由碰撞数公式，粒径小于1m时，Ni0 但是实际的除尘效率并不一定为零，这是因为 尘粒向液体表面的扩散在起作用 粒径在0.1m左右时，扩散是尘粒运动的主要 因素 扩散数Ne 扩散除尘效率随液体直径、尘粒直径、气体粘度和气液相对速度 的增大而减小。扩散除尘效率随Ne的增大而降低 关于扩散 D：布朗扩散系数 dD：液滴直径 D：布朗扩散系数 计算公式 式中 k波尔兹曼常数，k=1.3805410-23J/K kc库宁汉滑动修正系数 粒径对除尘效率的影响，扩散和惯性碰撞是相反的 扩散除尘效率是随液滴直径，气体粘度、气液相对运动速度的减小 而增加 在工业上没有单纯利用扩散机理的除尘装置，但是某些难以捕集的 细小尘粒能在湿式除尘器或过滤式除尘器中捕集是与扩散、凝聚等 机理有关 当处理粉尘的粒径比较细小，在设计和选用湿式除尘器或过滤式除 尘器时，应有意识地利用扩散机理 关于扩散 除尘效率问题 目前对湿式除尘器除尘效率的计算，仍然提不 出精确的分析方法，因而在实际中主要采用某 些近似的计算方法 对于惯性碰撞的除尘效率可用下列近似式 二、重力喷雾洗涤器 三、旋风式洗涤器 切向进气 切向出气 冲激式除尘器 对5m的粉尘，效率可达93 泥 水浴除尘器 翻转起泡、产生液滴 六、文丘里洗涤器 高效湿式洗涤器，常用在高温烟气降温和除尘上 如下图 构造 由引水装置（喷雾器）、文氏管本体及脱水器三部分 组成 文氏管本体由渐缩管、喉管和渐扩管组成 除尘过程：雾化、凝聚和分离除尘（脱水或除雾）三阶段 前两个阶段在文丘里管内进行，后一阶段在除雾器内进行 水通过喉管周边均匀分布的若干小孔进入，然后被高速的含 尘气流撞击成雾状液滴，气体中尘粒与液滴凝聚成较大颗粒 ，并随气流进人旋风分离器中与气体分离 因此文丘里洗涤器必须和旋风分离器联合使用 由 可以看出：要提高尘拉 与水滴的碰撞效率，喉部的气体速度必须较大 工程上一般保证此处气速 =5080ms，而水的喷射速度 控制在6ms 水的喷射速度过低时，会被分散成细流而被气流带走，反之液 滴喷射速度过高，则气液的相对速度较低，水则不可能很好地 分散成小液滴，可能散落在收缩管壁上，从气流中白