环境管理_颗粒污染物控制教材

第六章颗粒污染物控制,第六章,环境工程学,第一节除尘技术基础第二节重力沉降室第三节旋风除尘器第四节静电除尘器第五节袋式除尘器第六节湿式除尘器,第六章,环境工程学,第一节除尘技术基础,一、粉尘粒径,1、粉尘粒径：表示颗粒大小的代表性尺寸。有三种形式的定义：投影径、几何当量径和物理当量径。1）投影径:颗粒在显微镜下所观察到的粒径。2）几何当量径：等投影面积径：与颗粒投影面积相等的圆的直径；等体积径：与颗粒体积相等的圆球的直径；等表面积径：与颗粒外表面积相等的圆球的直径。体积表面积平均径：颗粒体积与表面积之比相同的圆球的直径。,第六章,环境工程学,4）物理当量径：与颗粒的某一物理特性相同的球形颗粒的直径。重力沉降径：在重力作用下，同一流体中与颗粒的密度相同和沉降速度相等的圆球的直径。空气动力学径：在空气中与颗粒的沉降速度相等的单位密度(1g/cm3)圆球的直径。斯托克斯(Stokes)径：在层流区内(对颗粒的雷诺数Re2.0)的空气动力学径。分割粒径,第六章,环境工程学,2、颗粒群的平均粒径,第六章,环境工程学,粒径分布：某一粒子群中不同粒径的粒子所占的比例个数分布、表面积分布、质量分布表示方法：表格、图形、函数,二、粒径分布（粒子分散度）,第六章,环境工程学,粒径个数分布数据的测定和计算结果,第六章,环境工程学,1）个数频率：指粒径dp至（dp+dp)之间的颗粒个数ni与颗粒总个数之比（或百分比），即质量频率,1、粒径分布的表示方法,第六章,环境工程学,2）个数筛下累积频率为小于粒径dp的所有颗粒个数与颗粒总个数之比（或百分比），即并有,第六章,环境工程学,3）个数频率密度：函数p(dp)=dF/ddp称为个数频率密度，简称个数频度，采用单位为m-1。频率密度：为单位粒径间隔（即1m）时的频率。频率密度p是粒径dp的连续函数，由其定义可得到：,第六章,环境工程学,2、粒径分布函数,常用的有正态分布函数、对数正态分布函数、罗辛拉姆勒（Rosin-Rammler）分布函数等。罗辛拉姆勒（Rosin-Rammler）分布简称R-R分布，,n分布指数；分布系数,第六章,环境工程学,总捕集效率:总效率系指在同一时间内净化装置去除的污染物数量与进入装置的污染物数量之比。分级除尘效率：指除尘装置对某一粒径dpi或粒径间隔dp内粉尘的除尘效率,简称分级效率。,3、除尘装置的捕集效率,第六章,环境工程学,第二节重力沉降,一、重力沉降速度,在静止流体中，球形颗粒所受的力有重力FG、流体阻力FD和流体的浮力FB,第六章,环境工程学,总公式：斯托克斯区域（Re1）在气体中，气体密度可忽略时，简化为：,计算颗粒重力沉降速度()的公式,第六章,环境工程学,二、重力沉降室的设计,1、假定：沉降室内为无混合的塞状流无混合是假定除尘器中未被捕集的颗粒无任何混合，既无轴向（气流方向）混合，也无横向混合。塞状流是假定在任一横断上气流速度分布是均匀的。,第六章,环境工程学,2、停留时间与沉降速度,在时间t内，粒径为dp的颗粒的沉降高度为,设沉降室的长、宽、高分别为L、W、H，水平气流速度为v0(m/s)，处理气体流量为Q（m3/s），则气流在沉降室内的停留时间为,第六章,环境工程学,3、沉降室捕集效率,若hcH，则粒径为dp的颗粒的分级除尘效率为：,若hcH，则粒径为dp的颗粒的分级除尘效率为100%,第六章,环境工程学,4、沉降室能100%捕集的最小粒子直径,假定粒子沉降运动处于斯托克斯区域，则重力沉降室能100%捕集的最小粒子直径为：,第六章,环境工程学,第三节旋风除尘器,旋风除尘器是使含尘气流作旋转运动，靠离心力作用将尘粒从气流中分离捕集的装置。中效除尘装置，结构简单，制造、安装和维护管理容易，投资少，占地面积小等特点。,一、旋风除尘器的基本原理和特点,第六章,环境工程学,二、旋风除尘器内气流与尘粒的运动,切向进入的含尘气流沿筒体内壁边旋转边下降。当旋转气流的大部分到达锥体底部附近时，则开始转为向上流动，在轴心区域边旋转边上升，最后由出口管排出。旋转向下的外圈气流称为外涡旋，旋转向上的轴心气流称为内涡旋，气流中所含尘粒在旋转过程中，在离心力的作用下逐步沉降到外壁上，在外涡旋的推动和重力作用下，沿锥体内壁滑落到灰斗中。,第六章,环境工程学,第六章,环境工程学,三、旋风除尘器的除尘效率,分级除尘效率公式为:,总效率：,第六章,环境工程学,进口流量增加，除尘效率增高。筒体直径越小，除尘效率越高；出口管直径变小，除尘效率提高；锥体适当加长，有利于提高除尘效率。灰斗气密性不好，除尘效率大幅下降。粉尘粒子质量越大，除尘效率越高。气体温度越高，除尘效率下降。,影响除尘效率的主要因素,第六章,环境工程学,四、旋风除尘器压力损失,旋风除尘器压力损失的实验值表示成进口气流动压的倍数的形式，即,式中1进口气流速度，m/s；旋风除尘器的压损系数。旋风除尘器压力损失一般为5002000Pa。,第六章,环境工程学,电除尘器是利用静电力实现粒子与气流分离的一种除尘装置。静电除尘器由放电极和集电极组成。放电极上端与直流电源连接,下端固定一个吊锤,集尘电极与电源另一头相连,两另极间加高压电时,放电极附近产生很大电场.除尘器中的除尘过程，大致为四个过程：气体电离或称电晕放电：产生电子、负离子粉尘荷电：使粒子带电带电粒子的沉降电极清灰,第四节静电除尘器,一、电除尘器的除尘原理,第六章,环境工程学,第六章,环境工程学,二、电除尘器的分类及结构,1、电除尘器的分类1）按集尘极的型式可分为管式和板式电除尘器。2）按照气流流动方向可分为立式和卧式电除尘器。3）按照粉尘荷电区和沉降区的空间布置不同分为单区和双区电除尘器。4）按清灰方式可分为湿式和干式电除尘器。,第六章,环境工程学,第六章,环境工程学,电除尘器的主要部分：电晕电极、集尘电极、电晕极与集尘极的清灰装置、气流均匀分布装置、壳体、保温箱、供电装置及输灰装置等。电晕电极：主要包括电晕线、电晕线框架、电晕框悬吊架、悬吊杆和支持绝缘套管等。集尘极：平板电极；型板电极，如C型、Z型、CS型、CSA型、CSW型、CSV型、ZT型及波纹型等。电极清灰装置：机械振打、电磁振打、水洗气流分布装置：在进出口处设置多层气流分布板（开孔率不同的多孔板）高压供电装置：高压直流电源（100kv）,2、电除尘器的结构,第六章,环境工程学,板式电除尘器结构,第六章,环境工程学,第六章,环境工程学,第六章,环境工程学,第六章,环境工程学,第六章,环境工程学,第六章,环境工程学,三、电除尘器的除尘效率,1、作用于荷电颗粒的静电力：,式中q颗粒的荷电量，C；E颗粒所处位置的电场强度，v/m。,第六章,环境工程学,2、粒子的驱进速度,假设颗粒沉降处于斯托克斯区域（Re1）当阻力与静电力达到平衡时，颗粒做匀速运动，此时颗粒的速度为驱进速度：,式中C为坎宁汉修正系数，估算式如下：,（m/s）,第六章,环境工程学,从理论上推导出分级捕集效率方程式。在推导过程中，作了以下基本假定：1）电除尘器中的气流为紊流状态，除尘器中任一断面的粒子浓度和气流分布均匀；2）进入除尘器的粒子立刻达到饱和荷电；3）忽略电风、粒子返流等的影响。,3、分级除尘效率方程式,第六章,环境工程学,设：电场中气体和粒子流速均为v（m/s），气体流量为Q（m3/s），气流方向每单位长度的集尘极板面积为a（m2/m），总集尘板面积为A（m2），电场长度为L（m），气流方向的横断面积为F（m2），粒径为dpi的粒子驱进速度为（m/s）分级效率公式：,第六章,环境工程学,4、有效驱进速度与总捕集效率公式,将某种结构型式的电除尘器在一定运行条件下捕集一定种类粉尘达到的总捕集效率值，代入多依奇方程中反算出相应的驱进速度，并称为有效驱进速度。按有效驱进速度表达的总捕集效率方程称为多依奇安德森（Deutsh-Anderson）方程，即,第六章,环境工程学,粉尘比电阻：电除尘器运行最适宜的粉尘比电阻范围为10421010cm。过高或过低，除尘效率都降低。电晕放电：产生电子、离子多，效率高。电场强度越高，除尘效率越高。电场风速越小，除尘效率越高。气流分布不均匀，除尘效率下降。清灰效果,5、影响电除尘器除尘效率的主要因素,第六章,环境工程学,1、所需原始资料，主要包括以下数据：1）含尘气体的流量、组成、温度、湿度、露点和压力；2）粉尘的组成、粒径分布、密度、比电阻、安息角、粘性及回收价值等；3）粉尘的初始浓度和排放要求（浓度或排放速率）。,四、电除尘器的选择设计,第六章,环境工程学,根据给定的运行条件和要求达到的除尘效率确定电除尘器本体的主要结构和尺寸。有效横断面积，集尘极板总面积，极板和极线的型式、极间距，吊挂及振打清灰方式，气流分布装置，灰斗卸灰和输灰装置，壳体的结构和保温等。,2、电除尘器选择设计的内容,第六章,环境工程学,第五节袋式除尘器,1、滤尘机理袋式除尘器的滤尘机制包括筛分、惯性碰撞、拦截、扩散和静电吸引等作用。筛分作用是袋式除尘器的主要滤尘机制之一。当粉尘粒径大于滤料中纤维间孔隙或滤料上沉积的尘粒间的孔隙时，粉尘即被筛滤下来。通常的织物滤布，纤维间的孔隙远大于粉尘粒径，约为2050微米。一般新滤布刚开始过滤时，筛分作用很小，除尘效率较低。此时主要是靠惯性碰撞、拦截、扩散和静电作用。当滤布上逐渐形成了一层粉尘层后，则碰撞、扩散等作用变得很小，主要靠粉尘层的筛分作用。,一、袋式除尘器的基本原理,第六章,环境工程学,第六章,环境工程学,2、除尘过程,两状态清灰：过滤清灰过滤三状态清灰：过滤清灰静置沉降过滤,第六章,环境工程学,二、袋式除尘器的滤料和结构型式,1、袋式除尘器的滤料滤料有机织布（素布或绒布）、针刺毡和表面过滤材料等。不同结构的滤料的滤尘过程不同，对滤尘效率的影响也不同。表面过滤材料，是在常规滤料（称为底布）表面造成具有微小孔隙的薄层，其孔径小到足以使所有粉尘都被阻留在滤料表面，即主要靠滤料的筛分作用捕集粉尘。,第六章,环境工程学,2、袋式除尘器的结构型式,机械振动类逆气流反吹类脉冲喷吹类等型式,清灰方式在很大程度上影响着袋式除尘器的性能，是袋式除尘器分类的主要依据。按清灰方式分类:,第六章,环境工程学,第六章,环境工程学,第六章,环境工程学,第六章,环境工程学,第六章,环境工程学,第六章,环境工程学,外滤式：含尘气体由滤袋外侧穿过滤料流向滤袋的内侧，粉尘附着在滤袋的外表面。内滤式：含尘气体首先由袋口进入滤袋的内侧，然后穿过滤袋流向外侧，粉尘附着在滤袋的内表面。,按过滤方向分类:,第六章,环境工程学,第六章,环境工程学,第六章,环境工程学,第六章,环境工程学,圆袋：通常直径为120300mm，袋长为212m。圆袋受力较好，支撑骨架及连接简单，便于清灰，应用最广。扁袋：有平板形、楔形等多种形状。内部都有一定形状的骨架支撑，单位体积的过滤面积大，占地面积小，但清灰、维修不方便。,按滤袋形状分类:,第六章,环境工程学,扁布袋式除尘机组,第六章,环境工程学,回转反吹风扁袋式除尘器(实物),第六章,环境工程学,喷吹脉冲袋式收尘器,第六章,环境工程学,吸入（负压）式：除尘器设在风机的负压段运行，要求除尘器采取密封结构，风机在净化后的干净气体中运行，因而较少出现叶轮磨损及粉尘粘附等故障。压入（正压）式：除尘器设在风机的正压段运行，除尘器不需采取密封结构，净化后的气体可直接排至大气，结构简单，节省管道，造价较低。,按除尘器内的压力分类：,第六章,环境工程学,三、袋式除尘器的性能,除尘效率：可达99%以上，过滤风速：一般取0.61.6m/min，压力损失：主要受粉尘层厚度的影响，一般控制在8001200Pa。耐温性：主要取决于滤布的耐温性,第六章,环境工程学,四、袋式除尘器的选择与设计,1、收集设计资料处理气体量，排放浓度和排放速率，气体的温度、湿度和压力等；粉尘的浓度、粒径分布和粘附性等；投资和运行能耗的要求；除尘器的运行制度和工作环境等。,第六章,环境工程学,2、设计选择步骤1）处理气体量（工况下）。2）运行温度：其上限应在所选滤料允许的长期使用温度，而其下限应高于露点温度1520。3）选择滤料及清灰方式。4）过滤速度：依据清灰方式及粉尘特性确定。5）计算过滤面积。6）确定过滤、反吹的持续时间和频率。7）确定除尘器型号规格。对于脉冲袋式除尘器而言，还应计算清灰气源的用量及要求的压力。8）粉尘输送、回收及综合利用系统设计。,第六章,环境工程学,第六节湿式除尘器,湿式除尘器是通过含尘气体与液体互相接触，使污染物从气体中分离出来的装置。,一、湿式除尘机理：主要靠尘粒与液滴的惯性碰撞、拦截、扩散、凝聚等作用。,惯性碰撞主要取决于尘粒的质量。拦截主要取决于粒径的大小。很小的尘粒受扩散作用的影响较大。水气凝结到尘粒表面，形成含尘液滴。,第六章,环境工程学,二、湿式除尘器的功能,分离气体中的固体颗粒污染物，脱除气体中气态污染物，高温气体的降温、增湿等。,第六章,环境工程学,三、湿式除尘器分类,总体上将湿式除尘器分为低能和高能两类：低能洗涤器：包括喷雾塔和旋风洗涤器等。压力损失为0.251.5kPa，一般运行条件下的耗水量（液气比）为0.40.8L/m3，对大于10m的粉尘的净化效率可达90%95%。高能洗涤器：如文丘里洗涤器，净化效率达99.5%以上，压力损失范围为2.59.0kPa，常用于炼铁、炼钢、造纸及化铁炉烟气除尘上。,第六章,环境工程学,根据湿式气体洗涤器的净化机制，可将其大致分为以下几类：重力喷雾洗涤器；旋风洗涤器；自激喷雾洗涤器；板式泡沫洗涤器；填料塔洗涤器；文丘里洗涤器。,第六章,环境工程学,湿式除尘器的型式、性能等参数范围,第六章,环境工程学,四、重力喷雾洗涤塔,重力喷雾洗涤塔是湿式洗涤塔中最简单的一种，也称喷雾塔或洗涤塔。含尘气体通过喷淋液体所形成的液滴空间时，尘粒和液滴的惯性碰撞、拦截和凝聚等作用，形成较大的含尘液滴，靠重力作用沉降，与洗涤液一起从塔底部排走。为保证塔内气流分布均匀，常用孔板型分布板或填料床。并在塔顶部设除雾器。,第六章,环境工程学,第六章,环境工程学,第六章,环境工程学,喷雾塔的捕集效率取决于水滴直径及其与气流之间的相对速度。最佳水滴直径：在喷水量一定时，喷雾愈细，下降水滴布满塔断面的比例愈大，靠拦截捕集尘粒的概率愈大。但细水滴的沉降速度较小，则与气体之间的相对运动速度变小，因而靠惯性碰撞捕集尘粒的概率随水滴直径的减小而减小。综合这两种对立的机制，便可得到一最佳水滴直径。,重力喷雾塔的捕集效率,第六章,环境工程学,五、旋风洗涤器,湿式旋风洗涤器和干式旋风除尘器相比，由于附加了液滴的捕集作用，捕集效率明显提高。旋风洗涤器适于净化5m以上的尘粒。在净化亚微米范围内