《旋风除尘器》课程设计

引言随着人类社会的发展与进步，人们对生活质量和自身的健康越来越重视，对空气质量也越来越关注。然而人们在生产和生活中，不断的向大气中排放各种各样的污染物质，使大气遭到了严重的污染，有些地域环境质量不断恶化，甚至影响人类生存。在大气污染物中粉尘的污染占重要部分，可吸入颗粒物过多的进入人体，会威胁人们的健康。所以防治粉尘污染、保护大气环境是刻不容缓的重要任务[1]。除尘器是大气污染控制应用最多的设备，其设计制造是否优良，应用维护是否得当直接影响投资费用、除尘效果、运行作业率。所以掌握除尘器工作机理，精心设计、制造和维护管理除尘器，对搞好环保工作具有重要作用[2]。工业中目前常用的除尘器可分为：机械式除尘器、电除尘器、袋式除尘器、湿式除尘器等。机械式除尘器包括重力沉降室、惯性除尘器、旋风除尘器等。重力沉降室是通过重力作用使尘粒从气流中沉降分离的除尘装置，主要用于高效除尘的预除尘装置，除去大于40μm以上的粒子。惯性除尘器是借助尘粒本身的惯性力作用使其与气流分离，主要用于净化密度和粒径较大的金属或矿物性粉尘。旋风除尘器是利用旋转气流产生的离心力使尘粒从气流中分离的装置，多用作小型燃煤锅炉消烟除尘和多级除尘、预除尘的设备[12]。本次设计为旋风除尘器设计，设计的目的在于设计出符合要求的能够净化指定环境空气的除尘设备，为环保工作贡献一份力量。设计时力求层次分明、图文结合、内容详细。此设计主要由筒体、锥体、进气管、排气管、排灰口的设计计算以及风机的选择计算等组成，在获得符合条件的性能的同时力求达到加工工艺简单、经济美观、维护方便等特点。第一章旋风除尘器的除尘机理及性能1.1旋风除尘器的基本工作原理1.1.1旋风除尘器的结构旋风除尘器的结构如图2-1所示，当含尘气体由进气管进入旋风除尘器时，气流将由直线运动转变为圆周运动，旋转气流的绝大部分延器壁呈螺旋形向下，朝椎体流动。通常称为外旋气流，含尘气体在旋转过程中产生离心力，将重度大于气体的尘粒甩向器壁。尘粒一旦与器壁接触，便失去惯性力而靠入口速度的动量和向下的重力延壁面下落，进入排灰管。旋转下降的外旋气流在到达椎体时，因椎体形状的收缩而向除尘器中心靠拢。根据“旋转矩”不变原理，其切向速度不断增加。当气流到达椎体下端某一位置时，即以同样的旋转方向从旋风除尘器中部，由下反转而上，继续做螺旋运动，即内旋气流。最后净化气体经排气管排除旋风除尘器外，一部分未被捕集的尘粒也由此遗失。1—排气管2—顶盖3—排灰管4—圆锥体5—圆筒体6—进气管图1—1旋风除尘器1.1.2用途及压力分布用途：旋风除尘器适用于各种机械加工，冶金建材，矿山采掘的粉尘粗、中级净化。一般用于捕集5-15微米以上的颗粒．除尘效率可达80％以上。机械五金、铸造炉窖、家具木业、机械电子、化工涂料、冶金建材、矿山采掘等粉尘旋风分离、中央集尘净化和原材料回收设备。旋风除尘器内的压力分布一般旋风除尘器内的压力分布如图2—2所示。依据对旋风除尘器的工作原理、结构形式、尺寸以及气体的温度、湿度和压力等分析和试验测试，其压力损失的主要影响因素可归纳如下：（1）结构形式的影响旋风除尘器的构造形式相同或几何图形相似，则旋风除尘器的阻力系数ζ相同。若进口的流速相同，压力损失基本不变。（2）进口风量的影响压力损失与进口速度的平方成正比，因而进口风量较大时，压力损失随之增大。（3）除尘器尺寸的影响除尘器的尺寸对压力损失影响较大，表现为进口面积增大，排气管直径减小，而压力损失随之增大，随圆筒与椎体部分长度的增加而减小。（4）气体密度变化的影响压力损失随气体密度增大而增大。由于气体密度变化与T、P有关，换句话说，压力损失随气体温度或压力的增大而增大。（5）含尘气体浓度的大小的影响试验表明，含尘气体浓度增高时，压力损失随之下降，这是由于旋转气流与尘粒之间的摩擦作用使旋转速度降低所致。（6）除尘器内部障碍物的影响旋风除尘器内部的叶片、突起、和支撑物等障碍物能使气流旋转速度降低。但是，除尘器内部粗糙却使压力损失很大。1.2旋风除尘器的性能及其影响因素1.2.1旋风除尘器的技术性能（1）处理气体流量Q处理气体流量Q是通过除尘设备的含尘气体流量，除尘器流量为给定值，一般以体积流量表示。高温气体和不是一个大气压情况时必须把流量换算到标准状态，其体积m3/h或m3/min表示。（2）压力损失旋风除尘器的压力损失△p是指含尘气体通过除尘器的阻力，是进出口静压之差，是除尘器的重要性能之一。其值当然越小越好，因风机的功率几乎与它成正比。除尘器的压力损失和管道、风罩等压力损失以及除尘器的气体流量为选择风机的依据。压力损失包含以下几个方面：①进气管内摩擦损失；②气体进入旋风除尘器内，因膨胀或压缩而造成的能量损失；③与容器壁摩擦所造成能量损失；④气体因旋转而产生的能量消耗；⑤排气管内摩擦损失，以及由旋转气体转为直线气体造成的能量损失；⑥排气管内气体旋转时的动能转换为静压能所造成的损失等。（3）除尘效率一般指额定负压的总效率和分级效率，但由于工业设备常常是在负荷下运行，有些场合把70%负荷下的除尘总效率和分级效率作为判别除尘性能的一项指标。从额定负荷下的总效率与70%负荷下总效率对比中，可以看出除尘器负荷适应性。分级效率是说明除尘器分离能力的一个比较确切的指标。对同一灰尘粒径的分级效率越高，除尘效果越好。在工业测试中，一般把3μm、5μm和10μm灰尘的分级效率作为衡量旋风除尘器分离能力的一个依据。旋风除尘器的分割粒径50cd和100cd在某程度上也说明除尘器除尘效率高低。（4）耗钢量旋风除尘器的耗钢量是每小时处理1000m3气体除尘器本身所需要的钢材数量。在除尘效率接近或相等时，耗钢量越小越好。处理气量为3000~12000m3/h的旋风除尘器耗钢量一般为35~50kg/(1000m3)；小于3000m3/h气体流量的阻力除尘器的耗钢量，一般都在100kg/(1000m3/h)以上；处理气体流量大于等于20000m3/h时，所配旋风除尘器分两种情况，，一是多筒式旋风结构，包括进出口组合接管、灰斗和支架的耗钢量都很高为90~160kg/(1000m3/h)。而双极旋风除尘器，由于没有灰斗和支架，耗钢量一般都很低，约40~60kg/(1000m3/h)。（5）使用寿命使用寿命与旋风除尘器本身结构特点、耐磨损措施以及操作条件有关。延长使用寿命的积极措施是：合理组织除尘器内部气流并在内部设抗磨内衬。1.2.2影响旋风除尘器性能的主要因素（1）旋风除尘器几何尺寸的影响在旋风除尘器的几何尺寸中，以旋风除尘器的直径、气体进口以及排气管形状与大小为最主要的影响因素。①一般，旋风除尘器的直径越小，粉尘所受的离心力越大，旋风除尘器的除尘效率也就越高。但过小的筒体直径会造成较大直径颗粒有可能反弹至中心气流而被带走，使除尘效率降低。另外，筒体太小对于粘性物料。因容易引起堵塞。因此，一般筒体直径不宜小于50~75mm；大型化以后己出现筒径大于20O0mm的大型旋风除尘器。②较高除尘效率的旋风除尘器都有合适的长度比例。它不但使进入筒体的尘粒停留时间增长，有利于分离，且能使尚未到达排气管的颗粒，有更多的机会从旋流核心中分离出来，减少二次夹带，以提高除尘效率。足够长的旋风除尘器，还可避免旋转气流对灰斗顶部的磨损。但是过长的旋风除尘器，会占据较大的空间，即从排气管下端至旋风除尘器自然旋转顶端的距离。可用下式计算:1322.3eDldab式中l—旋风除尘器筒体长度，m;D—旋风除尘器筒体直径，m;b—除尘器入口宽度，m;ed—除尘器出口直径，m。一般，常取旋风除尘器的圆筒段高度H=(l.5~2.0)D。旋风除尘器的圆锥体可以在较短的轴向距离内将外旋流转变为内旋流，因而节约了空间和材料。除尘器圆锥体的作用是将已分离出来的粉尘微粒集中于旋风除尘器中心，以便将其排入灰斗中。当锥体高度一定，而锥体角度较大时，由于气流旋流半径很快变小，很容易造成核心气流与器壁撞击，使沿锥壁旋转而下的尘粒被内旋流所带走，影响除尘效率。所以，半锥角a不宜过大。设计时常取a为13°~15°。③旋风除尘器的进口有两种主要的进口形式：轴向进口和切向进口。切向进口为最普通的一种进口形式，制造简单，用的比较多。这种形式进口的旋风除尘器外形尺寸紧凑。在切向进口中螺旋面进口为气流通过螺旋而进口，这种进口有利于气流向下做倾斜的螺旋运动同时也可以避免相邻两螺旋圈的气流互相干扰。渐开线（蜗壳形）进口进入筒体的气流宽度逐渐变窄，可以减少气流对筒体内气流的撞击和干扰，是颗粒向壁移动的距离减小，而且加大了进口气体和排气管的距离，减少气流的短路机会，因而提高除尘效率。这种进口处理气量大，压力损失小，是比较理想的一种进口形式。轴向进口是最理想的一种进口形式，它可以最大限度的避免进口气体与旋转气流之间的干扰，以提高除尘效率。但因气体均匀分布的关键是叶片形状和数量，否则靠近中心处分离效果很差。轴向进口常用于多管式旋风除尘器和平置式旋风除尘器。进口管可以制成矩形和圆形两种形式。由于圆形进口管与旋风除尘器器壁只有一点相切，而矩形进口管整个高度均与向壁相切，故一般多采用后者。矩形宽度和高度的比例要适当，因为宽度越小，除尘效率越高，但过长而窄的进口也是不利的，一般矩形进口管高与宽之比为2~4。④排气管常风的排气管有两种形式：一种是下端收缩式；另一种是直筒式。在设计分离较细粉尘的旋风除尘器时，可考虑设计为排气管下端收缩式。排气管直径越小，则旋风除尘器的效率越高，压力损失也越大；反之，除尘器效率越低，压力损失也越小。在旋风除尘器设计时，需控制排气管与筒径之比在一定范围内。由于气体在排气管内剧烈的旋转，将排气管末端制成蜗壳形式可以减少能量损失，这在设计中已被采用。⑤灰斗是旋风除尘器设计中不可忽视的部分，因为在除尘器的锥度处气流处于湍流状态，而粉尘也由此排除容易出现二次夹带的机会，如果设计不当，造成灰斗漏气，就会使粉尘的二次夹带飞扬加剧，影响除尘效率。（2）气体参数对除尘器性能的影响气体运行参数对性能的影响有以下几个方面：①气体流量的影响气体流量或者说除尘器入口气体流速对除尘器性能的压力损失、除尘效率都有很大的影响。从理论上来说，旋风除尘器的压力损失与气体流量的平方成正比，因而也和入口风速的平方成正比（与实际有一定偏差）。入口流速增加，能增加尘粒在运动中的离心力，尘粒易于分离，除尘效率提高。除尘效率随入口流速平方根而变化，但是当入口速度超过临界值时，紊流的影响就比分离作用增加的更快，以致除尘效率随入口风速增加的指数小于1；若流速进一步增加，除尘效率反而降低。因此，旋风除尘器入口的风速宜选18~23m/s。②气体含尘浓度的影响气体的含尘浓度对旋风除尘器的除尘效率和压力损失都有影响。试验结果表明，压力损失随含尘负荷增加而减小，这是因为颈向运动的大量尘粒拖拽了大量空气，粉尘从速度较高的气流智能向外运动到速度较低的气流中时，把能量传递给涡旋气流的外层，较少其需要的压力，从而降低压力降。由于含尘浓度的提高，粉尘的凝集与团聚性能提高，因而除尘效率有明显提高，但是提高的速度比含尘浓度增加的速度要慢得多，因此，排出气体的含尘浓度总是随着入口处的粉尘浓度增加而增加。③气体含湿量的影响气体的含湿量对旋风除尘器工况有很大影响。例如，分速度很高而黏着性很小的粉尘（小于10μm的颗粒含量为30%~40%，含湿量为1%）气体在旋风除尘器中净化不好；若细颗粒量不变，含湿量增至5%~10%时，那么颗粒在旋风除尘器内互相粘结成比较大的颗粒，这些颗粒被猛烈冲击在器壁上，气体净化将大有改善。④气体的密度、粘度压力、温度对旋风除尘器性能的影响气体的密度越大，除尘效率下降，但是，气体的密度和固体的密度相比几乎可以忽略。所以，其对除尘效率的影响较之固体密度来说，也是可以忽略不计。通常温度越高，旋风除尘器压力损失越小；气体粘度的影响在考虑旋风除尘器压力损失时常忽略不计。但从临界粒径的计算公式中知道，临界粒径与粘度的平方根成正比。所以，除尘效率时随着气体粘度的增加而降低。由于温度升高，气体粘度增加，当进气口气速等条件保持不变