颗粒污染物控制(2).ppt

1 第五章颗粒污染物控制 第一节除尘技术基础 第二节重力沉降 第三节旋风除尘 第四节静电除尘 2 第一节除尘技术基础 一 粉尘粒径二 粒径分布三 除尘装置的捕集效率 3 一 粉尘粒径 降尘 10 m 具有明显的沉降运动 在空气中停留时间很短的粉尘 飘尘 10 m 没有明显的沉降运动 在空气中停留时间很长的粉尘 粒径是表征粉尘粒子大小的一个代表性尺寸 4 1 单一粒径 表征单个粒子的大小的特征量 A 按粒子的几何性质来直接测量和定义的粒径 B 按粒子的某种物理性质来间接测量和定义的粒径 1 筛分粒径用筛分法测定时 粒子能通过的最小方孔的宽度 5 2 沉降粒径ds 与被测粒子密度相同 终末沉降速度相等的球的直径 终末沉降速度Vs 粒子在重力场中沉降时 作用于粒子上的合力为零时 粒子的沉降速度 在层流区内 Rep 1 式中 流体的粘度 Pa s p l 粒子 流体的密度 kg m3 6 3 空气动力学直径da 与被测粒子在空气中的终末沉降速度相等的单位密度的球的直径 7 2 平均粒径 表征粒子群的平均大小的特征量 A 算术平均径 粉尘直径的总和除以颗粒总数 N 粉尘颗粒总数 di 第i种粉尘的直径 ni 第i种粉尘的个数 8 B 几何平均粒径 N个粉尘直径积的N次方 9 1 2 粒径分布 1 粒径分布的定义 某一粒子群中 不同粒径的粒子所占的比例 也称为粒子的分散度 10 2 粒径分布的表示方法 1 频率分布g 粒径从dp到dp dp之间的粒子质量 m占粉尘试样总质量m的百分数 2 频率密度分布f m 当 dp 1 m时的频率分布 11 当 dp 0时 其微分形式为 3 累积频率分布 大于 小于 某一粒径dp的所有粒子质量占粉尘试样总质量m的百分数 称为筛上 下 累积分布R G 12 3 粒径分布函数 1 高斯正态分布 2 对数正态分布 3 R R分布 13 三 除尘装置的捕集效率 一 除尘器性能的评价指标 1 气体处理量Q 代表除尘器处理气体能力大小的指标 单位为Nm3 h m3 h 2 除尘效率 代表除尘器除尘效果的性能指标 14 3 压力损失 P 代表除尘器能耗大小的技术经济指标 P等于除尘器进 出口全压的差 式中 除尘器进口出口烟道的平均全压 PaPH 由于进出口高度差引起的压差 Pa 一般忽略PH 15 二 除尘效率的表示方法 1 总除尘效率 总除尘效率是指在同一时间内 除尘器除去粉尘量和进入粉尘量的百分比 16 2 通过率P 通过率P一般用在效率表示不明显的地方 3 串联运行时的总效率 对于串联运行的除尘器 前 后级除尘器的除尘效率有何要求 为什么 17 4 分级除尘效率 d 除尘器对某一粒径粉尘的除尘效率 Sc Si为某一粒径带内的粉尘流量 在什么情况下 某一粒径粉尘的出口分散度小于其进口分散度 18 四 除尘器分类 机械式除尘器 利用质量力进行分离 过滤式除尘器 利用织物纤维的过滤来进行分离 电除尘器 利用静电库仑力的作用进行分离 洗涤式除尘器 利用液体洗涤作用进行分离 19 第二节重力沉降 重力沉降是利用含尘气体中的颗粒受重力作用而自然沉降的原理 将颗粒污染物与气体分离的过程 重力沉降室可能是所有空气污染控制装置中最简单的一种装置 它的结构简单 造价低 便于维护管理 压力损失小 而且可以处理高温气体 20 一 颗粒沉降速度 当直径为dp的球形颗粒在静止液体中自由沉降时 所受作用力主要有重力F1 流动对颗粒的浮力F2以及流体对颗粒的阻力F3 因此 作用在颗粒上的合力为 F F1 F2 F3重力F1与沉降方向一致 浮力与沉降方向相反 两者的差为颗粒的沉降力 21 二 重力沉降室的设计 图6 1是一简单的重力沉降室 含尘气体由管道进入此管道宽度大得多的沉降室时 流速突然减慢 使颗粒能在重力作用下沉于室底 通过重力作用使尘粒从气流中沉降分离的除尘装置 22 一 沉降时间与沉降速度 沉降室的设计计算以如下假定为基础 通过沉降断面的水平气流速度分布是均匀的 并呈层流状态 颗粒的水平移动速度与气流速度相同 含尘气流通过横断面比管道大得多的沉降室时 流速大大降低 使大而重的尘粒以其沉降速度us缓慢落至沉降室低部 23 如果水平气流平均速度为V m s 则气流通过长度为L m 的沉降室的时间为t1 s 为 t1 l V 而沉降速度为Vt的颗粒 从顶部降落到底部所需要的时间为 t2 H ut 为使粒径为dp的颗粒在沉降室中全部沉降下来 必须保证t1 t2 即 v ut 24 二 沉降尺寸 因沉降室高度 已定 由式可求出沉降室的最小长度 反之 若 已定 可求出最大高度 沉降室宽度 取决于处理气体量 m3 s 25 三 沉降室捕集效率 在时间t内 粒径为dp的粒子的沉降距离为 对于粒径为dp的粒子 只有在高度hc以下进入沉降室才能沉降到灰斗 当hc H时 粒子的分级除尘效率为 26 该沉降室所能捕集的最小粒径为 v0 气体的流速 m s 流体的粘度 pa s 27 第三节 旋风除尘 旋风除尘是利用旋转的含尘气流所产生的离心力 将颗粒污染物从气体中分离出的过程 旋风除尘器 利用旋转气流产生的离心力使尘粒从气流中分离的装置 28 一 旋风除尘器的工作原理 一 旋风除尘器内的气流运动 二 旋风除尘器内的颗粒运动及分离过程 29 一 旋风除尘器内的气流运动 外涡旋 旋转向下的外圈气流 内涡旋 旋转向上的中心气流 气流作涡旋运动时 尘粒在离心力作用下逐步移向外壁 达到外壁的尘粒在气流和重力共同作用下沿壁面落入灰头 30 对旋风除尘器内气流运动的测定发现 实际气流除切向和轴向运动外 还有径向运动 在外涡旋也存在离心的径向运动 通常把内外涡旋气体的运动分解成为三个速度分量 切向速度 径向速度和轴向速度 切向速度是决定气流速度大小的主要速度分量 也是决定气流质点离心力大小的主要因素 根据涡旋定律 外涡旋的切向速度vT反比于旋转半径R的n次方 气流从除尘器顶部向下高速旋转时 顶部的压力下降 一部分细小的尘粒沿筒壁旋转向上 达到顶部后 再沿排出管外壁旋转向下 最后到达排出管下端附近被上升的内涡旋带走并从排出管排出 这股旋转气流称上涡旋 31 二 旋风除尘器内的颗粒运动及分离过程 轴向速度外旋涡的轴向速度向下 内旋涡的轴向速度向上 在内旋涡 随着气流逐渐上升 轴向速度不断增大 在排出管底部达到最大值 32 二 旋风除尘器的分离性能 一 颗粒的分离直径 二 捕集效率 三 影响捕集效率的因素 33 一 颗粒的分离直径 在旋风除尘器内 粒子的沉降速度主要取决于离心力Fc和向心运动气流作用于尘粒上的阻力FD在内外涡旋界面上 如果Fc FD 粒子在离心力推动下移向外壁而被捕集 如果Fc FD 粒子在向心气流的带动下进入内涡旋 最后由排气管排出 如果Fc FD 作用在尘粒上的外力之和等于零 粒子在交界面上不停地旋转 实际上由于各种随机因素的影响 处于这种平衡状态的尘粒有50 的可能性进入内涡旋 也有50 的可能性移向外壁 它的除尘效率为50 此时的粒径即为除尘器的分割直径 用dc表示 因为Fc FD 对于球形粒子 由斯托克斯定律得到 34 dc愈小 说明除尘效率越高 性能愈好 dc确定后 可根据雷思 利希特模式计算其他粒子的分级效率 35 36 三 影响捕集效率的因素 入口风速 或流量 除尘器的结构尺寸粉尘粒径与密度气体温度灰斗的气密性 37 三 旋风除尘器的分类及选型 一 旋风除尘器的分类 1 按气体流动状况分可分为切流返转式和轴流式两种 切流返转式 分为直入式和蜗壳式 前者的进气管外壁与筒体相切 后者进气管内壁与筒体相切 轴流式 是利用固定的导流叶片促进气流旋转 在相同的压力损失下 能够处理的气体量大 且气流分布较均匀 主要用于多管旋风除尘器和处理气体量大的场合 38 2 按结构形式分可分为圆筒体 长锥体 旁通式和扩散式等 圆筒体 它是用得很早的一种旋风除尘器 其圆筒高度大于圆锥高度 结构简单 压力损失小 处理气量大 适用于捕集密度和粒度大的颗粒物 长锥体 它的特点是圆筒较短 圆锥较长 旁通式 它的特点是排气管插自主深度较浅 在圆筒体中设有灰尘隔室并与锥体连通 扩散式 它具有倒形锥体 锥底设有反射屏 39 二 旋风除尘器的设计选型 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 合理选择旋风除尘器的型式 根据使用时允许的压力降确定进口气速v1若没有提供允许的压力损失数据 一般取进口气速为12 25m s 确定旋风除尘器的进口截面A 入口宽度b和高度h 确定各部分几何尺寸 由进口截面积A和入口宽度b及高度h定出各部分的几何尺寸 40 四 旋风除尘器的设计 旋风除尘器各部分尺寸比例 筒体直径D入口尺寸排气管筒体与锥体长度圆锥角 排尘口直径 c 41 第四节静电除尘 一 静电除尘的基本原理二 静电除尘器分类及结构三 静电除尘器的效率四 静电除尘器的设计 42 一 静电除尘的基本原理 静电除尘器是利用静电力从气流中分离悬浮粒子 尘粒或液滴 的装置 与其他除尘器的根本区别在于 除尘过程的分离力 主要是静电力 直接作用在粒子上 而不是作用在整个气流上 因此电除尘器具有分离粒子能耗低 气流阻力小的特点 由于作用在粒子上的静电力相对较大 所以电除尘器也能有效地捕集亚微米级粒子 电除尘器还具有处理气流量大 能连续操作 可在高温或腐蚀性条件下工作等优点 1 静电除尘器的特点及应用 43 一 静电除尘的基本原理 除尘效率一般可大于99 对微小尘粒也有足够的捕集效率 处理量大 能连续操作 可用于高温 高压 广泛应用于冶金 化工 能源 材料 纺织等工业部门 但静电除尘器设备庞大 占地面积大 一次性投资费用高 应用范围受粉尘比电阻限制 难以适应操作条件的变化 此外对制造 安装质量要求高 1 静电除尘器的特点及应用 44 一 静电除尘的基本原理 2 静电除尘器的工作原理 45 在两个曲率半径相差较大的金属阳极和阴极上 通以高压直流电 维持一个足以使气体电离的静电场 含尘气体在电晕极周围强电场作用下发生电离 形成气体离子和电子使粒子荷电 荷电粒子在电场力作用下向集尘极运动并在集尘极上沉积 从而达到粉尘和气体分离的目的 当集尘极上粉尘达到一定厚度时 借助振打机构使粉尘落入下部灰斗 可见 电除尘器的工作原理包括电晕放电 气体电离 粒子荷电 荷电粒子的迁移和捕集 以及清灰等过程 一 静电除尘的基本原理 46 3 气体电离和粒子荷电 通常气体中只含有极其微量的自由电子和气体离子 可视为绝缘体 在电除尘器中 当两电极之间的电压达到一定值时 两电极间的气体将发生电离由绝缘状态转变为传导状态 即产生气体电离或电击穿 1 粒子荷电粒子荷电是一种不完全的电击穿 只是在放电极周围很薄的一气层中出现电击穿 两电极间的电流很小 而火花放电则是在放电极到收尘极之间有多条火花电击穿 传导电流较大 47 3 气体电离和粒子荷电 48 ab段 气体导电仅借助于气体中原有少量自由电子 电流随电压升高而增大 但电流的绝对值不高 bc段 电压由b 升到c 极间导电电流几乎没有变化 说明没有新电离出的电子和离子参与导电 增加的电压主要是提高了原有自由电子的动能 cd段 当电压升高到c 点时 由于气体中的电子已获得足够的动能 足以使与之碰撞的气体中性分子发生电离 产生新的电子和阳离子 失去能量的电子可与其他中性气体分子结合成为阴离子 新的电子和离子参与导电 当电子在电场中获得足够大的动能后 又与其他中性气体碰撞使其电离 新产生的电子数和离子数像 雪崩 似地按等比级数增加 这就是所谓的气体电离中的电子雪崩 此时在放电电极周围的电离区 可以看见淡蓝色的光点或光环 也能听见咝咝声和噼啪的爆裂声 这一现象称为电晕放电 3 气体电离和粒子荷电 49 如果两极间的电压升到e 点 由于电晕区扩大 致使电极间产生火花或电弧 电极间出现火花或电弧说明极间气体全部击穿 火花放电时 极间电压急剧下降 同时在极短的时间内通过大量电流 出现火花放电的电压称为火花放电电压 电除尘器运行时应经常保持在两极间的气体处于不完全被击穿的电晕状态 应尽量避免产生短路现象 50 3 气体电离和粒子荷电 51 离开放电电极一定距离 经多次碰撞已经失去能量 由于电场强度下降不足以使电子获得足够的能量再电离中性气体分子 电晕现象随之消失 开始发生电晕现象的电压c 称为起始电晕电压 曲线cd称为电晕放电段 在电晕放电区 通过气体的电离电流 称为电晕电流 3 气体电离和粒子荷电 52 2 粒子荷电 在电除尘器中 粉尘粒子主要是借助电场力作用而被捕集 粉尘粒子荷电量愈大 被捕集的效果就愈大 理论和实践都证明单极高压电晕可使粉尘粒子荷电量较大 气体离子与粉尘粒子碰撞 能使离子附着在粒子上而荷电 两种荷电机制 一种是气体离子在电场力的作用下做定向运动与粉尘粒子碰撞 使其荷电 这种荷电称为电场荷电 dp 1 0 m 另一种是气体离子作不规则热运动时与粉尘粒子碰撞 使其荷电 这种荷电称为扩散荷电 dp 0 2 m 粒子介于0 2 1 0 m的粒子 两种荷电机制均存在 53 4 荷电粒子的迁移和沉积 荷电粒子在电场力的作用下 将朝着与其电性相反的集尘极移动 颗粒荷电愈多 所处位置的电场强度愈大 则迁移的速度愈大 当荷电粒到达集尘极处 颗粒上的电荷中和 从而使颗粒恢复中性 此即颗粒的放电过程 在集尘电极表面堆积的荷电颗粒层厚了 就排斥新来的荷电颗粒 使它们不能在集尘极放电 于是集尘就停止 如荷电颗粒层过厚 则在庥尘极的颗粒层中 形成的电压梯度过大 就会造成颗粒层空隙中的气体电离 即产生电晕放电 称之为反电晕 这样形成的自由电子和离子被吸向集尘电极 而颗粒带着与集尘极电极电性相同的电荷而向电晕极运动 使除尘效率大为降低 54 5 颗粒的清除 气流中的颗粒在集尘极上连续沉积 极板上的颗粒层厚度就不断增大 最靠近集尘极的颗粒已把大部分电荷传导给极板 因而使集尘极与这些颗粒之间的静电引力减弱 颗粒将有脱离极板的趋势 但是由于颗粒层电阻的存在 靠近颗粒层外表面的颗粒没有失去其电荷 它们与极板产生的静电力足以使靠极板的非荷电颗粒被 压 在极板上 因此 必须用振打的方法或其他清灰的方式将这些颗粒层颗粒强制破坏 并使其落入灰斗 从除尘器中排出 55 二 静电除尘器分类及结构 1 按集尘器的形式分圆管型和平板型电除尘器2 按荷电和放电空间布置分一段式和二段式电除尘器3 按气流方向分分卧式和立式两种4 按清灰方式分分为干式和湿式两种 一 静电除尘器分类 二 电除尘器的结构 1 电晕电极2 集尘电极3 清灰电极4 气流分布装置 56 1 管式电除尘器单管电除尘器结构如图所示 集尘极为 150 300mm的圆形金属管 管长为3 5m 放电极线 电晕线 用重锤悬吊在集尘极园管的中心 管式电除尘器电场强度高且变化均匀 但清灰比较困难 常用于处理含尘气体量小或含雾滴的气体 1 按集尘电极的结构形式分类 57 集尘极由多块一定形状的钢板组合而成 放电极 电晕极 均布在两平行集尘极间 两平行集尘极的距离一般为200 400mm 极板高度2 5mm 版式电除尘器电场强度变化不均匀 清灰方便 制作安装容易 2 版式电除尘器 58 2 按荷电和放电空间布置分类 1 单区电除尘器集尘级和电晕极装在同一区域内 颗粒荷电和捕集在同一区域内完成 2 双区电除尘器收尘极系统和电晕极系统分别装在两个不同区域内 前区安装电晕极称电晕区 粉尘粒子在前区荷电 后区安装集尘极称为收尘区 荷电粉尘粒子在收尘区被捕集 双区电除尘器主要用于空调的空气净化方面 59 3 按气流流动方式分类 1 立式电除尘器一般管式电除尘器为立式电除尘器 含尘气流自下而上流过 立式电除尘器占地面积小 捕集效率高 2 卧式电除尘器含尘气流沿水平方向流过完成除尘过程的电除尘器称为卧式电除尘器 又可分为电场供电 容易实现对不同粒径粉尘的分离 有利于提高总除尘效率 安装高度比立式低 操作和维修方便 60 4 按清灰方式分类 1 干式电除尘器干燥状态下采用机械振打 电磁