大气污染控制工程第四章.

第四章除尘装置从气体中去除或捕集固体或液体微粒的设备称为除尘装置，或除尘器。根据除尘机理的不同，除尘装置一般可分以下几种类型：（1）机械式除尘器重力沉降室、旋风除尘器和惯性除尘器；（2）洗涤式除尘器喷淋洗涤器、文丘里除尘器、自激式洗涤器、水膜除尘器（3）过滤式除尘器包括袋式除尘器和颗粒层除尘器（4）电除尘器第一节机械除尘器利用质量力（重力、惯性力和离心力）的作用使颗粒物与气流分离的装置，包括重力沉降室、惯性除尘器和旋风除尘器。一、重力沉降室通过重力作用使尘粒从气流中沉降分离的除尘装置。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。设计重力沉降室的模式有层流式和湍流式两种。1.层流式重力沉降室假设沉降室内气流为柱塞流，流速为v0(m/s),流动状态保持在层流范围内，颗粒均匀地分布在烟气中。粒子的运动由两种速度组成。在垂直方向，忽略气体的浮力，仅在重力和气体阻力的作用下，每个粒子以其沉降速度us(m/s)独立沉降，在烟气流动方向，粒子和气流具有相同的速度。设沉降室的长、宽、高分别为L、W和H,处理烟气量为Q(m3/s),气体在沉降室内停留时间为t=L/v0=LWH/Q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：QLWHuvLutuhsssc0QLWuHvuLHhssci0从该式可以看出，提高沉降室除尘效率的主要途径为，降低沉降室内的气流速度、增加沉降室长度或降低沉降室高度。于是，沉降室的总除尘效率为：该沉降室所能捕集的最小粒径为：v0——气体的流速，m/s；μ——流体的粘度，pa.s1000100020018RRRRppsdRdHvgLdRHvLuWLgQLgHvdpp18180min2.湍流式重力沉降室沉降室中气流为湍流状态，在垂直于气流方向的每个横断面上粒子完全混合，即各种粒径的粒子都均匀分布于气流中。为了确定对粒径为dp的粒子的分级效率，需要寻求沉降室内任意位置x与留在气流中的粒子为dp的粒子数目Np之间的关系。粒径为dp的粒子的分级除尘效率为：QLWusiexp1重力沉降室的主要优点是：结构简单。投资少，压力损失小（一般为50-130Pa），维修管理容易。但它的体积大，效率低，因此只能作为高效除尘的预除尘装置，除去较大和较重的粒子。二、惯性除尘器1.惯性除尘器除尘机理为了改善沉降室的除尘效果，可在沉降室内设置各种形式的挡板，使含尘气流冲击在挡板上，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。回旋气流的曲率半径愈小，愈能分离捕集细小的粒子。显然，这种惯性除尘器，除借助惯性力作用外，还利用了离心力和重力的作用。2.惯性除尘器结构型式结构型式多样，可分为以气流中粒子冲击挡板捕集较粗粒子的冲击式和通过改变气流流动方向而捕集较细粒子的反转式。这种设备，沿气流方向设置一级或多极挡板，使气体中的尘粒冲撞挡板而被分离。弯管型和百叶窗型反转式除尘装置和冲击式惯性除尘装置一样都适于烟道除尘，多层隔板型的塔式除尘装置主要用于烟雾的分离。3.惯性除尘器的应用一般惯性除尘器的气流速度愈高，气流方向转变角度愈大，转变次数愈多，净化效率愈高，压力损失也愈大。惯性除尘器用于净化密度和粒径较大的金属或矿物性粉尘的除尘效率较高；对于粘结性和纤维性粉尘，则因易堵塞而不宜采用。由于惯性除尘器的净化效率不高，故一般只用于多级除尘中的第一级除尘，捕集10-20m以上的粗尘粒。压力损失依型式而定，一般为100-1000Pa。三、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。1.旋风除尘器内气流与尘粒的运动普通旋风除尘器是由进气管、筒体、锥体和排气管等组成。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。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。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次方常数nTRvn，称为涡旋指数。D为旋风除尘器直径，m;T为气体的温度，k。3.014.0283)(67.011TDn内旋涡的切向速度正比于旋转半径R，比例常数等于气流的旋转角速度，于是RvT/因此，在内、外旋涡交界园柱面上，气流的切向速度最大。实验测量表明，交界园柱面直径d0=(0.6-1.0)de(de是排气管直径）。旋转气流的径向速度根据塔林登（TerLinden)测量的结果，可近似认为外旋涡气流均匀地经过内、外旋涡交界园柱面进入内旋涡，即近似地认为气流通过这个圆柱面时的平均速度就是外旋涡气流的平均径向速度vr，即002hrQvr式中：Q为旋风除尘器处理气量，m3/s；r0和h0分别为交界圆柱面的半径和高度，m。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。2.旋风除尘器的压力损失p在评价旋风除尘器设计和性能时的一个主要指标是气流通过旋风器时的压力损失，亦称压力降。旋风除尘器的压力损失与其结构和运行条件等有关，理论计算比较困难，主要靠实验确定。p一般与气体入口速度的平方根成正比，即Pavp2121为气体的密度，kg/m3；v1为气体入口速度，m/s；为局部阻力系数。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FcFD，粒子在离心力推动下移向外壁而被捕集；如果FcFD，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：3.旋风除尘器的除尘效率式中，vT0为交界面处气流的切向速度，m/s;vr为旋转气流的径向速度。rcTpcvdrvd360023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：116931.0exp1ncpidd2/120018Tprcvrvdn为涡旋指数。另一种广泛采用的分级效率公式是分析大量实验数据后提出的经验公式，其精度完全可以满足工程设计的需要。4．影响旋风除尘器效率的因素二次效应、比例尺寸、烟尘的物理性质和操作变量。（1）二次效应即被捕集的粒子重新进入气流。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碰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，实际效率低于理论效率，因为理应沉降入灰斗的尘粒却随净化后气流一起排走，其起因主要为粒子被反弹回气流或沉积的尘粒被重新吹起。22)/(1)/(cpicpiidddd（2）比例尺寸在相同的切向速度下筒体直径D愈小，粒子受到的惯性愈大，除尘效率愈高，但若筒体直径过小，粒子容易逃逸，使效率下降。另外，锥体适当加长，对提高除尘效率有利。实践表明，筒体和锥体的总高度以不大于5的筒体直径为宜。除尘器分割直径的公式可看出，排出管直径愈小分割直径愈小，即除尘器效率愈高。但排出管直径太小，会导致压力降的增加，一般取排出管直径de=（0.4-0.65)D。此外，除尘器下部的严密性也是影响除尘效率的一个重要因素。如果除尘器下部不严密，漏入外部空气，会把正在落入灰斗的粉尘重新带走，使除尘效率显著下降。因此，在不漏风的情况下进行正常排灰是旋风除尘器运行中必须重视的问题。旋风除尘器尺寸比例变化对性能的影响比例变化性能趋向投资趋向压力损失效率增大旋风除尘器直径降低降低提高加长筒体稍有降低提高提高增大入口面积（流量不变）降低降低—增大入口面积（流速不变）提高降低降低加长锥体稍有降低提高提高增大锥体的排出孔稍有降低提高或降低—减小锥体的排出孔稍有提高提高或降低—加长排出管伸入器内的长度提高提高或降低提高增大排气管直径降低降低提高（3）烟尘的物理性质气体的密度和粘度、尘粒的大小和比重、烟气含尘浓度等。（4）操作变量提高烟气入口流速，旋风除尘器分割直径变小，使除尘器性能改善。5．旋风除尘器的结构型式（1）按进气方式分类切向进入式和轴向进入式切向进入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。轴向进入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。（2）按气流组织分类回流式、直流式、平流式和旋流式等多种。（3）多管旋风除尘器由多个，有时多达数千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。但处理烟气量大时，可采用这种组合方式。多管除尘器布置紧凑，外形尺寸小，可以用直径较小的旋风子（D=100、150、250mm)来组合，能够有效地捕集5-10um的粉尘，多管旋风除尘器可用耐磨铸铁铸成，因而可以处理含尘浓度较高的气体（100g/m3)。常见的多管除尘器有回流式和直流式。6.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pv21确定旋风除尘器的进口截面A、入口宽度b和高度h1vQbhA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第二节电除尘器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。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。一、静电除尘器分类和特点静电除尘器主要由放电电极和集尘电极组成。放电电极（电晕极）是一根曲率半径很小的纤细裸露电线，上端与直流电源的一极相连，下端由吊锤固定位置，集尘电极是具有一定面积的管和板，它与电源的另一极相连。若在两极施加高压，则在放电电极附近的电场强度很大，而在集尘电极附近的电场强度相对很小，因此两极之间的电场是不均匀强电场。1.按集尘电极的结构形式分类（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。（2）版式电除尘器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