大气污染控制工程4

4.1重力沉降室 含尘气流从入口管道进入比管道横截面积大得多的沉降室时，气体流速大为降低，较大的尘粒在沉降室内有足够的时间因重力作用而沉降下来。4.1.1基本结构和除尘原理*垂直气流沉降室（沉降速度〉气流速度）屋顶式沉降室烟管扩张式4.1重力沉降室*（1）已知尺寸的重力沉降室的分级除尘效率如何？对实际待处理气体能否达到处理？（预测型问题）（2）对实际待处理气体（已知粉尘的粒径和粒径分布）需要多大的重力沉降室才能达到处理要求？（设计型问题）4.1重力沉降室*4.1.2层流式重力沉降室1.层流沉降原理假定：①在沉降室内气流为柱塞流，流速为υ0(m/s)；②流动状态保持在层流范围内；③颗粒均匀地分布在烟气中。重力沉降室纵断面图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。4.1重力沉降室*设沉降室的长、宽、高分别为L、B、H，处理烟气量为Q(m3/s)。在时间t内，粒径为dp的粒子的沉降距离为：沉降室对粒径为dp的粒子的分级效率为:气流在沉降室内停留时间为：4.1重力沉降室*用到假定3*根据假定2，沉降室内为层流状态，沉降速度us为：得层流式重力沉降室分级效率的计算公式为：则重力沉降室能100％捕集的最小粒子直径为：给定重力沉降室的结构，可求出不同粒径粒子的分级效率；根据沉降室入口粉尘的粒径分布，可求总效率4.1重力沉降室*2.影响重力沉降室除尘效率的因素沉降室高度H，减小H，ηi增大，dmin减小。因此可设计多层沉降室来提高除尘效率，去除更小的颗粒物；沉降室长度L，增大L，ηi增大，dmin减小。因此可设计带挡板的沉降室；气速v，一般取0.2~2.0m/s，依粒子大小和密度定。要防止二次飞灰，淀粉等较轻物料，气速应取较小；4.1重力沉降室*图4－2不同形式的重力沉降室(a)多层沉降室；(b)带挡板的沉降室4.1重力沉降室*3.水平气流沉降室的设计计算及注意事项（1）设计步骤例：某石棉厂拟建一重力沉降室处理含石棉尘的气体，已知待净化的石棉尘气量为8000m3/h，石棉尘气体温度为30℃，此温度下的空气粘度为1.864×10-5Pa·s，石棉尘真密度为2200kg/m3。在车间附近可建造重力沉降室的用地为：长5m，宽2m，空间不受限制。要求能除去50微米以上的烟尘。解：①计算vs： ②选择水平气流速度v(0.2~2m/s)，假设H或L 取沉降室内气速为2m/s，H=1.5m4.1重力沉降室* ③计算L或H，并根据Q=BHv计算B。 由于沉降室过长，可采用五层水平隔板，即6通道（n＝6）沉降室，取每层高△H＝0.25m，则此时所需沉降室长度 若取L=2.5m，则沉降室宽度B为4.1重力沉降室*根据流体力学原理，当沉降室内流体雷诺数Re＜2300时，流体处于层流状态。矩形沉降室的流体雷诺数Re由下式计算： 式中：n－多层沉降室的通道数； γ—流体的运动粘度（m2/s）。 除非沉降室体积非常庞大，一般沉降室内气流很难处于层流状态。沉降室内存在的气流扰动会引起粒子运动速度和方向发生偏差，同时还存在返混现象，工程上常用36代替式中的18进行计算。4.1重力沉降室*4.1.3紊流沉降机理右图为多层沉降室中的一个通道，气流从图示方向流过由上、下隔板构成的空间。根据边界层理论作如下假设：①紧贴底板处有一层流边界层，进入该边界层的粉尘均被捕集；②由于紊流作用，边界层以上流动区内的粉尘分布均匀。设颗粒在x方向移动距离为dx＝vdt，同时在y方向移动距离为dy＝vsdt，消去dt后，得到4.1重力沉降室*根据前述假设，对于某一粒径被捕集颗粒的数目（-dN）与总颗粒数目（N）的比值恰为层流层断面积与总断面积之比，即 式中负号示随x增加粒子数目减少。将上式积分后得到 当x＝0时，N=N0，故C=N0；当x＝L时，N=NL，故4.1重力沉降室*在x方向气流流经L后粒径为dp的粒子的分级效率为 将层流边界层中颗粒沉降速度式代入上式，得其中：4.1重力沉降室*经济沉降室尺寸的确定只要nBL乘积不变，设计的ηd也保持不变4.1重力沉降室*重力沉降室的优点是阻力小（50~130Pa），动力费用低；结构简单，投资少；性能可靠，维修管理容易。缺点是设备庞大，效率低。适于净化密度和粒径大的粉尘，特别是磨损强的粉尘。设计好时，能捕集50μm以上粉尘，不适用净化20μm以下粉尘。一般作为多级除尘系统的第一级处理设备。4.1重力沉降室*注意事项：1.进出口形状：进口－渐扩管出口－渐缩管当场地受限制时，可加扩散板或导流板。2.为防止底部产生二次飞灰，可加水封或加喷雾装置3.重力沉降室应以长、宽、矮为原则。4.风机应放在沉降室的后面。5.重力沉降室内可适当设置挡板，提高除尘效率。6.处理高温气体时，进、出口位置应低一些。4.1重力沉降室*4.2惯性除尘器4.2.1惯性除尘器的基本结构和除尘原理惯性除尘器是使含尘气流冲击在挡板上，或让气流方向急剧转变，借助尘粒本身的惯性力作用使其与气流分离的一种除尘装置。冲击式惯性除尘器*反转式惯性除尘器4.2惯性除尘器*4.2.2惯性除尘器性能的影响因素1.含尘气体在冲击或改变方向前的速度愈高，流出装置的气流速度越低，除尘效率越高。2.对反转式惯性除尘器，气流转换方向的曲率半径越小，转变的次数越多，则净化效率越高，但阻力也越大。4.2惯性除尘器*惯性除尘器宜用于净化密度和粒径较大的金属或矿物粉尘，对于粘结性和纤维性粉尘，因易堵塞，不宜采用。由于气流方向改变的次数有限，净化效率不高，也多用于多级除尘的第一级，捕集10~20μm以上的粗尘粒。其压力损失依型式而异，一般为100～1000Pa。4.2.3惯性除尘器的特点4.2惯性除尘器*4.3旋风除尘器4.3.1概述1.除尘原理：旋风除尘器是利用含尘气体旋转运动产生的离心力从气体中分离尘粒的装置。2.基本结构：进气管、圆柱体、圆锥体、储灰斗和排出管。*3.主要特点：a.结构简单，体积小；b.不需特殊的附属设备；c.造价低，并可用于高温高腐含尘气体的处理；d.除尘效率属中效除尘器。4.3旋风除尘器*4.3.2工作原理1．旋风器内气流与尘粒的运动主流次流外旋流－准自由涡内旋流－强制涡上旋流（上灰环）下旋流（下灰环）2．旋风器内的速度场和压力分布旋风除尘器内的速度场是一个三元流场，通常把内、外旋流的全速度分解成为三个速度分量：切向速度vθ、径向速度vr和轴向速度vz。（1）切向速度式中n－由流型决定的常数，n=+1~-1，通过实验确定。 当n=+1时，为理想流体的有势的自由涡旋； 外旋流：准自由涡旋，n=0.5~0.9，vθ随半径r的减小而增加； n=0时，vθ=常数，即处于内外旋流交界面（大约d0=（0.6~0.65）d，d为排气管直径）上，vθ到达最大值； 内旋流：n=－1，vθ＝rω（ω为旋转角速度），流体的旋转类同于刚体的转动，是强制涡旋。（2）径向速度内旋流：由里向外的流动，与源流（在平面流中，从中心点径向向外的流动称为源流）类似，称为类源流；外旋流：由外向心的流动，称为类汇流。前者对分离粉尘有利，后者对分离粉尘不利，使有些细小粉尘在类汇流的作用下，进入内旋流而被带走。4.3旋风除尘器（3）轴向速度外旋流的轴向速度分量vz是向下的，内旋流的轴向速度vz是向上的，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。向下的外旋流轴向分速产生下灰环，它推动已分离在筒体内壁的粉尘向下移动，最后进入灰斗，对除尘有利。正因为有下灰环的存在，可以使旋风器卧装。4.3旋风除尘器(4)旋风器内的压力分布旋风器内的压力分布如下图曲线所示，全压和静压沿径向变化较大，由外壁向轴心逐渐降低，内旋流区域静压为负值，并且一直延伸至灰斗。气流压力沿径向的这种变化，不是因摩擦而主要是由离心力引起的。4.3旋风除尘器4.3.3压力损失1.压力损失的计算 井伊谷冈一提出的公式 式中K—常数，20~40，可近似取30； b，h－分别为进口管的宽度和高度（m）； D，L—分别为筒体的直径和长度（m）； d——排气管直径（m）； H——锥体长度（m）。4.3旋风除尘器*（2）影响压损的主要因素 同一结构型式旋风除尘器的相似放大或缩小，ξ值相同。若进口气速vi相同，压力损失基本不变。 因ΔP∝vi2，故处理气量Q增大时，ΔP随之增大。 ξ值随进口断面A=hb的增大和排气管直径d的减少而增大，随筒体长L和锥体长H的增加而减少。 随气体密度的增大而增大，即随气体温度的降低或压力的增高而增大。 除尘器内部有叶片、突起和支持物等障碍物时，使气体旋转速度降低，离心力减少，从而使压损降低；但除尘器内壁粗糙会使增大。 由于气体与尘粒间的摩擦作用可使气流的旋转速度降低，因而随进口气体含尘浓度Ci增大而降低。4.3旋风除尘器*4.3旋风除尘器不同旋风除尘器的压力损失*4.3旋风除尘器不同旋风除尘器的压力损失*4.3.4除尘效率理论推导：多以临界粒径为参数。实验测定：常用方法。 假想圆筒理论和转圈理论30年代 筛分理论50年代 紊流连续径向混合的分离理论1972年旋风除尘器能捕集分离到的具有50％或100％分级效率的最小粒径称为临界粒径或分割粒径，分别记为dc50和dc100。4.3旋风除尘器*（1）转圈理论类比重力沉降室的沉降分离理论：重力离心沉降力（径向向外）水平速度切向分速假设外旋流在筒体内旋转N圈，共花去时间tz。4.3旋风除尘器*不同学者假定的n值不同，积分上式的结果也不完全相同。罗辛-拉姆勒-英特曼（Rosin-Rammler-Intelmann）假设进口断面速度分布均匀，切向速度vθ＝常数＝k，即n=0，得 拉泊尔式式中，Ne为外旋流的有效旋转圈数，对标准旋风除尘器为5～10圈。4.3旋风除尘器*例4－3某旋风除尘器的进口宽度为0.12m，气流在器内旋转4圈，入口气速为15m/s，颗粒真密度为1700kg/m3，载气为空气，温度为350K。试计算在该条件下，此旋风除尘器的分割粒径dc50。解：忽略空气密度，并从手册中查得空气在350K时的粘度μ＝2.08×10－5Pa·，则4.3旋风除尘器*(2)假想圆筒理论假想旋风除尘器内外旋流交界面附近一半径为r2的圆周上，尘粒受到方向相反的两个力－离心力FC和阻力FD相等，尘粒受力平衡，理论上尘粒将在半径为r2的圆周上不停地旋转。实际上由于气流处于紊流状态，尘粒受力有时FC>FD，有时FC<FD。从概率统计观点可以认为，粒径为dc的粒子有50％可能进入中心随气流带走，有50％可能移向壁面沉降分离。因此，在FC＝FD时，粒径为dc的粒子群的分级效率为50％，此dc即为临界粒径dc50。4.3旋风除尘器*式中，速度指数n可用亚历山大（Alexander.R.Mck）推荐的公式计算 式中T－旋风器内含尘气体的平均温度（K）。 池森龟鹤取vθw＝vi，n=0.5，导得4.3旋风除尘器*(3)求出分割粒径后，如何求取总除尘效率：a.根据dp/dc50查图4－9，得分级效率dp；b.根据水田－和木村典夫的经验式求分级效率；再求总除尘效率。4.3旋风除尘器图4-9分级效率与dp/dc50的关系*思考题：已知两相同尺寸的标准型旋风除尘器，串联处理一种含尘气体，试问此二级旋风除尘器各自的分级效率一样吗？总效率一样吗？为什么？（假设每一级除尘器的运行工况完全相同）4.3旋风除尘器*（4）影响旋风除尘器除尘效率的因素 入口风速由临界粒径计算式可见，入口风速vi增大，dc50降低，因而除尘效率提高。但风速过大时，器内气流过于强烈，会把已分离下来的部分粉尘重新带走，影响效率的提高。实验证明，入口速度超过12m/s以后，效率变化不大，而阻力却增加很多（ΔP∝vi2）。因此，实用的入口风速一般为12～20m/s，不宜低于10m/s，以防入口管道积灰。4.3旋风除尘器*在组合式多管除尘器中，筒体直径不小于150-250mm，对单管旋风除尘器，直径也不宜大于1000mm。*b.除尘器的结构尺寸在其它条件相同时，筒体直径愈小，尘粒所受离心力愈大，除尘效率愈高。筒体高度的变化，对除尘效率影响不明显；适当增大锥体长度，有利于提高除尘效率。减少排气管直径，对提高效率有利。若将旋风除尘器各部分的尺寸进行几何相似放大时，除尘效率会有降低。*c.粉尘密度和粒径因为FC∝dp3，FD∝dp，所以大粒子受离心力FC大，捕集效率高。又由于dC50∝（1/ρp）1/2，所以ρp愈小，愈难分离。d.气体温度温度会引起气体密度和粘度的变化。气体密度变化对除尘效率的影响可忽略不计，但温度增加时，气体粘度增大，而dC50∝μ1/2，故温度升高，dc50增大，除尘效率降低。e.灰斗的气密性*e.灰斗的气密性除尘器内部静压是从筒体壁向中心逐渐降低的，即使除尘器在正压下工作，锥体底部也可能处于负压状态。若除尘器下部不严，漏入空气，会把已经落入灰斗的粉尘重新带走，使效率直线下降。实验证明，当漏气量达到除尘器处理气量的15％时，效率几乎为零。因此旋风除尘器应在不漏气的情况下进行正常排灰。*4.3.4旋风除尘器的结构形式和选型设计1.旋风除尘器的种类 按进气方式分类： 按气流组织分类切向进入轴向进入直入式蜗壳式逆转式正交式回流式、直流式平旋式、旋流式XPW4.3旋风除尘器**4.3旋风除尘器*4.3旋风除尘器*A为普通切向直入式，可能会在p点产生气流撞击，干扰旋流的形成。B为切向斜入式，避免了在p点的撞击，降低了压力损失，但除尘效率也受一定影响。C为轴向叶片导流进入，多用于多管除尘器，处理气量较大。D为切向渐开线进入式，这种结构可减少气流之间的干扰，效果较好。渐开角为180度时，效果最好。*2.旋风除尘器各部分尺寸比例（见教材表4-1）4.3旋风除尘器表4-1几种除尘器和主要尺寸比例*3.除尘器的命名（1）除尘器型式代号编制原则用汉语拼音字母表示工作原理和结构特点；用阿拉伯数字表示系列规格。如：旋风除尘器D－dm袋式除尘器袋数、处理气量电除尘器集尘板面积 第一位字母表示工作原理：旋风－X，电除尘－D，过滤（袋式）－L，湿式－S* 第二、三位字母以表示结构特点为主，也可表示工作原理。结构特点：如：L－立式、S－双级、P－旁路式W－卧式、C－长锥体、T－筒体工作原理：如：P－平旋、G－多管、C－冲击、MC－脉冲K－扩散、Z－直流、M－水膜4.3旋风除尘器*(1)XLT型旋风除尘器最原始的旋风除尘器类型，现已被淘汰。4.几种常见的旋风除尘器4.3旋风除尘器*(2)XLT/A型旋风除尘器排气管顶端有螺旋形导向板，可以消除因气流向上流动而形成的小涡旋气流。此类型除尘器细而长，锥角小，阻力较标准性较大，但分离效率较高，得到广泛应用。4.3旋风除尘器*XLP-BXLP-A旁路式旋风除尘器主要特点是：有一个粉尘分离室，将上灰环处的粉尘引入灰斗，提高除尘效率。XLP-G(3)XLP型旋风除尘器4.3旋风除尘器*(4)XLK型旋风除尘器扩散式旋风除尘器主要特点是：有一个圆锥形的反射屏，可大大减少粉尘的二次飞扬。4.3旋风除尘器*（5）多管旋风除尘器4.3旋风除尘器*教材图6-13中上花板为何倾斜？要求进气室分配气量一定要均匀。轴向进口的旋风除尘器比切向进口的旋风除尘器的处理气量达2-3倍。*4.3.5旋风除尘器的卸灰装置旋风除尘器一般都装有卸灰装置，其作用是保证已分离粉尘的顺利下卸及除尘器运行中卸灰时锥底的气密性。旋风除尘器多采用干式卸灰装置，该装置主要依靠灰柱进行密封，其灰柱高度H可按下式进行计算*目前常用的连续卸灰装置主要有四种：1．翻板式卸灰阀翻板式卸灰阀是利用加在平衡杆上的重锤及作用在翻板上的灰柱重量形成的力矩平衡关系来进行密封及卸灰的。当灰柱形成的力矩大于重锤及压差形成的力矩时，翻板阀打开，粉尘下卸。反之，翻板阀处于密封状态。灰柱高度可根据调节重锤力矩来实现，以适应不同压差的情况。*2.回转式卸灰阀回转式卸灰阀是依靠旋转的刚性分格轮来实现除尘器的卸灰和密封的。刚性分格轮由电机带动旋转，粉尘充满由刮板组成的扇形空间后连续排出，电机适宜转速由卸灰量的大小来确定。其主要缺点是刮板密封胶条易磨损，造成锥底漏风，故工作时应注意控制电机转速，保持卸灰阀上部具有一定灰封高度。*3.螺旋卸灰机螺旋卸灰机主要由焊有螺旋叶片的螺旋轴、卧置筒体（二者组成螺旋体）及电动驱动装置等组成，多用于排灰量较大的除尘器。工作中螺旋体内应充满一定量的粉尘，以防止漏风。卸灰量用调节电机转速来控制，可连续排灰也可间断排灰。该卸灰机密封性能较好，但螺旋体有一定磨损。*5.旋风除尘器的选型设计（1）计算法根据分级效率和粒径分布算得。（2）经验法根据除尘效率和压力损失,确定入口风速;然后由处理风量查表得型号规格。4.3旋风除尘器*6.旋风除尘器的特点及选用注意事项（1）旋风除尘器适于处理密度较大、粒度较粗的非纤维性粉末；（2）不宜用于气量波动大的场合；（3）应在易磨部位采用耐磨衬里；（4）特别注意防止底部漏风；（5）不宜串联处理。耐磨衬里有刚玉砂、铸铁石、耐磨涂料等。4.3旋风除尘器*用到假定3*在组合式多管除尘器中，筒体直径不小于150-250mm，对单管旋风除尘器，直径也不宜大于1000mm。**A为普通切向直入式，可能会在p点产生气流撞击，干扰旋流的形成。B为切向斜入式，避免了在p点的撞击，降低了压力损失，但除尘效率也受一定影响。C为轴向叶片导流进入，多用于多管除尘器，处理气量较大。D为切向渐开线进入式，这种结构可减少气流之间的干扰，效果较好。渐开角为180度时，效果最好。*教材图6-13中上花板为何倾斜？要求进气室分配气量一定要均匀。轴向进口的旋风除尘器比切向进口的旋风除尘器的处理气量达2-3倍。*