环境工程学（王玉恒）第6章

大气污染控制工程环境工程学第六章颗粒污染物控制

除尘技术基础

重力沉降

旋风除尘

静电除尘

袋式除尘

湿式除尘

除尘装置的选择第一节除尘技术基础粉尘粒径

粒径的定义

单一粒径

投影径——显微镜下观察

几何当量径——几何量相等的球形粒径

物理当量径——物理量相等的球形粒径面积等分径定向径长径短径等投影面积径dA等体积径dV等表面积径dS自由沉降径dt空气动力径da颗粒的体积表面积平均径de斯托克斯径dst分割粒径dc50同一颗粒按不同定义所得粒径的大小是不同的，应用场合也不同，因此在给出和应用粒径分析结果时，应该说明所用的测定方法。除尘器能捕集该粒子群一半的直径。（表示除尘器的性能）

平均粒径（表6-1）长度平均径面积长度平均径体面积平均径质量平均径表面积平均径体积平均径中位径众径

单一粒径的测定和定义法不同，求得的平均粒径值也不同，应根据应用的目的，选择合适的计算方法。

平均粒径计算顺序如下：粒径分布是指某一粒子群中不同粒径的粒子所占的比例，亦称粒子的分散度。

频数分布：粒径dp至(dp+Δdp)之间的粒子质量占粒子群总质量的百分数。个数分布表面积分布质量分布

粒径分布

粒径分布的表示方法

频度分布

f：Δdp=1μm时粒子质量占粒子群总质量的比例。众径dom:最大频度所对应的粒径.

筛上累计分布

R：大于某一粒径dp的所有粒子质量占总质量的比例。

筛下累计分布D

：小于某一粒径dp的所有粒子质量占总质量的比例。D=1-R

中位径(d50):当R=D=50%时所对应的直径.在除尘技术中,使用筛上分布R比使用频度分布更方便,所以在一些国家的粉尘标准中多用R表示粒径分布.

粒径分布函数筛上累计分布的粒径分布函数表达式：罗辛-拉姆勒分布式（R-R分布）正态分布式对数正态分布式（6-12）分布系数：两端取两次对数:罗辛-拉姆勒分布式（R-R分布）（6-13）将d50代入式（6-12）可求得：代入式（6-12）

除尘装置的捕集效率

总捕集效率ηT总捕集效率是指在同一时间内，净化装置去除污染物的量与进入装置的污染物之百分比。它实际上是反映装置净化程度的平均值，亦称为平均捕集效率，通常用ηT表示，它是评定净化装置性能的重要技术指标.

通过率P:未被捕集的污染物量占进入净化器污染物量的比例。如果将几级净化装置串联使用，则总效率为：G=CQ标准状态下不漏风漏风

捕集效率的计算

分级捕集效率ηd分级捕集效率就是在某一粒径（或粒径范围）下的除尘效率。分级通过率Pd的表达式为：若除尘器中粒径幅Δdpi内粉尘的相对频数为ΔRi，则总效率与分级效率的关系为：第二节重力沉降

除尘机理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进行分离。

特点重力沉降室结构简单，造价低，便于维护管理，压力损失小，而且可以处理高温气体。

主要缺点沉降小颗粒的效率低，一般只能除去50微米以上的大颗粒。

适用性主要用于高效除尘装置的前级除尘器。

颗粒沉降速度

作用在颗粒上的总力为：F=F1-F2-F3重力浮力阻力

沉降力

阻力

终端沉降速度阻力系数CD在Re<1时，有：因ρp>>ρ，则上式可简化为：带回前式

重力沉降室的设计

假定

在沉降室入口断面上粉尘分布是均匀的；

颗粒的水平移动速度与气流速度相同。

沉降时间与沉降速度设水平气流平均速度为V(m/s)，粒径为dp颗粒沉降速度为ut；沉降室长为L(m)，高为H(m)。

则气流通过沉降室的时间为：

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=L/V

(s)

颗粒从沉降室顶部落到底部所需的时间为：t2=H/ut

(s)t1>t2即：

L/V≥H/ut

（6-34）

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；

沉降室尺寸若沉降室高度H已定，则可由式（6-34）求出沉降室的最小长度L；若沉降室长度L已定，可由式（6-34）求出最大高度H。沉降室宽度决定于气体量Q(m3/s)，因为：Q=WHV=WLut(6-35)

沉降室捕集效率沉降室所能捕集的最小粒径粒径为dp的颗粒在t

秒内的垂直降落高度为：z=utt=Lut/V沉降室对粒径为dp的颗粒的分级效率为：对一定结构的沉降室，可按上式求出不同粒径颗粒的分级效率或作出分级效率曲线。

沉降室的主要结构形式空心式室内装有竖向档板室内装有横向隔板为了便于清灰，可将隔板装成可翻动式或倾斜式。隔板间基本上保持了相同的流动速度，颗粒到达通道底部的沉降距离更短。在气速相同的情况下，该种沉降室的净化效果更好。有一沉降室长7.0m，高12m，气速30cm/s，空气温度300k，尘粒密度2.5g/cm3，空气粘度为28×10-6Pa·s，求该沉降室能100%捕集的最小粒径。

例题第三节旋风除尘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来。

特点旋风除尘器结构简单、占地面积小、投资低、操作维修方便，压力损失中等、动力消耗不大，可用各种材料制造，能用于高温、高压及有腐蚀性气体，并可直接回收干颗粒物。

主要缺点对捕集小于5微米颗粒的效率不高。

适用性一般作预除尘用。

旋风除尘器的工作原理

旋风除尘器内的气流运动

普通旋风除尘器的组成部分

进气管、筒体、锥体、排气管

外旋流

内旋流

上涡流

设计旋风除尘器时应特别注意的两个问题：上涡流和锥顶区中细颗粒的返回问题.

气流运动

旋风除尘器内的颗粒运动及分离过程

旋风除尘器的分离性能

颗粒的分离直径旋风除尘器的除尘效率与颗粒的直径有关，直径越大，效率越高。全分离直径

dc100（临界直径）半分离直径

dc50（切割直径）分离直径越小，表明除尘器的分离性能越好。

求半分离直径的计算式拉波尔经验表达式适用于切线、螺旋和蜗壳式入口旋风除尘器。根据假想圆理论求dc50

捕集效率

旋风除尘器分级捕集效率经验式（水田和木村典夫）求得dc50后，从图6-12中查出旋风除尘器对任意粒径为dp的颗粒的分级效率。若已知粒子群的粒径分布，则可由下式算出旋风除尘器的总效率：

影响捕集效率的因素

入口风速（或流量）入口风速一般为12-20m/s，不宜低于10m/s，以防入口管道积灰。

除尘器的结构尺寸

粉尘粒径与密度粒径大，捕集效率高；密度小，捕集效率低。流量大，捕集效率高，但风速过高又会影响捕集效率的提高.

气体温度温度增高，捕集效率降低。

灰斗的气密性气密性不好，捕集效率显著下降。筒体直径、锥体长度、排气管直径

旋风除尘器的分类及选型

旋风除尘器的分类

按气体流动状态分

切流返转式旋风除尘器轴流式旋风除尘器直入式蜗壳式进入型式轴流直流式轴流反旋式

气流在器内流动方式最常用的型式

按结构形式分

圆筒体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。长锥体圆筒较短，圆锥较长。除尘效率提高，但压力损失有所增加。旁通式排气管插入深度较浅，在筒体中设有灰尘隔室并与锥体相通。总捕集效率提高，但隔离室易堵塞。要求待处理颗粒物有较好流动性。扩散式具有倒锥体，锥底设有反射屏。除尘效率较高，结构简单，易加工，投资低，压损中等，特别适用于捕集5-10微米以下的颗粒。

旋风除尘器的选型

计算法选定旋风除尘器的结构形式；确定除尘器的型号规格（即尺寸）；计算运行条件下的压力损失。

由入口含尘浓度和出口浓度（或排放标准）计算出要求达到的除尘效率（式6-21或6-22）；根据所选除尘器的分级效率和净化粉尘的粒径频度分布f0,计算除尘器能达到的总除尘效率，若，说明设计满足要求，否则需要重新选择高性能的除尘器或改变运行参数；

经验法选定旋风除尘器的结构形式；根据处理气量Q和入口风速Vi计算出所需除尘器的进口面积A；由旋风除尘器的类型系数k=A/D2求出除尘器筒体直径D，再从国家标准图、产品样本或手册中查到所需除尘器的型号规格。根据所选除尘器的实验曲线确定除尘器的入口风速Vi；计算所要求的除尘效率；

旋风除尘器的设计

确定旋风除尘器的各部分尺寸

计算除尘器的压力损失

计算除尘器的效率

筒体直径DD越小，越能分离细小颗粒，但过小时易引起粉尘堵塞。有人提出用旋转气流离心加速度Vi2/r<500m/s2对筒体加以限制。D一般不小于150-200mm，但不大于800-1100mm。当处理的气量大时，可将几个旋风除尘器并联使用，或采用多管式旋风除尘器。

旋风除尘器的各部分尺寸比例

入口尺寸入口断面有圆式和矩形，为减小颗粒的入射角，一般采用矩形。可用类型系数k表示入口特征，k=A/D2=HB/D2。k值一般为0.07-0.30。蜗壳型入口的k值较大，D较小，处理气量能力大，H/B一般为2-4。

排气管多为圆形，而且与筒体同心。一般取De=(0.4-0.6)D。排气管的插入深度与除尘器类型有关。对切向入口除尘器，排气管插入深度越短，压损越小，但效率低。实验表明，插入深度大约为排气管直径或稍低于入口管底部为宜。

筒体与锥体高度在一定范围内增大锥体高度L2，有利于提高补集效率，但压损有所增加。一般取：锥体高度L2=(2-3)D，多为2D左右；筒体高度L1=(1.4-2.0)D；L1+L2不超过5D。

圆锥角α

α过小，将使L2增加；α

过大，气流旋转半径迅速变小，切线速度急剧增加，锥体内壁磨损加快，使沉积于锥壁上的颗粒难以下落。

排尘口直径DcDc过小,粉尘容易堵塞;Dc过大,集尘室中的粉尘易被内旋气流卷走。α一般取20-30°为宜。一般取：Dc=(0.25-0.5)D，且Dc≥70mm为宜。斯台尔曼(Stairmand)、斯威夫特(Swlft)和拉普尔(Lapple)等人根据调查研究的结果，提出了一般旋风除尘器与高效旋风除尘器各部件的尺寸比例：

旋风除尘器的压力损失旋风除尘器的压力损失与其结构型式和运行条件等因素有关。经验式

Shepherd-Lapple式

Louis-Theodore式旋风除尘器的压损系数或阻力系数一般由实验测定第四节静电除尘利用静电力从气流中分离悬浮粒子（尘粒或液滴）。分离的能量通过静电力直接作用在尘粒上。

特点消耗的能量很低；

适用性广泛应用于冶金、化工、能源、材料、纺织等工业部门。

主要缺点设备庞大，占地面积大，一次性投资费用高，不易实现对高比电阻粉尘的捕集。处理气量大，能连续操作，可用于高温、高压的场合。气压损失很小；除尘效率很高；可捕集亚微米级粒子；

静电除尘的基本原理

静电除尘器的组成

放电电极

集尘电极

静电除尘器的基本原理

气体电离

粒子荷电荷电粒子的迁移与沉积

颗粒的清除四个过程：

气体电离区域(1)：随着电压的增加，空气离子被加速。区域(2)：空气离子全到达电极的饱和状态。区域(3)：“电子雪崩”

粒子荷电两种荷电过程电场荷电：离子在电场力作用下作定向运动，并与粒子碰撞而使粒子荷电。(>1μm粒子为主)扩散荷电：由离子的扩散而使粒子荷电。主要依靠离子的无规则热运动，而不是依赖于电场力。(<0.2μm粒子为主)粒子荷电形式电子直接撞击颗粒，使粒子荷电。气体吸附电子而成为负气体离子，此离子再撞击颗粒而使粒子荷电。电除尘的主要荷电形式

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。颗粒荷电越多，所处位置的电场强度越大，则迁移的速度越大。当荷电粒子到达集尘极处，颗粒上的电荷便与集尘极上电荷中和。从而使粒子恢复中性，此即颗粒的放电过程。实践证明，粒子的比电阻在104–5×1010Ωּcm的范围内，最适宜静电除尘。

颗粒的清除采用振打的方法或其它清灰方式将集尘极板上沉积的颗粒层强制破坏，并使其落入灰斗，从除尘器中排出。

静电除尘器的分类

静电除尘器的分类及结构按集尘器的型式分圆管型：电场强度变化均匀，一般采用湿式清灰。平板型：电场强度变化不均匀，清灰方便，制作安装比较容易，结构布置较灵活。按荷电方式和放电空间布置一段式：颗粒荷电和放电在同一个电场中进行。现在工业上一般都采用这种型式。二段式：颗粒在第一段荷电，在第二段放电沉积。主要用于空调装置。按气流方向卧式：气流方向平行于地面，占地面积大，但操作方便，目前被广泛采用。立式：气流垂直于地面，通常由下而上，圆管型电除尘器均采用立式，占地面积小，捕集细粒易产生再飞扬。干式：采用机械、电磁、压缩空气等振打清灰，处理温度高达350-450℃，有利于回收较高价值的颗粒物。按清灰方式湿式：通过喷淋或溢流水等方式清灰，无粉尘再飞扬，效率高，同时可净化部分有害气体如SO2、HF等；其缺点是腐蚀、结垢问题较严重，增加了含尘污水处理工序。℃

静电除尘器的结构

电晕电极

集尘电极

清灰装置

气流分布装置

灰斗要求起始晕电压低，电晕电流大，机械强度高。要求易于尘粒的沉积，避免尘粒二次飞扬，便于清灰，具有足够的刚度和强度。清灰的主要方式有机械振打、电磁振打、刮板清灰、水膜清灰等。要求能使气流分布均匀，气压损失小。沿线全长放电尖端放电易于清灰、简单，但尘粒二次飞扬严重、刚度较差。有利于尘粒沉积，二次飞扬少且有足够的高度，应用较多。

静电除尘器的效率

理论除尘效率方程（多依奇方程）

多依奇-安德森方程

驱进速度

除尘效率方程有效驱进速度在dt时间内于dx空间捕集的粒子质量为：dm=a(dx)wC(dt)=-A(dx)(dC)dx=Vdtx=0时,C=C0x=L时,C=CeAV=QaL=Ac

除尘效率方程的推导

静电除尘器的设计

根据现有的运行条件和设计经验，确定有效驱进速度wp;根据气体的流量Q和要求的除尘效率，计算所需的集尘板总面积Ac，以及其它一些主要尺寸。（6-60）

静电除尘器的设计程序

平板式除尘器

由式（6-60）计算集尘板的总面积Ac

根据选定的集尘板的间距2b、高度h及长度L确定所需通道数n

其它主要尺寸和参数计算

通道数

n=Ac/2hL

通道横断面积

A=2bhn

处理气量

Q=AV=2bhnV或V=Q/2bhn

处理时间

t=L/V

例题

有一单通道板式电除尘器，通道高为5m，长6m，集尘板间距为300mm，处理含尘气量为6000m3/h时，测得进出口含尘浓度为9.30g/m3和0.5208g/m3.参考以上参数重新设计一台电除尘器，处理气量为9000m3/h，要求除尘效率为99.7%。问需多少通道数？第五节袋式除尘利用棉、毛或人造纤维等加工的滤布捕集尘粒。

特点

应用不适于粘结性强及吸湿性强的尘粒，特别是烟气温度不能低于露点温度。

主要缺点其应用受滤布的耐温、耐腐等操作性能的限制。除尘效率高；结构简单，使用灵活，便于回收干料，不存在污泥处理。适应性强；操作弹性大；主要在工业尾气的除尘方面应用较广。

工作原理

除尘过程

除尘机理

筛过作用

惯性碰撞

扩散和静电作用

重力沉降这些除尘机理通常不是同时有效，根据粉尘性质、袋滤器结构特性及运行条件等实际情况的不同，各种机理的重要性也不同。

袋式除尘器的结构形式

按滤袋形状圆袋扁袋

按含尘气流进入滤袋的方向内滤式外滤式

按进气方式的不同上进式下进式

按清灰方式机械振动清灰逆气流清灰吹灰圈清灰脉冲清灰

袋式除尘器的性能过滤速度—气布比过滤速度的选择要综合粉尘的性质、滤料种类、清灰方式等因素来确定。除尘效率过滤纤维上积的粉尘层越厚，粉尘负荷越高，除尘效率就高。压力损失

清洁滤布的阻力损失

滤布粘有粉尘时的总压力损失滤布上粉尘层本身所造成的压力损失重要技术经济指标滤布上的粉尘负荷滤布的选择容尘量大，清灰后能在滤料上保留一定的永久性粉尘；

袋式除尘器的选择与设计透气性好，过滤阻力低；抗皱折性、耐磨、耐温及耐腐蚀性能好，使用寿命长；吸湿性好，容易清除粘附在上面的粉尘；成本低，材料可用天然滤料、合成纤维和无机纤维。选择时应根据气体和粉尘物性、操作条件及设备投资综合考虑。性能良好的滤料过滤速度的确定选择时应根据滤料物性及清灰方式综合考虑。滤袋设计滤袋面积直径和长度单个滤袋面积滤袋个数直径一般取200-300mm，最大不超过600mm。长度一般为2-6m，最长不超过12m。第六节湿式除尘利用洗涤液（一般为水）与含尘气体充分接触，将尘粒洗涤下来而使气体净化。

特点除尘效率高，除尘器结构简单，造价低，占地面积小，操作维修方便。

主要缺点需对洗涤后的含尘污水、污泥进行处理；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，设备易受腐蚀，比一般干式除尘器的操作费用要高。

适用性特别适宜于处理高温、高湿、易燃、易爆的含尘气体。

湿式除尘机理

惯性碰撞碰撞效率：气流中有可能被分离的垂直断面积与液滴在气流方向上的投影面积之比。

扩散效应（粒径<0.3μm以下的尘粒）

粘附

扩散漂移与热漂移

凝聚扩散系数

气-液界面及除尘器的型式

四种气-液界面

气泡表面

液体射流表面

液膜表面

液滴表面

湿式除尘器的分类

重力喷雾洗涤器（机械喷雾塔）

旋风洗涤器（离心洗涤器）

贮水式冲击水浴除尘器（自激喷雾洗涤器）

板式洗涤器（泡沫洗涤器）

填料洗涤器

文丘里洗涤器

机械动力洗涤除尘器文丘里洗涤器的设计计算

构造及工作原理

构造文氏管：渐缩管、喉管、渐扩管脱水装置

工作原理

液体进入文氏管的方式

文丘里洗涤器的设计

选择适当的喉管气速V0

文氏管尺寸根据尘粒的特性及粒径分布规律、气体性质、排放要求等选择适当的喉管气速。D0>100或120mm，采用矩形喉管长度l0：1~3D0渐缩管长度l1：

α1=23～25°D1气体引入管直径，D1=2~5D0渐扩管长度l2：

α2=6～8°D2连接管直径。喉管直径除尘装置的选择除尘器的性能指标

技术指标

经济指标处理气体量压力损失捕集效率基建投资运转管理费占地面积及使用寿命在评价及选择除尘器时，应结合气体和颗粒物的特性及运行条件，进行全面考虑。理想的除尘器必须在技术上能满足工艺生产及环境保护对气体含尘的要求，在经济上要最合算。选择的除尘器必须满足排放标准规定的排放浓度。对于运行不稳定的系统，要注意烟气处理量变化对除尘效率和压力损失的影响。例如，旋风除尘器除尘效率和压力损失，随处理烟气量的增加而增加，但大多数除尘器（如电除尘器）的效率却随着烟气量的增加而下降。

需考虑粉尘的物理性质对除尘器性能的影响。入口的含尘浓度、粉尘的粒径分布、密度、比电阻、亲水性、温度、压力、粘性、毒性