毕业设计（论文）-工业除尘器的节能设计及经济分析（全套图纸） .pdf

11 1 第一章 绪论 1.1 环境保护与可持续发展 1.1.1 环境与环境问题 人类出现以后，在为了生存与自然的斗争中，运用自己的智慧和劳动，不断地改 造自然，创造和改善自己的生活条件。同时，又将经过改造和使用的自然物和各种废 物还给自然界，使它们又进入自然界参与物质循环和能量流动过程。其中，有些成份 会引起环境质量的下降，影响人类和其他生物的生存和发展，从而产生了环境问题。 环境问题可以说自古就有。产业革命后，社会生产力的迅速发展，机器的广泛应 用，为人类创造了大量财富。而工业排放的废弃物直接进入环境。环境本身是有一定 自净能力的，但是当废弃物产量越来越大。超过环境的自净能力时，就会影响环境质 量，造成环境污染，尤其是第二次世界大战后，社会生产力的突飞猛进，工业动力的 使用猛增， 产品种类和产品当量急剧增大， 农业开垦的强度和农药使用量也迅速扩大， 致便许多国家普遍发生了严重的环境污染和生态破坏问题，同时，随着全球人口的急 剧增长和经济的快速发展，资源需求也日益俱增，人类正受到某些资源短缺和耗竭的 严重挑战。资源的环境威胁着人类的生存和持续发展。 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 xxx：工业除尘器的节能设计与经济分析 2 环境问题主要不是自然灾害问题,而是人为因素所引起的环境问题。这种人为环 境问题可分为两类：一是不合理开发利用自然资源，超出环境承载力，形成生态环境 质量恶化或自然资源枯竭等现象；二是人口激增、城市化和工农业高速发展引起的环 境污染和破坏。这些都是人类经济社会发展与环境的关系不协调所引起的问题。 还有一些潜在的环境问题，它是指目前尚没有从总体上认识，但在一定的时期后 会对人类产生巨大影响的环境问题。这类环境问题可能是从未听说过的，或在表面上 曾经被科学家讨论并给予警告的。 当今，全球都存在着一个共同的环境问题：如全球气候变化、臭氧层破坏、生物 多样性锐减、森林减少、水土流失、沙漠化、酸雨等。由于这些问题已对人类的生存 和发展产生了不良影响， 已引起世界各国和联合国的高度重视。 随着全球经济一体化， 环境的联系越来越紧密。研究全球环境问题的产生、发展，采取有效的对策解决或缓 解全球环境问题，已成为各国政治家、科学家的共同愿望。 我国是一个发展中国家,改革开放以来,经济的突飞猛进,国民经济的高速发展, 人民生活水平不断的提高,然而,环境问题也日益显露,如沙尘暴常常袭击我们的北部 地区,酸雨近些年来常常上演,城市空气质量在不断的变坏,连续的高温天气频频发 生。由环境带来的问题已成为当今社会发展的主要问题。我们不能走西方资本主 义国家的老路，先只顾经济的发展，让其发生后再去治理。这是很危险的。 1.1.2 可持续发展 既符合当代人的需求，又不致损害后代人满足其需求能力的发展。 1.可持续发展战略的基本理论和必要性 1) 可持续发展鼓励经济增长。它强调经济增长的必要性，必须通过经济增长提 高当代人福利水平，增强国家实力和社会财富。 2) 可持续发展的标志是资源的永续利用和良好的生态环境， 经济和社会发展不 能超越资源和环境的承载能力。 3) 可持续发展的目标是谋求社会的全面进步。发展不仅仅是个经济问题，单纯 追求产值的经济增长不能体现发展的内涵已成为国际社会的共识。 2.中国 21 世纪议程的基本思想 11 3 制定和实施中国 21 世纪议程 ，走可持续发展之路，是我国在 21 世纪发展的 需要和必然选择。中国是在人口基数大、人均资源少、经济和科技水平都比较落后的 条件下实现经济快速发展的， 这使本来就已经短缺的资源和脆弱的环境面临更大的压 力。在这种形势下，我国政府认识到，只有遵循可持续发展的战略思想，从国家整体 的高度协调和组织各部门、各地方、各社会阶层和全体人民的行动，才能顺利完成预 期的经济发展目标，才能保护好自然资源和改善生态环境，实现国家长期、稳定的发 展。 3.缔造人与自然的和谐发展 人与自然的关系是随人类生产能力的发展而变化的， 二者的关系表现为一个历史 性的发展过程。实现人与自然的和谐发展，在当代已不再是一个理想的口号，它是我 们基于全球性生态危机而提出来的关系到整个人类生存和发展的现实问题。 自从布伦 特兰女士提出“可持续发展”观念以来，强调全球性可持续发展的理念已为世界各国 所普遍接受，建立起一个新的人与自然和谐发展的“地球生态圈”成为新世纪人们的 共同愿望。但这一阶段仍处于设想时期，有许多问题需要我们努力解决，其中最关键 的环节包括有：可持续发展中的人与自然的和谐与斗争。 1.2 对大气的结构及组成的认识 1.2.1 大气圈及其及结构 大气是自然环境的重要组成部分，是人类赖以生存的必不可少的物质。在自然地 理学上， 把由于地心引力而随地球转动的大气层称为大气圈。 其厚度大约为 10000km， 离地心越远，空气越稀薄，到地球表面 1400km 以上的区域已经非常稀薄，因此，从 污染气象学研究的角度来讲，大气圈是指从地球表面到（10001400）km 的范围。 大气圈的总质量大约为 610 15约为地球的百万分之一1。 大气的密度、温度和组成随高度的不同而不同，呈现层状结构。例如，根据气温 在垂直方向上的变化情况，将大气圈分为对流层、平流层、中间层、暧层和散逸层五 层。 1.对流层 对流层是大气圈中最接近地面的一层，其厚度在赤道附近和极地各有不同，大约 xxx：工业除尘器的节能设计与经济分析 4 在（6-18）km。这一层的空气质量约占大气层总质量的 3/4 并且还含有一定质量的水 蒸气，对人和动植物的生存起着重要的作用。云、雾、雨、雪和雷电等天气都在这一 层发生。污染物迁移和转化也主要是在这上层进行，特别是在离地面（1-2）km 的近 地层。因此，对流层是对人类的生产、生活影响最大的一层。 2平流层 平流层位于对流层的上面，层顶距地面约（50-55）km。这一层中存在厚度约为 20km 的臭氧层，依靠臭氧层强烈吸收太阳紫外线使气温迅速增高。在平流屋中，大 多是处于平流流动，因此，不利于进入增流层的污染物扩散，致使污染物在此停留的 时间较长，甚至可达数年之久。并且进入平流层的污染物如氮化物、氯化氢及氟化利 昂有机制冷剂等还能与臭氧发生光化学反应。致使臭氧浓度降低，严重时出现臭氧层 空洞。使其太阳辐射的紫外线直接到过地面，就会导致更多的人患皮肤癌，对人类的 生态系统造成极大的威胁。所以，保护臭氧层是当今世界面临的紧迫任务之一。 3中间层 中间层位于平流层上面，层顶距地面约（80-85）km。此层有强烈的垂直对流运 动，又没有臭氧吸收太阳的紫外线，因此，在这一层气温随高度增加迅速下降。 4暧层 位于中间层上部，层顶距地面约 800km。此层下部基本由分子氮组成，上部由原 子氧组成。原子氧可吸收太阳的紫外光，暧层中大量的气体在太阳光和宇宙射线的作 用下被电离，所以暧层又称电离层。电离层能反射电磁波，对远距离通讯有很重要的 作用。 5散逸层 散逸层是大气圈中最外层，层顶不明确。该层空气更加的稀薄，距地面越远，气 温越高，气体电离度越大，气体离子可以散逸到宇宙空间去。 1.2.2 大气污染物 1.2.2.1 大气污染物的分类 从来源分上分 11 5 1工业废气污染 火力发电，金属冶炼，玻璃与陶瓷烧制及食品加工等生产过程和燃料的燃烧过程 中所排放的烟气，粉尘及废气等造成的大气污染，此类污染源称为工业污染源。 2 交通污染源 由汽车、火车、轮船、飞机等交通运输工具在行驶过程中排放的尾气所造成的大 气污染，此类污染源，称为交通污染源。 3 生活污染源 人们由于生活上烧饭、取暖等的需要，燃烧燃料向大气中排放煤烟以及垃圾焚烧 等所造成的大气污染，此类污染源称为生活污染源。 以上主要是由于人类生产和生活活动所引起的大气污染， 至于由自然灾害所造成 的污染在此从略。 按其存在的状态分 1颗粒污染物 颗粒污染物与气体行为类似。 所以又称为气溶胶。 大气污染物粗略估计有百余种。 对于污染物，又可分为一次污染物和二次污染物。若大气污染物是从污染源直接排放 的原始物质，刚称为一次污染物。若是由于一次污染物与大气中的原有成份或几种一 次污染物之间经过一系列化学或光化学反应生成的与一次污染物性质不同的新污染 物，称为二次污染物。在大气中，受到普遍重视的二次污染物主要有硫酸烟雾和光化 学烟雾等。 近几年来，我国的大气污染仍然以煤烟型为主，主要污染物为总悬浮颗粒和 二氧化硫。少数特大城市属煤烟与汽车尾气污染并重类型。 2气态污染物 气态污染物是指一些污染气体如：二氧化碳，氟、氯等气态形式的污染。 1.2.2.2 工业污染中的烟尘及颗粒污染 1 烟尘 烟尘是伴随着燃料燃烧而产生的废弃物， 是一些飘浮在大气中粒径大小不一的微 xxx：工业除尘器的节能设计与经济分析 6 小颗粒物。烟尘大部分是固体颗粒，也有液体微粒。固体的有烟、炭黑、粉尘等，液 体的有水滴和硫酸雾沫等日前世界上常用的燃料，主要有煤、石油、天然气等，以 煤的消耗量最大，世界每年燃煤量约 30 多亿吨，而煤的不完全燃烧产生的烟尘对于 大气污染起着十分重要的作用。 从烟囱排放出来的烟尘又分降尘和飘尘两类，降尘颗粒较小，粒径一般在 10 m 以上由重力的作用，能很快降落到地面。它多半属燃烧不完全的炭粒，也就是人们常 看见的黑烟。飘尘颗粒放小，粒径在 10 m以下，其中相当大一部分比细菌还小，它 以气溶胶形式长时间在空气中飘浮，飘浮范围可从几公里到几十公里，因此会在大气 中不断的蓄积使污染的程度逐渐加重。且在各种飘尘中，以粒径在 0.5-5 m的对人 体危害最大。这是因为粒径在 5-10 m的粒子，虽能进入呼吸道系统，但由于惯性力 作用，能被鼻毛和呼吸道粘液所阻挡，并随排出物排至体外；至于小于 0.5 m的飘 尘，由于气体扩散作用可被上呼吸道表面所粘附，随痰排出。唯有 0.5-5 m的飘尘， 可以径直到达肺部而沉积在肺胞中，并有可能进入血，随之输往全身，危害人体，此 外，飘尘具有吸湿性，在大气中易吸收水分，形成表面具有很强吸附性的凝聚核，能 吸附有害气体和经高温冶炼排出的各种金属粉尘以及致癌性很强的苯芘等， 而后随着 吸气进入深部呼吸道，故对健康危险性较大。飘尘还能吸附病原微生物，在飘尘浓度 高的地方，空气中各种微生物的含量也相应增高，因而容易引起慢性阻塞性肺部疾患 的继发感染，降低机体的抵抗力和免疫力。如 1952 年 l2 月伦敦发生烟雾事件时，大 气中飘尘含量比平时高 5 陪，达 4.46mgm 3，引起居民的死亡率激增。2 所以，世界各国普遍认为，大气中的烟尘是大气中危害，较大的污染物之一，因 此，环境监测和卫生部门把它作为评价大气污染对健康影响的重要指标。 2颗粒物 总悬浮颗粒物是指悬浮在空气中，空气动力学当量直径 d100 m。颗粒物主要 来源于然的燃烧和工业过程，燃料燃烧时将灰分以颗粒物形式，释放出来，其产生量 与燃料中的灰分含量有关。颗粒物的主要生产源包括金属矿物加工、石油和化工等， 冶金工作包括钢铁、铜、铅锌以及铝的生产等，钢铁是冶金工作中最重要的排放源。 钢铁工作包括炼钢和炼铁，硫在加工过程中少量转化为颗粒态的硫酸盐，矿物加工过 程产生的颗粒主要来自水泥、沥青、石灰、玻璃、石膏、制砖工业等。 3 11 7 1.2.3 锅炉大气污染物排放标准 表表 1-1 各种锅炉过量空气系数折算值各种锅炉过量空气系数折算值 锅炉类型 折算项目 过量空气系数 燃煤锅炉 烟尘初始排放浓度 a=1.7 烟尘、二氧化硫排放浓度 a=1.8 燃油、燃气锅炉 烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度 a=1.2 注：只列出部分污染物，本标准采用下列定义 1 锅炉烟气在温度为，压力为 101325pa 时的状态，简称“标态”。本标准规定的 排放浓度均指标准状态下干烟气中的数值。 2 烟尘初始排放浓度指自锅炉烟气出口处或进入净化装置前的烟尘排放浓度。 烟尘排放浓度 指锅炉烟气经净化装置后的烟尘排放浓度。末安装净化装置的锅炉，烟尘初始排 放浓度即是锅炉烟尘排放浓度。废气排出口有害物质的排放量（或浓度)不得超过表 1-1、1-2 的规定。 表-2 锅炉烟尘最高允许排放浓度和烟气黑度限值 锅炉类别 适用区域 烟尘排放浓度(mg/m3) 烟气黑度 时段 时段 (林格曼黑度,级) 燃 自然通风锅炉 一类区 0.7mw 1t/h ) 二、三类区 煤 其它锅炉 一类区 二类区 炉 三类区 燃 轻柴油、煤油 一类区 油 二、三类区 100 80 1 150 120 80 80 250 200 1 350 250 80 80 1 xxx：工业除尘器的节能设计与经济分析 8 锅 其它燃料油 一类区 二、三类区 炉 燃气锅炉 全部区域 100 100 100 80 1 200 150 50 50 1 1.2.4 污染与健康 可吸入颗粒物随人们呼吸空气而进入肺部，以碰撞、扩散、沉积等方式滞留在 呼吸道不同的部位，粒径小于 5 微米的多滞留在上呼吸道。滞留在鼻咽部和气管的 颗粒物，与进入人体的二氧化硫等有害气体产生刺激和腐蚀粘膜的联合作用，损伤 粘膜、纤毛，引起炎症和增加气道阻力。持续不断的作用会导致慢性鼻咽炎、慢性 气管炎。滞留在细支气管与肺泡的颗粒物也会与二氧化氮等产生联合作用，损伤肺 泡和粘膜，引起支气管和肺部产生炎症。长期持续作用，还会诱发慢性阻塞性肺部 疾患并出现继发感染，最终导致肺心病死亡率增高。 当大气处于逆温状态时，污染物便不易扩散，悬浮颗粒物浓度会迅速上升。1952 年 12 月英国伦敦发生烟雾事件时，大气中悬浮颗粒物的含量比平时高 5 倍，引起居 民死亡率激增，4 天内较同期死亡人数增加 4000 余人。由此可见大气中可吸入颗粒 物浓度突然增高，对人类健康能造成急性危害，对患有心肺疾病的老人和儿童威胁 更大。 光化学烟雾是排入大气的氮氧化物和碳氢化物受太阳紫外线作用产生的一种具 有刺激性的浅蓝色的烟雾。它包含有臭氧、醛类、硝酸酯类等多种复杂化合物。这 些化合物都是光化学反应生成的二次污染物，主要是光化学氧化剂。当遇低温或不 利于扩散的气象条件时，烟雾会积聚不散，造成大气污染事件，使人眼和呼吸道受 刺激或诱发各种呼吸道炎症，危机人体健康。这种污染事件最早出现在美国洛杉矶， 所以又称洛杉矶光化学烟雾。近年来，光化学烟雾不仅在美国出现，而且在日本的 东京、大板、川崎市，澳大利亚的悉尼、意大利的热那亚和印度的孟买等许多汽车 众多的城市都先后出现过。 大气中的氮氧化物和碳氢化物主要来自汽车尾气、石油和煤燃烧的废气、及大 量使用挥发性有机溶剂等。在太阳紫外线的作用下，产生化学反应，生成臭氧和醛 类等二次污染物。在光化学反应中，臭氧约占 85以上。日光辐射强度是形成光化 学烟雾的重要条件，因此在一年中，夏季是发生光化学烟雾的季节；而在一天中， 下午 2 时前后是光化学烟雾达到峰值的时刻。光化学氧化剂可由城市污染区扩散到 11 9 100 公里甚至 700 公里以外。在汽车排气污染严重的城市，大气中臭氧浓度的增高， 可视为光化学烟雾形成的信号。 光化学烟雾对人体最突出的危害是刺激眼睛和上呼吸道粘膜，引起眼睛红肿和 喉炎，这可能与产生的醛类等二次污染物的刺激有关。光化学烟雾对人体的另一些 危害则与臭氧浓度有关。臭氧还可引起潜在性的全身影响，如诱发淋巴细胞染色体 畸变、损害酶的活性和溶血反应，影响甲状腺功能、使骨骼早期钙化等。长期吸入 氧化剂会影响体内细胞的新陈代谢，加速衰老。 预防光化学烟雾要采取一系列综合性的措施， 其中包括制定法规， 监测废气排放， 改良汽车排气系统和提高汽油质量及减少挥发性有机物如油漆、涂料的使用等 1 1.2.5 大气污染的综合防治 对大气污染进行综合预防和防治不单单是提高燃烧技术减少污染来源的污染物 质, 也不单单是加除尘装置对排放物进行过滤以减少污染程度, 当然也不能只植树 造林、推进绿化措施以改善总体环境。对大气污染的综合防治是立足于环境问题的 区域性、系统性和整体性之上的，对大气污染乃至环境污染的综合防治是一个整体 的措施，每一个环节都是相辅相成的，每一处都松懈不得。在实质上，就是对区域 环境的控制，对多种方案的技术可行性、经济合理性、实施可能性和区域适应性等 进行最优化选择和评价，从而得出最佳的技术方案和工程措施。 1. 全面规划、合理布局 大气污染控制是一门综合性很强的技术，影响大气环境质量的因素很多，仅考 虑各个污染源的单项治理是不够的，必须考虑区域性的综合防治，从单一的治理过 渡到综合的治理。因此，一方面要对工作失误已经造成的环境污染和环境问题，提 出改善和控制污染的最优化方案；另一方面，要做好城市和大工业区的规划设计工 作，正确的选择厂址，考虑区域性综合治理措施。 2. 提高工业技术水平 改革工业，优先采用无污染的工艺是防止环境污染的根本途径。 严格工艺操作。 改进燃料构成，改进燃烧设备和燃烧条件。 建立综合性工业基地，使各企业之间综合利用原料和废弃物，减少污染物的 排放量。 3. 合理的经济政策 保证必要的环境保护投资 中国目前的环保投资，仅占国家基本建设投资 的百分之几，而发达国家则高达 20以上，因此有必要采取适当措施逐步加以改进。 对治理污染从经济上给予鼓励 如低息长期贷款，对综合利用产品实行免 税或减税政策等。 xxx：工业除尘器的节能设计与经济分析 10 实行排污管理 逐步提高对排污的收费标准，知道对污染严重又不治理的 工厂停止生产等严格的经济政策。 4. 绿化造林 绿化造林是一种生物防止措施，绿化造林不仅能美化环境、调节气温、增加空 气湿度，而且在净化空气、减低噪声方面起到显著的作用。 5. 加强环境治理工程学的研究 到目前为止，即使最发达的工业化国家也不能做到无污染的排放。当采取了各 种措施，仍达不到国家规定的排放标准和地面浓度时，就要对所排放的污染物采取 治理的方法。目前控制大气的污染物的排放，使之符合国家的排放标准措施有：设 置除尘系统；用吸收法控制；用吸附法控制；用反应法控制及扩散稀释法控制等等。 人类没有保护好环境的教训其实自古就有。今天，我们保护环境不仅要保护环 境不受污染，而且要继承古代环境保护的思想，合理利用资源，以保证资源的永续 利用。我们应该懂得解决环境问题的关键就是保护环境，而保护环境就是保护了我 们自己。 6.采用法律手段 颁布各种大气污染物排放标准 。并强制性实施。 1.3 任务的提出与意义 针对某冶炼厂设计一种有效的除尘器， 使其既有净化烟尘的功能， 改善周边环境， 响应可持续发展战略的要求，净化后的气体符合国家的排放标准，又能将其烟尘中所 带走的一些金属回收利用。做到一举两得作用。 1.3.1 设计要求以及基本参数 要求设计出一种有效的除尘器，性能稳定可靠、操作简单，率较高。维修方便， 占地面积少，一次性投资少。 参数要求如下： 1) 废气处理量：q=60000m 3/h 2) 过滤温度：t=150 0c 3) 排放标准：80mg/m 3 (国家标准为150mg/m3) 4) 工作时间：全天工作制（24 小时/天） 1.3.2 设计内容包括 1) 方案的优化设计 11 11 2) 除尘器效率的计算 3) 除尘器系统各钢结构部件设计 4) 钢结构的防腐设计 5) 运行后经济费用的预算 6) 维护说明 7) 清灰系统 plc 控制系统编程 1.3.3 选题的意义 随着工业的高速发展，环境污染日益严重，在人们生活平不断提高的同时，对生 活环境的质量要求也越来越高。在环境保护工作日益突出的今天，在我国钢铁的需求 量日益增加的今天，针对冶金工业中设计除尘器，对烟气进行综合治理，改善周边环 境，加强对环境的保护，是极其有意义的。 第二章 除尘设备的分类及其型号的选择 2.1 除尘设备的概述 2.1.1 除尘器的概念 从含尘气流中将粉尘分离出来并加以捕集的装置为除尘装置或除尘器， 除尘器是 除尘系统中的主要组成部分其性能如何对全系统的运行效果有很大影响，除尘器的 性能用可处理的气体量、气体通过除尘器时的阻力损失和除尘效率来表达。同时，除 尘器的价格、运行和维护费用、使用寿命长短和操作管理的难易也是考虑其性能的重 要因素。 2.1.2 除尘器的分类 按照防尘器分离捕集粉尘的主要机理可将其分为如下四类。 1机械式除尘器 它是利用质量力重力、惯性力和离心力等)的作用使粉尘与气流分离沉降的装 置。它包括重力沉降室、惯性除尘器和旋风除尘器等。 2湿式除尘器 xxx：工业除尘器的节能设计与经济分析 12 亦称湿式洗涤器、它是利用液滴或液膜洗涤含尘气流，使粉尘与气流分离沉降的 装置，湿式洗涤器可用于气体除尘。亦可用于气体吸收。 3过滤式除尘器 它是使含尘气流通过织物或多孔的填料层进行过滤分离的装置，它包括袋式防尘器、 颗粒层除尘器等。 4电除尘器 它是利用高压电场使尘粒荷电、在库仑力作用下使粉尘与气流分离沉降的装置。 以上是按除尘器主要除尘机理作用的分类，但实际应用的一些除尘器中，常常是 一种除尘器同时利用了几种除尘机理此外，还常常按除尘过程中是否利用液体，还 把除尘器分为干式除尘器和湿式除尘器两大类，根据除尘器的效率又可以分为低效、 中效、高效除尘器。电除尘器，袋式除尘器，和高能文丘里湿式除尘器，是目前国内 外应用较为广泛的三种高效除尘器，惯性力沉降和重力沉降除尘器属于低效除尘器。 在日常工业上用于粉尘颗粒物分离的设备主要有：重力沉降式除尘器、惯性除尘器、 电除尘器、湿式除尘器、过滤式除尘器、旋风除尘器等。 2.2 各种除尘器原理 2.2.1 机械式除尘器 利用重力、 惯性力及离心力等作用将颗粒污染物与气体分离的设备称为机械式除 尘器。 主要类型有重力沉降室、 惯性力除尘器及离心力除尘器。 主要特点是结构简单、 易于制造、价格较低、便于维护等，因而广泛使用于工业生产中。但一般来说，这类 除尘器对大粒径颗粒物具有较高的分离效率， 而对于小粒径颗粒物的捕获率则相对较 低。因而，这类除尘器常在去除大颗粒粉尘及除尘效率要求不高的场合下使用。有时 也作为多级收尘系统的前置预收尘器。 2.2.1.1 重力除尘器 1重力沉降原理 重力除尘器是使含尘气体中的粉尘借助重力作用自然沉降来达到净化气体的装 置。它的沉降速度太小，仅为离心沉降速度的几十分之一。实际应用中，具有结构简 单、费用低廉、阻力小、压损小、寿命长等优点。但体积大、除尘效率低、设备维修 11 13 周期长。图2l所示。 b l h a h 含尘气流 尘粒 ys 图 2l 重力沉降简图 层流沉降原理：含尘气流从一侧进入沉降室，根据流体力学原理，通过沉降室的 流体雷诺数可用下式进行计算： v udh =re （2-1） bh q v = （2-2） 式中 : u 通过沉降室的气流速度，m 3/s; q一通过沉降室的气体流量，m/h b 过流截面宽度，m； h 过流截面高度，m； v流体运动粘度 h d 沉降室过流截面当量直径，m。 对矩形过流截面： hb bh dh + = 2 （2-3） 当 re2300 时，流体处于层流状态。 xxx：工业除尘器的节能设计与经济分析 14 假设气体流速在整个沉降室断面内(除前后扩大、缩小段外)处处相等，粉尘颗粒 在入口断面均匀分布，忽略颗粒在沉降过程中的相互干扰，则欲使沉降速度为 vs的 尘粒在沉降室内完全沉入料斗， 则必须使尘粒由沉降室顶部沉降到沉降室底部的时间 小于或等于气体通过沉降室的时间。即 v l t h s （2-4） 或 l v v h s = （2-5） 式中 ： h沉降室高度，m； l沉降室长度，m； vs尘粒沉降速度，m/s； v气流在沉降室内的水平运动速度，ms。 将斯托克斯公式代入式(21)中，可得到沉降室百分之百能够捕集的最小尘粒粒 径： gl h dmn v 18 （2-6） 式中 ： u 流体粘度，pas; v 粉尘密度，kg/m 3。 由于粉尘粒子的粒径不同，沉降速度亦不相同,因而在相同时间内不同粒径尘粒 的下降的高度 h 可用下式表示： v lv th v v = （2-7） 当沉降室的实际高度大于粉尘颗粒的沉降高度时，可用 h 与 h 的比值表示沉降室的 11 15 分级效率： h l h t h h xv d = （2-8） 或 q gld h gld ppp d 1818 2 2 = （2-9） 式中: dp粉尘颗粒粒径,m; b沉降室宽度，m； q含尘气体的体积流量，m3s。 从大(22)和(25)可以看出，当含尘气体特性及工况一定时，增大沉降室长度 或降低沉降室高度和气流速度，都可提高沉降室的除尘效率。但沉降室长度过大或气 流速度过小，又会使其体积过于庞大，使沉降室的使用受到限制。所以，设计沉降室 时应从技术经济和现场情况综合考虑，选定适宜的结构尺寸和工作参数。 降低沉降室高度的常用方法是在沉降室内装有若干水平或倾斜隔扳 形成一层层 气流通道。假设用隔板将高度为 h 的沉降室分成 n 个通道则每个通道就是一个单层 沉降室，若忽略隔板及粉尘层厚度、其高度为 hn。此时，该沉降室的分级效率为 h ln h lnv h nh h h ss d = （2-10） 或 q lbgdn h gldn pp d 1818 22 = （2-11） 能捕集的最小粉尘粒径为: q lbgdn h gldn pp d 1818 22 = 2紊流沉降机理 欲使气流保持层流流动， 重力沉降空的体积必然十分庞大， 否则隔板数必须很多， 其设计均不合理。因此，有人提出了紊流沉降室的设计方法。 xxx：工业除尘器的节能设计与经济分析 16 挡板 挡板 气 体 出 口 含尘气体 如图 22 为一扳格，气流如图示方向流过由上下隔板构成的空间。根据边界层 理论可作如下假设： 图 22 紊流沉降示意图 紧贴底板处有一层流边界层进入该边界层的粉尘颗粒均被捕集分离。 2.2.1.2 惯性力除尘器 惯性力除尘器(简称惯性除尘器)是利用障碍及压差使含尘气流中的颗粒碰撞失 速或急剧改变运动方向，从而依靠惯性实现气固分离的一种低效除尘装置。该除尘器 具有结构简单、阻力较低、操作方便、投资低廉价特点，但除尘效率较低，一般应用 于一级除尘。图23为装有两块挡板的惯性除除器的气固分离机理示意图。 图 23 惯性除除器的气固分离机理示意图 含尘气体水平进入除尘器后， 粒径较大的颗粒 d在惯性力作用下与挡板 b碰撞后 11 17 失速沉降.粒径较小的颗粒 d则随气流作曲线运动，在重力及离心力作用下离开气体 运动轨迹并与挡板 b2碰撞后沉降。显然，在气体流速不变的情况下。变向次数越多， 曲率半径越小，惯性除尘器分离效率越高。 图 24 常用惯性除尘器 2.2.1.3 旋风除尘器 旋风除尘器是利用旋转的含尘气体产生的惯性离心力， 将粉尘从气流中分离出来 的一种干式气-固分离装置。这种除尘器主要优点：结构简单，本身无运动部件，不 需要特殊的附属设备，占地面积小；操作、维护简便，压力损失中等，动力消耗不大， 运转、维护费用较低；操作弹性较大，性能稳定，不受含尘气体的浓度、温度限制， 对于粉尘的物理性质无特殊要求。目前，旋风除尘器广泛应用于化工、石油、冶金、 建筑、矿山、机械、轻纺等工业部门。 1.旋风除尘器的工作原理 1) 旋风除尘器中含尘流体的基本运动 旋风除尘器的基本结构一般由筒体、锥体、排气管及集尘相等组成。根据含尘气 流入口方式的不同，又可分为切流反转式及轴流式两种。 图 25 所示为切流反转式旋风除尘器的结构示意图及含尘气流在除尘器中的运动轨 迹。流体从进气管进入旋风筒后，由直线运动变为旋转运动，并在流体压力及筒体内 壁形状影响下螺旋下行，朝锥体运动。含尘气体在旋转过程个产生离心力，使重度大 于气体的粉尘颗粒克服气流阻力移向边壁。颗粒一旦与器壁接触，便失去惯性力而在 重力及旋转流体的带动下贴壁面向下滑落，最后从锥底排灰管排出旋风筒。旋转下降 的气流到达锥体端部附近某一位置后，以同样的旋转方向在除尘器中由下折返向上， 在下行气流内侧螺旋上行，最终连同一些未被分离的细小颗粒一同排出排气管。流体 在旋风筒内的流线类似双螺旋线。 xxx：工业除尘器的节能设计与经济分析 18 惯性分离区 离心捕捉区 边缘浓集区 椎低卸灰区 中心逸流区 图 2-5 旋风除尘器结构示意图 1.圆筒体 2.圆锥体 3.进气管 4.顶盖 5.排气管 6.排灰管 2) 旋风除尘器中流体含尘浓度分布及粉尘分离过程 图 26 是用光纤浓度测定仪对 csag 旋风除火器进行测定获得的浓度场。 从不同 断面的测定结果可以看出，旋风筒内的粉尘分布具有下述特点： 图 2-6 旋风除尘器浓度分布 图 2-7 旋风筒功能分区图 (1)进入蜗壳的两相流体，在直线运动段粉尘分布沿径向基本均勾。 (2)两相流体在蜗壳内旋转运动 180 后流休中的颗粒大部分已经被分离。 11 19 (3)分离后的粉尘在旋风筒边壁处形成一薄层密相浓集区离开边壁后浓度迅速 降低其密相与稀相区有明显的边界存在。 (4)除卸灰区外，旋风筒其余部分轴 m 浓度差并不大。 (5)分离后的粉尘并非均匀分布于边壁，而是以流股的形式沿螺旋形轨迹向下流 动。且流速越高，其轨迹与水平夹角越小。 (6)旋风筒锥体下部排料口附近粉尘呈密相流态化。随着锥底漏风量的增加，这 种流态化区亦逐步向上扩张。 根据测定结果及流体运动特征、可将旋风筒内粉尘分离过程作如下描述： 流体进入旋风筒后，依惯性直线运行，由于蜗壳弧面作用而逐步变为旋转运动。 部分较大的颗粒直接进入蜗壳边界层而被分离，其余颗粒在离心力作用下逐渐分离。 流体离开蜗壳时，其间大部分颗粒已被分离，其余较小颗粒在离心力作用下形成汇流 阻力在筒体及锥体部分继续分离。分离后的粉尘在重力及旋转气流带动下螺旋下行， 进入锥体后浓集于卸灰口附近，克服上升气流的作用依自重进入集尘箱。部分未被分 离的细粒由汇流带入逸流区并随上升气流逸出排气管。 综上所述，可将旋风筒内粉尘分离的物理模型概括如下：惯性分离离心捕集 尘股沿落锥底浓集重力卸灰。旋风筒内区间粉尘分离的功能区分。如图(27) 所示。 2.2.2 静电除尘器 2.2.2.1电除尘器的概述 电除尘器是利用静电力(库仑力）实现粒子(固体或液体粒子)与气流分离沉降的 一种除尘装置。电除尘器利用静电力直接作用在粒子上，因此，分离尘粒所消耗的能 量较小、压力损失也较小。由于作用在粒子上的静电力相对较大，所以即使对亚微米 级的粒子也能有效地捕集。它能有效地回收气体中的粉尘，以净化气体。 电除尘器的主要优点有：防尘效率高可高于 99；消耗能量小，压力损 失般为 200 一 500 pa；处理烟气量大，可处理 500以下的高温、高湿烟气； 能连续操作。自动化程度高。自 20 世纪应用于工业以来、电除尘器得到很大发展和 广泛应用。静电除尘器的主要缺点在于设备庞大，占地面积大， 一 次性投资高，不 易实现高比电阻和低比电阻粉尘的捕集。关于减少电除尘器的耗电量，运用空调技术 使高电阻含尘气体也能获得很好效果， 使除尘器操作处于最佳条件和提高除尘效率等 xxx：工业除尘器的节能设计与经济分析 20 问题正在开展研究。 2.2.2.1 静电除尘器的原理 静电除尘器的工作原理是利用高压电场使烟气发生电离， 气流中的粉尘荷电在电 场作用下与气流分离。负极由不同断面形状的金属导线制成，叫放电电极。正极由不 同几何形状的金属板制成，叫集尘电极。 静电除尘器的性能受粉尘性质、设备构造和烟气流速等三个因素的影响。粉尘的 比电阻是评价导电性的指标，它对除尘效率有直接的影响。比电阻过低，尘粒难以保 持在集尘电极上， 致使其重返气流。 比电阻过高， 到达集尘电极的尘粒电荷不易放出， 在尘层之间形成电压梯度会产生局部击穿和放电现象。 这些情况都会造成除尘效率下 降。 静电除尘器的电源由控制箱、升压变压器和整流器组成。电源输出的电压高低对 除尘效率也有很大影响。因此，静电除尘器运行电压需保持 40 一 75kv 乃至 100kv 以上。 静电除尘器与其他除尘设备相比，耗能少，除尘效率高，适用于除去烟气中 0.0150m 的粉尘，而且可用于烟气温度高、压力大的场合。实践表明，处理的烟 气量越大，使用静电除尘器的投资和运行费用越经济。 2.2.3 湿式除尘器 这种除尘器是使含尘气体与水或其它液体相接触， 利用水滴和尘粒的惯性碰撞及 其它作用而把尘粒从气流中分离出来。湿式除尘器以水为媒介物，因此它适用于非纤 维性的、能受冷且与水不发生化学反应的含尘气体，不适用于除去黏性粉尘。湿式除 尘器具有投资低，操作简单，占地面积小，能同时进行有害气体的净化、含尘气体的 冷却和加湿等优点。特别适用于处理高温度高湿度和有爆炸性危险气体的净化，但由 于采用了水为净化物，会带来了二次污染。由于湿式除尘器一般不用来处理粉尘此处 不在多讲。 2.2.4 袋式除尘器 袋式除尘器是一种利用有机纤维或无机纤维过滤材料将含尘气体中的粉尘滤出 的除尘设备，用于捕集非粘结性、非纤维性的工业粉尘。它的优点是除尘效率高且稳 定，对于2 m以上的粉尘，其效率可达99%,以上，且造价较低，管理简单、维修方 11 21 便。因此它在除尘装置中，是一种除尘性能优异、能满足当前环境保护法严格要 求的、值得信赖的除尘设备。但其存在过滤速度低、压降大、占地面积大、换袋麻烦 等缺点。 图2-8机械振动袋式除尘器 一百多年以前，袋式除尘器就应用于生产实践中。最早的型式很简单，挂几条布 袋，用人工拍打布袋进行清灰。 19 世纪末普遍应用了机械振动清灰；到 20 世纪 30 年代出现了逆气流清灰；到 70 年代则发明了清灰效果显著的气环吹洗和脉冲喷吹清 灰的袋式除尘器，实现了连续作业下的清灰，使除尘器阻力稳定，过滤速度也提高数 倍，占地面积相应缩小。近年来，出现了更加合理的定阻力清灰设计，使滤袋负荷均 匀，延长了其使用寿命。由于清灰方法上的不断改进完善，使得袋式除尘器的使用效 果、维护管理都有了进一步的提高，投资和成本则随之降低，应用范围更加广泛。最 初使用的滤袋只有用天然纤维（如棉花、羊毛、丝）织制成的。随着工业的发展，人 造纤维、合成纤维及无机纤维的生产和大量供应，为袋式除尘器提供了许多耐腐蚀、 耐高温及性能良好的滤料。不仅降低了袋式除尘器的造价，还扩大了它的适应性和使 用范围。20 世纪 50 年代相继出现玻璃纤维，耐热尼龙、特氟纶等，使袋式除尘器可 直接过滤 200300c 0含尘气体成为现实。过滤材料研究的每一次重大突破，都使它 的应用范围进一步扩大，使用效果更加良好。可以预料，今后在滤料研究方面将会有 更大的发展，使它可以用于更高温度工况条件下烟气的消烟除尘。20 世纪 50 年代以 来广泛地采用毡滤料及针刺滤料，这种滤料造价低，制造简单，过滤性能好。由于毡 料本身构造厚，而形成多绒、多微孔的滤层，所以，除尘的惯性碰撞、扩散等效应大 xxx：工业除尘器的节能设计与经济分析 22 多是在毡的表面及内部发生，因而“第二过滤层”的作用就不如纺织滤布那样明显。 纺织滤布其除尘效率可达 99%以上是一种十分理想的过滤材料。近十年来，随着工业 生产的发展及人们对环境保护的重视，各国纷纷提高环境质量标准，特别强调对微米 级粒子的控制。 因为小于 10 m的微粒进入并长期滞留在人体内， 危害人类身体健康。 袋式除尘器当前的研究领域主要有：高温、高浓度含尘气体的净化；高细粉尘污染的 控制和分离捕集有害气体，即将助滤剂（吸收剂或反应剂）预先附于滤料表面，在净 化含尘气体的同时用它来处理气体中的有害物质。可以肯定，随着袋式除尘设备的长 期应用及理论研究的不断深入，如过滤机理、滤料性能、设备结构、设计参数和清灰 方法等工作的进一步研究，袋式除尘器在工业生产和环境保护中将发挥更大的作用。 2.2.4.1 袋式除尘器的原理 布袋除尘器的工作机理是含尘烟气通过过滤材料，尘粒被过滤下来，过滤材料 捕集粗粒粉尘主要靠惯性碰撞作用，捕集细粒粉尘主要靠扩散和筛分作用。滤料的粉 尘层也有一定的过滤作用。布袋除尘器除尘效果的优劣与多种因素有关，但主要取决 于滤料。 图2-9袋式除尘器原理扩散、电沉积 布袋除尘器的滤料就是合成纤维、天然纤维或玻璃纤维织成的布或毡。根据需 要再把布或毡缝成圆筒或扁平形滤袋。 根据烟气性质， 选择出适合于应用条件的滤料。 通常，在烟气温度低于120，要求滤料具有耐酸性和耐久性的情况下，常选用涤纶 绒布和涤纶针刺毡；在处理高温烟气(250)时，主要选用石墨化玻璃丝布；在某些 特殊情况下，选用炭素纤维滤料等。 11 23 图2-10袋式除尘器原理筛分 布袋除尘器运行中控制烟气通过滤料的速度(称为过滤速度)颇为重要。一般取 过滤速度为0.52m/min，对于大于0.1 m的微粒效率可达99以上，设备阻力损失 约为9801470pa。 图2-11袋式除尘器原理 如由图2-11所示：新鲜滤料的除尘效率较低，粉尘初层形成后，成为袋式除尘器 的主要过滤层， 提高了除尘效率， 随着粉尘在滤袋上积聚， 滤袋袈两侧的压力差增大， 会把已附在滤料上的细小粉尘挤压过去，使除尘效率下降。除尘器压力过高，还会使 除尘系统的处理气体量显著下降，因此除尘器阻力达到一定数值后，要及时清灰，清 灰不应破坏粉尘初层。 xxx：工业除尘器的节能设计与经济分析 24 图2-12袋式除尘器的分级效率曲线 2.2.4.2 袋式除尘器除尘效率的影响因素 1.粉尘负荷的影响 粉尘负荷过大，可能导致同一时间在滤袋一侧的粉尘堆积过多，从面影响过滤 速度，使其效率下降。 2.过滤速度的影响 烟气实际体积流量与滤布面积之比， 也称气布比,过滤速度是一个重要的技术经 济指标。选用高的过滤速度，所需要的滤布面积小，除尘器体积、占地面积和一次投 资等都会减小，但除尘器的压力损失却会加大。一般来讲，除尘效率随过滤速度增加 而下降,过滤速度的选取还与滤料种类和清灰方式有关。 2.2.4.3 袋式除尘器的除尘效率 丹尼斯 （dennis）和克莱姆（klemm）提出了一系列方程，以预测袋式除尘器的 粉尘出口浓度和穿透率。 11 25 （2-12） 式中： 2 c 粉尘出口浓度，g/m3 ns p 无量纲常数； v表面过滤速度，m/s； 1 c 粉尘入口浓度，g/m3 r c 脱落浓度(常数)，g/m 3 w粉尘负荷，g/m2 dennus and klemm取 r c =0.5 压力损失： 重要的技术经济指标，不仅决定着能量消耗，而且决定着除尘效率和清灰间隔时 间等 pf通过洁净滤料的压力损失，100130pa； pp通过粉尘层（dust cake）的压力损失； 两者均可以用达西定律表示 kx p g = （2-13） k粉尘或滤料的渗透率（permeability） ，由实验测定。 渗透率k是沉积粉尘层性质，如孔隙率、比表面积、孔隙大小分布和粉尘粒径分 布等的函数 （2-14） 2nsns1r (0.1)e =+ aw cppcc 71.03 ns 1.510exp12.7(1e) =p 094.0106.3 43 += fgpg fp fp = + =+ xx ppp kk xxx：工业除尘器的节能设计与经济分析 26 对于给定的滤料和操作条件，滤料的压力损失 基本上是一个常数通过袋式除 尘器的压力损失主要由 决定 在时间t内，沉积在滤袋上的粉尘质量m可以表示为 ctavm= （2-15） 式中： a滤袋的过滤面积； c 烟气中粉尘浓度； 因此: c vct x = （2-16） 粉尘层的压力损失 （2-17） 令： 定义为颗粒层的比阻力系数，因此 ctvrp pp 2 = 对于给定的烟气特征和粉尘层渗透率与粉尘浓度和过滤时间t成线性关系，而与 过滤速度的平方成正比.若已知粉尘的粒径分布、堆积密度和真密度，可以利用丹尼 斯和克莱姆提出方程式估算。 2.2.5 复合式除尘器 在实际的生产中往往单一的一种除尘器往往不能满足我们的实际生产需要， 于是 就产生多种不同性能的同时使用。 c g p p =r k 2 pggg p pcppc ()= xct ct p kkk p p 11 27 此除尘器都是基于简单除尘器的组合，故在此不再做讲述。 2.2.6 各种除尘器的性能比较及其型号的选择 从表2-1中可以看出，旋风除尘器具有自身的优点，但相对于袋式除尘器、湿式 除尘器、电除尘器，旋风除尘器对于捕集分离5 m以下的粉尘颗粒收集效率不高， 其它性能指标一定程度上都优于上述除尘器。 根据对粉尘颗粒危害健康的认识，悬浮于大气中的粉尘颗粒除能起到触媒作用， 使大气中若干原来无毒的气态物质，以粉尘为凝聚核心，经粉尘的触媒作用化合成为 有害的物质外，颗粒大小本身对于人类呼吸系统危害也是关键。一般说大于8 m 以 上的颗粒，在呼吸过程中通过鼻腔的鼻毛及粘膜可以直接拒之于呼吸系统之外。粉尘 颗粒从0.3 m 到8 m能沉积于肺部或者支气管，成为对人体有致病的颗粒大小范 围从0.3 m 到8 m，这一粒径范围的颗粒主要是由工矿企业如：炼油厂催化烟气、 工业生产中煤的燃烧、旋涡硫化床废气、建筑水泥生产等所产生的，而目前旋风除尘 器在这些行业中是经济型必不可少的气-固分离设备。 根据当前我国工业发展的情况， 材料供应和动力供应情况，是不允许抛弃旋风除尘器，而全部使用昂贵材料多、运转 费用高、耗电量高的文氏管除尘器、袋式除尘器、电力除尘器，这就决定了干式旋风 除尘器在环境保护或工业除尘中存在很大的需求量。此外，随着除尘器应用场合特殊 化（如高温高压的工况条件下） 、结构微型化（如可吸入颗粒物的采样、汽车进气的 预处理。 表表 2-1 各类除尘器的使用范围和概略