第06章 颗粒物污染控制技术3

第六章除尘装置§3湿式除尘器(Scrubber)一、概述二、湿式除尘器的除尘机理三、喷淋塔洗涤器四、旋风洗涤器五、文丘里洗涤器教学重点：碰撞参数；湿式除尘器的常见类型；文丘里洗涤器。教学难点：文丘里洗涤器的组成、原理第三节湿式除尘器使含尘气体与液体（一般为水）密切接触，利用水滴和尘粒的惯性碰撞及其它作用捕集尘粒或使粒径增大的装置可以有效地除去直径为0.1～20μm的液态或固态粒子，亦能脱除气态污染物除尘机理：①液体介质与尘粒间的惯性碰撞和拦截；②微细尘粒与液滴间的扩散接触；③加湿的尘粒相互凝并；④饱和态高温烟气降温时，以尘粒为凝结核凝结按能耗分为：高能和低能湿式除尘器低能湿式除尘器的压力损失为0.2～1.5kPa，对10μm以上粉尘的净化效率可达90％～95%，包括喷雾塔、旋风洗涤器高能湿式除尘器的压力损失为2.5～9.0kPa，净化效率可达99.5％以上，如文丘里洗涤器湿式除尘器旋风喷淋塔喷淋塔湿式除尘器板式塔填料塔湿式除尘器洗涤塔

文丘里洗涤除尘器

湿式除尘器旋风水膜除尘湿式除尘器根据湿式除尘器的净化机理，大致分为重力喷雾洗涤器旋风洗涤器自激喷雾洗涤器板式洗涤器填料洗涤器文丘里洗涤器机械诱导喷雾洗涤器

湿式除尘器主要湿式除尘装置的性能和操作范围装置名称气体流速/m∙s-1液气比/l∙m-3压力损失/Pa分割直径/μm喷淋塔0.1～22～3100～5003.0填料塔0.5～12～31000～25001.0旋风洗涤器15～450.5～1.51200～15001.0转筒洗涤器（300～750r/min）0.7～2500～15000.2冲击式洗涤器10～2010～500～1500.2文丘里洗涤器60～900.3～1.53000～80000.1湿式除尘器的优点

在耗用相同能耗时，比干式机械除尘器高。高能耗湿式除尘器清除0.1m以下粉尘粒子，仍有很高效率可与静电除尘器和布袋除尘器相比，而且还可适用于它们不能胜任的条件，如能够处理高温，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、净化的作用湿式除尘器的缺点

排出的污水污泥需要处理，澄清的洗涤水应重复回用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，因此要特别注意设备和管道腐蚀问题不适用于净化含有憎水性和水硬性粉尘的气体寒冷地区使用湿式除尘器，容易结冻，应采取防冻措施

湿式除尘机理涉及各种机理中的一种或几种。主要是惯性碰撞、扩散效应、粘附、扩散漂移和热漂移、凝聚等作用。湿式除尘器的除尘机理

1.惯性碰撞惯性碰撞是湿式除尘的一个主要机理。现讨论尘粒、液滴和气流性质对碰撞的影响问题，为简化，现考虑下述模型：简化模型

含尘气体与液滴相遇，在液滴前xd处开始绕过液滴流动，惯性较大的尘粒继续保持原来的直线运动。尘粒从脱离流线到惯性运动结束时所移动的直线距离为粒子的停止距离xs，若xs大于xd；尘粒和液滴就会发生碰撞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。尘粒的惯性越大，气体流线曲率半径越小，尘粒脱离流线而被液滴捕集的可能性越大。如图a；当尘粒与液滴碰撞时，尘粒若能被该液体润湿，则进入液体内部（b）；若不能被润湿，则粘附在液滴表面。所有接近液滴的尘粒，在直径d0的面积范围内将与液滴碰撞(c)；通常把气流中又可能被分离的垂直断面面积与液滴在气流方向上的投影面积之比叫做碰撞效率ηt，图（a）图（b）图（c）图（d）从捕集角度来看，希望ηt接近于1

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。碰撞参数受到多种因素的影响,在上述简化模型的前提下，现以液滴直径dD代替xd(液滴直径dD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dD(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。湿式除尘器的除尘机理

(1)根据粉尘受力情况推导碰撞数Ni推导过程如下:粉尘运动时主要受两个力的作用：惯性力FI和阻力fd。

FI=fd时经过积分得xs

Vp0——相对速度，即尘粒相对于液滴的速度；湿式除尘器的除尘机理

dD——液滴直径。碰撞数的影响因素：①Vp0：Vp0增大，Ni增大，则效率增大。②dD：dD增大，Ni减小，则效率减小。湿式除尘器的除尘机理

VD-液滴的速度VP-在流动方向上粒子的速度但太小，相对速度会变得太小，粉尘跟液滴碰撞不上。一般dD>100μm(据stokes公式可推算出来)湿式除尘器的除尘机理

对Stocks粒子的除尘效率有：

Vp——在流动方向上粒子的速度，m/s；

VL——液滴的速度，m/s；

C——肯尔汉校正系数，<5μm的粒子必须考虑修正。定义惯性碰撞参数NI：停止距离xs与液滴直径dD的比值惯性碰撞参数与除尘效率由上式可见，当尘粒直径和密度确定以后，碰撞参数NI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，必须提高气液相对运动速度和减小液滴直径。目前，工业上常用的各种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。2惯性碰撞参数与除尘效率除尘效率：根据碰撞参数的物理意义可知，NI值越大，粒子惯性越大，则ηII越高对于势流和粘性流，ηII=f(NI)有理论解，一般情况下，JohnStone等人的研究结果

K—关联系数，其值取决于设备几何结构和系统操作条件L—液气比，L/1000m3

对各种粒径粒子除尘效率最高的液滴直径范围是0.5～l.0mm。尤以0.8mm左右为最佳。惯性碰撞参数与除尘效率根据惯性碰撞和拦截机理，减小水滴直径DL将使惯性碰撞与拦截作用增强，但DL过小时，水滴的自由沉降速度缓慢，甚至被气流托起或带走，相对速度大大降低，碰撞参数St反而减小，效率降低。因此存在一个最佳水滴直径范围。2.扩散效应、粘附、扩散漂移和热漂移δ-为液滴周围气膜的有效厚度。

D-为扩散系数。Vs=Vp—VLVp——在流动方向上粒子的速度，m/s；VL——液滴的速度，m/s；扩散几率：若气流中含有饱和蒸汽，当其与较冷液滴接触时，饱和蒸汽会在较冷的液滴表面上凝结，形成一个向液滴运动的附加气流，这就是所谓的热漂移和扩散漂移，这种气流促使较小尘粒向液滴移动，并沉积在液滴表面而被捕集。排烟中常含有水蒸汽、气态有机物等。随着温度降低，这些凝结成分就会被吸附在粉尘表面，使尘粒彼此凝聚成较大的二次粒子，易于被液滴捕集。3.凝聚作用气液界面及除尘器的型式

用液体来洗涤和捕集气体中微粒，大体要在四种气—液交界面上进行。即气泡表面、液体喷射表面、液膜表面以及液滴表面。1．气泡表面含尘气流通过多孔板上的液体时，气体在孔眼处形成气泡，并逐渐变大，随后上升通过液层，筛板可分为三个区域：最下层是鼓泡区，主要为液体；中间层是运动的气泡层，主要使气体，液体是以气泡膜的形式存在；上层是溅沫区，液体变成了不连续的溅沫。气流中的尘粒主要在气泡区被捕集。泡沫除尘器（板式塔）

气液界面及除尘器的型式

2.液体射流表面

喷出的射流经一定距离后破碎为直径分布范围很广的液滴群。气体和液体发生强烈混合，常见的除尘器是引射式文丘里洗涤器，由于尘粒和液滴相对速度较小，故此装置的捕集效率不很高，但由于液体喷射的抽吸作用，气体不需引风设备。

气液界面及除尘器的型式

3．液膜液体依靠其流动性，润湿性在固体表面铺展开来，即形成液膜，如洗涤塔，内装装填料，在填料表面形成液膜。4．液滴靠机械力、惯性力以及摩擦力等使液体分散在大量气体中，从而形成液滴。接触功率与除尘效率

根据接触功率理论得到的经验公式，能够较好地关联湿式除尘器压力损失和除尘效率之间的关系，已被工业界广泛接受接触功率理论：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接触功率与除尘效率

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接触功率与除尘效率除尘效率

为了关联接触功率与除尘效率，常以传质单元数Nt表示后者，根据传质定义：对于给定的洗涤器和颗粒物，传质单元数与接触功率之间有明确的关联。对于一系列洗涤器的研究表明，在双对数坐标系内传质单元数与总能量消耗的关系为一直线：

－除尘器的特性参数（见下页）接触功率与除尘效率

粉尘和尘源类型1L－D转炉粉尘4.4500.46632滑石粉3.6260.35063磷酸雾2.3240.63124化铁炉粉尘2.2550.62105炼钢平炉粉尘2.0000.56886滑石粉2.0000.65667从硅钢炉升华的粉尘1.2260.45008鼓风炉粉尘0.9550.89109石灰窑粉尘3.5671.052910从黄铜熔炉排出的氧化锌2.1800.531711从石灰窑排出的碱2.2001.229512硫酸铜气溶胶1.3501.067913肥皂生产排出的雾1.1691.414614从吹氧平炉升华的粉尘0.8801.619015没有吹氧的平炉粉尘0.7951.5940除尘器的特性参数分割粒径与除尘效率

预测洗涤除尘器性能的另一个方法是分割粒径法分割粒径法：基于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为：da:粒子的空气动力学直径Ae，Be:均为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分割粒径与除尘效率对于多种形式的对数正态分布，求解上述方程，结果如6-43，以Beln（δg）为参数，给出了总通过率Pt随的变化（dac:洗涤器的空气动力学直径；dg:粒子的几何平均直径；空气动力学中位直径）6-44为Be=2时以δg为参数时结果分割粒径与除尘效率分割直径与压力降的关系（分割－功率关系）筛板塔孔径为0.2cm，泡沫密度为0.4填料塔采用直径为2.5cm环形或鞍形填料。假定已知洗涤器操作压力损失，就可以根据该图预估洗涤器的性能

喷雾塔洗涤器

是湿式除尘器中最简单的一种。

①喷雾塔洗涤器的工作原理：含尘气流向上运动，液滴由喷嘴喷出向下运动，粉尘颗粒与液滴之间通过惯性碰撞、接触阻留、粉尘因加湿而凝聚等作用机

较大的尘粒被液滴捕集。当气体流速较小时，夹带了颗粒的液滴因重力作用而沉于塔底，净化后的气体通过脱水器去除夹带的细小液滴由顶部排出。

②雾塔洗涤器的基本构造

根据喷雾塔洗涤器内截面的形状，可分为圆形和方形两种；按其内的气液流动方向

份为顺流、逆流和错流三种型式。

③喷雾塔洗涤器的特点与使用场合

喷塔洗涤器的主要特点是结构简单、压力损失小，一般为

250～500

Pa，操作方便，运行稳定。

喷雾塔洗涤器适用于捕集粒径较大的颗粒，当气体需要除尘、降温或除尘兼有去除其他有害气体时，往往与高效除少器（如文丘里除尘器）串联使用。

喷雾塔洗涤器

喷雾塔洗涤器

喷雾塔洗涤器的除尘效率取决于液滴大小、颗粒空气动力学直径、液气流量比以及气体性质为了预估喷雾塔的除尘效率，假定所有液滴具有相同直径液滴进入洗涤器后立刻以终末速度沉降液滴在断面上分布均匀、无聚结现象含尘气体清洁气体循环水含尘水喷雾塔洗涤器

则立式逆流喷雾塔靠惯性碰撞捕集粉尘的效率可以用下式预估ut

一液滴的终末沉降速度，m/sVG－空塔断面气速，m/sz－气液接触的总塔高度，md－单个液滴的碰撞效率喷雾塔洗涤器单液滴捕集效率ηd可用下式表示对于Stokes粒子，湍流过渡区，

牛顿区，

惯性碰撞参数错流式中，垂直方向气速=0，,所以喷雾塔洗涤器错流式喷雾塔液体从塔顶喷淋，含尘气体水平通过喷雾塔洗涤器喷雾塔结构简单、压力损失小，操作稳定，经常与高效洗涤器联用捕集粒径较大的粉尘严格控制喷雾的过程，保证液滴大小均匀，对有效的操作是很有必要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在出口处通常需要安装除雾器旋风水膜除尘器

喷雾沿切向喷向筒壁，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为水膜所粘附，沿壁面流下排走

旋风洗涤器旋风洗涤器的压力损失范围一般为0.5～1.5kPa，可以下式进行估算

－旋风洗涤器的压力损失，pa－喷雾系统关闭时的压力损失，Pa－液滴密度，kg/m3－液滴初始平均速度，m/s旋风洗涤器离心洗涤器净化dp<5μm的尘粒仍然有效耗水量L/G=0.5～1.5L/m3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脱水器由于气流的旋转运动，使其带水现象减弱可采用比喷雾塔更细的喷嘴文丘里洗涤器又称文丘里管除尘器。由文丘里管凝聚器和除雾器组成。除尘过程可分为雾化、凝聚和除雾等三个阶段，前二阶段在文丘里管内进行，后一阶段在除雾器内完成。文氏管是一种投资省、效率高的湿法净化设备。根据文氏管喉管供液方式的不同，可分为外喷文氏管和内喷文氏管。1－循环泵；2－文氏管；3－调节板4－分离器；5－沉淀池

文丘里洗涤器结构型式按形状分：矩形和圆形；按喉管构造分：有喉口部分无调节装置的定径文氏管和喉头装有调节装置的调径文氏管；按水雾化方式分：有预雾化和不预雾化两种；按供水方式分：有径向内喷，径内外喷、轴向喷雾和溢流供水。确定文氏管几何尺寸的基本原则是保证净化效率和减小流体阻力。尺寸包括收缩管、喉管和扩散管的直径和长度，及收缩管和扩散管的扩张角等。文丘里洗涤器(a)-(c)圆形定径；(d)矩形定径；(e)(f）重砣式定径(倒装和正装)；(g)-(j)矩形调径（翼板式、滑块式、米粒式）文丘里洗涤器

除尘过程

含尘气体由进气管进入收缩管后，流速逐渐增大，气流的压力能逐渐转变为动能在喉管入口处，气速达到最大，一般为50～180m/s洗涤液

（一般为水）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基本条件

文丘里洗涤器通常假定微细尘粒以气流相同的速度进人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，以便于被低能洗涤器或除雾器捕集下来。文丘里洗涤器几何尺寸进气管直径D1按与之相联管道直径确定收缩管的收缩角α1常取23o～25o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D2L112ConvergingsectionthroatDivergingsectionDTD1L2文丘里洗涤器设计计算的内容为文丘里管收缩管、喉管和扩散管的直径和长度，以及收缩管和扩散管的张角等主要尺寸的确定。（1）文氏管进、出口管和喉管的管径或高度宽度计算

文丘里洗涤器矩形截面圆形截面进口管管径一般按与之相连的管道大小确定，v1一般取16～22m/s。出口管管径一般按其后相连的脱水器要求的气速确定，v2一般为18～22m/s。喉管直径DT按喉管内气流速度vT确定，在除尘中，一般vT=40～120m/s；净化亚微米的尘粒，vT=90～120m/s，甚至150m/s；净化较粗尘粒时，vT=60～90m/s。用于降温及除尘效率要求不高时，vT取40～60m/s。在气体吸收中，vT一般取20～23m/s。对于处理气体量大的卧式矩形文丘里洗涤器，其喉管宽度不应大于600mm，而喉管的高度hT不受限制。文丘里洗涤器几何尺寸（续）扩散管的扩散角α2一般为5o～7o出口管的直径Dz按与其相联的除雾器要求的气速确定

L112ConvergingsectionthroatDivergingsectionDTD1L2收缩管的长度：扩张管的长度：通常取α1＝23～30度。当文丘里洗涤器用于气体降温时，取α1

＝23～25度；用于除尘时，取α1＝23～28度，最大可达30度。

扩张管的扩张角α2的取值一般与v2有关。v2越大，α2越小；反之亦然。一般取α2=6°~7°。②矩形文丘里收缩管和扩张管的长度

文丘里洗涤器取较大值收缩管的长度：扩张管的长度：取较大值（3）喉管长度喉管长度取=(0.8～1.5)（为喉管的当量直径）。喉管截面为矩形时，喉管的当量直径按下式计算

d0T＝4AT/q

式中，AT为喉管的截面积（m2），

q为喉管的周长（m）。通常喉管长度为200～350mm，最长不超过500mm。文丘里洗涤器过长阻力会增大，水量太小，形不成水帘子，太大，会反方向跑掉，也不能完全喷成雾状，一般控制的水气比为0.5-1l/m3。文丘里洗涤器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文丘里洗涤器压力损失（续）卡尔弗压力损失模式：基于喉管内气流方向上dx段的力平衡令x=0处（液体注入点）液滴在x方向的速度为零，积分得文丘里洗涤器压力损失（续）假定：1.在喉管内气流速度为常数；2.气体流动为不可压缩的绝热过程；3.在任何断面上液气比不变；4.液滴直径为常数；5.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文丘里洗涤器压力损失（续）对于球形液滴因为