东南大大气污染控制工程教案05机械式除尘器

大气污染控制工程教案PAGEPAGE97第页第10次课2学时上次课复习：1、颗粒物的粒径分布及其物理性质；2、评价净化装置的技术指标。本次课题（或教材章节题目）：第五章机械式除尘器1、重力沉降室2、惯性除尘器3、旋风除尘器教学要求：1、理解并掌握重力沉降室和旋风除尘器的工作原理；3、掌握影响旋风除尘器除尘效率的因素及压力损失。重点：1.重力沉降室的设计2.旋风除尘器的工作原理3.旋风除尘器的压力损失、结构及影响除尘效率的因素难点：100％除去的最小粒径，半分离直径教学手段及教具：多媒体讲授内容及时间分配：一、重力沉降室二、旋风除尘器讲课时间：2学时课后作业P825.25.3565.8参考资料第五章机械式除尘器重点：1.重力沉降室的设计2.旋风除尘器的工作原理3.旋风除尘器的压力损失结构及影响除尘效率的因素机械力除尘装置是相对电除尘器而言。除重力沉降室、惯性除尘器和旋风除尘器外，还包括湿式除尘器和袋式除尘器等，其除尘机理可概括为五个方面：1．重力沉降：气流中的尘粒依靠重力自然沉降，从气流中分离出来。主要适用于粒径较大的尘粒，沉降速度V较小。2．离心碰撞：含尘气流作圆周运动时，在惯性离心力作用下，尘粒和气流产生相对运动，使尘粒从气流中分离。主要适用于10μm以上的尘粒。3．惯性碰撞：含尘气流运动过程中遇到障碍物（如挡板、水滴等）时，气流会改变方向而绕流，细小的尘粒会随气流一起流动，而较大的尘粒惯性较大，则脱离流线保持自身的惯性运动，于是尘粒就和物体发生了碰撞。见图5-1（a）。4．滞留：细小的尘粒随气流绕流时，如流线和物体表面靠得很近，有些尘粒就和物体表面接触，从气流中分离出来。见图5-2（b）。5．扩散：小于1μm的微小粒子在气流中会和气体一样作不规则的布朗运动，布朗运动随粒径减小而增大。若作布朗运动的尘粒和物体表面接触，就可能从气流中分离，这种分离机理称为扩散。见图5-1（c）。除此之外，还涉及筛滤、静电力和声波凝聚作用等。第一节重力沉降室重力沉降室是通过重力从气流中分离尘粒的。其结构如图所示。沉降室可能是所有空气污染控制装置中最简单和最粗糙的装置。就其本身的特点而论，有广泛的用途。能用于分离颗粒分布中的大颗粒，在某些情况下，其本身就是能进行适当的污染控制，它的主要用途是对更有效的控制装置作为一种初筛选装置。在大颗粒特别多的地方，沉降室能除掉颗粒分布中的大量大颗粒，这些颗粒如不除掉，就要堵塞其它控制装置。(一)原理：利用含尘气体中的颗粒受重力作用而自然沉降的原理。含尘气流进入沉降室后，引流动截面积扩大，流速迅速下降，气流为层流，尘粒在重力作用下缓慢向灰斗沉降。a．沉降速度由第三章可知，悬浮在空气中的尘粒在重力作用下降落时，起初作加速运动，但当空气的阻力增大到使尘粒所受的合力为零时，它就开始作匀速下降，尘粒的降落速度达到最大恒定速度，该速度即为沉降速度us。层流区：雷诺数Rep≤1，对球形粒子而言：（6-2）当介质为空气时ρp>>ρ则有：（6-3）由上式可见Vt,若dp小，则Vt就小，故小颗粒就难分离。若将雷诺数Rep=1代入，可求出尘粒沉降时的临界粒径dc。得代入（6-2）得：（6-4）一般说来方程式6-3应用于粒径小于50μm的球形尘粒，小于100μm得尘粒误差也不大。工业粉尘粒径大致为1—100μm，粒径小于5μm的尘粒实际沉降速度要比Stocks定律预示的大，需修正。故dp≤5μm的尘粒：us=c·us·Stocksc为修正系数，在空气中温度为20℃，压强为1atm时，dp为μm。在其它温度下，Kc值就变化，（二）重力沉降室的设计假设通过重力沉降室断面的水平气流的速度V分布式均匀的，呈层流状态；入口断面上粉尘分布均匀（即每个颗粒以自己的沉降末端速度沉降，互不影响）；在气流流动方向上尘粒和气流速度相等，就可得到除尘设计的简单模式。1．沉降时间和（最小粒径时的）沉降速度尘粒的沉降速度为Vt，沉降室的长、宽、高分别为L、W、H，要使沉降速度为Vt的尘粒在沉降室内全部去除，气流在沉降室内的停留时间t（）应大于或等于尘粒从顶部沉降到灰斗的时间（），即：将代入上式，可求出沉降室能100%捕集的最小粒径dmin上式是在理想状况下得到的，实际中常出现反混现象，工程上常用36代替式中的18，这样理论和实践更接近。室内的气流速度u应根据尘粒的密度和粒径确定。常取0.3—0.5m/s，一般取0.2—2m/s。沉降室的设计：概括1.沉降时间,2.沉降速度(按要求沉降的最小颗粒)2．沉降室尺寸先按算出捕集尘粒的沉降速度us，在假设沉降室内的气流速度V和沉降室高度H（或宽度W），而后求沉降室的长度和宽度（或高度）。Q=WHV=WLVt沉降室长度：沉降室宽度：Q为处理气流量，m3/s（三）沉降室的结构重力除尘一般是让气流慢慢地通过结构简单而体积较大的除尘室，这样可为颗粒提供落入底部灰斗的机会。颗粒需要降落的距离可通过在除尘室中放置一些水平隔板而缩短。类型：重力沉降室可放置导流板，以改变气流的方向，以产生惯性作用，也可利用鱼鳞板、百叶窗以产生惯性作用。有单层沉降室，有多层沉降式（平行的放置一些隔板）。折流板式沉降室（垂直的折流板安装在沉降室的顶部，惯性作用力会增强颗粒的重力作用。当气流被绕过折流板底部的时候，由于气流路径上这段弯曲部分的惯性作用，颗粒被分离下来。四、实际性能和测试沉降式的实际性能几乎从不进行实验测量或测试，在最好的情况下，这种装置也只能作为气体的初级净化，除去最大和最重的颗粒。沉降室的除尘效率约为40—70%，仅用于分离dp>50μm的尘粒。穿过沉降室的颗粒物必须用其它的装置继续捕集。优点：结构简单、投资少、易维护管理、压损小（50—130Pa）。缺点：占地面积大、除尘效率低。1．设计要求（1）．保证粉尘能沉降，L足够长；（2）．气流在沉降室的停留时间要大于尘粒沉降所需的时间。（3）．能100%沉降的最小粒径2．设计的主要内容根据粒径dp算出1）Vt；2）初始确定：V、H,，根据求长度L。3）根据进气量Q求宽度B，Q=VBH.第二节旋风除尘器旋风除尘器是利用旋转气流产生的离心力使尘粒从气流中分离的，用来分离粒径大于5—10μm以上的的颗粒物。工业上已有100多年的历史。特点：结构简单、占地面积小，投资低，操作维修方便，压力损失中等，动力消耗不大，可用于各种材料制造，能用于高温、高压及腐蚀性气体，并可回收干颗粒物。优点：效率80%左右，捕集<5μm颗粒的效率不高，一般作预除尘用。（一）工作原理1．旋风器内的气流运动气流运动：从宏观上看，可归结为三个运动：外涡流、内涡流、上涡流。普通旋风器由筒体、锥体、排出管等部分组成，见图7-8P289。含尘气流由进口沿切线方向进入除尘器后，沿器壁由上而下作旋转运动，这股旋转向下的气流称为外涡旋（外涡流），外涡旋到达锥体底部转而沿轴心向上旋转，最后经排出管排出。这股向上旋转的气流称为内涡旋（内涡流）。外涡旋和内涡旋的旋转方向相同，含尘气流作旋转运动时，尘粒在惯性离心力推动下移向外壁，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。气流从除尘器顶部向下高速旋转时，顶部压力下降，一部分气流会带着细尘粒沿外壁面旋转向上，到达顶部后，在沿排出管旋转向下，从排出管排出。这股旋转向上的气流称为上涡旋。旋风分离器内气流运动是很复杂的，除切向和轴向运动外，还有径向运动。在这里，上涡旋不利于除尘。如何减少上涡旋，降低底部的二次夹带及出口室气流旋转所消耗的动力，成为当前改进旋风器的主要问题。V出=15—30m/s对同样流量的气流而言，旋风分离器比重力沉降室小得多，但动力消耗多。2．气流的速度为方便，常把内外旋流气体的运动分解为三个速度分量：切向速度Vθ、径向速度Vr、轴向速度Vz。1）切向速度切向速度时决定气流合速度大小的主要速度分量，也是决定气流质点离心力和颗粒捕集效率的主要因素。切向速度的分布见书P290。切向速度分布规律：外涡流：Vθ随半径r的减小而增大，n=0.5，有内涡流：Vθ随半径r的减小而增大，n=-1，有内外涡流交界面：n=0，有Vθ最大，交界面半径2）．径向速度：Vr假设内外涡旋的交界面是圆柱面，外涡旋均匀通过该柱面进入内涡旋，那麽认为气流通过此圆柱面时的平均速度就是外涡旋气流的平均径向速度Vr。Q——处理气体量；F——假想圆柱面表面积。（到底部才由外转为内，这种假设值得验证）3．降压器内的压力分布压力分布见P290图7-9全压和静压在径向变化非常显著，由外壁向轴心逐渐降低，轴心处为负值。(二)旋风除尘器内的颗粒运动及分离过程旋风器内颗粒的运动轨迹及分离过程见图：现跟踪进入旋风器的五个颗粒的运动。设2、4号粒径较大，3、5号粒径较小，1号为不同粒径的颗粒。1号几乎是直线轨迹随气流进入旋风器，在1a位置上与器壁相碰撞，由于其入射角非常小，碰撞后沿器壁滑动，受重力下落进入收尘室，完成与气流的分离过程，代表的分离过程为一次分离，气流中的多数粒子是按此方式分离。3、5号与器壁碰撞于3a、5a点之后被反弹回来，在碰撞点颗粒将动能传给内壁，由于dp很小，其速度和离心力都大大减小。这些小颗粒在径向气流摩擦力的强烈影响下，返回到气流中不再与器壁碰撞，并在点3b、5b处被气流带入出口管逸出。3、5号代表那些不能从气流中分离出来的部分颗粒（小粒子）。2、4号进入后与器壁碰撞于点2a、4a，由于入射角较大，不能沿壁滑动而反弹到2b点。2号因其dp较大，在一次碰撞后所剩动能足以使它与器壁产生二次碰撞于2b点，在此获得分离，此种分离称为二次分离。4号颗粒在反弹后于4b处由三种去向：被气流带到4d处出排出管；由4b到4c发生二次分离；由4b到4c’到4c’’沿螺旋线最终得到分离。一次分离发生在圆筒形进气室，且几乎所有入射较小的颗粒，只要与器壁碰撞都可能发生一次分离。二次分离发生在漩涡室，且只有一定粒径的颗粒才发生二次分离，入射角很大的小颗粒则很易发生返回被气流从出口管代处。所以设计气流入口时应注意减小颗粒的入射角。（三）旋风除尘器分离性能1．颗粒的分离直径旋风除尘器的除尘效率与颗粒的直径有关，直径愈大，效率愈高。当dp达到某一值时，其除尘效率可达100%，此时的颗粒直径为全分离直径dc100（临界直径），同样，η为50%时的颗粒直径为半分离直径dc50（切割直径）。分离直径越小，除尘其性能越好。半分离直径的求法：=1\*GB3①．拉波尔经验表达式：适用于切线、螺旋、蜗壳式入口旋风器。H、B——气流入口的宽度与高度；L1、L2——圆筒与圆锥的高度。=2\*GB3②．根据假想圆筒理论求dc50尘粒在旋风器中受到两个力的作用：离心力ft：向心力（径向气流阻力）fd：(Rep≤1时)在交界面上尘粒有三种情况：①ft>fd移向外壁②fd>ft移向内壁③ft=fd进去50%，出来50%，即除尘效率为50%。ft=fd得：当处理气量为Q(m3/s)时，则代入上式得：2．捕集效率=1\*GB3①．经验式：水田木村典夫D——旋风器的直径=2\*GB3②．由的关系图查取=3\*GB3③．（四）影响效率的因素1．工作条件1）进口速度VI,VI增大，则切向速度Vθ增大，dcp减小，效率增大。但不能过大，过大会影响气流运动的方向（剧烈、方向混乱），破坏了正常的涡流运动，另外阻力会加大，故常选用V2=12—25m/s。2）．除尘器的结构尺寸一般而言，直径越小，Ft越大，则效率越小，过小易逃逸。出口管直径减小，则r0减小，减少了内涡旋，则效率增大。但dpp减小阻力会增大，故不能太小。筒体长度增大，则效率增大，但过大阻力会增大，所以，筒体长度不大于5倍筒体直径。另外，希望锥体长度大一点，这样会使切向速度大和距器壁短。旋风器斜放对效率影响不大。2．流体性质对于气体而言，μ增大对除尘不利，dcp增大，效率减小。温度增大，则μ增大，温度高或μ增大都会使效率减小。粉尘粒径与密度：离心力跟粒径的三次方成正比，向心力跟粒径的一次方成正比。综合来说，dp增大则效率增大，又因为所以，ρp小，难分离，影响捕集效率。3．分离器的气密性漏风率：0%、5%、15%η：90%、50%、0要求保证旋风器的严密性。旋风器一般：①用于粒子较大（>10μm）的场合；②除尘效率不太高；③浓度较高时作为初级处理；④可串联使用。（五）旋风除尘器的分类及选型（一）旋风除尘器的分类1．按气体流动状况分：切流返转式旋风除尘器：常用的型式为直入式和螺壳式。含尘气体由筒体沿侧面沿切线方向导入。轴流式旋转除尘器：轴流直流式和轴流反旋式。2．按结构形式分：圆筒体、长锥体、旁通式、扩散式。（二）旋风除尘器的选型旋风除尘器的选型一般选用计算法和经验法。计算法：①由入口浓度c0，出口浓度ce（或排放标准）计算除尘效率η；②选结构型式；③根据选用的除尘器的分级效率ηd（分级效率曲线）和净化粉尘的粒径频度分布f0，计算ηT,若ηT>η,即满足要求，否则按要求重新计算。④确定型号规格⑤计算压力损失。经验法：①计算所要求的除尘效率η；②选定除尘器的结构型式；③根据选用的除尘器的η—Vi实验曲线，确定入口风速Vi；④根据气量Q，入口风速Vi计算进口面积A；⑤由旋风器的类型系数求除尘器筒体直径D，