环保设备教案-2-第二章-除尘器的设计与应用(一)

第二章除尘器的设计与应用(一)【课时安排】§2.1重力沉降室及惯性除尘器2学时§2.2旋风除尘器2学时§2.3袋式除尘器0.5学时§2.4颗粒层除尘器0.5学时§2.5湿式除尘器1学时总计6学时【掌握内容】1层流式重力沉降室的设计计算2旋风除尘器的结构和工作原理3旋风除尘器的速度分布4管式电除尘器的结构和工作原理5文丘里除尘装置的结构和工作原理6袋式除尘器的除尘机理7湿式除尘器的除尘机理【熟悉内容】1旋风除尘器的压力损失结构及影响除尘效率的因素2影响电除尘器除尘的主要因素3影响袋式除尘器除尘的主要因素【教学难点】1旋风除尘器的工作原理2电除尘器的工作原理【教学重点】1重力沉降室的设计2旋风除尘器的结构和工作原理3文丘里除尘装置的结构和工作原理【教学目标】掌握常用除尘装置的结构和除尘机理【教学内容】§2.1重力沉降室及惯性除尘器【授课时间】2学时【教学手段】课堂讲授【教学过程】一重力沉降室—最简单的除尘器1．定义：通过重力作用使尘粒从气流中沉降分离的除尘装置2．结构及工作原理：结构：原理：含尘气体由断面较小的风管进入重力沉降室后，由于流动截面积扩大，使气流速度大大降低，气流为层流，较重颗粒在重力作用下缓慢向灰斗沉降。二、层流式重力沉降室的设计假设：①通过重力沉降室断面的水平气流的速度V分布式均匀的，呈层流状态；②入口断面上粉尘分布均匀，即每个颗粒以自己的末端沉降速度沉降，互不影响；③在水平方向上尘粒和气流速度相等为v0，在垂直方向上，以末端沉降速度沉降us沉降，忽略流体阻力，只受重力和流体阻力的作用。设沉降室的长、宽、高分别为L、W、H，处理烟气量为Q（m3/s）1．气流在沉降室内的停留时间t；2．在t时间内粒子的沉降距离为：3．该粒子的分级除尘效率及总效率a若hC<H，只有在高度一下进入沉降室的粒子才能沉降，部分去除分级除尘效率：总效率：b若hC≥H，对于stokes粒子，重力沉降室能100%捕集的最小粒子的dmin=?将代入上式，可求出沉降室能100%捕集的最小粒径dmin注：上式是在理想状况下得到的，实际中常出现反混现象，工程上常用分级效率公式的一半作为实际分级效率，即，这样理论和实践更接近。说明：1．若没有特殊说明，都可以采用斯托克斯沉降公式。2．沉降室内的气流速度一般为0.3～2.0m/s。3．Dmin越小，说明该重力沉降室的除尘效率越高。4．提高沉降室效率的主要途径：①降低沉降室内气流速度②增加沉降室长度③降低沉降室高度5．分级除尘效率正比于粒径的平方，故沉降室对小颗粒的粉尘去除效果较差，适宜于捕集密度大、颗粒粗的粉尘，一般dp>50μm。6．重力沉降室的优点：结构简单，施工容易投资少，造价低压力损失小（一般为50～100Pa）维修管理容易缺点：体积大效率低仅作为高效除尘器的预除尘装置，除去较大和较重的粒子二惯性除尘器除尘机理：为提高除尘效率，沉降室内设置各种形式的挡板，含尘气流冲击在挡板上，或气流方向发生急剧转变，借助尘粒本身的惯性力作用，使其与气流分离。2．结构形式冲击式（惯性碰撞式）－气流冲击挡板捕集较粗粒子反转式（气流折转式）－改变气流流动方向捕集较细粒子冲击式惯性除尘器（a单级型b多级型）反转式惯性除尘器（a弯管型b百叶窗型c多层隔板型）说明：①气流速度越高，气流流动方向转变角度越大，转变次数越多，净化效率越高，阻力损失越大；②一般适于净化密度和粒径较大的金属或矿物性粉尘；③对于粘结性和纤维性粉尘，易堵塞，不宜采用；④压力损失100～1000Pa；⑤与重力沉降室相比，除尘效率明显改善，适于捕集10～20µm以上的粗颗粒，一般只用于多级除尘中的一级除尘。§2.2旋风除尘器【授课时间】2学时【教学手段】课堂讲授【教学过程】一除尘原理：利用旋转的含尘气流产生的离心力使尘粒从气流中分离的装置二结构形式及工作过程1结构：普通旋风除尘器是由进气管、筒体、锥体和排气管等组成2工作过程：含尘气体由除尘器进气口沿切线进入后，沿外壁自上向下做旋转运动。向下的旋转气流称外涡旋，外涡旋到达锥体底部后，转而向上，沿轴心向上旋转，最后从排气管排出。向上旋转的气流称为内涡旋。内外涡旋的旋转方向是一致的。在外涡旋中粉尘在离心力的作用下向边壁移动，到达边壁的粉尘在下旋气流和重力的共同作用下沿壁面落入灰斗。主体气流：外涡旋内涡旋局部涡流：上涡流：气流从除尘器顶部向下高速旋转时，一部分气流带着细小的尘粒沿筒壁旋转向上，到达顶部后，再沿排出管外壁旋转向下，最后从排出管排出下涡流：外涡旋在运动到锥体底部向上折转时产生的局部涡流，下涡流一直会延伸到灰斗，将灰斗中的细尘搅起被向上气流带走。另外，在外涡旋，少量气体沿径向运动到中心区域在内涡旋，存在离心的径向运动。局部涡流的存在降低的旋风除尘器的除尘效率。三旋风除尘器的速度气流运动包括：切向速度、轴向速度和径向速度切向速度：沿着筒体切向，决定颗粒的离心力的大小外涡旋的切向速度分布：反比于旋转半径的n次方此处n≤1，称为涡流指数内涡旋的切向速度正比于半径内外涡旋的界面上气流切向速度最大交界圆柱面直径d0=(0.6～1.0)de,de为排气管直径（2）径向速度：Vr假设内外涡旋的交界面是圆柱面，外涡旋均匀通过该柱面进入内涡旋，那么认为气流通过此圆柱面时的平均速度就是外涡旋气流的平均径向速度Vr。Q—处理气体量r0，h0—分别为交界圆柱面的半径和高度，m（3）轴向速度外涡旋的轴向速度向下，由上到下逐渐变小内涡旋的轴向速度向上，由下到上逐渐变大，在排出管底部达到最大值四除尘器内的压力分布压力分布见下图：全压和静压在径向变化非常显著，由外壁向轴心逐渐降低，轴心处为负值。说明：1）相对尺寸对压力损失影响较大，除尘器结构型式相同时，几何相似放大或缩小，压力损失基本不变2)含尘浓度增高，压力降明显下降3)操作运行中可以接受的压力损失一般低于2kPa5.旋风除尘器的除尘效率分割直径是确定除尘效率的基础在交界面上，离心力FC，向心运动气流作用于尘粒上的阻力FD•若FC>FD，颗粒移向外壁•若FC<FD，颗粒进入内涡旋•当FC=FD时，有50%的可能进入外涡旋，既除尘效率为50%对于球形Stokes粒子分割粒径雷思一利希特模式计算其它粒子的分级效率五影响旋风除尘器效率的因素（1）二次效应－被捕集粒子的重新进入气流•在较小粒径区间内，理应逸出的粒子由于聚集或被较大尘粒撞向壁面而脱离气流获得捕集，实际效率高于理论效率•在较大粒径区间，粒子被反弹回气流或沉积的尘粒被重新吹起，实际效率低于理论效率•通过环状雾化器将水喷淋在旋风除尘器内壁上，能有效地控制二次效应•临界入口速度（2）比例尺寸•在相同的切向速度下，筒体直径愈小，离心力愈大，除尘效率愈高；筒体直径过小，粒子容易逃逸，效率下降。•锥体适当加长，对提高除尘效率有利•排出管直径愈少分割直径愈小，即除尘效率愈高；直径太小，压力降增加，一般取排出管直径de=（0.4～0.65）D。•特征长度（naturallength）-亚历山大公式•旋风除尘器排出管以下部分的长度应当接近或等于l，筒体和锥体的总高度以不大于五倍的筒体直径为宜。（3）烟尘的物理性质•气体的密度和粘度、尘粒的大小和比重、烟气含尘浓度（4）操作变量•提高烟气入口流速，旋风除尘器分割直径变小，除尘器性能改善•入口流速过大，已沉积的粒子有可能再次被吹起，重新卷入气流中，除尘效率下降六结构形式（1）按进气方式分切向进入式轴向进入式（2）按气流组织分回流式直流式平旋式旋流式（3）多管旋风除尘器由多个相同构造形状和尺寸的小型旋风除尘器（又叫旋风子）组合在一个壳体内并联使用的除尘器组,常见的多管除尘器有回流式和直流式两种.七旋风除尘器的设计（1）选择除尘器的型式: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等因素（2）根据允许的压力降确定进口气速，或取为12～25m/s（3）确定入口截面A，入口宽度b和高度h（4）确定各部分几何尺寸§2.3袋式除尘器【授课时间】0.5学时【教学手段】课堂讲授【教学过程】一袋式除尘器1．袋式除尘器是古老而广泛采用的除尘方法，它是利用纤维织物的过滤作用进行除尘，是干式高效除尘器。适用于粒径小于1μm的颗粒。2．特点：优点；a除尘效率高，可达99%以上，回收一部分干料，净化气体可循环使用，节省能源；b适应性强，能处理不同类型的颗粒污染物（包括电除尘器不易处理的高比电阻粉尘），袋滤器可大可小；c操作弹性大，入口气体含尘浓度变化较大时，对除尘效率影响不大；d结构简单，使用灵活，便于回收干料。缺点：a不易处理湿度大，粘度大的气流，投资较高；b压力损失大，造成处理风量小，能耗大，压力降过大，粉尘造成局部穿孔，并造成滤布损失大；c其应用受到滤布耐温、耐腐等操作性能的限制，d一般滤布的使用温度应小于300℃3.袋式除尘器的原理袋式除尘器是利用棉毛、人造纤维等织物进行过滤的一种除尘装置，滤料本身的网孔较大，约20～50μm，绒布约5～10μm，却能除去粒径1μm以下的颗粒，除尘效率很高。新滤料除尘效率不高。其机理涉及筛滤、惯性碰撞、滞留、扩散、降电、重力沉降。a筛滤作用：当粉尘粒径大于滤布孔隙或沉积在滤布上的尘粒间孔隙时，粉尘即被截留下来。由于新滤布孔隙远大于粉尘粒径，所以阻留作用很小，但当滤布表面积沉积大量粉尘后，阻留作用就显著增大。b惯性碰撞：当含尘气流接近过滤纤维时，气流将绕过纤维，而尘粒由于惯性作用继续直线前进，撞击到纤维上即会被捕集，这种惯性碰撞作用，随粉尘粒径及流速的增大而增强。c扩散和静电作用小于1μm的尘粒，在气流速度很低时，其除尘机理主要是扩散和静电作用，如图b所示：扩散：布朗运动引起，它随气速的降低，纤维和粉尘的直径的减小而增强。电力：带电荷相反时d重力沉降：当缓慢运动的含尘气流进入除尘器内，粒径和密度大的尘粒可能因重力作用自然沉降下来。4．除尘过程概括：含尘气滤料形成粉尘初层过滤、清灰（保持初层）滤布的除尘过程：含尘气体通过滤袋，过一段时间后，表面积聚了一层粉尘层（称为粉尘初层），在以后的运行中，粉尘初层成了主要过滤层，滤布只起着形成粉尘初层和支撑它的骨架作用，由于粉尘初层的影响，网孔较大的滤料也能获得较高的除尘效率，随着滤料上粉尘的积聚，除尘效率和压力损失都相应增加，当滤料两侧压差很大时会把已附着在滤料上的细尘挤压过去，使效率降低。另外，阻力过高，处理风量显著下降，影响排放效果，故除尘器应控制一定的阻力，及时清灰，但不能破坏粉尘初层。二影响滤尘效率的主要因素（1）滤布及粉尘层的影响积尘厚度的影响：对于效率而言：积尘后>正常工作>振打后>清洁滤料清洁滤料的影响粒径大小：dp=0.3μm的粒子效率较低。因为恰是惯性与拦截捕集作用的下限，扩散的上限。（2）滤布结构与性质的影响滤布结构与性质不同，效率也不同。绒布的效率大于素布的效率；长绒的大于短绒的（3）过滤速度（uf）的影响A——滤布总面积，m2；Q——处理气量，m3/h比负荷qf：uf受到：1.滤尘机理的影响,较大粒子,要求大的uf,此时效率高,2m/min为宜。小于1μm的粒子，减小过滤速度，则效率增大。0.6-1.0m/min（4）清灰方式（5）含灰浓度等，过滤速度常采用的参考值见表7-1。P153，表7-6,P311。三压力损失压力损失决定着装置的能耗大小、除尘效率、清灰时间间隔。除尘器的压力损失ΔP包括清洁滤料的压力损失和泥料上粉尘层的压力损失R为粉尘层的平均比阻力，Kg/m2，为μ=1Pa·s，m=1Kg/m2时的粉尘阻力。μ——气体粘度，Pa·s；ξ——总阻力系数，1/m；ξ0——清洁滤料的阻力系数，1/m；Vf——过滤速度，m/s；m——滤料上的粉尘负荷，Kg/m2；R——粉尘层平均比阻力，Kg/m2。四滤料滤料性能对袋式除尘器的工作影响很大。性能良好的滤布应具备耐温、耐腐蚀、耐磨、效率高、阻力低、使用寿命长、成本低等优点。另外与表面结构有关：表面光滑：容尘小，清灰方便，适于低浓度粉尘，风速不易过大。起绒毛：容尘量大，风速可较高，但必须及时清灰。近年来出现了许多耐高温的新型滤料，如聚四氟乙烯、芳香族聚酰胺等。各自特点见书，表7-2、P156。五清灰方式清灰方式有两种：机械清灰和气流清灰。机械清灰利用机械传动使滤袋振动，迫使沉积在滤袋上的粉尘层落入灰斗。由三种方式：摆动（水平），又分上部摆和腰部摆两种；振动（垂直）；扭动（机械转动）。清灰风速一般在1-2m/s，压力损失在800-1200Pa。气流清灰利用反吹空气从反方向通过滤袋和粉尘层，借气流力使滤袋上的粉尘脱落。采用气流清灰，滤袋必须有支撑结构，如撑架或网架等以免压扁滤袋。气流清灰有两种：逆气流清灰（Vf=2-3m/s）和脉冲喷吹清灰（Vf=2-4m/s）。六袋式除尘器的选择设计和应用选择设计选定型式、滤料和清灰方式；求过滤面积A,Q——处理气量，m3/h；Vf——过滤风速，m/min。除尘器设计：确定滤袋尺寸直径d和高度L，求单只滤袋面积，求滤袋只数，滤袋布置。滤袋面积，滤袋个数例7-1：某县硅石矿系统总流量为5000Nm3/h，气体组成近似于空气，温度50℃，粉尘主要成分硅石粉浓度6g/m3，要求设计一袋式除尘器。解：设计方案步骤：确定滤袋尺寸滤袋采用DD—9#涤纶，滤袋形式：圆形。清灰方式：机械清灰，过滤风速为Vf=2m/min。过滤面积A滤袋尺寸取直径d=120mm，长度L=4m求单只滤袋面积袋子只数取33只计算压力损失Vf=2m/min=0.033m/s取m(粉尘负荷)=0.1Kg/m2平均比阻力R=1.5×1010m/Kgμ=1.96×10-5Kg/m·sξ0=4.8×1071/m估算清灰周期T取ΔP≈1100Pa≈取10分钟其它设计内容滤袋布置，袋子吊挂方式壳体设计、箱体、进出气管、灰斗、入孔、操作平台等清灰机构的设计粉尘输送管道、阀门、风机等应用袋式除尘器不宜处理含有油雾、凝结水、粘性大的粉尘气流，不耐高温，此设备效率高，广泛用于各工业生产的除尘器中，尤其对细小干燥的粉尘更适宜。七除尘效率丹尼斯（Dennis—klemm）提出效率公式：cR——脱除浓度，g/m3，取0.5mg/m3；m——粉尘负荷，g/m2；Pn——无因次参数。§2.4颗粒层除尘器【授课时间】0.5学时【教学手段】课堂讲授【教学过程】颗粒层除尘器是利用颗粒状物料(如硅石、砾石、焦炭等)作填料层的一种内部过滤式除尘装置。由于能耐高温、耐磨损．除尘效率高，维修费用低、已引起人们注意。颗粒层除尘器的除尘机理与袋式除尘器类似，主要靠惯性．截留及扩散作用等。过滤效率随颗粒层厚度，及其沉积的粉尘层厚度的增加而提高，压力损失也随之增大。§2.5湿式除尘器【授课时间】1学时【教学手段】课堂讲授【教学过程】一湿式除尘器及特点1．定义：使含尘气体与液体（一般为水）密切接触，利用水滴和尘粒的惯性碰撞及其它作用捕集尘粒或使粒径增大的装置可以有效地除去直径为0.1～20μm的液态或固态粒子，亦能脱除气态污染物高能和低能湿式除尘器：低能湿式除尘器的压力损失为0.2～1.5kPa，对10μm以上粉尘的净化效率可达90％～95%高能湿式除尘器的压力损失为2.5～9.0kPa，净化效率可达99.5％以上2．特点：优点：①在耗用相同能耗时，h比干式机械除尘器高。高能耗湿式除尘器清除0.1mm以下粉尘粒子，仍有很高效率；②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；③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。缺点：①排出的污水污泥需要处理，澄清的洗涤水应重复回用②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③不适用于净化含有憎水性和水硬性粉尘的气体④寒冷地区使用湿式除尘器，容易结冻，应采取防冻措施3．分类：根据湿式除尘器的净化机理，大致分为重力喷雾洗涤器旋风洗涤器自激喷雾洗涤器板式洗涤器填料洗涤器文丘里洗涤器机械诱导喷雾洗涤器二湿式除尘器的除尘机理1．惯性碰撞参数与除尘效率简化模型：含尘气体与液滴相遇，在液滴前xd处开始绕过液滴流动，惯性较大的尘粒继续保持原来的直线运动。尘粒从脱离流线到惯性运动结束时所移动的直线距离为粒子的停止距离xs，若xs大于xd；尘粒和液滴就会发生碰撞惯性碰撞参数NI：停止距离xs与液滴直径dD的比值对斯托克斯粒子up：粒子运动速度uD：液滴运动速度dD：液滴直径除尘效率：NI值越大，粒子惯性越大，则ηII越高2．接触功率与除尘效率a根据接触功率理论得到的经验公式，能够较好地关联湿式除尘器压力损失和除尘效率之间的关系b接触功率理论：假定洗涤器除尘效率仅是系统总能耗的函数，与洗涤器除尘机理无关c总能耗Et:气流通过洗涤器时的能量损失EG+雾化喷淋液体过程中的能量消耗ELΔPG:气体压力损失，PaPL:液体入口压力，PaQL,QG:液体和气体流量，m3/s除尘效率3．分割粒径与除尘效率分割粒径法：基于分割粒径能全面表示从气流中分离粒子的难易程度和洗涤器的性能多数惯性分离装置的分级通过率可以表示为三喷雾塔洗涤器假定：a所有液滴具有相同直径b液滴进入洗涤器后立刻以终末速度沉降c液滴在断面上分布均匀、无聚结现象立式逆流喷雾塔靠惯性碰撞捕集粉尘的效率可以用下式预估：ut一液滴的终末沉降速度，m/sVG－空塔断面气速，m/sz－气液接触的总塔高度，mhd－单个液滴的碰撞效率说明：a喷雾塔结构简单、压力损失小，操作稳定，经常与高效洗涤器联用捕集粒径较大的粉尘b严格控制喷雾的过程，保证液滴大小均匀，对