旋風除塵器設計與計算

1、目 錄1 設計背景21.1 除塵設計的有關標準21.1.1 環(huán)境空氣質量標準（gb3095-1996）環(huán)境空氣質量分類和分級21.2 旋風除塵器簡介31.3 旋風除塵器工作原理41.4 旋風除塵器中的流場51.4.1 切向速度51.4.2 徑向速度51.5 離心分離理論61.5.1 轉圈理論(沉降分離理論)61.5.2 篩分理論(平衡軌道理論)61.5.3 邊界層分離理論72 設計計算部分72.1 單個旋風除塵器的選擇計算72.1.1 工作狀況下的氣體流量72.1.2 除塵器型號的選擇與相關參數(shù)計算（參見書本p177表63）72.1.3 求dc（分割直徑）82.1.4 計算壓力損失92.1.5

2、 分級除塵效率92.1.6 總除塵效率92.2 兩個旋風除塵器并聯(lián)92.2.1 工作狀態(tài)下的氣體流量92.2.2 除塵器型號的選擇與相關參數(shù)計算（參見書本p177表63）102.2.3 求dc（分割直徑）102.2.4 計算壓力損失112.2.5 分級除塵效率112.2.6 總除塵效率113 設計總結11參考文獻12回轉窯石膏粉塵旋風除塵器工藝設計摘要：旋風除塵器廣泛地應用于各個行業(yè)除塵系統(tǒng)中，本設計針對旋風除塵器的結構及工作原理，分析影響旋風除塵器壓力損失的因素，介紹了旋風除塵器內部流場和除塵機理。針對旋風除塵器除塵效率問題進行了分析，總結了現(xiàn)有改進方案，指出存在的不足，并結合前人的改進思路

3、提出了新的改進方案，以提高旋風除塵器的分離效率，為進一步挖掘旋風除塵器的潛在性能開辟新的思路。簡要地設計了一款旋風除塵器，并在學習中慢慢摸索。 關鍵詞：旋風除塵器 壓力損失 分離效率 改進方案1 設計背景1.1 除塵設計的有關標準1.1.1 環(huán)境空氣質量標準（gb3095-1996）環(huán)境空氣質量分類和分級一類區(qū)為自然保護區(qū)、風景名勝區(qū)和其它需要特殊保護的地區(qū)。一類區(qū)執(zhí)行空氣質量一級標準。 二類區(qū)為城鎮(zhèn)規(guī)劃中確定的居住區(qū)、商業(yè)交通居民混合區(qū)、文化區(qū)、一般工業(yè)區(qū)和農村地區(qū)。二類區(qū)執(zhí)行空氣質量二級標準。 三類區(qū)為特定工業(yè)區(qū)。三類區(qū)執(zhí)行空氣質量三級標準。1.1.2 粉塵排放標準 大氣污染物綜合排放標準

4、（gb16297-1996）。在國家大氣污染物綜合排放標準中對粉塵的排放濃度和排放速率均有詳細規(guī)定。 鍋爐大氣污染物排放標準（gwpb3-1999）。為了貫徹國家環(huán)境保護法和大氣污染防治法，防止大氣污染，國家制定了鍋爐大氣污染物排放標準。該標準按建成使用年限分為兩個時段，時段為2000年12月31日前建成使用的鍋爐；時段為2001年1月1日起建成使用的鍋爐。 工業(yè)窯爐大氣污染物排放標準（gb9078-1996）。該標準規(guī)定了10類19中工業(yè)爐窯的煙（粉）塵濃度、煙氣的黑度、6種有害污染物的最高允許排放濃度（或排放限值）和無組織排放煙（粉）塵的最高允許濃度。 適用于除煉焦爐、焚燒爐、水泥廠以外適

5、用固體、液體、氣體燃料和電加熱的工業(yè)爐窯的管理，以及工業(yè)爐窯建設項目的環(huán)境影響評價、設計、竣工驗收及其建成后的排放管理。 火電廠大氣污染物排放標準（gb13223-1996）。本標準規(guī)定了火電廠最高允許二氧化硫排放量、煙塵排放濃度和煙氣的黑度。適用于單臺出力在65t/h以上除層燃爐和拋煤機爐以外的火電廠鍋爐與單臺出力在65t/h以下的煤粉發(fā)電鍋爐的火電廠的排放管理，以及建設項目的環(huán)境影響評價、設計、竣工驗收及其建成后的排放管理。 煉焦爐大氣污染物排放標準（gb16171-1996）。本標準分年限規(guī)定了機械化煉焦爐無組織排放的大氣污染物最高允許排放濃度、噸產品污染物最高允許排放量。 本標準分一、

6、二、三級標準。分別與gb3095-1996的環(huán)境空氣質量功能區(qū)相對應。自本標準實施之日起，禁止在gb3095-1996中的一類區(qū)新建、擴建機械化煉焦爐和非機械化煉焦爐；改建項目不得增加排污量。 水泥廠大氣污染物排放標準（gb4915-1996）。本標準按年限和區(qū)域分別規(guī)定了水泥廠各個排放點大氣污染物的排放限值及粉塵無組織排放控制限值。本標準分一、二、三級標準。分別與gb3095-1996的環(huán)境空氣質量功能區(qū)相對應。本標準適用于水泥廠的排放管理，以及建設項目的環(huán)境影響評價、設計、竣工驗收及其建成后的排放管理。1.2 旋風除塵器簡介自1886 年摩爾斯第一臺圓錐形旋風除塵器問世以來的百余年里，許多

7、學者對其流場特性、結構、型式、尺寸比例的研究一直進行著。范登格南于19291939 年對旋風除塵器氣流型式的研究發(fā)現(xiàn)了旋風除塵器中存在的雙蝸流。1953 年特林丹畫出了旋風除塵器內的流線。20 世紀70 年代西門子公司推出帶二次風的旋流除塵器。1983 年許宏慶在論文中提出旋風除塵器內徑向速度分布呈現(xiàn)非軸對稱性現(xiàn)象，研究出抑制湍流耗散的降阻技術。2001 年浙江大學研究發(fā)現(xiàn)除塵器方腔內的流場偏離其幾何中心，并呈中間為強旋流動和邊壁附近為弱旋的準自由蝸區(qū)的特點。隨著數(shù)學模型的完善和計算機仿真的引人，旋風除塵器的研究與設計將更為深人。雖然對旋風除塵器的運行機理做了大量的研究工作，但由于旋風除塵器內

8、部流態(tài)復雜，準確地測定有關參數(shù)比較困難，因而牽今理論上仍不十分完善，捕集小于5nm塵粒的效率不高。旋風除塵器的優(yōu)點是結構簡單，造價便宜，體積小，無運動部件，操作維修方便，壓力損失中等，動力消耗不大；缺點是除塵效率不高，對于流量變化大的含塵氣體性能較差。旋風除塵器可以單獨使用，也可以作多級除塵系統(tǒng)的預級除塵之用。1.3 旋風除塵器工作原理旋風除塵器由筒體、錐體、進氣管、排氣管和卸灰管等組成，如下圖1所示。旋風除塵器的工作過程是當含塵氣體由切向進氣口進人旋風分離器時氣流將由直線運動變?yōu)閳A周運動。旋轉氣流的絕大部分沿器壁自圓簡體呈螺旋形向下、朝錐體流動，通常稱此為外旋氣流。含塵氣體在旋轉過程中產生離

9、心力，將相對密度大于氣體的塵粒甩向器壁。塵粒一旦與器壁接觸，便失去徑向慣性力而靠向下的動量和向下的重力沿壁面下落，進人排灰管。旋轉下降的外旋氣體到達錐體時，因圓錐形的收縮而向除塵器中心靠攏。根據(jù)“旋轉矩”不變原理，其切向速度不斷提高，塵粒所受離心力也不斷加強。當氣流到達錐體下端某一位置時，即以同樣的旋轉方向從旋風分離器中部，由下反轉向上，繼續(xù)做螺旋性流動，即內旋氣流。最后凈化氣體經排氣管排出管外，一部分未被捕集的塵粒也由此排出。自進氣管流人的另一小部分氣體則向旋風分離器頂蓋流動，然后沿排氣管外側向下流動；當?shù)竭_排氣管下端時即反轉向上，隨上升的中心氣流一同從排氣管排出。分散在這一部分的氣流中的塵

10、粒也隨同被帶走。1.4 旋風除塵器中的流場旋風除塵器內的流場分布如圖2所示。旋風除塵器的除塵上作原理是基于離心力作用。由于旋風除塵器內部流動的復雜性，只能把三維速度對旋風除塵器捕集、分離等性能所起作用進行分析如下： 圖2 旋風除塵器內的流場分布1.4.1 切向速度切向速度分布曲線如圖3所示，在同一橫截面上，切向速度與旋風除塵器半徑r成反比變化，即隨半徑r的減小切向速度逐漸增大。在半徑rm=0.60.7ro(排氣管半徑)處，切向速度達到最大。 圖3 切向速度分布1.4.2 徑向速度徑向速度是影響旋風除塵器分離性能的重要因素。徑向速度分布如圖4所示。徑向速度方向有向內(旋蝸中心)形成內向流，有向外

11、(筒壁)形成外向流。內向流可以使塵粒沿半徑方向，由外向里推至旋蝸中心，阻礙塵粒的沉降。這是因為盡管由于旋轉，一定存在正的圓球形顆粒徑向速度vp，但vp是相對于氣體徑向流動的速度，即顆粒的絕對徑向速度。 圖4 徑向速遞分布1.5 離心分離理論旋風除塵器內的氣流及顆粒運動十分復雜，對于顆粒的分離捕集機理在做出許多簡化假設后，形成各種不同的分離機理模型，土要有轉圈理論、篩分理淪、邊界層分離理論、傳質理論和紊流擴散理論等。1.5.1 轉圈理論(沉降分離理論) 轉圈理論是由重力沉降室的沉降原理發(fā)展起來的。它主要考慮旋蝸的離心分離作用。其原理是:粉塵顆粒受離心力作用，沉降到旋風除塵器壁面所需要的時間和顆粒

12、在分離區(qū)間氣體停留時間的相平衡，從而計算出粉塵完全被分離的最小極限粒徑d100，即分離效率為100%的粉塵顆粒最小粒。如果將進入旋風除塵器內氣流假定為等速流(速度分布指數(shù)n=0)，即氣體嚴格地按照螺旋途徑始終保持與進人時相同的速度流動，而顆粒隨氣體以恒定的切向速度(與位置變化無關)，由內向外克服氣流對它的阻力，穿過整個氣流寬度，流經一個最大的凈水平距離，最后到達器壁被分離。1.5.2 篩分理論(平衡軌道理論) 篩分理論的要點是:假想在旋風除塵器內排氣管下方有一個柱面，含塵氣流做旋轉運動時處在該假想面上粉塵在徑向上同時受到方向相反的兩種力的作用，即由蝸旋流產生的離心力fc使粉塵向外移動，由匯流場

13、產生的向心力fd又使粉塵向內飄移。離心力的大小與粉塵直徑的大小有關，粉塵粒徑越大則離心力越大，因而必定有一臨界粒徑dk，其所受的兩種力的大小正好相等。由于離心力fc的大小與粉塵粒徑的三次方成正比，而向心力fn的大小僅與粉塵粒徑的一次方成正比，顯然有凡粉塵粒徑dp>dk者，被推移到除塵器外壁而被分離出來;相反，凡dp<dk者，被帶人上升的內蝸旋中排出除塵器。1.5.3 邊界層分離理論篩分理論沒有考慮紊流擴散等影響，而這種影響對于粉塵細顆粒是不可忽視的。20世紀70年代有人提出橫向滲混模型，認為在旋風除塵器的任一橫截而上顆粒濃度的分布是均勻的，但在近壁處的邊界層內是層流流動，只要顆粒在

14、離心效應下浮游進人此邊界層內就可以被捕集分離下來，這是邊界層分離理論。2 設計計算部分2.1 單個旋風除塵器的選擇計算2.1.1 工作狀況下的氣體流量式中： q標準狀態(tài)下的煙氣流量，t工況下的煙氣溫度，kt標準狀態(tài)下的溫度，273k則煙氣流速為： 依據(jù)第一部分文獻綜述的內容與設計煙氣性質，選取旋風除塵器xlp/b型，因為題中未給出允許的壓力損失，則可取進口氣速在1225m/s之間為宜，此中本設計取值為21m/s。2.1.2 除塵器型號的選擇與相關參數(shù)計算（參見書本p177表63）除塵器入口截面積入口高度入口寬度筒體直徑參考xlp/b產品系列，取d=820mm排出筒直徑：筒體長度：錐體長度：灰口

15、直徑：排氣管插入深度： 選取xlp/b-8.2型號；2.1.3 求dc（分割直徑）假設接近圓筒壁處的氣流切向速度近似等于氣流的入口速度，即，取內外渦旋交界圓柱直徑渦旋指數(shù)：氣流在交界面上的切向速度：外渦旋氣流的平均徑向速度：分割直徑：此時旋風除塵器的分割直徑為2.58。2.1.4 計算壓力損失393k時煙氣密度可近似取為：2.1.5 分級除塵效率依據(jù)經驗公式： 來計算。粒徑（m）12471013161820質量比（%）569132423965分級除塵效率（%）7.1623.5855.5479.0888.5292.8795.1896.1596.862.1.6 總除塵效率由公式： 來求解。（為進口

16、質量頻率）通過以上單個除塵器設計過程可知，無法滿足除塵要求（80%），所以我們可以同時設計兩個除塵器并聯(lián)來增加除塵效果以達到要求。2.2 兩個旋風除塵器并聯(lián)2.2.1 工作狀態(tài)下的氣體流量式中： q標準狀態(tài)下的煙氣流量，t工況下的煙氣溫度，k t標準狀態(tài)下的溫度，273k則煙氣流速為： 依據(jù)第一部分文獻綜述的內容與設計煙氣性質，選取旋風除塵器xlp/b型，因為題中未給出允許的壓力損失，則可取進口氣速在1225m/s之間為宜，此中我取值為21m/s。2.2.2 除塵器型號的選擇與相關參數(shù)計算（參見書本p177表63）除塵器入口截面積入口高度入口寬度筒體直徑參考xlp/b產品系列，取d=540mm排出筒直徑：筒體長度：錐體長度：灰口直徑：排氣管插入深度：選取xlp/b-8.2型號；2.2.3 求dc（分割直徑）假設接近圓筒壁處的氣流切向速度近似等于氣流的入口速度，即，取內外渦旋交界圓柱直徑 渦旋指數(shù)：氣流在交界面上的切向速度：外渦旋氣流的平均徑向速度：分割直徑：此時旋風除塵器的分割直徑為3.32。2.2.4 計算壓力損失393k時煙氣密度可近似取為：2.2.5 分級除塵效率依據(jù)經驗公式： 來計算。粒徑（m）12471013161820質量比（%）569132423965分級除塵效率（%）8.3126.6259.2