《大气污染控制工程》 除尘装置-湿式除尘(50P)

第六章除尘装置

——湿式除尘生化工程系湿式除尘是利用洗涤液来捕集粉尘，利用粉尘与液滴的碰撞及其它作用来使气体净化的方法。重点：碰撞参数；湿式除尘器的常见类型；文丘里洗涤器。学习内容与重点一、湿式除尘器简介二、重力喷雾洗涤器三、旋风式洗涤器四、文丘里洗涤器湿式除尘器：利用液体〔通常为水〕与含尘气流接触，借助于惯性碰撞、扩散等机理将尘粒与气体别离的一种净化装置。湿式除尘器的特性湿式除尘器的分类湿式除尘器的除尘机理一、湿式除尘器简介1、湿式除尘器的特性优点：效率较高，可去除的粉尘粒径较小(高能耗湿式除尘器清除0.1µm以下粉尘粒子，仍有很高效率);能够处理高温，高湿气流，高比电阻粉尘，及易燃易爆的含尘气体;在去除粉尘粒子的同时，还可去除气体中的水蒸气及某些气态污染物。既起除尘作用，又起到冷却、净化的作用;体积小，占地面积小。缺点有泥渣：排出的污水和泥浆可能造成二次污染，需要进行再处理；易腐蚀设备：净化含有腐蚀性的气态污染物时，洗涤水具有一定程度的腐蚀性，因此要注意除尘系统和污水处理设施的腐蚀问题；不适用于净化含有憎水性和水硬性粉尘的气体；湿式除尘器耗水量较大，水源不足的地方使用受到限制；防冻：寒冷地区容易结冻，应采取防冻措施；动力消耗大。2、湿式除尘器的分类湿式除尘器的型式：低能、高能低能压力损失0.2~1.5kPa，包括喷雾塔、旋风洗涤器等。一般耗水量（L/G比）0.5-3.0L/m3，对10μm以上的η可达90~95%。常用于焚烧炉、化肥制造、石灰窑的除尘；高能湿式除尘器ΔP=2.5~9.0Kpa，η可达99.5%以上。如文丘里洗涤器。根据湿式除尘器的净化机理，可分成7类：①重力喷雾洗涤器；②旋风洗涤器；③自激喷雾洗涤器；④板式洗涤器；⑤填料洗涤器；⑥文丘里洗涤器；⑦机械诱导喷雾洗涤器。主要湿式除尘装置的性能、操作范围喷雾塔旋风喷雾塔撞击式洗涤器文氏管洗涤器3、湿式除尘器的除尘机理湿式除尘机理：(1)尘粒碰撞液滴和接触液膜、气泡而粘附其上(2)由于尘粒的扩散作用，与液面接触(3)由于气体被增湿，尘粒之间相互凝聚(4)因蒸汽以尘粒为核心的冷却凝结，增加了尘粒的凝聚性惯性碰撞、扩散效应、粘附、扩散漂移和热漂移、凝聚等。湿式除尘器的主要除尘机制：惯性碰撞和拦截作用惯性碰撞参数和除尘效率接触功率与除尘效率分割粒径与除尘效率1）惯性碰撞含尘气流在运动过程中遇到障碍物(水滴)，气流会改变方向，绕过水滴运动，但尘粒因惯性力作用，将保持原有运动方向，脱离气流与水滴相撞。该效应就是所谓的惯性碰撞。尘粒的惯性越大，气流曲率越小，尘粒脱离流线而被水滴捕集的可能性越大。2）拦截作用拦截是指尘粒在水滴上直接被阻截，尘粒被水润湿进入水滴内部，或粘附在水滴表面，使尘粒与含尘气流分离。被拦截的尘粒必须质量小，且具有一定尺寸，当流线绕过水滴拐弯时，它不会离开流线。这时只有尘粒中处在围绕捕集物(水滴)流过而相距捕集物不超过dp/2的流线上，尘粒就与捕集物(水滴)接触而被拦截。3)扩散效应在湿式除尘器中，扩散效应是指粒径小于0.3μm的尘粒，作不规则的热运动时，尘粒与水滴接触而被捕集。一般来说，粒径愈小，扩散系数愈大，除尘效率愈高；水滴周围气膜厚度愈大，水滴与气流的相对速度愈大，除尘效率愈低。4)热泳和静电作用气体分子具有一定的热运动，且随温度而变化。由于尘粒热面的气体分子对尘粒的作用力比冷面大，因而在湿式除尘器内含尘气体引起的热运动使尘粒向着较冷的区域运动，这种效应称为热泳。静电作用是指尘粒与液滴（水滴）所带电荷相反，其强度足以吸引尘粒，使其离开气流流线，被水滴捕集。这种效应对很小的尘粒捕集影响较大。但一般情况下，热泳力和电荷力是有限的。惯性碰撞参数和除尘效率简化模型：含尘气流在运动过程中同液滴相遇，在液滴前xd处气流开始改变方向，绕过液滴运动，而惯性较大的尘粒有继续保持其原来直线运动的趋势。尘粒运动主要受两个力支配，即其本身的惯性力以及周围气体对它的阻力。定义：尘粒从脱离流线到惯性运动结束时所移动的直线距离称为粒子的停止距离xs；xd为原始距离，即气流改变方向时，液滴距尘粒的距离。若xs≥xd时发生碰撞，一般用碰撞参数φ=xs/xd来反映除尘效率的大小。现以液滴直径Dc代替xd(液滴直径Dc大，流线拐弯处的距离越大，xd越大)。并用惯性碰撞数Ni来表示碰撞参数φ的大小。将xs与Dc(液滴直径)的比值称为碰撞数Ni。尘粒与液滴间的碰撞率，即尘粒从气流中除去的效率与此碰撞数有关。对斯托克斯粒子：uD：液滴的速度，m/s;up：在流动方向上粒子的速度，m/s；Dc：液滴直径。对于粒径小于5.0μm的粒子，必须考虑坎宁汉校正系数C。由上式可见，当尘粒直径和密度确定以后，碰撞参数φ与粒子和液滴之间的相对速度成正比，而与液滴直径成反比。所以对于给定的烟气系统，要提高NI值，必须提高液气相对运动速度和减小液滴直径。目前工业上常用的湿式除尘器基本上是围绕这两个因素发展起来的。但液滴直径并非愈小愈好，直径过小，液滴容易随气流一起运动，减小了气液相对运动速度。气体的粘度越大则效率愈低。惯性碰撞参数NI值越大，粒子惯性越大，则碰撞捕集效率η越高。对于势流和粘性流，η=f(NI)有理论解，一般情况下，JohnStone等人的研究结果：K：关联系数，取决于设备结构和操作条件；L：液气比，L/m3接触功率与除尘效率接触功率理论：假定洗涤器除尘效率仅是系统总能耗的函数，与洗涤器除尘机理无关总能耗Et：气流通过洗涤器时的能量损失EG+雾化喷淋液体过程中的能量消耗EL

ΔPG:气体压力损失，Pa；PL:液体入口压力，PaQL,QG:液体和气体流量，m3/s为了关联接触功率和除尘效率，经常以传质单元数Nt表示除尘效率η

，根据传质单元数的定义：研究表明，在双对数坐标系内传质单元数与总能量消耗之间的关系为一直线：α、β为特征参数，由被捕集粉尘的特性和洗涤器类型决定。分割粒径与除尘效率分割粒径能全面表示从气流中分离粒子的难易程度和洗涤器的性能。多数惯性分离装置的分级通过率可以表示：Ae、Be：常数；对填充塔和筛板塔，Be=2；离心式洗涤器，Be=0.67；文丘里洗涤器(当NI=0.5~5)，Be=2。da：粒子的空气动力学直径。通过率与分割粒径的关系分割直径与压力降的关系〔分割－功率关系〕二、喷雾塔洗涤器圆柱形的喷雾塔是一种最简单的湿式除尘装置（右图）：在逆流式喷雾塔中，含尘气体向上运动。液滴由喷嘴除向下运动。因颗粒和液滴之间的惯性碰撞、拦截和凝聚等作用，使较大的粒子被液滴捕集。假如气体流速较小，夹带了颗粒的液滴将因重力作用而沉于塔底。为保证塔内气流分布均匀，常采用孔板型气流分布板。含尘气体清洁气体循环水含尘水影响喷雾塔除尘效率的因素：液滴大小、颗粒的空气动力学直径、液气流量比及气体性质。为了预估喷雾塔的除尘效率，通常假定：所有液滴具有相同直径，且进入洗涤器后立即以沉降速度沉降；液滴在整个过气断面上分布均匀，无聚结现象。基于这些假定，立式逆流喷雾塔靠惯性碰撞捕集粉尘的效率可以用下式表示：ut：液滴的终末沉降速度，m/s；Vs：空塔断面气速，m/s;z：气液接触的总塔高度，m；ηd：单个液滴的碰撞效率。单个液滴的集尘效率受雷诺数的影响很大。如下近似表达式：对于粒子的惯性捕集，可用下式估算粒子的总通过率：喷雾塔优点：结构简单、压力损失小，操作稳定，经常与高效洗涤塔联用捕集粒径较大的颗粒。三、旋风洗涤器干式旋风分离器内部以环形方式安装一排喷嘴，就构成一种最简单的旋风洗涤器。喷雾作用发生在外涡旋区，并捕集尘粒，携带尘粒的液滴被甩向旋风洗涤器的湿壁上，然后沿壁面沉落到器底。出口处通常需要安装除雾器。中心喷雾的旋风洗涤器：含尘气体由筒体的下部切向引入，水通过轴上安装的多喷嘴喷出，径向喷出的水雾与螺旋形旋转气流相碰，使颗粒被捕集下来。如果在喷嘴段上面有足够的高度，也能起一定的除雾作用。旋风水膜除尘器：喷雾沿切线向喷向筒壁，使壁面形成一层很薄的不断下流的水膜。含尘气流由筒体下部导入，旋转上升，靠离心力甩向壁面的粉尘被水膜黏附，沿壁面流下排走。旋风除尘器适合于处理烟气量大和含尘浓度高的场合。可单独采用，也可以安装文丘里洗涤器之后作为脱水器。耗水量：L/G：0.5~1.5L/m3。气体入口速度：15~45m/s。捕集效率：离心洗涤器净化dp<5μm的尘粒仍然有效，捕集效率可达95％以上；适用于处理烟气量大，含尘浓度高的场合；可单独使用，也可安装在文丘里洗涤器之后作除尘器。压力损失：为0.5~1.5kPa，可以采用下式进行估算：Δp：旋风洗涤器的压力损失，Pa；Δp0：喷雾系统关闭时的压力损失，Pa；ρ0：液滴密度，kg/m3；：液滴初始平均速度，m/s。四、文丘里洗涤器(Venturiscrubber)文丘里洗涤器是一种高效湿式洗涤器，常在高温烟气降温和除尘上。除尘器系统的构成：文丘里洗涤器(收缩管，喉管，扩散管)；除雾器；沉淀池；加压循环水泵。文丘里洗涤器结构：1、除尘过程1.进气管；2.收缩管；3.喷嘴；4.喉管；5.扩张管；6.连接管水从喉管周边均匀分布的若干小孔进入，在被通过这里的高速含尘气流撞击成雾状液滴，气体中的尘粒与液滴凝聚成较大颗粒随气流进入旋风器和气体分离。在旋风分离器中，含尘的水滴与气流分离。作用机理：微细尘粒以气流相同的速度进入喉管；洗涤液滴的轴向初速度为零，由于气流曳力在喉管部分被逐渐加速。在液滴加速过程中，由于液滴与粒子之间惯性碰撞，实现微细尘粒的捕集；碰撞捕集效率随相对速度增加而增加，因此气流入口速度必须较高；在扩散管中，气流速度减小和压力的回升，使以颗粒为凝结核的凝聚速度加快，形成直径较大的含尘液滴，已便于被低能洗涤器或除雾器捕集下来。含尘气体由进气管进入收缩管后，流速逐渐增大，气流的压力能逐渐变为动能；在喉管入口处，气流速度到达最大，一般为50~180m/s。洗涤器通过沿喉管周边均匀分布的喷嘴进入，液滴被高速气流雾化和加速。充分的雾化是实现高效除尘的根本条件。气速、液滴速度和捕集效率2、几何尺寸几何尺寸主要包括：收缩管、喉管和扩散管的长度、直径以及收缩管的张开角等。进气管直径D1按与之相联管道直径确定，管道中气流速度一般为16~22m/s。收缩管的收缩角α1常取23~25°，喉管直径DT按喉管气速VT确定，其截面积与进口管之比为1:4。进气管直径D1按与之相联管道直径确定收缩管的收缩角α1常取23°~25°喉管直径DT按喉管气速vT确定，其截面积与进口管截面积之比的典型值为1:4vT的选择择要考虑到粉尘、气体和洗涤液的物理化学性质、对洗涤器效率和阻力的要求等因素L1ConvergingsectionthroatDivergingsectionL2DTD1D2扩散管的扩散角α2一般为5o~7o出口管的直径D2按与其相联的除雾器要求的气速确定。由于扩散管后面的直管道还具有凝聚和恢复压力的作用，一般设1~2m长的连接管，再接除雾器。收缩管的和扩散管的长度L1和L2由下面的式子决定：喉管长度一般取喉管直径的0.8~1.5倍，或取200~500mmL1ConvergingsectionthroatDivergingsectionL2DTD1D23、压力损失高速气流的动能要用于雾化和加速液滴，因而压力损失大于其它湿式和干式除尘器。卡尔弗特等人基于气流损失的能量全部用于在喉管内加速液滴的假定，发展了计算文丘里洗涤器压力损失的数学模式：

：液滴在x2处的速度为决定在整个喉管内的压力损失，假定：在喉管内气流速度为常数；气体流动为不可压缩的绝热过程；在任何断面上液气比不变；液滴直径为常数；液滴周围压力是对称的，因而可以忽略根据作用在液滴上的惯性力与阻力的平衡:mD：液滴质量AD：液滴在垂直于流动方向上的截面积CD：阻力系数对于球形液滴：因为：故：对上式的积分限为：在x＝0处，uD＝0；在x＝L处〔L为喉管长度〕，uD＝uDL。当L足够长时，液滴速度将近似等于喉管内气流速度vT；对式积分时还应考虑阻力系数CD与vg和uD的关系，那么Δp的单位为cmH2O，VT的单位是cm/s，Ql与Qg单位相同。或根据由多种型式文丘里洗涤器得到的实验数据间的关系，海斯凯茨〔Hesketh〕提出了如下方程式Δp的单位为Pa，A为喉管的横断面积〔m2〕。液滴平均直径的估算：拔山一彭泽的经验公式估算液滴体积-外表积平均直径VT：喉管气流速度，m/s；：液体外表张力，N/m；：液体的粘度，Pa•s；l：液体的密度，kg/m3；Ql/Qg：同单位4、除尘效率卡尔弗特等人做了一系列简化后提出下式，以计算文丘里洗涤器的通过率：ρl、ρp：分别为洗涤液和颗粒的密度，g/cm3;μg：气体粘度，10-1Pa·sΔP：文丘里洗涤器的压力损失，cmH2O;dp：颗粒粒径，μm；f：经验常数，在该式中为0.1~0.4。文丘里洗涤器性能气流速度、液气比之间的关系：例题：以液气比为3的速率将水喷入文丘里洗涤器的喉部，气体流速为122m/s，密度和粘度分别为3和2.08×10-5kg/〔m/s〕，喉管横断面积为0.08m2，参数f取为，对于粒径为、密度为3的粒子，试确定气流通过该洗涤器的压力损失和粒子的通过率。解:由式〔6-53〕运用海斯凯茨提出的式得估算粒子的通过率：例题：四、文丘里洗涤器的设计文丘里除尘器的设计包括两个主要内容：1、净化气体量Q的确定可根据生产工艺物料平衡和燃烧装置的燃烧计算求得。也可以采用直接测量的烟气量数据。注意：Q量的设计计算均以文丘里管前的烟气性质和状态参数为准。2、文丘里管几何尺寸的确定包括：收缩管、喉管、扩张管的截面积；圆形管的直径或矩形管的高宽；收缩管和扩张管的张开角等。收缩管：入口风速V1，进气端截面积

Qt1——温度为t1时的进气流量，m3/h