第六章 除尘装置

1. 第六章 除尘装置 • 教学内容： • 机械除尘器 • 电除尘器 • 湿式除尘器 • 过滤式除尘器 • 除尘器的选择与发展 • 重 点： 重力除尘器和旋风除尘器的原理和计算；电除尘器的工作原理、结构和计算；湿式除尘器的除尘机理、设计效率计算和类型；过滤式除尘器的性能计算 • 教学目标： 通过本节内容的学习，使学生达到如下要求（1）熟悉主要除尘器的类型和构造；（2）理解几种主要除尘器的工作原理；（3）掌握几种主要除尘器的设计计算。

2. 除尘装置 • 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

3. 第一节 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

4. 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，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

5. 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

6. 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

7. 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 = ?

8. 不同粉尘的最高允许气流速度 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0.3～2.0m/s

9. 多层沉降室 1.锥形阀；2.清灰孔；3.隔板 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

10. 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

11. 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

12. 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： （ 为除尘器内粒子浓度，均一） • 单位时间捕集： • 总分级效率

13. 重力沉降室归一化的分级率曲线 a层流－无混合 b湍流－垂直混合 c湍流－完全混合 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

14. 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

15. 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

16. 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 • 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

17. 惯性除尘器 • 应用 • 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10～20µm以上的粗颗粒 • 压力损失100～1000Pa

18. 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

19. 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

20. 旋风除尘器 • 旋风除尘器内气流的切向速度和压力分布

21. 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

22. 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

23. 旋风除尘器型式 XLT XLT⁄A XLP⁄A XLP⁄B ξ 5.3 6.5 8.0 5.8 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

24. 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

25. 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%

26. 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

27. 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NπD • 沉降室高度为b • 沉降速度＝径向速度Vr • 活塞流 • 纵向湍流

28. 旋风除尘器 • 旋风除尘器分级效率曲线

29. 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

30. 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=（0.4～0.65）D。 • 特征长度（natural length）-亚历山大公式 • 旋风除尘器排出管以下部分的长度应当接近或等于l，筒体和锥体的总高度以不大于五倍的筒体直径为宜。

31. 锁气器 (a)双翻板式 (b)回转式 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

32. 旋风除尘器 • 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

33. 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

34. 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 • 进气方式分 • 切向进入式 • 轴向进入式

35. 回流式多管旋风除尘器 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式和直流式两种

36. 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

37. 尺寸名称 XLP/A XLP/B XLT/A XLT 入口宽度，b 入口高度，h 筒体直径，D 上3.85b 下0.7D 3.33b （b=0.3D） 3.85b 4.9b 排出筒直径，de 上0.6D 下0.6D 0.6D 0.6D 0.58D 筒体长度，L 上1.35D 下1.0D 1.7D 2.26D 1.6D 锥体长度，H 上0.50D 下1.00D 2.3D 2.0D 1.3D 灰口直径，d1 0.296D 0.43D 0.3D 0.145D 进口速度为右值时的压力损失 12m/s 700（600） 5000（420） 860（770） 440（490） 15m/s 1100（940） 890（700） 1350（1210） 670（770） 18m/s 1400（1260） 1450（1150） 1950（1740） 990（1110） 旋风除尘器的设计 • 旋风除尘器的比例尺寸

38. 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 ①为防止粒子短路漏到出口管，h≤s，其中s为排气管插人深度； ②为避免过高的压力损失，b≤（D－de）/2； ③为保持涡流的终端在锥体内部，（H+L）≥3D； ④为利于粉尘易于滑动，锥角＝7o～8o； ⑤为获得最大的除尘效率，de/D≈0.4～0.5，（H+L）/de≈8～10；s/de≈1；

39. 第二节 电除尘器 • 旋风除尘器对于dp < 5μm的粒子效率低，必须借助外力（电场力等）捕集更小的粒子 • 使尘粒荷电并在电场力的作用下沉积在集尘极上 • 与其他除尘器的根本区别在于，分离力直接作用在粒子上，而不是作用在整个气流上 • 具有耗能小、气流阻力小的特点

40. 电除尘器

41. 电除尘器

42. 电除尘器 • 电除尘器的主要优点 • 压力损失小，一般为200～500Pa • 处理烟气量大，可达105～106m3/h • 能耗低，大约0.2～0.4kWh/1000m3 • 对细粉尘有很高的捕集效率，可高于99％ • 可在高温或强腐蚀性气体下操作

43. 电除尘器的工作原理 • 三个基本过程 • 悬浮粒子荷电——高压直流电晕（发生于活化的高压电极和接地极） • 带电粒子在电场内迁移和捕集——延续的电晕电场（单区电除尘器）或光滑的不放电的电极之间的纯静电场（双区电除尘器） • 捕集物从集尘表面上清除——振打除去接地电极上的粉尘层并使其落入灰斗

44. 电除尘器的工作原理 Source: www.state.ia.us

45. 电除尘器的工作原理

46. 单区电除尘器 双区电除尘器 电除尘器的工作原理 • 单区和双区电除尘器

47. 电晕放电 • 金属丝放出的电子迅速向正极移动，与气体分子撞击使之离子化 • 气体分子离子化的过程又产生大量电子－雪崩过程 • 远离金属丝，电场强度降低，气体离子化过程结束，电子被气体分子捕获 • 气体离子化区域－电晕区 • 自由电子和气体负离子是粒子荷电的电荷来源

48. 电晕放电

49. 电晕放电 • 起始电晕电压－开始产生电晕电流所施加的电压 • 管式电除尘器内任一点的电场强度 • 起始电晕电压与烟气性质和电极形状、几何尺寸等因素有关，起始电晕所需要电场强度（皮克经验公式） • 一空气的相对密度 • m－导线光滑修正系数，无因次，0.5<m<1.0 • 在r=a时 （电晕电极表面上），起始电晕电压

50. 电晕放电 • 正、负电晕极在空气中的电晕电流一电压曲线 • 电晕区范围逐渐扩大致使极间空气全部电离－电场击穿；相应的电压－击穿电压 • 在相同电压下通常负电晕电极产生较高的电晕电流，且击穿电压也高得多 • 工业气体净化倾向于采用稳定性强，操作电压和电流高的负电晕极； • 空气调节系统采用正电晕极，好处在于其产生臭氧和氮氧化物的量低