大气污染控制学 (4)

1、编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第1页 共1页第六章 除尘装置从气体中去除或捕集固态或液态微粒的设备称为除尘装置，或除尘器；根据主要除尘机理，目前常用的除尘器可分为：机械除尘器、电除尘器、袋式除尘器和湿式除尘器；根据除尘效率可分为：高效（90%-99.9%）除尘器，如过滤式除尘器、电除尘器；中效（70%-90%）除尘器，如旋风除尘器、湿式除尘器；低效（40%-70%）除尘器，如重力沉降室、惯性除尘器等。6.1 机械除尘器目的要求：掌握重力、惯性和旋风除尘器的除尘机理、性能特点及设计选型；重点：重力、惯性和旋风除尘器的除尘机理；授课方式：讲授、自学机械除尘器是指利用质量力（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。结构如图6-1所示。 图 6-1含尘气流进入重力沉降室后，由于扩大了流动截面积而使气体流速大大降低，使较重的颗粒在重力作用下缓慢向灰斗沉降。重力沉降室的设计有两种模式：层流式和湍流式；1、重力沉降室的捕集效率（1）层流式重

2、力沉降室沉降室设计的简单模式的假定是在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）,气流在沉降室内停留时间： （6-1）在时间t内，粒径为的粒子的沉降距离为： （6-2）因此，对于粒径为的粒子，只有在高度以下进入沉降室才能沉降到灰斗。当H时，粒子的分级除尘效率： （6-3）给定沉降室的结构，便可按式（6-3）求出不同粒径粒子的分级效率或作出分级效率曲线。根据沉降室入口粉尘的粒径分布，按式（5-54）或（5-55）即可计算出沉降室的总除尘效率。假定粒子沉降运动处于斯托克斯区域，则重力沉降室能100%捕集的最小粒子直径为： （6-4）工程中常采用公式（6-3）计算值的一半取为分级效率，用36代替（6-4）中的18，这样理论和实践符合的更好。由上述计算公式可见，为提高沉降室捕集效率，可从以下三个方面入手：（1）降低沉

3、降室内气流速度；（2）降低沉降室高度H；（3）增长沉降室长度L。沉降室内的气流速度根据粒子的大小和密度确定，一般为0.3 m/s -2.0 m/s。为提高沉降室捕集效率和容积利用率，从降低高度出发，在总高度不变的情况下，在沉降室内增设几块水平隔板，形成多层沉降室，此时沉降室的分级效率变为： （6-5）但这样做清理积灰较困难，还有难以使各层隔板间气流均匀分布以及处理高温气体时金属隔板容易翘曲等缺点。实际上一般限制隔板层数n在3以下。沉降室内气流速度过低或沉降室长度过大，会使沉降室体积过于庞大，因而需从经济和技术上综合考虑比较。（2）湍流式重力沉降室湍流式重力沉降室假定沉降室内气流为湍流状态，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与留在气流中的粒径为的粒子数目之间的关系。图6-3为湍流式重力沉降室内粒子分离示意图。考虑宽度为W、高度为H和长度为dx的捕集元，假如dy代表边界层的厚度，在气流流过距离dx的时间内，边界层内粒径为的粒子完全沉降，被除去的粒子分数可以简单地表示为。在时间内，粒径为

4、的粒子以其沉降速度沉降，在垂直方向上沉降的最大距离，因此。对于粒子完全混合系统，比率是进入边界层且被从气流中除去粒子所占的分数。因此： （6-6）对（6-6）积分得： 此方程有两个边界条件，即x=0处，；在x=L处，。因此，因此，粒径为的粒子的分级除尘效率： （6-8）根据分级除尘效率可以容易求得沉降室的总除尘效率。完全混合的设计模式（自学了解）。2、重力沉降室的设计步骤根据上述有关公式和给定的粉尘粒径等物理性质，重力沉降室的设计步骤是：首先根据粉尘的真密度和粒径计算出沉降速度，在假设沉降室内的气流水平速度u和沉降室高度H（或宽度W），然后计算确定沉降室的长度L和宽度W（或高度H）。例6-1 重力沉降室的设计计算；3、重力沉降室的特点（1）适宜于净化密度大、颗粒粗的粉尘（能有效地捕集50以上的尘粒）；（2）主要缺点：占地面积大、除尘效率低，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；（3）主要优点：结构简单、投资少、维修管理容易、压力损失小（一般为50-150Pa）；二、惯性除尘器1、惯性除尘器的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

5、击到挡板上，气流方向发生急剧变化，借助尘粒本身的惯性力作用，使其与气流分离。图6-5所示是含尘气流冲击在两块挡板上时尘粒分离的机理。当含尘气流冲击到挡板B1上时，惯性大的粗尘粒（d1）首先被分离下来。被气流带走的尘粒（d2，且d2d1），由于挡板B2使气流方向发生转变，借助离心力作用也被分离下来。若设该点气流的旋转半径为R2，切向速度为ut，则尘粒d2所受离心力与d22ut2/ R2成正比。2、惯性除尘器的结构形式惯性除尘器结构形式可分为冲击式和反转式两种。冲击式以气流中粒子冲击挡板捕集较粗粒子；反转式通过改变气流流动方向而捕集较细的粒子；3、惯性除尘器的应用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具有较高的除尘效率。对粘结性和纤维性粉尘，则因易堵塞而不易使用。由于惯性除尘器的净化效率不高，因此一般只用于多级除尘中的第一级除尘，捕集10-20以上的粗尘粒。三、旋风除尘器旋风除尘器是使含尘气体作旋转运动，借作用于尘粒上的离心力把尘粒从气体中分离出来的装置。旋风除尘器的特点是：结构简单、造价便宜、体积小、操作维修方便；压力损失中等，动力消耗不大，除尘效率较高；可用各种材料制造，适

6、用于粉尘负荷变化大的含尘气体，性能较好，能用于高温、高压及腐蚀性气体的除尘，可直接回收干粉尘；无运动部件，运行管理简便等。旋风除尘器历史较久，现在一般用来捕集515以上的尘粒，除尘效率可达80左右。对于旋风除尘器的运行机理虽然做了大量的研究工作，但由于内部流态复杂准确地测定有关参数比较困难。因而至今理论上仍不完善；捕集小于5尘粒的效率不高。下面仅对旋风除尘器的基本原理及常用结构型式和性能特点作简要介绍。1、旋风除尘器的工作原理普通旋风除尘器由简体、锥体和进气管、排气管等组成，其构造如图6-8所示。工作原理：含尘气体由进口切向进入后，沿筒体内壁由上向下作圆周运动，并有少量气体沿径向运动到中心区内。这股向下旋转的气流大部分到达锥体顶部附近时折转向上。在中心区域旋转上升，最后由排气管排出。这股气流作向上旋转运动时，也同时进行着径向的离心运动。一般将旋转向下的外团气流称为外旋流，将旋转向上的内因气流称为内旋流，把外旋流变为内旋流的锥顶附近区域称为回流区。内旋流与外旋流两者旋转方向相同，在整个流场中起主导作用。气流作旋转运动时，尘粒在离心力作用下，逐渐向外壁移动。到达外壁的尘粒，在外旋流的推力和

7、重力的共同作用下，沿器壁落至灰斗中，实现与气流的分离。 图6-8 普通旋风除尘器的结构及内部气流1、筒体；2、锥体；3、排气管；4、外旋流；5、内漩流；6、上旋流；7、回流区；此外，当气流从除尘器顶向下高速旋转时，顶部压力下降，使一部分气流带着微细尘粒沿简体内壁旋转向上，到达顶盖后再沿排气管外壁旋转向下，最后汇入排气管排走。通常将这股旋转气流称为上旋流。上旋流携带细尘汇人内旋流排走。对于旋风除尘器内气流运动流场的测定发现，由于进入的气体不是理想气体，且具有粘性，所以实际气流的运动是很复杂的。外旋流内部及其与尘粒之间存在着磨擦损失，因而外旋流不是纯净的自由涡，而是所谓的准自由涡，它具有向下低速向心的径向运动。内旋流类似于刚体圆柱的转动，称为强制涡，它具有向上高速向外的径向运动。为研究方便，通常把内部流场看成复杂的三元流动体系，把全速分解为三个速度分量：即切向速度、径向速度和轴向速度。（1）切向速度切向速度是决定气流合速度大小的主要速度分量，也是决定气流质点离心力和尘粒捕集效率的主要因素。实测旋风赊尘器内气流的切向速度分布如图6-9所示.。根据“涡流”定律，外涡旋的切向速度反比于旋转半径R

8、的n次方，即 （6-9）其中：n为涡流指数。n1；内涡旋的切向速度正比于旋转半径R，比例常熟等于气流的旋转角速度，即 （6-11）n=0时，=常数，处在内外旋流的交界面上，达到最大值；（2）径向速度旋流气体的径向速度，内旋流是指向上方的高速向外的，而外旋流是指向下方的低速向心的。前者对分离尘粒有利，后者对分离尘粒不利，使有些细小尘较在向心气流的带动下进入内旋流而被排出。 （6-12）（3）轴向速度外旋流区轴向速度向下，内旋流区轴向速度向上，因而在内、外旋流之间必然存在一个轴向速度为零的交界面。在内旋流中，随着气流的逐渐上升，轴向速度不断增大。在排气管底部达到最大值。2、旋风除尘器的压力损失旋风除尘器的压力损失与其结构和运行条件等有关，主要靠实验确定。实验表明，旋风除尘器的压力损失一般与气体入口流速的平方成正比，即 （6-13）局部阻力系数在缺少实验数据的时候，可用下式估算： （6-14）此式表明，除尘器的相对尺寸对压力损失影响较大，当除尘器结构型式相同时，几何放大或缩小，压力损失基本不变。其他操作因素对压力损失也有影响，如入口含尘浓度、内部构件等。3、旋风除尘器的除尘性能（1）尘粒的分割粒径对旋风除尘器除尘性能的研究，过去和现在都为许多学者所关注。但由于在除尘器内气、固两相流动非常复杂，影响因素很多，通过假设提出的除尘效率计算公式，还不能进行较准确的计算。现在仍用实验确定其性能，依据某些假设条件导出近似计算公式，以说明其工作原理，估算除尘效率，分析影响效率的重要因素。这对旋风除尘器的发展及其性能的改善具有重要作用。在旋风除尘器内，粒子的沉降主要取决于离心力和向心运动气流作用于尘粒上的阻力。在内外涡旋界面上，如果，粒子在离心力的推动下移向外壁而被捕集；如果，粒子在向心气流的带动下进入内涡旋，最后由排出管排出；如果=，作用在尘粒上的外力之和等于零，粒子在交界面上不停旋转；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粒径，用表示。旋风除尘器的除尘效率与尘粒的粒径有关。粒径越大，效率愈高，当粒径大到某一值时，其除尘效率可100，此时的尘粒粒径称为全分离粒径，或称为临介粒径。除尘效率为50时相应的尘粒粒径称为分割粒径。

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