除尘技术基础

1、第二章 除尘技术基础颗粒捕集的理论基础除尘装置的分类第一节 颗粒捕集的理论基础除尘过程的机理就是，将含尘气体引入具有一种或几种力作用的除尘器，使颗粒相对其运载气流产生一定的位移，并从气流中分离出来最后沉降到捕集表面上。颗粒的粒径大小和种类不同，所受作用力不同，颗粒的动力学行为亦不同。颗粒捕集过程所要考虑的作用力有外力、流体阻力和颗粒间的相互作用力。外力：重力、离心力、惯性力、静电力、磁力、热力、泳力等颗粒间相互作用力：颗粒浓度不高时可以忽略流体阻力流体阻力形状阻力摩擦阻力 在不可压缩的连续流体中，作稳定运动的球形颗粒必然受到流体阻力的作用。这种阻力是由两种现象引起的。由于颗粒具有一定的形状，运

2、动时必须排开其周围的流体，导致其前面的压力较后面大，产生了所谓形状阻力；此外，颗粒与其周围流体之间存在着摩擦，导致了所谓摩擦阻力。通常把两种阻力同时考虑在一起，称为流体阻力，阻力的大小决定于颗粒的形状、粒径、表面特性、运动速度及流体的种类和性质。阻力的方向和速度向量方向相反 流体阻力其大小可按如下标量方程计算：流体阻力流体阻力与雷诺数的函数关系 流体阻力颗粒尺寸与气体平均自由程接近时，颗粒开始脱离与气体分子接触，颗粒运动发生所谓“滑动”，引入修正因数坎宁汉修正：气体分子平均自由程 气体分子的算术平均速度阻力导致的减速运动对于在接近静止的空气中，以某一初速度u0运动的球形颗粒，除了空气阻力外无其

3、它力作用时，颗粒不能相对空气作稳态运动，只能作非稳态的减速运动。根据牛顿第三定律若仅考虑Stokes区域积分得速度由u0减速到u所迁移的距离若引入坎宁汉修正系数C停止距离驰豫时间或松弛时间重力沉降 静止流体中的单个球形颗粒，在重力作用下沉降时，所受作用力有重力、流体浮力和流体阻力。力平衡关系Stokes颗粒的重力沉降末端速度（忽略浮力影响）湍流过渡区牛顿区Stokes直径空气动力学直径离心沉降力平衡关系Stokes颗粒的末端沉降速度静电沉降力平衡关系静电沉降的末端速度习惯上成为驱进速度，用 表示，对于Stokes粒子：惯性沉降颗粒接近靶时的运动情况1.惯性碰撞惯性碰撞的捕集效率取决于三个因素气

4、流速度在靶周围的分布，用ReD衡量颗粒运动轨迹，用Stokes数描述颗粒对捕集体的附着，通常假定为1001.惯性碰撞惯性碰撞分级效率与 的关系2.拦截直接拦截发生在颗粒距捕集体dp/2的距离内拦截效率用直接拦截比R表示对于惯性大的颗粒对于惯性小的颗粒扩散沉降扩散系数和均方根位移布朗扩散作用对于小粒子的捕集影响较大颗粒的扩散类似于气体分子的扩散对于粒径约等于或大于气体分子平均自由程的颗粒对于粒径大于分子但小于气体平均自由程的颗粒颗粒的均方根位移（时间t秒钟）扩散沉降标准状态下布朗扩散平均位移与重力沉降的比较扩散沉降效率扩散沉降效率取决于皮克莱数Pe和雷诺数Re粘性流单个圆柱体的效率势流单个圆柱体

5、效率孤立球形捕集体从理论上讲， 是可能的扩散沉降效率惯性碰撞、直接拦截和布朗扩散的比较第二节 除尘装置的分类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 第三章 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，

6、流速降低，较重颗粒在重力作用下缓慢向灰斗沉降 层流式和湍流式两种 层流式重力沉降室假定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层流式重力沉降室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层流式重力沉降室对于stokes粒子，重力沉降室能100%捕集的最小粒子的dmin = ? 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 层流式重力沉降室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.

7、32.0m/s不同粉尘的最高允许气流速度层流式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湍流式重力沉降室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，其分级除尘效率湍流式重力沉降室湍流模式2完全混合模式，即沉降室内未捕集颗粒完全混合单位时间排出： （ 为除尘

8、器内粒子浓度，均一）单位时间捕集：总分级效率 湍流式重力沉降室三种模式的分级效率均可用 归一化对Stokes颗粒，分级效率与dp成正比重力沉降室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惯性除尘器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 惯性除尘器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多级型反转式惯性除尘装置a 弯管型 b 百叶窗型 c 多层隔板型惯性除尘器应

9、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1020m以上的粗颗粒压力损失1001000Pa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 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

10、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旋风除尘器内气流的切向速度和压力分布 旋风除尘器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 旋风除尘器径向速度 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

11、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 旋风除尘器旋风除尘器的压力损失 ：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XLT XLTA XLPA XLPB 5.3 6.5 8.0 5.8旋风除尘器旋风除尘器的压力损失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 旋风除尘器旋风除尘器的除尘效率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 FC FD ，颗粒移向外壁若 FC FD ，颗粒进

12、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% 旋风除尘器旋风除尘器的除尘效率（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 另一种经验公式旋风除尘器旋风除尘器的除尘效率模型2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ND沉降室高度为b沉降速度径向速度Vr活塞流纵向湍流旋风除尘器旋风除尘器分级效率曲线 旋风除尘器例题：已知XZT一90型旋风除尘器在选取R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

13、尘器简体直径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）=2.4105pas。 旋风除尘器 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=0.7 de，根据式 （610） 由式 （6一9）得气流在交界面上的切向速度 由式（612）计算 旋风除尘器例题（续） 根据式（616） 此时旋风除尘器的分割直径为5.31m。 根据式（513）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旋风除尘器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

14、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 临界入口速度旋风除尘器影响旋风除尘器效率的因素（续）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=（0.40.65）D。特征长度（natural length）-亚历山大公式旋风除尘器

15、排出管以下部分的长度应当接近或等于 ，筒体和锥体的总高度以不大于五倍的筒体直径为宜。 旋风除尘器影响旋风除尘器效率的因素（续）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）降低降低增大入口面积（速度不变）提高降低降低加长锥体稍有降低提高提高增大锥体的排出孔稍有降低提高或降低减小锥体的排出孔稍有提高提高或降低加长排出管伸入器内的长度提高提高或降低提高增大排气管管径降低降低提高旋风除尘器影响旋风除尘器效率的因素（续）除尘器下部的严密性在不漏风的情况下进行正常排灰 锁气器 (a)双翻板式 (b)回转式 旋风除尘器

16、影响旋风除尘器效率的因素（续）烟尘的物理性质气体的密度和粘度、尘粒的大小和比重、烟气含尘浓度 旋风除尘器影响旋风除尘器效率的因素（续）操作变量提高烟气入口流速，旋风除尘器分割直径变小，除尘器性能改善 入口流速过大，已沉积的粒子有可能再次被吹起，重新卷入气流中，除尘效率下降效率最高时的入口速度 旋风除尘器结构形式进气方式分 切向进入式轴向进入式 a. 直入切向进入式 b. 蜗壳切向进入式 c. 轴向进入式旋风除尘器结构形式（续）气流组织分 回流式、直流式、平旋式和旋流式 多管旋风除尘器 由多个相同构造形状和尺寸的小型旋风除尘器（又叫旋风子）组合在一个壳体内并联使用的除尘器组常见的多管除尘器有回流

17、式和直流式两种 回流式多管旋风除尘器 旋风除尘器的设计选择除尘器的型式 根据含尘浓度、粒度分布、密度等烟气特征、及除尘要求、允许的阻力和制造条件等因素 根据允许的压力降确定进口气速，或取为 12-25 m/s确定入口截面A，入口宽度b和高度h 确定各部分几何尺寸 旋风除尘器的设计旋风除尘器的比例尺寸尺寸名称XLP/AXLP/BXLT/AXLT入口宽度，b入口高度，h筒体直径，D上3.85b下0.7D3.33b（b=0.3D）3.85b4.9b排出筒直径，de上0.6D下0.60.6D0.6D0.58D筒体长度，L上1.35D下1.0D1.7D2.26D1.6D锥体长度，H上0.50D下1.002.3D2.0D1.3D灰口直径，d10.0296D0.43D0.3D0.145D进口速度为右值时的压力损失12m/s700（600）5000（420）860（770）440（490）15m/s1100（940）890（700）1350（1210）440（490）18m/s1400（1260）1450（1150）1950（1740）990（1110）旋风除尘器的设计也可选择其它的结构，但应遵循以下原则 为防止粒子短路漏到出口管，hs，其中s为排气管插人深度；为避免过高的压力