第七章 湿式除尘器

第7章湿式除尘器 7 1湿式除尘器的分类与性能7 2重力喷雾塔与离心式洗涤器7 3自激式洗涤器7 4文丘里洗涤器 第7章湿式除尘器 学习要点掌握湿式除尘器的分类与性能了解重力喷雾塔与离心式洗涤器结构形式了解自激式洗涤器结构形式掌握文丘里洗涤器除尘原理 7 1湿式除尘器的分类与性能 7 1 1湿式除尘器的分类湿式除尘器是使含尘气体与液体 通常用水 密切接触 利用重力 惯性碰撞 拦截 扩散 静电力等作用捕集颗粒或使粒径增大的装置 又称湿式气体洗涤器 根据能耗可以分为低 中 高能耗3类 低能耗 如喷雾塔和旋风洗涤器等 压力损失为0 25 1 5kPa 对10 m以上尘粒的净化效率可达90 左右 中能耗 如冲击水浴除尘器 机械诱导喷雾洗涤器等 压力损失为1 5 2 5kPa 高能耗 如文丘里洗涤器 喷射洗涤器等 除尘效率可达99 5 以上 压力损失为2 5 9 0kPa 排烟中的尘粒粒径可小于0 25 m 7 1湿式除尘器的分类与性能 根据湿式除尘器的净化机制 可将其分为7类 湿式除尘器运行中气液接触表面及捕尘体的形式和大小 取决于一相进入另一相的方法不同 重力喷雾洗涤器离心或旋风洗涤器冲击水浴除尘器泡沫除尘器 板式塔 填料塔文丘里洗涤器机械诱导喷雾洗涤器 捕尘体类型 除尘器类型 液滴液滴或液膜液滴气泡和气体射流液膜液滴液滴 图7 1湿式除尘器示意图 a 重力喷雾洗涤器 b 离心洗涤器 c 冲击水浴除尘器 d 泡沫除尘器 板式塔 e 填料塔 f 文丘里洗涤器 g 机械诱导喷雾洗涤器 用液体来洗涤和捕集气体中微粒 大体要在四种气 液交界面上进行 气泡表面液体喷射表面液膜表面液滴表面 1 气泡表面 筛板塔 含尘气流通过多孔板上的液体时 气体在孔眼处形成气泡 并逐渐变大 随后上升通过液层 筛板可分为三个区域 最下层是鼓泡区 主要为液体 中间层是运动的气泡层 主要是气体 液体是以气泡膜的形式存在 上层是溅沫区 液体变成了不连续的溅沫 气流中的尘粒主要在气泡区被捕集 2 液体射流表面载尘气体平行于射流运动 在射流破碎的过程中 气体和液体发生强烈混合 常见的除尘器是引射式文丘里洗涤器 由于尘粒和液滴相对速度较小 故此装置的捕集效率不很高 但由于液体喷射的抽吸作用 气体不需引风设备 图6 41 a 表示一个压力喷嘴形成的射流 喷出的射流经一定距离后破碎为直径分布范围很广的液滴群 3 液膜 填料塔 液体依靠其流动性 润湿性在固体表面铺展开来 即形成液膜 如洗涤塔 内装填料 在填料表面形成液膜 塔内填料层作为气液两相间接触构件的传质设备 填料塔底部装有填料支承板 填料以乱堆方式放置在支承板上 填料的上方安装填料压板 以防被上升气流吹动 喷淋液从塔顶经液体分布器喷淋到填料上 并沿填料表面流下 气体从塔底送入 经气体分布装置分布后 与液体呈逆流连续通过填料层的空隙 在填料表面上 气液两相密切接触进行传质 4 液滴 喷雾塔 靠机械力 惯性力以及摩擦力等使液体分散在大量气体中 从而形成液滴 图6 43 b 是中心喷雾旋风洗涤器 含尘气流由筒体下部导入 旋转上升 水通过轴上安装的多头喷嘴喷出形成水雾与螺旋旋转气流相碰 使尘粒被捕集下来 粗颗粒由离心力甩向器壁被液膜捕集 细颗粒在中心区与液滴碰撞而捕集 图6 43 a 为机械喷雾塔 表示用机械力使液体通过一组多孔喷嘴分散成多液滴群的现象 在塔中液滴靠重力向下运动 含尘气流逆向流过液滴群 使尘粒被液滴捕集 根据此原理设计出的冲击式除尘器如图 b 所示 含尘气流进入后转弯向下冲击液面 粗尘粒被液体捕获 细尘粒随气流进入两叶之间的 s 型净化室 由于高速气流冲击水面激起的液滴碰撞及离心作用 使细尘粒被捕集下来 6 44 a 是利用惯性力的湿式除尘器 它使含尘气流直接冲击液面并急剧改变方向 粗尘粒靠惯性力与液体碰撞而被捕获 接着气流以细流方式穿过水层 激发出大量的液滴 受到二次净化 图6 45表示靠摩擦力来分散液体的一种情况 液滴是被平行于液体表面流入的高速气流从大量的液体中分离出来的 气体和液滴通过一个旋涡室 在旋涡室里整个流动方向发生改变 从而产生了必要的尘粒和液滴的相对运动 成为一种有效的除尘过程 离开旋涡室后 含尘液滴和净化后的气体发生分离 由于受气流速度的限制 故液滴较大 限制了除尘效率 靠摩擦力来高效分散液体的是文丘里湿式除尘器 首先 大液滴由设置在喉口处的压力喷嘴垂直于气流方向引入 由于喉口处高速气流的摩擦力作用 使大颗粒液滴分裂成许多小的球形液滴 图a 然后 球面液滴在垂直气流的作用下变成椭球面液滴 图b 再然后 在含尘气流的继续作用下 椭球面液滴进一步变成降落伞型薄层 图c 最后 由于气流的惯性力 伞形薄层的环形圆曲面将脱离薄层破碎 并分裂成为许多很小的液滴 这个过程重复出现 直到最新的液滴分裂成为很多小的含尘液滴为止 这种方式能在有效的容积内造成很好的界面分布 液滴的椭球面和伞形薄层有利于尘粒的惯性碰撞 而且液滴不断破碎 表面不断更新 故尘粒的捕集效率很高 主要湿式除尘装置的性能和操作范围 7 1 2湿式除尘器的特点 优点 结构简单 造价低 可以有效去除0 1 20 m的液滴或固体颗粒 在耗用相同能耗时 效率比干式机械除尘器高 高能耗湿式除尘器清除0 1 m以下粉尘粒子 仍有很高效率 除尘效率可与静电除尘器和布袋除尘器相比 而且还可适用于它们不能胜任的条件 如能够处理高温 高湿气流 高比电阻粉尘 及易燃易爆的含尘气体 在去除粉尘粒子的同时 还可去除气体中的水蒸气及某些气态污染物 既起除尘作用 又起到冷却 净化的作用 7 1湿式除尘器的分类与性能 7 1 2湿式除尘器的特点 缺点 排出的污水污泥需要处理 澄清的洗涤水应重复回用 净化含有腐蚀性的气态污染物时 洗涤水具有一定程度的腐蚀性 因此要特别注意设备和管道腐蚀问题 不适用于净化含有憎水性和水硬性粉尘的气体 寒冷地区使用湿式除尘器 容易结冻 应采取防冻措施 7 1湿式除尘器的分类与性能 7 1 3湿式除尘器的除尘效率总除尘效率与气液两相的接触方式 形成的捕尘体类型 捕尘体的流体力学状态以及粉尘粒子的粒径分布等因素有关 影响因素众多 过程复杂 多采用实验测定或经验公式计算 常用的计算方法有两种 1 卡尔弗特法推算除尘效率对于大多数遵从对数正态分布的工业粉尘 在以惯性碰撞为主的湿式除尘器中 分级通过率为 7 1湿式除尘器的分类与性能 da 空气动力粒径 mA A B 常数 填料床 B 2 文丘里 B 2 Rd为粒径为d的粉尘的筛上累积分布 参数B为不同值时 P与 dac dg B的关系曲线 参数B 2时 P与 dac dg 的关系曲线 例7 1设粉尘的几何平均粒径dg da50 10 m da50为空气动力中粒径 p 3g cm3 几何标准差 g 3 要求总通过率P 2 如果使用B 2的填料塔 筛板塔或文丘里洗涤器之类的湿式除尘器 在293K和1 1013 105Pa状态下 求其分割粒径 2 根据除尘器的能量消耗计算除尘效率 7 1湿式除尘器的分类与性能 特性参数 取决于粉尘的特性和洗涤器的形式 典型值见下页 PG 气体通过洗涤器的压力损失 Pa PL 加入液体的压力损失 Pa QL QG 分别为液体和气体的体积流量 m3 s 传质单元数NOG和洗涤器总能耗Et 特性参数 图7 4洗涤器的总除尘效率与总能耗的关系 虽然影响湿式除尘器除尘效率的因素比较复杂 但目前工业上常用的各种湿式除尘器基本上是围绕这两个因素发展起来的 提高气流和液滴的相对速度Vs减小液滴直径dL 请思考 液滴直径越小越好吗 液滴直径不是越小越好 直径过小的液滴容易随气流一起运动 减少了液气相对运动速度 例如 在文丘里洗涤器中 气流处于高速运动 小液滴比大液滴更容易被加速到载气速度 又如 在喷雾塔中 气体速度虽然不影响液体速度 但是重力影响液滴速度 因此对于给定颗粒为获得最大除尘效率 应有一个最佳的液滴直径 一般认为 液滴直径为捕集粉尘粒径的150倍左右较好 斯台尔曼 Stairmand 研究了尘粒和水滴尺寸对喷雾塔除尘效率的影响 根据斯台尔曼对逆流喷雾洗涤器的实验 当尘粒密度为2kg m3时 不同液滴捕集尘粒的效率如图7 7所示 从图中可以看出 当液滴直径为0 8mm左右时 对尘粒的捕集效率最高 这是综合了惯性碰撞和拦截作用两种除尘机理的结果 7 2重力喷雾塔与离心式洗涤器 7 2 1重力喷雾塔又称喷雾洗涤器 是湿式除尘器中最简单的一种 具有结构简单 压力损失小 一般小于0 25kPa 操作稳定方便等持点 但净化效率低 耗水量及占地面积大 常用于净化50 m以上的粉尘 对于小于10 m的尘粒效果较差 它一般不用作单独除尘 该除尘器通常与高效除尘器联用 可起预净化 降温和加湿作用 根据含尘气流与洗涤液运动方向的不同 重力喷雾塔可以分为逆流 错流和并流三种形式 实际应用中 以气液逆流型为主 错流型较少 并流型主要用于气体降温和加湿等过程 立式逆流洗涤器靠惯性碰撞捕集粉尘的效率 7 2重力喷雾塔与离心式洗涤器 错流式喷雾塔中粒子的惯性捕集效率 7 2重力喷雾塔与离心式洗涤器 1 随着H增加 dac减小 提高 2 一定范围内 随着DL增大 dac增大 降低 3 随着空塔气速vG升高 气液相对速度v0增加 St变大 降低 7 2重力喷雾塔与离心式洗涤器 根据惯性碰撞和拦截机理 减小水滴直径DL将使惯性碰撞与拦截作用增强 但DL过小时 水滴的自由沉降速度缓慢 甚至被气流托起或带走 相对速度大大降低 碰撞参数St反而减小 效率降低 因此存在一个最佳水滴直径范围 对各种粒径粒子除尘效率最高的液滴直径范围是0 5 l 0mm 尤以0 8mm左右为最佳 图7 7喷雾塔中的碰撞效率 7 2 2离心式洗涤器把干式旋风除尘器的离心力原理应用于具有喷淋或在器壁上形成液膜的湿式除尘器中 就构成了离心式洗涤器 与旋风除尘器相比 附加了水滴或者液膜的捕集作用 而且采用离心力将水滴甩向外壁 增大了气液间的相对速度 提高了碰撞效率 此外 壁流可将甩向外壁的粉尘立即冲下 有效地防止了二次扬尘 因此 除尘效率明显提高 效率一般可达90 以上 压损为0 25 1 0kPa 特别适用于气量大和含尘浓度高的场合 适于净化5 m以上的粉尘 在净化亚微米范围的粉尘时 常将它串接在文丘里洗涤器之后 作为凝聚水滴的脱水器 7 2重力喷雾塔与离心式洗涤器 几种常见的离心式洗涤器1 中心喷水切向进气离心式洗涤器 7 2重力喷雾塔与离心式洗涤器 通过入口管上的导流调节板调节入口风速和压损 为防止液滴被气体带走 在中心喷雾器的顶部装有挡水圆盘 在洗涤器的顶部装有整流叶片 用以降低洗涤器的压力损失 入口气速一般在15m s以上 器内断面气速一般为1 2 2 4m s 耗水量0 4 1 3L m3 对各种粉尘的净化效率可达95 98 阻力0 5 1 5kPa 图中曲线表明 液滴尺寸在40 200 m的范围内捕尘效果较好 100 m时效果最佳 此时 其单个液滴对5 m粒子的捕集效率几乎达到100 实际中一般采用100 200 m的水滴 2 立式旋风水膜除尘这类除尘器中心不向气流喷雾 只在器壁由壁流形成水膜 常见的有两种 1 CLS型旋风水膜除尘器外壳用金属材料制作 下流水膜依靠切向喷向筒壁的水雾形成 除尘效率达90 以上 净化效率取决于两个因素 气流入口速度和筒体高度 7 2重力喷雾塔与离心式洗涤器 气流入口速度一般范围为15 22m s 不能过大 否则压力损失激增 还会破坏水膜 造成尾气严重带水 使除尘效率降低 筒体高度不小于5倍筒体直径 保证旋转气流在洗涤器内的停留时间 设有3 6个喷嘴 喷水压力为30 50kPa 耗水量为0 1 0 3l m3 压力损失为0 5 0 75kPa 最高允许进口含尘浓度为2g m3 浓度过高时应设预处理装置 洗涤器筒体内壁保持稳定 均匀的水膜是保证正常工作的必要条件 为此 除保持供水压力恒定外 筒体内壁不能有突出的焊缝或凹凸不平的地方 避免水流经过时造成飞溅 2 麻石水膜除尘器 7 2重力喷雾塔与离心式洗涤器 其外壳由耐磨耐腐蚀的麻石 花岗岩 砌筑而成 下流水膜一般用溢水槽形成 为提高除尘效率 主筒前可增设卧式麻石低阻文丘里洗涤器 其优点是耐磨 耐腐蚀 寿命达20年以上 能净化沸腾炉 煤粉炉等含尘浓度很高 最高达60 70g m3 的烟气 除尘效率高达90 左右 耗钢少 造价较低 其缺点是除尘效率仍不够高 烟尘排放浓度难以达到国家标准 耗水量大 且酸性灰水需处理后才能排放 7 2重力喷雾塔与离心式洗涤器 近年来所作结构方面的改进 在水膜除尘器主筒 塔 之后增设了副筒 塔 烟气经二筒上部之间的水平烟道进入副筒 并从副筒下部经引风机和烟囱排放 副筒除作为烟管外 还有一定的脱水作用 主筒直接从混凝土基础上砌筑 底部设有灰水出口和溢流堰以实现水封 为提高除尘效率 在主筒前增设卧式麻石低阻文丘里洗涤器 将文丘里 水膜除尘器的总除尘效率提高到95 97 7 2重力喷雾塔与离心式洗涤器 干式旋风除尘器的除尘效率公式仍适用于内部空间不喷雾 只在壁面有水膜的离心式除尘器 而且比干式更接近实际情况 图4 9分级效率与dp dc50的关系 3 卧式旋风水膜除尘器 卧式旋风水膜除尘器由内筒 外壳 螺旋导流叶片 集尘水箱和排水设施等组成 内外筒之间通过设置螺旋形导流叶片 使二者之间的间隙被分割成螺旋形气体通道 横截面为倒梨形 以三个螺旋圈为多 当气流以高速冲击到水箱内的水面上时 一方面 尘粒因惯性作用而落入水中 另一方面 气流冲击水面激起的水滴与尘粒相碰撞 也将尘粒捕获 同时 气流携带水滴继续做螺旋运动 水滴被离心力甩向外壁形成3 5mm水膜 将沉降到其上的尘粒捕获 7 2重力喷雾塔与离心式洗涤器 可见 旋筒式水膜除尘器综合了旋风 冲击水浴和水膜三种除尘机制 从而达到较高的除尘效率 对各种粉尘的净化效率达90 以上 有的高达98 压损一般为0 8 1 2kPa 保持效率高和压损低的关键在于各圈形成完整的和强度均匀的水膜 应注意入口风速和筒底水面的控制 螺旋通道高度应保持100 150mm 通道内平均气流速度控制在11 17m s 连续供水量为0 06 0 15L m3 气量允许波动范围宜20 左右 4 旋流板塔洗涤器旋流板塔洗涤器有较高的除尘效果和良好的传质性能 国内很多中小型锅炉用它同时除尘和脱硫 塔体常用麻石制作 或采用碳钢外壳内衬耐磨耐腐材料 旋流塔板形状如固定的风车叶片 气流通过叶片时产生旋转和离心运动 主要除尘机制是尘粒与液滴的惯性碰撞 离心分离和液膜粘附 能够允许高速气流通过 负荷较高 处理能力较大 操作弹性亦较大 但由于板上气液接触时间短 效率一般较低 除尘 除雾的单板效率为90 左右 7 2重力喷雾塔与离心式洗涤器 7 3自激式洗涤器 自激式洗涤器是将具有一定动能的含尘气流直接冲击液面以形成雾滴 使尘粒从气流中分离 达到除尘的目的 优点是在高含尘浓度时能维持高的气流量 耗水量小 一般低于0 13L m3 压力损失0 5 4kPa 净化效率一般可达85 95 常见的有两种类型 1 冲击水浴洗涤器含尘气流以8 12m s的速度经喷头高速喷出 冲击水面并急剧地改变流向 粗尘粒靠惯性与水碰撞而被捕获 接着气流以细流方式穿过水层 激发出大量泡沫和水花 细小的尘粒在上部空间和水滴碰撞后 由于凝聚 增重而被捕集 7 3自激式洗涤器 水浴洗涤器阻力 Pa 计算 7 3自激式洗涤器 影响冲击水浴洗涤器效率和压损的主要因素有 气体经喷头的喷射速度 喷头被水淹没的深度 喷头与水面接触的周长S与气流量Q之比值S Q等 增加喷头与水面接触的周长与含尘气体量之比 可以提高除尘效率 因此 改进喷头结构形式是提高除尘效率的一个有效途径 圆管喷头虽然简单 但是效果不好 水浴洗涤器的喷头常采用图7 16b所示形式 气流从环形窄缝喷出 或是采用锯齿形喷头结构 喷头可增设一个锥形分流器 提高去除效率 7 3自激式洗涤器 喷头埋水深度一般为0 30mm 喷射速度为8 14m s 除尘效率达85 95 压力损失约为1 5kPa 水浴洗涤器可在现场用砖或钢筋混凝土构造 适合中小型工厂采用 它的缺点是泥浆清理比较困难 例7 2有一水浴洗涤器 除尘器断面尺寸为1 5m 2m 进风管直径d 0 5m 喷头出口风速v 12m s 喷头埋水深度h0 20m 气体密度 1 293kg m3 计算该水浴洗涤器的阻力 2 冲激式洗涤器我国生产的冲激式除尘器将通风机 洗涤除尘室 水位控制装置和清理泥浆装置等组成的冲激式除尘机组 结构紧凑 占地小 便于安装和管理 这种洗涤器的特点是随着入口含尘浓度增大 除尘效率有所提高 处理气量变化在 20 时 对除尘效率几乎没有影响 缺点是 金属消耗量大 阻力高 价格较贵 7 3自激式洗涤器 7 4文丘里洗涤器 湿式除尘器提高除尘效率的途径 较高的气液相对速度和细小的液滴 文丘里洗涤器是一种高效湿式除尘器 常用于除尘和高温烟气降温 也可以用于吸收气态污染物 对0 5 5 m的尘粒 除尘效率可达99 以上 但阻力较大 运行费用较高 7 4文丘里洗涤器 1 文丘里洗涤器的构造和原理文丘里除尘器由文丘里管 简称文氏管 和脱水器两部分组成 文氏管由进气管 收缩管 喷嘴 喉管 扩散管 连接管组成 脱水器也叫除雾器 上端有排气管 用于排出净化后的气体 下端有排尘管道接沉淀池 用于排出泥浆 1 循环泵 2 文氏管 3 调节板4 分离器 5 沉淀池 含尘气体由进气管进入收缩管后 流速逐渐增大 气流的压力能逐渐转变为动能 在喉管入口处 气速达到最大 一般为50 180m s 洗涤液 一般为水 通过沿喉管周边均匀分布的喷嘴进入 液滴被高速气流雾化和加速 充分的雾化是实现高效除尘的基本条件 尘粒表面附着的气膜被冲破 尘粒被水湿润 在尘粒与液滴或尘粒之间发生着激烈的惯性碰撞和凝聚 进入扩散管后 气速减小 压力回升 以尘粒为凝结核的过饱和蒸汽的凝聚作用加快 凝聚有水分的颗粒继续碰撞和凝聚 小颗粒凝并成大颗粒 被其它除尘器或脱水器捕集 气体得到净化 除尘原理 结构型式按形状分 矩形和圆形 按组合方式分 单管和多管 按喉管构造分 有喉口部分无调节装置的定径文氏管和喉头装有调节装置的调径文氏管 按水雾化方式分 有预雾化和不预雾化两种 按供水方式分 有径向内喷 径内外喷 轴向喷雾和溢流供水 各种供水方式均以有利于水的雾化并使水滴布满整个喉管断面为主 确定文氏管几何尺寸的基本原则是保证净化效率和减小流体阻力 尺寸包括收缩管 喉管和扩散管的直径和长度 及收缩管和扩散管的扩张角等 7 4文丘里洗涤器 当处理气量增大 文丘里管直径需要扩大时 为了达到相同的运动效果 在喉管内的气流速度也必须作相应扩大 为此设计了多个小直径文丘里管并联组合的多管文丘里洗涤器如图 它能够采用较低的喉管气流速度 获得以较高的气流速度所能达到的运行效果 a c 圆形定径 d 矩形定径 e f 重砣式定径 倒装和正装 g j 矩形调径 翼板式 滑块式 米粒式 2 文丘里洗涤器的压力损失文丘里洗涤器的压力损失包括文氏管和脱水器的压力损失 影响文氏管压力损失的因素很多 文氏管的压力损失推算经验公式 卡尔弗特经验式 海斯凯茨经验式 7 4文丘里洗涤器 处理高温气体时 以上结果需乘以温度修正系数K 木村典夫经验式 径向喷雾时 文丘里洗涤器的除尘效率文丘里管的除尘效率包括文氏管的凝聚效率和脱水器的效率 通常只考虑前者 即尘粒被水滴捕获的百分率 卡尔弗特基于惯性碰撞的捕尘机制 给出如下经验公式 7 4文丘里洗涤器 卡尔弗特简化公式 海斯凯茨公式 5 m以下粉尘粒子 7 4文丘里洗涤器 从公式可以看到 文氏管的凝聚效率与喉管内气流速度vT 粉尘粒径dp 液滴直径dL 以及液气比L等因素有关 1 vT越大 越高 2 要达到同样的 对粒径和密度都较大的粉尘 vT可取小些 反之 需取较大vT值 3 对da10 m的粒子 效率均接近100 提高vT 效率变化不大 只能提高液气比 提供更多水滴 最佳水滴直径约为da的150倍左右 液气比必须与喉管内气流速度相应增大 否则液滴过大 不利于 的提高 例7 3某文丘里洗涤器的喉部气流速度为122m s 水气比为1 0L m3 气体动力黏度为2 08 10 5Pa S 实验系数f取为0 25 尘粒密度为1 50g cm3 求洗涤器的压力损失 p和dp 1 0 m尘粒的除尘效率 1 4 文丘里洗涤器的设计计算文丘里洗涤器设计计算的内容为文丘里管收缩管 喉管和扩散管的直径和长度 以及