大气污染控制工程-第三章---除尘技术及装置VIP

第三章除尘技术及装置,本章要点,掌握颗粒的粒径及粒径分布、粉尘的物理性质、净化装置的性能、颗粒捕集的理论基础。掌握机械式除尘：重力沉降室，旋风除尘器捕集原理、压力损失及除尘效率旋风除尘器的分类及典型结构，选型设计。掌握过滤式除尘：袋式除尘器的基本原理，滤料，结构型式和性能，影响除尘效率的因素，压力损失，选型设计。掌握电除尘：除尘过程及荷电机理，驱进速度与捕集效率，影响电除尘效率的因素，电除尘器基本结构型式及选用。,一.除尘技术基础,1.粉尘的物理性质密度：堆积密度其中：为真密度比表面积：m2/m3或m2/kg,以质量为基准定义的比表面积为粉尘的浸润性若粉尘的含水量为mW(g)，干粉尘质量为md(g)，则粉尘的含水率w(%)定义为：粉尘的荷电性及导电性粉尘导电,容积导电,表面导电,比电阻粉尘的粘附性：粉尘彼此相互附着粉尘的安息角与滑动角爆炸性：可燃性悬浮物在一定的浓度范围内会导致化学爆炸2.粉尘粒径及粒径分布单一粒径,单一粒径,投影径,长径,短径,定向粒径dF,定向面积等分径dM,几何当量径,等投影面积径dA:,等体积径dV,等表面积径dS,体积表面积平均径,物理当量径,空气动力直径da,斯托克斯直径/沉降直径dst,筛分粒径：20m12mm。,空气动力直径da指与被测粒子在空气中的终端沉降速度相同、密度为1(g/cm3)的球的直径，其单位用m(g/cm3)1/2。斯托克斯直径/沉降直径dst,平均粒径,3.粒径分布(1)粒径分布的表示方法相对频数（或频率）分布D（%）频度分布f（%/m）（%m-1）,筛上累计分布R（%）筛下累计分布,众径,中位径,（2）分布函数正态分布(高斯分布)频率密度函数为：,对数正态分布函数为：式中dg是几何平均粒径，并等于中位径d50；g是几何标准差，有粒径分布遵从对数正态分布，则以质量、个数和表面积表示的粒径分布，皆遵从对数正态分布。在对数概率纸上代表这三种分布的直线互相平行。,、分别是以粒子的质量、个数和表面积表示的对数正态分布的中位径。长度平均粒径表面积平均粒径体积平均粒径积平均粒径,例31某粉煤燃烧产生的飞灰的粒径分布遵从对数正态分布，当以质量表示其粒径分布时，中位径为21.5m，dp（D=15.87%）=9.8m。试确定以及个数表示时对数正态分布函数的特征值和算术平均粒径。解：对数正态分布函数的特征数是中位径和几何标准差。由图35（图中横坐标是对数坐标）得，所以，,由于对数正态分布以个数和质量表示的几何标准差相等，故即为以个数表示的几何标准差。由式（328）得以个数表示的中位径m由式（330）的算术平均粒径m,罗辛拉姆勒分布(R-R分布)适用于破碎、研磨、筛分过程中产生的细粒子及分布很广的各种粉尘,4.除尘装置的性质（1）总捕集效率入口气体流量为Qi（m3/s），污染物浓度为Ci(g/m3)，污染物流入量为Si（g/s）；净化装置的出口对应Qo（m3/s），So（g/s）,Co(g/m3)。若净化装置捕集的污染物的量为Sc（g/s），则有总捕集效率：,换算成标准态,漏风情况,分别为第1，2，n个除尘器的除尘效率。(2)分级捕集效率粉尘流量为（g/s）,则粒径为范围内的颗粒的分级效率为（）。其数学表达式为若以（g/s）表示在范围内的出口粉尘流量，则粒径为范围内的颗粒的分级通过率为,除尘器总效率和分级效率的关系式其中，是相对频数（3）除尘装置的压力损失,（4）除尘装置的分类及其性能比较,二.机械式除尘器,1.重力沉降室特性：构造简单、造价低、耗能小、便于维护管理；可以处理高温气体（烟气温度350550）；阻力50130Pa；除尘效率4060；去除大于4050m的大颗粒；作为预除尘器使用。分类,水平气流沉降室,垂直气流沉降室,（a）屋顶式沉降室,扩大烟管式沉降室,带有锥型导流器的扩大烟管式沉降室,水平气流沉降室的主要设计计算,沉降室内气体流速一般为0.22m/s。沉降室的高度(m)应根据实际需要而定。,Q、v,L,H,要使粒径为dp(m)的尘粒在沉降室中全部沉降下来，必须保证,即,不同粒径的尘粒的沉降速度可按斯托克斯公式计算,因为,这种沉降室对各种不同粒径尘粒,(m)的分级除尘效率,按下式求得,由上式可见，要提高沉降室的捕集效率，可从三个方面入手：(1)降低室内气体流速v；(2)降低沉降室高度H；(3)增加沉降室长度L。,为提高除尘效率，可降低沉降室的高度，在沉降室中装许多水平隔板，形成一层层气流通道，就是多层沉降室,n块隔板将高度为的沉降室分为个n+1个通道：,由上分析得知，多层沉降室的分级效率比单层沉降室的效率高（n+1）倍，而能捕集的最小粒径比单层沉降室小倍,沉降室分层越多，除尘效果就越好，但必须使各层隔板间气流分布均匀。同时，分层越多，清理集灰也越困难。,例33在设计一个锅炉烟气重力沉降室，已知烟气量Q2800m3/h，烟气温度ts=150，烟气真密度p=2100Kg/m3（忽略气体密度），烟气粘度g=2.410-5Pas。要求能去除dp30m的烟尘。,解：由式（356）得取沉降室内流速为0.25m/s，沉降室高度为1.5m，则沉降室的长度m由于沉降室的长度过长，可采用三层水平隔板，即四层沉降室，取每层高m，总高调整为1.6m，则此时所需沉降室的长度为,若取沉降室长度m，则沉降室宽度为m因此，沉降室的尺寸为m，其能捕集的最小粒径为也即28.6m,小于30m，满足要求。由于设置了三层隔板，每层气量应为Q/4，用q表示，则（m3/h）,2.惯性除尘器,惯性除尘器是使含尘气体冲击在挡板上，气流急剧地改变方向，借助粉尘粒子的惯性作用使其与气流分离并被捕集的一种装置。对惯性除尘器，若气体在管道内流速为10m/s，而在其扩大部分的流速为1m/s，则对2530m以上的尘粒，除尘效率一般可达6585。总的来讲，惯性除尘器的除尘效率一般为5070，阻力一般为150700Pa。由于惯性除尘器的除尘效率较低，一般只作为预除尘器用。惯性除尘器可用于处理高温含尘气体，能直接安装在风道上。含尘气体在冲击或方向转变前的速度越高，方向转变的曲率半径越小时，其除尘效率越高，但阻力也随之增大。为了提高效率，可以在挡板上淋水，形成水膜，这就是湿式惯性除尘器。,惯性除尘器,弯管型,百叶窗型,多层隔板塔型,3.旋风除尘器,旋风除尘器是使含尘气体作旋转运动，利用离心力作用将尘粒从气流中分离并捕集下来的装置。它历史悠久、应用广泛、型式繁多、结构简单、没有运动部件、造价便宜、维护管理方便，除尘效率一般达85左右，高效的旋风除尘器除尘效率可达90左右。,旋风除尘器的设计计算压力损失压力损失系数见P118表3-11,分割直径,旋风除尘器的分离性能是研究除尘效率的基础。旋风除尘器的效率与颗粒的直径有关，直径越大，效率越高。当直径大到某一值时，除尘效率可达100%，此时的颗粒直径称为临界直径；同样除尘效率为50时的颗粒直径称为分割直径。分割直径越小，表明除尘器的分离性能越好。在评价旋风除尘器的分离性能时，往往多采用分割直径。拉波尔经验表达式：拉波尔（Lapple）根据转圈理论，考虑气流有效旋转圈数Ne，提出了一个分割直径的经验表达式，即此式适用于切线、螺旋和蜗壳式入口旋风除尘器。对于标准的旋风除尘器，外旋流的有效圈数Ne为510圈。若无足够资料时，可按下式近似计算,根据假想圆筒理论,池森龟鹤,旋风除尘器的效率,则除尘器的总效率为,旋风除尘器的选择设计,收集设计资料,除尘器型式的选择,计算法,经验法,计算法计算除尘效率,确定结构型式总除尘效率,定型,压损,确定结构型式入口速度v,入口面积,定型,经验法,例34某旋风除尘器进口宽度为b=0.21m，气流在旋风器内旋转4圈，入口气速为15m/s,=1700kg/m3.T=350K,载气为空气。试计算旋风器的分割粒径dc50解：忽略空气的密度，并从有关手册中查的空气在350K时的粘度Pas,则由式（365）得,例35用XLP/B-7.0型旋风除尘器净化20的含尘气体，除尘器的进口速度为v=15.2m/s，粉尘的真密度为kg/m3，求该旋风除尘器的分割粒径dc50。由XLP/B型旋风除尘器国家标准图纸知，该除尘器的有关参数如下：D=0.7m,d=0.42m,h=0.42m,b=0.21m,A=0.0882m2,hi=2.81m。,解：外旋流速度分布指数n由式（369）计算未指明载气性质，近似按空气处理，20时空气的粘度Pas。由式（368）得若按式（370）计算，则得,可见，按式（370）的计算结果比按式（368）的结果大60，原因在于两式的推导条件不同。,三.湿式除尘器,湿式除尘器是用水或其他液体与含尘废气相互接触，从而实现分离捕集粉尘粒子和吸收有害气体的装置，它主要是利用液网、液膜或液滴来去除废气中的尘粒，并兼备吸收有害气体的作用。湿式除尘器具有结构简单、耗用钢材少、投资低、运行安全等特点，已得到广泛应用。,优点：效率高可以处理高温、高湿、高比阻、易燃和易爆的含尘气体除尘、冷却和净化缺点：二次污染有腐蚀性的气态污染物腐蚀设备不适于憎水性和水硬性粉尘容易冻结能耗大,1.分类湿式除尘器,按能耗,低能耗除尘器,高能耗除尘器：,喷雾除尘器,水膜除尘器,文丘里除尘器,按净化机理,重力喷雾除尘器,旋风水膜除尘器,贮水式冲击水浴除尘器,板式塔除尘器,填料塔除尘器,文丘里除尘器,机械动力洗涤除尘器,主要的湿式除尘器的性能和操作范围,2.湿式除尘的原理惯性碰撞主要作用:拦截原理扩散次要作用:热泳静电,3.湿式除尘器的除尘效率湿式除尘器的总能量消耗湿式除尘器的总效率值见P132表3-15,湿式除尘器分级通过率Pd其中，空气动力直径湿式除尘器的总通过率空气动力分割粒径与实际分割粒径的关系为,70,例36设粉尘的几何平均粒径m(为空气动力中位径)，kg/m3,几何标准差，要求通过率。如果使用的填料塔、筛板塔或者文丘里洗涤器之类的湿式除尘器，在293K和1大气压下求其分割粒径。解：由图（328）查得时得，则mA.先不考虑肯宁汉修正系数，按计算得m；考虑肯宁汉修正系数以后，将小于0.52m。估计m，带入（373）中，得，则,m。,湿式除尘器的压降在两相流动接触区内的流体阻力为4.各种湿式除尘器类型有立式、卧式、管式、中央喷水和同心圆旋风水膜以及斜棒式洗涤栅水膜除尘器等。,（1）水膜除尘器立式旋风水膜除尘器a.CLS型旋风水膜除尘器基本参数：入口最大允许浓度为2g/m3液气比为0.10.3L/m3(气)入口速度一般范围为1522ms筒体高度一般不大于5倍筒体直径净化效率随筒体直径减小，随筒体高度增加而提高。,b.麻石水膜除尘器,麻石水膜除尘器主要性能参数表,麻石水膜除尘器的结构图,卧式旋风水膜除尘器基本参数烟气流速以818m/s除尘器的压力损失约为3001000Pa内筒与外壳直径比以1:3为宜液气比一般为0.060.15L/m3,气体流量20左右水位高度应以80150mm,76,管式水膜除尘器基本参数：液气比0.25L/m3管束单根长度以不超过2m自然引风：烟气流速3m/s机械引风：流速可取5m/s,78,文丘里除尘器,分类圆形形状矩形定径文氏管喉管构造文丘里除尘器水雾化方式,调径文氏管,预雾化文氏管,不预雾化文氏管,供水方式,径向内喷,径向外喷,轴向喷雾,溢流供水,基本参数进口管径D1流速取1522m/s出口管径D2流速取1822m/s喉管截面积与进口管截面积之比1：4除尘中喉管内气流速度u040120m/s亚微米的尘粒u080120m/s净化较粗尘粒u06090m/s气体吸收u02030m/s喉管长度L0200350mm收缩管的收缩角12330扩散管的扩散角67,文丘里除尘器的设计与计算,文丘里除尘器的设计与计算,收缩管进气端的截面积扩张管出气端的截面积,文丘里除尘器的设计与计算,喉管截面积圆形收缩管和扩张管的长度,文丘里除尘器的设计与计算,矩形文丘里管的收缩管长度,文丘里除尘器的设计与计算,矩形文丘里管扩张管的长度，取下列两式计算的最大值,文丘里除尘器的除尘效率,海思开斯(Hesketh)经验公式,木村典夫,文氏管的压力损失,文丘里洗涤器通过率5m以下的粉尘粒子,海思开斯公式,喷淋除尘器,喷淋除尘器,粒径小,粒径大,逆流喷淋除尘器的效率横向错流喷淋除尘器的效率自激喷雾除尘器分类,冲击水浴除尘器,冲激式除尘器,除尘器,喷头,冲激式除尘器,冲激式除尘器,板式塔除尘器,四.电除尘器,优点：1.除尘效率99以上2.能耗低3.气流阻力小4.耐高温5.处理烟气量大缺点：1.一次性投资费用高2.占地面积较大,四.电除尘器,3.除尘效率受粉尘比电阻等物理性质限制4.不适宜直接净化高浓度含尘气体5.对制造和安装质量要求高,电除尘过程示意图,（1）原理电晕放电和气体电离空气中圆形极线上的起始电晕电场强度量的经验公式管式电除尘器内任一点的电场强度，起始电晕电压,100,板式电除尘器的起始电晕电压,例37管式电除尘器的放电极电晕线半径1.0mm，集尘极管式直径200mm。除尘运行工况：压力1.0105Pa，温度为150。试求该管式电除尘器的起始电晕场强和起始电晕电压。,101,解：先求,由式（3118），当取,时，求得起始电晕场强,由式（3120）得起始电晕电压为VC=3.121060.001ln(0.1/0.001)=14.4103V,工业上用电除尘器：负电晕放电型式空气调节的小型电除尘器：正电晕放电粒子荷电,电场荷电,扩散荷电,扩散荷电,电场荷电,a.电场荷电单个球形颗粒的饱和荷电量粉尘粒子荷电量随时间变化的关系式其中在0.11秒内，荷电率可达99%；qt/qs=0.5时，,104,例38已知管式电除尘器的电晕电流,mA/m,距离电晕线,cm处的电场强度,v/m,试计算粒子荷电时间常数以及荷电率达到90,时所需的荷电时间。,解：首先计算荷电时间常数。近似取离子的体电荷密度,因为,代入数值后得，,s,荷电率,时所需荷电时间为,s,b.扩散荷电c.电场荷电和扩散荷电综合作用荷电粒子的迁移和捕集a.粒子驱进速度,b.捕集效率德意希假定:含尘气流为紊流状态,浓度和气流分布均匀完全荷电忽略影响,进口,出口,f,dx,v,c+dc,c,0,L,Ci,Co,a,107,在dt时间内于dx空间捕集的粉尘量为,表3-19某些工业窑炉电除尘器的电场风速和有效驱进速度,板式电除尘器,圆管式电除尘器,109,110,例39在气体压力为101.325kPa，温度为20条件下运行的管式电除尘器，圆筒形集尘极直径D=0.3m，管长L=2.0m，气体流量Q0.075m3/s,若集尘极附近的平均场强E=100Kv/m,粒径为1.0m的粉尘荷电量q=0.31015。试计算粉尘的趋进速度和捕集效率。,解：（1）计算粉尘的趋进速度。在给定的条件下空气的粘度系数Pas.肯宁汉系数,则按式（3132）得,（m/s）,(2)按（3137）计算捕集效率。集尘极的表面积,m2,111,例310某钢铁厂90m2烧结机尾电除尘器的实测结果如下：电除尘器进口含尘浓度为g/m3,出口含尘浓度为g/m3,进口烟气流量为m3/h(44.4m3/s)。该除尘器采用Z型板极和星型电晕线，断面面积m2,集尘极总面积,m2(二个电场)。试参考以上数据设计,另一新建130m2烧结机尾的电除尘器，要求除尘效率工艺设计给出的总烟气量,112,(m3/h)(即70m3/s).,解：（1）根据实测数据计算原电除尘器的除尘效率和有效趋进速度。由式（3141）,得,(s/m),所以,除尘器断面风速为,m/s,(2)设计新的电除尘器按要求的效率,和有效趋进速度,113,m/s，求得,（s/m）,则所需的集尘极的总面积为,(m2),若选取系列产品SHWB60时，则集尘极总面积为3743m2，其有效断面积为63.3m2，此时电场风速为,（m）,（2）分类及结构电除尘器,电除尘器结构,管式,板式,单区,双区,120,121,喷水,干式,122,（3）电除尘器设计与选型集尘极面积见各种工业粉尘的有效驱进速度电场段面面积集尘极的间距（2b）采用200300mm放电极间距一般也采用200300mm集尘极的排数,其中：B电场断面宽度，电场长度工作电压,125,126,127,五.过滤式除尘器,（1）分类过滤式除尘器,滤料不同,袋式除尘器,颗粒层除尘器,空气过滤器,捕获的位置,内部过滤除尘器,外部过滤除尘器,（2）原理筛滤作用惯性碰撞作用拦截作用扩散作用静电作用重力沉降作用,各种捕集机理作用的粒度范围,（3）计算过滤速度除尘效率圆柱形纤维捕尘体圆球形捕尘体,纤维过滤器的除尘效率颗粒层过滤器过滤器的阻力计算结构阻力损失一般为300500Pa。,过滤除尘器的阻力清灰方式机械振打、反向射流、低压反吹、大气反吹和脉冲反吹等（4）袋式除尘器优点：效率高达99%干法捕集，尤适于高比电阻粉尘含尘气体浓度变化对除尘效率和阻力影响不大运行稳定，维护简单缺点：不适于净化含粘结和吸湿性强的含尘气体，净化时温度不能低于露点温度,分类,滤袋截面形状,圆筒形,扁平形,进气口布置,上进气,下进气,气流通过方向,内滤式,外滤式,密闭否,密闭式,敞开式,清灰方式,简易清灰式,机械振动清灰式,逆气流反吹清灰式,气环反吹清灰式,脉冲喷吹清灰式,联合清灰式,常用的袋式除尘器机械振动清灰袋式除尘器脉冲喷吹袋式除尘器回转反吹扁袋除尘器气环反吹袋式除尘器组合式清灰袋式除尘器袋式除尘器的选择和设计选择；1um左右的微粒,不适用于净化油雾、水雾、粘结性强和湿度高的粉尘。选择相应的耐温、耐腐蚀、耐磨、抗爆等材质的滤布。确定清灰方式；再依据清灰方式和清灰制度选定袋式除尘器。,137,计算及设计总过滤面积振动清灰逆气流反吹清灰；气环反吹清灰，脉冲喷吹清灰。