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青岛科技人学研究生学位论文 通风除尘系统的c a d 设计 摘要 随着经济的发展，大气污染已经称为不容忽视的全球性问题。p m 2 5 被列入 中国各省市强制监测范围，相比p m l 0 ，p m 2 5 对人体的身体健康危害更大，其 主要来源为工业废气排放和汽车尾气。工厂中的含有粉尘污染物的气体通过除尘 系统收集起来，经过除尘器过滤后的气体排入大气中。除尘系统性能的优劣、除 尘器的除尘效率等，直接关系到大气污染物的排放浓度和操作工人的身体健康。 因此，对通风除尘系统的性能提出了更高的要求。 通风除尘系统的传统设计是依靠人工计算完成的，不仅工作量大、效率低， 而且经常由于管道阻力不平衡的影响等，造成实际运行效果不理想。目前，国外 有些专业的通风除尘设计计算软件，但是价格相对昂贵，不适合中围国情；而国 内的通风除尘设计计算软件大都只能进行简单的管道的水力计算，而没有考虑管 道阻力平衡的计算，实际使用效果不理想。 针对目前通风除尘系统c a d 软件的需要，本课题主要开展了以下设计研究 工作： 1 在成熟的通风除尘理论基础上，使用简单而又高效的d e l p h i 软件，发挥 计算机强大的计算能力，把复杂的通风除尘计算过程交给程序进行，设计完成一 套能设计较复杂管道的通风除尘c a d 软件，而且能进行阻力平衡计算。该软件 还收集了一些设计过程中的常用参数和局部阻力系数等，节约了设计者查询手册 的时间，提高了设计效率； 2 本论文结合一个工程实例，使用该软件进行设计，将现场测试结果与软 件设计过程相比较，根据反馈结果对软件进行改进； 3 通过对一套通风除尘管道的测试，反推出管道的沿程阻力系数和弯头、 三通等的局部阻力系数，并与除尘手册的参考数据比较，为以后的设计计算给以 帮助。 4 本论文用f l u e n t 软件对气流在变径、弯头、三通等的流动情况进行模拟， 并从理论上分析产牛局部阻力损失的原因，并提出了减小局部阻力的措施。 关键词：通风除尘c a d 阻力平衡现场测试f l u e n t 青岛科技大学研究生学位论文 c a dd e s i g nf o rv e n t i l a _ r l ( ) n a n dd u s tr e m o v a ls y s t e m a b s t r a c t a se c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，a i rp o l l u t i o nh a sb e e nag l o b a lp r o b l e mw h i c hc a n n o t b ei g n o r e d p m 2 5h a sb e e ni n c l u d e di nt h es c o p eo fm o n i t o r i n gi ne a c hp r o v i n c ei n c h i n a p m 2 5i sm o r eh a r m f u lf o rh u m a nh e a l t hc o m p a r e dw i t hp m l 0 i t sm a i ns o u r c e s a r ei n d u s t r i a le m i s s i o n sa n dv e h i c l ee x h a u s t i n d u s t r i a ld u s tp o l l u t a n t sa r ec o l l e c t e db y v e n t i l a t i o na n dd u s tr e m o v a ls y s t e m f i l t e r e db yd u s tc o l l e c t o r t h ep e r f o r m a n c eo f v e n t i l a t i o ns y s t e ma n dc o l l e c t i o ne f f i c i e n c yo fc o l l e c t o ri s d i r e c t l yr e l a t e dt ot h e c o n c e n t r a t i o no fe m i s s i o na n dw o r k e r s h e a l t h s on o ww en e e dh i g h e rp e r f o r m a n c e v e n t i l a t i o na n dd u s tr e m o v a ls y s t e m t h et r a d i t i o n a ld e s i g no fv e n t i l a t i o ns y s t e mi sc a l c u l a t e dm a n u a l l y n o to n l yt h e t a s ki sh e a v ya n di n e f f i c i e n c y , b u ta l s ot h es y s t e mi sr u n n i n gi np o o rc o n d i t i o nb e c a u s e o fr e s i s t a n ti m b a l a n c e a tp r e s e n t t h e r ei ss o m ef o r e i g np r o f e s s i o n a ls o f t w a r ef o r v e n t i l a t i o ns y s t e mc a l c u l a t i o n ，b u tt h e ya r ee x p e n s i v ea n dn o ts u i t a b l ef o ru s d o m e s t i c v e n t i l a t i o na n dd u s tr e m o v a ld e s i g ns o f t w a r ei sm o s t l yu s e df o rs i m p l eh y d r a u l i c c a l c u l a t i o n ，w i t h o u tt a k i n gi n t oa c c o u n tt h ec a l c u l a t i o no ft h er e s i s t a n tb a l a n c e t h e a c t u a lr e s u l ti sn o ts a t i s f a c t o r y a c c o r d i n gt ot h en e e df o r t h ec a l c u l a t i o ns o f t w a r eo fv e n t i l a t i o na n dd u s tr e m o v a l s y s t e m ，t h i sp a p e l c a r r i e so u tt h ef o l l o w i n gw o r k s ： 1 b a s e do nt h em a t u r ev e n t i l a t i o nt h e o r y u s ed e l p h it od e s i g nas e to fs o f t w a r e w h i c hc a nh e l pd e s i g n e rc a l c u l a t i o nc o m p l e xv e n t i l a t i o ns y s t e ma n dr e s i s t a n tb a l a n c e i ti sa l s oc o l l e c t e ds o m ec o m m o np a r a m e t e r sf o rd e s i g na n dl o c a lr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n t w h i c hs a v e st h eq u e r y i n gm a n u a lt i m ef o rd e s i g n e r ，i m p r o v et h ed e s i g ne f f i c i e n c y 2 t h i sp a p e l u s e st h ec a ds o f t w a r eo fv e n t i l a t i o ns y s t e mt od e s i g nad u s t r e m o v a ls y s t e m ，a c c o r d i n gt ot h et e s td a t ac o m p a r e dw i t hd e s i g nd a t a ，i m p r o v et h e c a ds o f t w a r et om a k ei tm o r ee f 五c i e n c y 3 t h i sp a d e rt e s t sad u s tr e m o v a ls y s t e mt or e s e r v ed e r i v a t i o nt h er e s i s t a n t c o e f f i c i e n ta l o n gt h ed u c ta n dt h el o c a lr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n to f r e d u c e r e l b o wa n dt e e i ti sv e r yh e l p f u lf o rs u b s e q u e n td e s i g n 4 t h i su s e sf l u e n tt os i m u l a t et h ea i rf l o wi nr e d u c e r , e l b o wa n dt e e a n a l y z et h e c a u s eo fr e s i s t a n tb a s e do nt h e o r y a n do f f e rt h em e a s u r e sf o rr e d u c i n gt h el o c a l r e s js t a n t i i i 通风除尘系统的c a d 设计 k e yw o r d s ：v e n t i l a t i o na n dd u s tr e m o v a lc a dr e s i s t a n tb a l a n t et e s to ns i t e f l u e n t i v 青岛科技人。研究生。位论文 1 绪论 1 1 课题研究的背景及意义 随着全球经济的迅速发展，大气污染的治理已经成为一个需要全世界共同 面对的难题。大气污染危害着人类身体健康，制约着围家的发展。近几年，八i 司 集团首脑会议和华盛顿二十国集团金融峰会上，大气污染的防治已经成为各围最 为关注的问题之一【lj 。 调查研究发现，粉尘颗粒物相比沙尘暴对人体的健康危害更大。粒径1 0 微 米以上的粉尘，不会进入人体体内；粒径在2 5 微米至1 0 微米的粉尘，可以通过 鼻腔进入人体，但部分可以通过痰液排出体外，部分被鼻腔绒毛阻挡，对人体危 害相对要小；粒径2 5 微米以下的细粉，比较容易进入人体呼吸系统，危害人体 健康。p m 是p a r t i c u l a t em a t t e r 的缩写，p m 2 5 为粒径小于等于2 5 微米的颗粒物。 在西方囤家中，p m 2 5 使人们的平均寿命缩短8 6 个月。而且p m 2 5 还能携 带细菌和病毒，增大呼吸道传染病的危害。美围围家航空航天局2 0 1 0 年9 月公 布了一张全球空气质量地图，展示了世界各地的p m 2 5 密度，如图1 1 。加拿大 达尔豪斯大学两位研究人员根据美国国家航空航天局的监测结果，绘制了一张显 示出2 0 0 1 年至2 0 0 6 年p m2 5 平均值的地图。地图显示北非、东亚和中围p m 2 。5 值最高，中国华北、华东和华中p m 2 5 的密度指数甚至接近每立方米8 0 微克， 比撒哈托沙漠还要高。 瞄i 薹。：，j ，翁 301 )，s2 c0 0 s a l e l li t e - d e rr e dp m 2 6w m 3 l 图1 - 12 0 0 】- 2 0 0 6 年p m 2 5 平均值地图 f i g 1 1m a p o f p m 2 5a v e r a g ev a l u ef r o m2 0 01t o2 0 0 6 l 通风除尘系统的c a d 设计 国务院总理温家宝2 0 1 2 年2 月2 9 日主持召开国务院常务会议，批准发布新 修订的环境空气质量标准，经过4 年修改，p m 2 5 进入国家标准，列入各省 市强制检测范围。2 0 1 2 年要在京津冀、长三角、珠三角等重点区域及直辖市和省 会城市开展细颗粒物与臭氧等项目监测，2 0 1 3 年在1 1 3 个环保重点城市和国家环 境保护模范城市开展监测，2 0 1 5 年覆盖所有地级以上城市。 p m 2 5 的主要来源是化石燃料的燃烧，如机动车尾气、燃煤等。工业废气的 排放是其最主要的来源之一，因此对于工业废气、粉尘的治理及排放浓度的要求 会更加严格。工厂中的大气污染物一般是通过除尘系统收集起来集中除尘，经过 除尘器过滤，排入大气，因此，除尘系统的性能不仅直接关系到工人工作环境的 好坏，还关系到污染物的排放浓度是否达标。 管道的水力计算是通风除尘系统设计过程中最重要、最复杂的环节之一，特 别是对于复杂的通风除尘系统，水力计算的准确与否直接关系到整个系统能否正 常运行。有些除尘系统有几十甚至上百个除尘罩，必须进行阻力平衡计算，即要 求实际运行的风管阻力与设计的相一致，各支管阻力差在1 0 以内。如果阻力不 平衡，实际运行过程中，风机的风量会根据各支管的阻力自行分配，导致：有的 除尘罩风量太小，不能起到除尘效果；有的除尘罩风量太大将物料吸走；有的风 管中风速太低，粉尘堵塞管道；有的管道中风速太高，管道压力损失增大，加快 管道的磨损【z 】。 现在不管是除尘设备使用者还是设计者，都存在着几个误区： ( 1 ) “除尘设备选取的越大越好，风机风量越大越好。”这是显然错误的， 这说明设计对自己设计的系统没有信心，不能很好的平衡管道阻力，依靠增大风 量作为解决问题的措施，这与国家低碳节能的方针是相背离的，是用客户的钱为 自己的设计不足买单； ( 2 ) “除尘设备不用节能，节能会造成系统风量的损失，除尘效果差。” 现在的厂家节能总是从风机的风量和风压做文章，因为这样见效快、投资小； ( 3 ) “除尘系统风机电机使用变频控制就能达到节能的目的。”这是以牺 牲除尘效果为代价的节能； ( 4 ) “通过风量调节阀调节风管风量，可以达到阻力平衡，不会造成风量 浪费。过于依赖阀门调节风量，效果比较差，有时会使风机在较低的效率下工 作。 1 2 国内外的研究现状 c a d 是c o m p u t e r a i d e dd e s i g n 的缩写，是指利用计算机及其相关设备辅助 设计人员完成设计工作。设计中发挥计算机强大的计算能力，将计算简单化；所 2 青岛科技人学研究生学位论文 有的设计内容，包括数字信息、图形信息、文字信息，都可以存储在计算机里， 方便查询。随着计算机技术的发展，c a d 在国内外各个行业中已经得到了广泛应 用。 八十年代初，通风除尘设计开始与计算机辅助设计结合起来，并得到了快速 的发展。国外有一些比较好的通风除尘系统的设计软件，不仪能帮助设计人员进 行管道的设计计算，有些还能对现有的管道进行分析，有一定的调试功能，可以 帮助调试人员找出管道运行中的问题，但是这些软件的价格普遍比较昂贵。 1 9 8 7 年中国煤炭工业部的一个计算机应用小组曾承担了一项科研课题 3 】，经 过两年多的开发，设计了通风除尘c a d 软件。经过数家设计单位使用证实，该 软件缩短了设计时间，原来需要几天设计完成的工程任务，使用该软件后只需几 个小时就可以完成。但是随着计算机技术的发展，该软件已不再适合现在的系统。 现在国内一些商业软件能够进行通风管道的水力计算，但是对于一些复杂的管 道，不能进行阻力平衡计算。 1 3 本课题的研究内容及研究方法 本课题在通风除尘系统计算的理论基础上，使用d e l p h i 编程软件，将通风除 尘系统成熟的设计计算方法与先进的计算机技术结合起来，运用计算机强大的计 算能力，使通风除尘系统的设计，特别是管道的水力计算简单化，把复杂的设计 计算过程交给计算机程序执行，最终得到准确的结果。本软件的数据库收集了常 用管道配件的局部阻力系数，方便查询。计算机辅助设计，提高了工作效率，缩 短了工作时间，节约了资源，把人工设计过程中的出错率降到最低。 结合一个工程实例，将软件的设计结果与现场系统实际运行结果进行了对 比，根据现场测试的反馈数据对软件进行了完善。为以后的设计计算提供了非常 宝贵的经验数据。 在现有的除尘手册中，不同手册提供的同一个管道配件局部阻力系数的参考 数据差异太大，如刚d = 1 的9 0 。弯头，不同手册中的局部阻力系数有：o 2 、0 2 4 、 o 3 、o 3 5 、0 5 2 、0 8 ，最大与最小竞相差四倍。本课题依据现有的一套除尘系统， 通过实验的方法得到了镀锌管的沿程阻力系数和部分型号的三通、弯头、蝶阀等 的局部阻力系数，与除尘手册的经验数据相比较，为以后的设计计算提供了参考。 并用f l u e n t 软件对气体在变径、弯头、三通中的流动情况进行了模拟，从理论上 分析了产生管道局部阻力的原因，并提出了减小局部阻力损失的措施。 3 通风除尘系统的c a d 设计 2 粉尘的来源、性质及危害 3 2 1 粉尘的来源 人类对利益无休止的追求，对大自然的破坏日益严重，人类活动带来了严重 污染。2 0 世纪以来，世界人口呈爆发式的增长，工业化脚步越来越快，城市的规 模不断增大，造成大气污染越来越严重。目前，全世界每年排入大气各种粉尘在 1 亿吨以上，严重威胁人类健康。粉尘污染已经让人类面临非常严峻的境地，人 类必须通过自身的努力防治粉尘污染。 人类活动产生的粉尘主要来源于3 个方面，即工业生产污染、日常活动污染 和车辆运输污染【4 1 。 ( 1 ) 工业生产污染源。如火力发电厂在发电过程中，矿石燃料的燃烧产生 大量粉尘，有些未经处理或处理不达标就直接排放到大气中。工业生产污染源是 产生粉尘污染的最主要来源。 ( 2 ) 日常活动污染源。城市居民的日常生活的饮食炉灶，大量的烟气粉尘 排放到空气中。单个生活污染源虽然排放量不大，但是排放总量大，同样是粉尘 的主要来源之一。 ( 3 ) 车辆运输污染源。交通运输业发展迅速，城市车辆日益增多，除了造 成城市道路的拥堵不堪，汽车尾气的排放更是严重威胁着城市居民的身体健康， 己成为粉尘的主要污染源之一。 工业粉尘污染源的特点如下【纠： ( 1 ) 集中固定源。工业企业生产场所集中，生产过程固定，所排出的粉尘 对附近地区的大气环境污染最严重，与厂区的距离逐渐增大，污染情况逐渐好转。 例如，钢铁企业对大气污染的影响范围达到方圆1 0 k m 。 ( 2 ) 烟尘排放量大。火力发电、冶金、矿山、石油、化工及水泥等企业， 生产规模大，烟尘排放总量大。虽然轻工业生产规模相对较小，但行业分布众多， 粉尘排放总量同样不能忽视。 ( 3 ) 连续排放。大多数企业生产过程连续，每天向大气中不间断的排放粉 尘。 车辆燃烧汽油排放的颗粒物中，含有碳、金属灰和烃类的气溶胶。金属颗粒 的产生是由于含铅抗爆剂的燃料燃烧。不完全燃烧生成碳和未燃烧的烃类。车辆 燃烧柴油排放的颗粒物丰要含有碳和烃类的气溶胶，这是由于发动机超负荷运 转，造成不完全燃烧而产生的。工业生产过程及粉尘控制技术简介见表2 11 5 1 。 4 青岛科技大学研究生学位论文 表2 - 1 工业污染物 t a b 2 1i n d u s t r i a lp o l l u t a n t s 工业制造或加工排放源颗粒物 钢铁生产高炉、炼钢炉、烧结炉氧化铁、尘、烟 化铁炉、振动落砂机、砂氧化碳、烟、油尘、金属 生铁铸造厂 芯制作烟雾 有色金属冶炼熔炼炉烟、金属烟雾、油脂 石油精炼触媒再生器、残渣焚烧器 触媒尘、残渣灰 砖窑、干燥器、物料转运碱性粉尘及加工产生的 建材、水泥生产 系统粉尘 造纸生产回收炉、石灰窑、熔炼槽化学粉尘 加热过程、矿石酸化、磨 硫、磷酸生产酸雾、粉尘 碎 炼焦炉操作、骤冷、物料 焦炭牛产煤和焦炭尘、煤焦油 转运 酸雾、碱性氧化物、粉尘、 玻璃与玻璃纤维生产熔炉、成型及熟化处理 气溶胶 2 2 粉尘的性质及分类 2 2 1 粉尘的性质 2 2 1 1 悬浮特性 在静止空气中，粉尘颗粒因为自身的重力作用发牛沉降，当粉尘颗粒比较细 时，沉降速度比较低，可按斯托克斯公式求得重力与空气阻力大小相等，方向相 反时尘粒的沉降速度，称尘粒沉降的终端速度。密度为1 c m 3 的粉尘的沉降速度 【o | ，如表2 2 。 表2 2 尘粒沉降速度 t a b 2 - 2p a r t i c l e ss e t t l i n gv e l o c i t y 尘粒直径速度 o 1um4 x l0 - 5 c m s 1um4 x lo 3 c m s 1 0um 0 3 c m s 1 0 0um5 0 c m s 由于受到各种扰动气流的作用，实际的空气并不是静止状态，小于1 0l am 的 尘粒能长时间的悬浮在空气中。粒径大于1 0l am 的粉尘颗粒，在上升气流中，如 果气流速度大于尘粒的终端沉降速度，尘粒也会悬浮在空气中，该上升气流的流 速称为悬浮速度。粉尘的悬浮特性是除尘工程计算的依据之一。 2 2 1 2 扩散特性 5 通风除尘系统的c a d 设计 扩散特性是指细微粉尘随气流扩散。即使在静止的空气中，空气分子存在着 布朗运动，粉尘受到空气分子的碰撞，也会产生一定的运动和位移。对于0 4um 的粉尘，单位时间布朗运动产生的位移的均方根值大于其重力沉降的距离；对于 0 1um 的粉尘，布朗位移的均方根值相当于重力沉降距离的4 0 余倍。扩散使粉 尘不断由高浓度区转移到低浓度区，是尘粒向周边沉降的主要原因。 2 2 1 3 附着特性 尘粒有附着在其他粒子或其他物质表面的特性。附着力分为三种，即范德华 力、毛细粘附力和库伦力。微米级尘粒的附着力远大于重力，粒径1 0l am 的粉尘 在滤布上的附着力达到自重的1 0 0 0 倍【7 1 。当悬浮尘粒互相接近时，小颗粒彼此吸 附聚集成大颗粒，当悬浮微粒靠近其他物体时就会附着在物体的表面，必须施加 一定的外力才能使其脱离。集合的粉尘体之间也存在粉尘间的吸附力，一般称为 粉尘的粘性力，如果需将聚集的粉尘剥离，需要施加拉断力。 范德华力使尘粒表面能够吸附气体、蒸汽和液体。这是分子间或原子间的作 用力，球面与平面间的分子力可表达为： = 矗w 一 (21)16，咖2 z r l 2d d l z l ， 式中：一球体和平面间的分子力，n ； 办w 一范德华常数，对于金属半导体，h w = ( 3 2 1 7 6 ) x 1 0 9 j ：对于 塑料h w = 0 9 6 x 1 0 1 9 j ； d n 一球体粉尘直径，m ；对于非球体，此值用两物体接触点的粗糙度 半径r 代替； l 一两粘着体间距离，l ar n ；一般可取4 x 1 0 41 1m ；当l 0 0 1l am 时， 这种粘着力可忽略不计。 毛细粘附力。当粉尘颗粒含有水分，互相粘附的颗粒间由于毛细作用而生成 液桥，产生使粉尘互相粘着的力，一般可以表达为： e = 2 z r r d d ( 2 - 2 ) 式中：e 一毛细粘附力，n ； ，一水的表面张力，一般为0 0 7 2 n m ，对于d d = lpm 的颗粒， 最= 4 5 x 10 7 n ； d n 粉尘直径，l am 。 6 青岛科技人学研究生学位论文 库伦力。颗粒带静电后产牛的静电吸力，可以表达为： f ：墼( 2 3 ) 。4 z c , v o c 7 式中：q i q 一两颗粒的电荷，c ； 晶一真空介电常数； 占，_ 在某介质内的相对介电常数； 一两颗粒间的距离，um 。 在电场中，库伦力大于其他两种力。而没有外加电场时，库伦力远小于分子 力，可以忽略不计。 粉尘粒子越细，比表面积越大，单位质量的粉尘表面能够吸附越多的气体和 蒸汽。粉尘的吸湿性用单位质量的粉尘颗粒表面吸附水蒸气的量来衡量。当液滴 与尘粒表面接触，除了液滴与尘粒表面的吸附力，液滴自身还存在凝聚力，当吸 附力等于凝聚力时，液滴表面与粉尘粒子表面间形成湿润角，湿润角用来表示尘 粒的润湿性。湿润角越小，说明粉尘润湿性越好；反之，说明粉尘湿润性差。 粉尘的粘附是造成管道和除尘器堵塞的主要原因，所以在处理粘性大的粉尘 时，必须考虑相关的技术措施，避免堵塞和结垢发生。在使用袋式除尘器处理粘 附性大的粉尘时，应增加清灰次数和清灰强度，避免粉尘的粘附。 2 2 1 4 燃烧和爆炸特性 固体颗粒变为粉尘，比表面积增大，物质的活性增强，在具备燃烧的条件下， 可燃性粉尘迅速发生氧化放热反应，且速度超过其散热能力，最终转化为燃烧， 称粉尘自燃。当易燃粉尘浓度在爆炸界限范围内并遇明火时，产生粉尘爆炸，粉 尘、焦炭尘、铝、镁和某些含硫份高的矿尘均属于爆炸性粉尘。 粉尘的爆炸性可分为两大类： ( 1 ) 含灰份少的。堆积时不易燃烧，但它的悬浮物却易燃易爆，按其爆炸 性强烈依次排序为：细木屑、软木粉、细糖粉、细合成树脂粉、萤石粉、麦芽粉、 合成橡胶粉、淀粉、植物纤维等【8 】。 ( 2 ) 含灰份多的。堆积时不可能燃烧，其悬浮物只在高温长期作用下才会 燃烧，但不是爆炸，如合成赛璐珞、锌粉、天然树脂、炭黑、香料、肥皂粉、油 漆雾等。粉尘的种类不同发生爆炸的最低质量浓度也不同，如褐煤粉为6 - - - 8 9 m 3 ， 石煤粉为1 0 - - - 1 2 9 m 3 ，木屑为1 2 9 m 3 ，铝粉为7 9 m 3 ，合成橡胶粉为8 9 m 3 。粉 尘爆炸所需的最低氧化体积分数也各不同，如焦炭粉为1 6 ，褐煤粉为1 4 ，木 屑、硫磺粉为1 0 ，合成树脂、棉花等为5 。 7 通风除尘系统的c a d 设计 2 2 1 5 荷电特性 尘粒的电荷来源于自然辐射，带电粒子的附着，尘粒之间的摩擦。粉尘成分、 粒度、表面状况等决定粉尘的导电性。 对于大于11 1m 的粉尘，在气体电离化的电场内，可获得的平衡电荷为： q = 强 1 + 2 ( 爱牌 协4 ， 式中：q 一平衡电荷，c ( 基本电荷c - 1 6 x l o c ) ； e 一电场强度，v 恤； 如一粒子直径，m ； 氏一空间比诱导电荷，即真空介电常数，e o = 1 0 7 4 c 2 ； c 一光速，为2 9 9 7 6 x 1 0 8 m s ； t 一在某介质内的相对介电常数，一般为： 0 = a p o i (25)2 = l - 】， s ，+ 彳一系数，对于空气，a = i 5 3 1 2 x 1 0 4 m 3 k g ； 风颗粒的密度，k g m 3 。 粉尘的比电阻。粉尘的电阻包括两部分，一部分为粉尘本身的容积比电阻， 另一部分为粉尘表面吸收水分形成的表面电阻，用电阻率来表示。因为这种电阻 可以互相对比，所以称为比电阻。粉尘比电阻的另一种定义为，每平方厘米体积 上高度为l c m 的粉尘料柱，沿高度方向测得的电阻值，单位q c m 【9 1 。粉尘比 电阻的表达式为： n ：坐一s ( 2 6 ) 肛2 一i 否 2 曲 式中：肛一电阻率( 电阻率) ，q o m ； 矿一粉尘层电压降，v ； ，一通过粉尘层电流，a ； s 一粉尘层表面积，c m 2 ； 万一粉尘层厚度，c t n 。 电除尘器的除尘效果与粉尘的比电阻值有关，粉尘比电阻为1 0 4 - 1 0 1 1q c m 青岛科技人学研究生学位论文 时使用电除尘器效率比较高，所以比电阻也是与除尘工程密切相关的重要性质之 一o 2 2 1 6 流动特性 尘粒的集合体受到外力作用，尘粒之间产生相对位移，近似于流体运动的特 性。粉尘粒子大小、形状、表面特征、含湿量等因素影响粉料的流动性，由于影 响因素多，一般通过试验的方法检测粉料的流动性能【1 0 】。粉料自由堆置时，料面 与水平面间的交角称安息角，安息角的大小在一定程度上能说明粉料的流动性 能。安息角越大，表示粉尘的流动性越差。以安息角为指标，粉尘的流动性分为 三级：安息角小于3 0 。的粉尘，其流动性好；安息角为3 0 。 - - - 4 5 。的粉尘，其 流动性中等；安息角大于4 5 。的粉尘，流动性差。 2 2 2 粉尘的分类 ( 1 ) 按粉尘的化学性质分类：分为有机粉尘和无机粉尘。 有机粉尘包括如下内容： 植物性粉尘。如粮、棉、麻的粉尘； 动物性粉尘。如骨、毛、皮的粉尘； 工业有机粉尘。如塑料、染料、沥青、烟尘。 无机粉尘包括以下内容： 金属性粉尘。如金属及其氧化物的粉尘； 非金属性粉尘。如砂土、石棉等。 ( 2 ) 按颗粒大小分类：可分为灰尘、尘雾、烟尘。 灰尘。颗粒大于1 0um ，在静止的空气中可以沉降； 尘雾。颗粒在1 0 - - 0 1 1 1m ，在静止空气中能长期悬浮； 尘烟。颗粒在o 1 - - 0 0 0 1um ，在静止空气中几乎不能沉降。 2 3 粉尘的危害 2 3 1 粉尘对人体健康的危害 粉尘的化学成分决定着粉尘对人体健康的危害程度，粉尘中的游离二氧化硅 对人体的危害最为严重。长期吸入含有二氧化硅的粉尘，会引发尘肺病，且含量 越高，病变越严重。粉尘分散度的高低不仪关系到其在空气中的悬浮性能，而且 与吸入人体的可能性和在人体肺中的阻留有关。据估算，进入肺腔的粉尘粒度为 0 0 1 - - 0 1um ，其中大部分能被呼出，约1 0 - - 5 0 残留下来。 人体吸入不同种类的粉尘，由于其成分和性质不同，所以引发的疾病也会不 同，一般常引发的疾病有【l i 】： 9 通风除尘系统的c a d 设计 ( 1 ) 呼吸系统疾病。尘肺是指由于吸入较高浓度或长时间吸入的生产性粉 尘而引起的以肺组织弥漫性纤维化病变。尘肺按其病因可分为硅肺、石棉肺、水 泥尘肺、金属肺等。其中硅肺是尘肺中最主要的一种职业病，它是由于吸入含结 晶型游离二氧化硅粉尘所引起。在很多厂矿的生产过程中都可以产生硅尘，如开 矿采掘、开凿隧道、开山筑路，以及耐火材料、玻璃制造、陶瓷、搪瓷、铸造、 石英砂加工等行业。硅肺的病因是粉尘中结晶型游离二氧化硅，即石英的沉淀。 工作过程中如果不注意防护，吸入大量的游离二氧化硅，就可能发生尘肺病。一 般通过检测粉尘中游离二氧化硅的含量，来确定粉尘的危害程度。在有机粉尘中， 常混有沙土及其他无机性杂质，如烟草、茶叶、皮毛、棉花等。粉尘中混有这些 杂质，长时间接触会造成尘肺，叫混合型尘肺。另外，长期吸入游离二氧化硅含 量较低的木尘、聚氯乙烯尘、蚕丝尘等也可以引起尘肺。 ( 2 ) 其他系统的疾病。除了常见的呼吸系统疾病，粉尘还会引起眼睛和皮 肤的病变。如在阳光下接触煤焦油沥青粉尘时，能够引起眼睑水肿和结膜炎。粉 尘堵塞皮脂腺引起皮肤干燥，造成毛囊炎等。长时间接触矿物性粉尘，如玻璃纤 维和矿渣棉粉尘，作用于皮肤引起皮炎。长时间接触腐蚀性和刺激性粉尘，如铬、 砷、石灰等，引起皮肤病变和溃疡性皮炎。 2 3 2 粉尘爆炸危害 粉尘分散在空气中，燃烧爆炸四个条件需要同时具备才能发生，四个条件为： 氧气、高温、可燃性粉尘、一定空间。高温、高压伴随着粉尘爆炸瞬间产生。热 空气膨胀形成的冲击波有很大的摧毁力和破坏力，不仅带来巨大的经济损失，还 会造成人身伤亡事故。粉尘爆炸与气体爆炸类似，也是一种连锁反应，尘云受到 火源或其他条件的诱发，发生局部化学反应释放能量，迅速诱发较大区域粉尘产 生反应并释放能量，空气温度升高，迅速膨胀，形成摧毁力巨大的冲击波。影响 粉尘爆炸的因素见表2 3 。 表2 - 3 粉尘爆炸的影响因素 t a b 2 - 3i m p a c tf a c t o r so f d u s te x p l o s i o n 粉尘自身外部条件 化学因素物理因素 燃烧热粉尘浓度气流运动状态 燃烧速度粒径分布氧气浓度 与水汽及二氧化碳的反 粒子形状可燃气体浓度 应性比热及热传导率温度 表面状态窒息气浓度 带电性阻燃性粉尘浓度及灰分 粒子凝聚点火源状态与能量 1 0 青岛科技人学研究生学位论文 2 3 3 粉尘对设备产品的影响 含有粉尘的气流与设备存在相对运动，摩擦冲撞设备表面。含尘气流的速度 越高，磨损越严重，磨损性与含尘气流的速度的2 3 次方成正比。但是当粉尘浓 度达到一定程度时，由于粉尘粒子的相互碰撞，反而减轻了粉尘粒子与壁面的摩 擦。 粉尘落到机器的运动部件上，将会加速机器的磨损，影响机器的正常运转， 甚至会使一些小型精密仪表的部件不能工作。 粉尘污染不仅影响产品的外观，还会造成产品质量的下降。例如在石膏粉产 品在生产过程中被烘炉黑烟污染，不仅影响外观，质量也要下降。许多电子产品、 摄影胶片、化学药品等现代化产品，在生产过程中或操作使用中非常重视防止粉 尘污染。在电子产品生产过程中，即使是o 3um 的尘粒落到刻线间距只有亚微 米的加工表面上，也会危害产品，轻则影响产品性能，重则使产品报废。 另外，粉尘污染还会影响大气的能见度，对动植物产生危害。当光线穿过含 有粉尘的介质时，尘粒会对光产牛吸收、散射的作用，光强减弱，出现能见度降 低的情况。如果在工作场所不能清晰看到周围的事物，很容易在工作过程中发生 失误、造成事故。时间长了还会造成视力疲劳，造成眼疾。 通风除尘系统的c a d 设计 3 工业通风除尘 工业通风除尘，就是将车间或局部区域内含有污染物的空气排到室外，把新 鲜空气送到车间内或工人的工作区域，前者称为排风，后者称为送风。在污染物 发生源直接把污染物收集起来经过净化后排到室外，这种通风方法称为局部通 风。局部排风系统需要的风量小、耗能少，是优先选用的通风除尘方式。如果不 能确定污染源位置，不能采用局部排风，或是采用局部排风后车间内的空气标准 仍不能达到要求，可以采用全面通风【1 2 】。全面通风需要的风量大大超过局部排风， 耗能也相应较大。 由于本课题的主要研究内容为局部通风管道的计算机辅助设计，所以重点介 绍局部通风的相关内容。局部通风系统主要由局部排风罩、通风除尘管道、除尘 器、风机等几部分组成。通风除尘管道会在后面第六章做详细介绍。 3 1 局部排风罩 3 1 1 局部排风罩设计原则 局部排风罩是通风除尘系统的重要组成部分。局部排风罩可以在污染物发生 源收集污染物，防止其扩散，处理风量比较低，但是除尘效果较好。在设计局部 排风罩时，应遵循以下原则【l 副： ( 1 ) 局部排风罩距离有害物发生源尽可能近，在较小的范围内捕捉，减少 处理风量； ( 2 ) 局部排风罩的吸气方向。研究粉尘扩散方向和速度，罩口对准粉尘扩 散方向； ( 3 ) 含有污染物的气流不能从人的工作区域通过，人的位置是设计局部排 风罩位置时首要考虑的因素。见图3 1 ； ( 4 ) 防止局部排风罩周围产生紊流。如果粉尘周围的紊流对控制风速产生 影响，会使排风罩失去正常功能； ( 5 ) 配合生产工艺，使局部排风罩的设计与生产工艺相协调，避免影响工 艺操作； ( 6 ) 局部排风罩设计尽量结构简单、成本低，利于制作安装和维修。 1 2 青岛科技大学研究生学位论文 瞧嗣 【圣j 说明 圈 正确错误正确 锖误 荸萄 龄嚼g 幽 酸 风物风鹤 奴 会 拶；存 荫紊流板 口八 图3 - 1 局部排风罩位置 f i g 3 - 1l o c a lv e n t i l a t i o nh o o dp o s i t i o n 3 1 2 密闭罩 密闭罩根据设备和工艺不同，有多种形式。按照密闭罩和工艺设备的配置关 系，可以分为三类：局部密闭罩，整体密闭罩，大容积密闭罩1 4 】。如图3 - 2 。 l 图3 - 2 三种形式的密闭罩 f i g 3 - 2t h r e ek i n d so fe n c l o s i n gh o o d 1 3 通风除尘系统的c a d 设计 粉尘发牛源封闭后，要吸走密闭罩内一定量的空气，维持罩内为负压，防止 污染物外逸。密闭罩的进气量和排气量保持平衡，排气量q 3 等于被吸入罩内的 空气量q 1 和污染源气量q 2 ，即q 3 = q l + q 2 。理论上计算q l 和q 2 是很困难的，一 般按照经验公式计算密闭罩的排风量，计算方法如下： 。扎。、q 3 = 3 6 0 0 k v e a - i - q 2 ( 3 1 ) 式中：k 一安全系数，一般取1 0 5 1 1 ； 1 ，一通过缝隙或孔口的速度，一般取l 4 m s ： e a 一密闭罩开肩孔及缝隙的总面积，m 2 ； q 、q 一污染源气量和总排气量，m 3 h 。 3 1 3 柜式集气吸尘罩 柜式吸尘罩的结构与密闭罩类似，与其不同的是，柜式吸尘罩的一面是可以 敞开的，适用于化学实验室、零件喷漆、粉料装袋等场合。 柜式罩吸尘效果与柜口附近风速的均匀性有关。设计要求柜口风速不低于平 均风速的8 0 。当柜内有热量生成时，为防止含尘气体由工作口上端逸出，应在 柜上抽风；当柜内不产生热量时，可在下部抽风。柜式吸尘罩一般用于车间内或 试验室，罩口气流易受环境干扰，不宜设在来往频繁的地段，窗口或门附近，防 止横向气流干扰。柜式吸尘罩排风量的计算公式如下： q = 3 6 0 0 v f l z a + 圪 ( 3 - 2 ) 式中：q 一排风量，m 3 h ； ，一工作口截面处平均吸气速度，r n s ； 一泄露安全系数，一般取1 0 5 1 1 0 ，若有活动设备，经常需拆卸时， 可取1 5 - , 2 0 ； e a 一工作口、观察口及其他孔口的总面积，r n 2 ； k 一产生的有害物容积，m 3 。 按照排风位置的不同，柜式罩可分为下部排风柜式罩、上部排风柜式罩和上 下联合排风柜式掣1 5 】。当通风柜内没有热量产生，且含有害物气体的密度大于空 气密度时，一般使用下部排风柜式罩；当含有害物气体的密度小于空气密度，或 通风柜内有发热体时，可选用上部排风柜式罩：当既有发热体，又产生密度不同 的有害气体时，在柜式罩的上下部均设排风口，上下部联合柜式罩有使用灵活的 特点，但是结构比较复杂。各种不同形式的柜式罩见图3 3 。 1 4 青岛科技大学研究生学位论文 风紫一 图3 - 3 三种形式的柜式罩 f i g 3 3t h r e ek i n d so fc a b i n e th o o d 3 1 4 外部集气吸尘罩 因为工艺条件的限制，不能把生产设备封闭在罩内时，可以靠近有害物发生 源安装吸尘罩。罩口气流的抽吸，带动附近气体流动，把含有害物的气体吸入罩 内。这种形式的排风罩是外部集气吸尘罩。 外部罩结构简单，制作方便，根据结构不同可以分为上吸式和侧吸式。由于 吸尘罩的形状大都和伞相似，所以这类罩简称伞形罩。使用伞形罩时，应考虑距 离有害物发生源的距离，罩口周围气流的影响，如果有必要，可以对污染源采取 围挡、回转、升降等措施。 外部集气吸尘罩的设计注意事项： ( 1 ) 在设备及工艺允许的前提下，吸尘罩应尽量靠近污染物发牛源，尽可 能减少横向气流的- t 扰，减小吸气范围： ( 2 ) 为减少处理风量，可以使用罩口有法兰边的吸尘罩。一般情况下，法 兰边宽度可以取1 5 0 - - 2 0 0 m m ： ( 3 ) 外部集气吸尘罩的扩张角a 影响罩口的速度分布和压力损失，表3 1 是 在不同q 角下v c 低的变化，v 。是罩口中心的气流速度，v o 是罩口气流的平均 速度。在q = 3 0 。 - 6 0 。时，压力损失最小，在设计外部吸尘罩时，其扩张角应 小于等于6 0 。； 表3 - 1 不同a 角下的速度和阻力系数 t a b 。3 - 1t h ev e l o c i t ya n d d r a gc o e f f i c i e n to fd i f f e r e n t o 扩张角q v c v 0 局部阻力系数 3 01 0 70 0 8 4 51 1 3o 0 6 6 0 1 3 30 0 8 9 02 oo 15 1 5 通风除尘系统的c a d 设计 ( 4 ) 如果罩口面积较大，不能满足扩张角小于6 0 。的要求时，可以采取一 定措施。例如把一个大罩口分割成几个小部分；罩内设挡板；罩口上开条缝口， 要求条缝口风速不低于1 0 m s ，而罩内风速不超过条缝口风速的1 2 ；在罩口安装 气流分布板。如图3 4 。 糸麓口薄度 l o m - v il 4 ) 图3 - 4 罩口气流均布措施 f i g 3 - 4a i rf l o wt h r o u g hh o o dc n t r a i l c ed i v e r s i o n ( 5 ) 各种外部集气吸尘罩的局部阻力系数在表3 2 中列出。 1 6 青岛科技人学研究生学位论文 表3 - 2 吸尘罩局部阻力系数 t a b 3 - 2e n t r yl o s sc o e f f i c i e n to fh o o d 名称罩子形状图例局部阻力系数 直管 有边直管 带直管的橱柜 喇叭口直管 带小孔直管 ( 去、孑l = p d ) 小孔结合有边直管 柜橱结合喇叭口直管 收集箱或沉降室 双层罩 o 9 3 0 4 9 0 4 9 0 0 4 1 7