第06章颗粒物污染控制技术

第六章除尘装置1.机械除尘器2.电除尘器3.湿式除尘器4.过滤式除尘器5.除尘器的选择与发展除尘装置从气体中除去或收集固态或液态粒子的设备称为除尘装置湿式除尘装置干式除尘装置按分离原理分类：重力除尘装置（机械式除尘装置）惯性力除尘装置（机械式除尘装置）离心力除尘装置（机械式除尘装置）洗涤式除尘装置过滤式除尘装置电除尘装置声波除尘装置本章介绍这些除尘器基本工作原理、结构、性能、设计或选型及实际应用等方面的情况。第一节机械除尘器机械除尘器通常指利用质量力（重力、惯性力和离心力）的作用使颗粒物与气体分离的装置，常用的有：重力沉降室惯性除尘器旋风除尘器1.1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。气流进入重力沉降室后，流动截面积扩大，流速降低，较重颗粒在重力作用下缓慢向灰斗沉降。1.1.1重力沉降室的设计模式重力沉降室的设计模式层流式湍流式不管采用哪种设计模式，设计时均要先计算捕集粒子的斯托克斯沉降速度，然后按已知条件确定具体的几何尺寸。表示重力沉降室性能的主要技术指标是分级除尘效率按以上二种模式计算出来的分级除尘效率均高于实际的分级除尘效率。1.1.2重力沉降室的层流式设计模式假定条件：沉降室内气流为柱塞流；颗粒均匀分布于烟气中。忽略气体浮力，粒子仅受重力和阻力的作用。纵剖面示意图1.1.3分级除尘效率计算式理论推导沉降室的长宽高分别为L、W、H，处理烟气量为Q气流在沉降室内的停留时间在t时间内粒子的沉降距离该粒子的除尘效率0vsu0/LWHtLvQsscs0uLuLWHhutvQcssc0()ihuLuLWhHHvHQc1.0()ihH1.1.4层流式重力沉降室分级效率计算式对于stokes粒子，重力沉降室能100%捕集的最小粒子的dmin=?chH2pps18dgu2pp18即dgLWHHQminp18QdgWLminp36QdgWL由于沉降室内的气流扰动和返混的影响，工程上一般用分级效率公式的一半作为实际分级效率minp36QdgWL由于沉降室内的气流扰动和返混的影响，工程上一般用分级效率公式的一半作为实际分级效率1.1.5层流式重力沉降室的应用提高沉降室效率的主要途径降低沉降室内气流速度增加沉降室长度降低沉降室高度沉降室内的气流速度一般为0.3～2.0m/s不同粉尘的最高允许气流速度1.1.6多层式层流重力沉降室多层沉降室使沉降高度减少为原来的1/（n+1），其中n为水平隔板层数考虑清灰的问题，一般隔板数在3以下多层沉降室1.锥形阀；2.清灰孔；3.隔板s(1)iuLWnQ1.1.7湍流式重力沉降室湍流模式1假定沉降室中气流处于湍流状态，垂直于气流方向的每个断面上粒子完全混合宽度为W、高度为H和长度为dx的捕集元，假定气体流过dx距离的时间内，边界层dy内粒径为dp的粒子都将沉降而除去粒子在微元内的停留时间被去除的分数对上式积分得边界条件：得因此，其分级除尘效率0sdd/d/txvyupsp0dddNyuxNHvHsp0dlnlnuxNCvHpp0ppL0;xNNxLNNspLp00exp()uLNNvHpsp00s11exp()1exp()LiNuLNvHuLWQ湍流模式2完全混合模式，即沉降室内未捕集颗粒完全混合的设计模式单位时间排出：（为除尘器内粒子浓度，均一）单位时间捕集：总分级效率：0invHWinsinuHW0ss0ss0/1/＝＋iiiinuWLuLHvnHvWnuWLuLHv1.1.8三种模式的分级效率曲线三种模式的分级效率均可进行归一化对Stokes颗粒，分级效率与dp成正比重力沉降室归一化的分级效率曲线a层流－无混合b湍流－垂直混合c湍流－完全混合1/2s0()uLvH1.1.9重力沉降室的优缺点重力沉降室的优点结构简单投资少压力损失小（一般为50～100Pa）维修管理容易缺点体积大效率低仅作为高效除尘器的预除尘装置，除去较大和较重的粒子P165例题1.2惯性除尘器除尘机理沉降室内设置各种形式的挡板，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结构形式冲击式－气流冲击挡板捕集较粗粒子反转式－改变气流方向捕集较细粒子冲击式惯性除尘装置a单级型b多级型反转式反转式惯性除尘装置a弯管型b百叶窗型c多层隔板型应用一般净化密度和粒径较大的金属或矿物性粉尘净化效率不高，一般只用于多级除尘中的一级除尘，捕集10～20µm以上的粗颗粒压力损失100～1000Pa1.3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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气流沿外壁由上向下旋转运动：外涡旋少量气体沿径向运动到中心区域旋转气流在锥体底部转而向上沿轴心旋转：内涡旋“外涡旋”与“内涡旋”的旋转方向相同气流运动包括切向、轴向和径向：切向速度、轴向速度和径向速度旋风除尘器气流与尘粒的运动旋风除尘器内气流与尘粒的运动（续）切向速度决定气流质点离心力大小，颗粒在离心力作用下逐渐移向外壁到达外壁的尘粒在气流和重力共同作用下沿壁面落入灰斗上涡旋－气流从除尘器顶部向下高速旋转时，一部分气流带着细小的尘粒沿筒壁旋转向上，到达顶部后，再沿排出管外壁旋转向下，最后从排出管排出旋风除尘器内气流与尘粒的运动（续）切向速度旋转气流的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。外涡旋的切向速度随半径减少而增大，其最大值位于“外涡旋”与“内涡旋”的交界圆柱面上。内涡旋的切向速度随半径的减小而减小，类似钢体的旋转运动。外涡旋的切向速度计算公式P168中式6－9和式6－10内涡旋的切向速度计算公式P168中式6－11旋风除尘器内气流与尘粒的运动（续）径向速度内涡旋的径向速度高速向外外涡旋的径向速度低速向心增大内涡旋的径向速度对分离粉尘有利增大外涡旋的径向速度对分离粉尘径不利，使有些细小粉尘在向心气流的带动下，进入内涡旋而被排出。内涡旋的径向速度无多大的实际意义，故教材未介绍。轴向速度外涡旋的轴向速度向下内涡旋的轴向速度向上，随气流上升，轴向速度不断增大，在排出管底部达达到最大值旋风除尘器内气流的切向速度和压力分布旋风除尘器的速度矢量切向速度外涡旋的切向速度分布：反比于旋转半径的n次方此处n1，称为涡流指数内涡旋的切向速度正比于半径内外涡旋的界面上气流切向速度最大交界圆柱面直径dI=(0.6～1.0)de,de为排气管直径T.nVRconst0.30.14110.67283TnDT/－角速度VRw旋风除尘器的速度矢量（续）径向速度假定外涡旋气流均匀地经过交界圆柱面进入内涡旋平均径向速度r0和h0分别为交界圆柱面的半径和高度，m轴向速度外涡旋的轴向速度向下内涡旋的轴向速度向上在内涡旋，轴向速度向上逐渐增大，在排出管底部达到最大值r002πQVrh旋风除尘器压力损失旋风除尘器的压力损失计算公式：局部阻力系数A：旋风除尘器进口面积局部阻力系数旋风除尘器型式XLTXLT⁄AXLP⁄AXLP⁄Bξ5.36.58.05.82in12PV2e16Ad旋风除尘器的压力损失（续）旋风除尘器压力损失的影响因素相对尺寸对压力损失影响较大，除尘器结构型式相同时，几何相似放大或缩小，压力损失基本不变含尘浓度增高，压力降明显下降操作运行中可以接受的压力损失一般低于2kPa旋风除尘器的除尘效率研究旋风除尘器的基本理论转圈理论20世纪30年代提出，按照类比于平流重力沉降原理提出。筛分理论20世纪50年代，斯台尔曼根据旋风除尘器流场测试结果，在分析其内部流动规律的基础上提出。分离理论20世纪70年代，雷思－利希特类比电除尘器的分离机理，提出湍流连续径向混合的分离理论。旋风除尘器的除尘效率（续）旋风除尘器的除尘效率计算公式（筛分理论）计算分割直径是确定除尘效率的基础在交界面上，离心力FC，向心运动气流作用于尘粒上的阻力FD•若FCFD，颗粒移向外壁•若FCFD，颗粒进入内涡旋•当FC=FD时，有50%的可能进入外涡旋，既除尘效率为50%旋风除尘器的除尘效率（续）旋风除尘器的除尘效率计算公式（筛分理论续）对于球形Stokes粒子分割粒径dc确定后，雷思一利希特模式计算其它粒子的分级效率另一种经验公式23T0cpcr0π3π6VddVr1/2r0c2pT018VrdV1p1c1exp[0.6931()]nidd2pc2pc(/)1(/)iiidddd旋风除尘器的除尘效率（续）旋风除尘器的除尘效率－模型2（转圈理论）将旋风除尘器视为利用离心力进行沉降的沉降室•沉降室长度为NπD•沉降室高度为b•沉降速度＝径向速度Vr活塞流纵向湍流TriNDVbVTrπ1exp()iNDVbV旋风除尘器的除尘效率（续）旋风除尘器分级效率曲线旋风除尘器效率计算例题例题：已知XZT一90型旋风除尘器在选取入口速度v1=13m/s时，处理气体量Q=1.37m3/s。试确定净化工业锅炉烟气（温度为423K，烟尘真密度为2.1g/cm3）时的分割直径和压力损失。已知该除尘器筒体直径0.9m，排气管直径为0.45m，排气管下缘至锥顶的高度为2.58m，423K时烟气的粘度（近似取空气的值）µ=2.4×10－5pa﹒s。解:假设接近圆筒壁处的气流切向速度近似等于气流的入口速度，即v1=13m/s，取内、外涡旋交界圆柱的直径d0=0.7de，根据式（6－10）由式（6一9）得气流在交界面上的切向速度由式（6－12）计算62.0]283423][)9.0(67.01[1]283)][(67.01[13.014.03.014.0TDn0.62T00.9130.70.4524.92m/s（）＝vr001.370.54m/s2π2π0.70.2252.58＝Qvrh例题（续）根据式（6－16）此时旋风除尘器的分割直径为5.31μm。根据式（5－13）计算旋风除尘器操作条件下的压力损失：423K时烟气密度可近似取为：51/2r0c22pT0618182.4100.540.70.225[][]210024.925.3110m5.31μmvrdv32c222T12731.2930.834kg/m4231.3716/168.33130.45118.330.8341322547Pa＝＝（）AdPv影响旋风除尘器效率的因素二次效应－被捕集粒子的重新进入气流•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，粒子被反弹回气流或沉积的尘粒被重新吹起，实际效率低于理论效率•通过环状雾化器将水喷淋在旋风除尘器内壁上，能有效地控制二次效应•临界入口速度比例尺寸•在相同的切向速度下，筒体直径愈小，离心力愈大，除尘效率愈高；筒体直径过小，粒子容易逃逸，效率下降。•锥体适当加长，对提高除尘效率有利•排出管直径愈少分割直径愈小，即除尘效率愈高；直径太小，压力降增加，一般取排出管直径de=（0.4～0.65）D。•特征长度（naturallength）-亚历山大公式•旋风除尘器排出管以下部分的长度应当接近或等于l，筒体和锥体的总高度以不大于五倍的筒体直径为宜。21/3e2.3()DldA比例尺寸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