《大氣污染控制工程》 除塵裝置-濕式除塵(50P)

第六章除塵裝置

——濕式除塵生化工程系濕式除塵是利用洗滌液來捕集粉塵，利用粉塵與液滴的碰撞及其它作用來使氣體凈化的方法。重點：碰撞參數(shù)；濕式除塵器的常見類型；文丘里洗滌器。學(xué)習(xí)內(nèi)容與重點一、濕式除塵器簡介二、重力噴霧洗滌器三、旋風(fēng)式洗滌器四、文丘里洗滌器濕式除塵器：利用液體〔通常為水〕與含塵氣流接觸，借助于慣性碰撞、擴散等機理將塵粒與氣體別離的一種凈化裝置。濕式除塵器的特性濕式除塵器的分類濕式除塵器的除塵機理一、濕式除塵器簡介1、濕式除塵器的特性優(yōu)點：效率較高，可去除的粉塵粒徑較小(高能耗濕式除塵器清除0.1μm以下粉塵粒子，仍有很高效率);能夠處理高溫，高濕氣流，高比電阻粉塵，及易燃易爆的含塵氣體;在去除粉塵粒子的同時，還可去除氣體中的水蒸氣及某些氣態(tài)污染物。既起除塵作用，又起到冷卻、凈化的作用;體積小，占地面積小。缺點有泥渣：排出的污水和泥漿可能造成二次污染，需要進(jìn)行再處理；易腐蝕設(shè)備：凈化含有腐蝕性的氣態(tài)污染物時，洗滌水具有一定程度的腐蝕性，因此要注意除塵系統(tǒng)和污水處理設(shè)施的腐蝕問題；不適用于凈化含有憎水性和水硬性粉塵的氣體；濕式除塵器耗水量較大，水源不足的地方使用受到限制；防凍：寒冷地區(qū)容易結(jié)凍，應(yīng)采取防凍措施；動力消耗大。2、濕式除塵器的分類濕式除塵器的型式：低能、高能低能壓力損失0.2~1.5kPa，包括噴霧塔、旋風(fēng)洗滌器等。一般耗水量（L/G比）0.5-3.0L/m3，對10μm以上的η可達(dá)90~95%。常用于焚燒爐、化肥制造、石灰窯的除塵；高能濕式除塵器ΔP=2.5~9.0Kpa，η可達(dá)99.5%以上。如文丘里洗滌器。根據(jù)濕式除塵器的凈化機理，可分成7類：①重力噴霧洗滌器；②旋風(fēng)洗滌器；③自激噴霧洗滌器；④板式洗滌器；⑤填料洗滌器；⑥文丘里洗滌器；⑦機械誘導(dǎo)噴霧洗滌器。主要濕式除塵裝置的性能、操作范圍噴霧塔旋風(fēng)噴霧塔撞擊式洗滌器文氏管洗滌器3、濕式除塵器的除塵機理濕式除塵機理：(1)塵粒碰撞液滴和接觸液膜、氣泡而粘附其上(2)由于塵粒的擴散作用，與液面接觸(3)由于氣體被增濕，塵粒之間相互凝聚(4)因蒸汽以塵粒為核心的冷卻凝結(jié)，增加了塵粒的凝聚性慣性碰撞、擴散效應(yīng)、粘附、擴散漂移和熱漂移、凝聚等。濕式除塵器的主要除塵機制：慣性碰撞和攔截作用慣性碰撞參數(shù)和除塵效率接觸功率與除塵效率分割粒徑與除塵效率1）慣性碰撞含塵氣流在運動過程中遇到障礙物(水滴)，氣流會改變方向，繞過水滴運動，但塵粒因慣性力作用，將保持原有運動方向，脫離氣流與水滴相撞。該效應(yīng)就是所謂的慣性碰撞。塵粒的慣性越大，氣流曲率越小，塵粒脫離流線而被水滴捕集的可能性越大。2）攔截作用攔截是指塵粒在水滴上直接被阻截，塵粒被水潤濕進(jìn)入水滴內(nèi)部，或粘附在水滴表面，使塵粒與含塵氣流分離。被攔截的塵粒必須質(zhì)量小，且具有一定尺寸，當(dāng)流線繞過水滴拐彎時，它不會離開流線。這時只有塵粒中處在圍繞捕集物(水滴)流過而相距捕集物不超過dp/2的流線上，塵粒就與捕集物(水滴)接觸而被攔截。3)擴散效應(yīng)在濕式除塵器中，擴散效應(yīng)是指粒徑小于0.3μm的塵粒，作不規(guī)則的熱運動時，塵粒與水滴接觸而被捕集。一般來說，粒徑愈小，擴散系數(shù)愈大，除塵效率愈高；水滴周圍氣膜厚度愈大，水滴與氣流的相對速度愈大，除塵效率愈低。4)熱泳和靜電作用氣體分子具有一定的熱運動，且隨溫度而變化。由于塵粒熱面的氣體分子對塵粒的作用力比冷面大，因而在濕式除塵器內(nèi)含塵氣體引起的熱運動使塵粒向著較冷的區(qū)域運動，這種效應(yīng)稱為熱泳。靜電作用是指塵粒與液滴（水滴）所帶電荷相反，其強度足以吸引塵粒，使其離開氣流流線，被水滴捕集。這種效應(yīng)對很小的塵粒捕集影響較大。但一般情況下，熱泳力和電荷力是有限的。慣性碰撞參數(shù)和除塵效率簡化模型：含塵氣流在運動過程中同液滴相遇，在液滴前xd處氣流開始改變方向，繞過液滴運動，而慣性較大的塵粒有繼續(xù)保持其原來直線運動的趨勢。塵粒運動主要受兩個力支配，即其本身的慣性力以及周圍氣體對它的阻力。定義：塵粒從脫離流線到慣性運動結(jié)束時所移動的直線距離稱為粒子的停止距離xs；xd為原始距離，即氣流改變方向時，液滴距塵粒的距離。若xs≥xd時發(fā)生碰撞，一般用碰撞參數(shù)φ=xs/xd來反映除塵效率的大小?，F(xiàn)以液滴直徑Dc代替xd(液滴直徑Dc大，流線拐彎處的距離越大，xd越大)。并用慣性碰撞數(shù)Ni來表示碰撞參數(shù)φ的大小。將xs與Dc(液滴直徑)的比值稱為碰撞數(shù)Ni。塵粒與液滴間的碰撞率，即塵粒從氣流中除去的效率與此碰撞數(shù)有關(guān)。對斯托克斯粒子：uD：液滴的速度，m/s;up：在流動方向上粒子的速度，m/s；Dc：液滴直徑。對于粒徑小于5.0μm的粒子，必須考慮坎寧漢校正系數(shù)C。由上式可見，當(dāng)塵粒直徑和密度確定以后，碰撞參數(shù)φ與粒子和液滴之間的相對速度成正比，而與液滴直徑成反比。所以對于給定的煙氣系統(tǒng)，要提高NI值，必須提高液氣相對運動速度和減小液滴直徑。目前工業(yè)上常用的濕式除塵器基本上是圍繞這兩個因素發(fā)展起來的。但液滴直徑并非愈小愈好，直徑過小，液滴容易隨氣流一起運動，減小了氣液相對運動速度。氣體的粘度越大則效率愈低。慣性碰撞參數(shù)NI值越大，粒子慣性越大，則碰撞捕集效率η越高。對于勢流和粘性流，η=f(NI)有理論解，一般情況下，JohnStone等人的研究結(jié)果：K：關(guān)聯(lián)系數(shù)，取決于設(shè)備結(jié)構(gòu)和操作條件；L：液氣比，L/m3接觸功率與除塵效率接觸功率理論：假定洗滌器除塵效率僅是系統(tǒng)總能耗的函數(shù)，與洗滌器除塵機理無關(guān)總能耗Et：氣流通過洗滌器時的能量損失EG+霧化噴淋液體過程中的能量消耗EL

ΔPG:氣體壓力損失，Pa；PL:液體入口壓力，PaQL,QG:液體和氣體流量，m3/s為了關(guān)聯(lián)接觸功率和除塵效率，經(jīng)常以傳質(zhì)單元數(shù)Nt表示除塵效率η

，根據(jù)傳質(zhì)單元數(shù)的定義：研究表明，在雙對數(shù)坐標(biāo)系內(nèi)傳質(zhì)單元數(shù)與總能量消耗之間的關(guān)系為一直線：α、β為特征參數(shù)，由被捕集粉塵的特性和洗滌器類型決定。分割粒徑與除塵效率分割粒徑能全面表示從氣流中分離粒子的難易程度和洗滌器的性能。多數(shù)慣性分離裝置的分級通過率可以表示：Ae、Be：常數(shù)；對填充塔和篩板塔，Be=2；離心式洗滌器，Be=0.67；文丘里洗滌器(當(dāng)NI=0.5~5)，Be=2。da：粒子的空氣動力學(xué)直徑。通過率與分割粒徑的關(guān)系分割直徑與壓力降的關(guān)系〔分割－功率關(guān)系〕二、噴霧塔洗滌器圓柱形的噴霧塔是一種最簡單的濕式除塵裝置（右圖）：在逆流式噴霧塔中，含塵氣體向上運動。液滴由噴嘴除向下運動。因顆粒和液滴之間的慣性碰撞、攔截和凝聚等作用，使較大的粒子被液滴捕集。假如氣體流速較小，夾帶了顆粒的液滴將因重力作用而沉于塔底。為保證塔內(nèi)氣流分布均勻，常采用孔板型氣流分布板。含塵氣體清潔氣體循環(huán)水含塵水影響噴霧塔除塵效率的因素：液滴大小、顆粒的空氣動力學(xué)直徑、液氣流量比及氣體性質(zhì)。為了預(yù)估噴霧塔的除塵效率，通常假定：所有液滴具有相同直徑，且進(jìn)入洗滌器后立即以沉降速度沉降；液滴在整個過氣斷面上分布均勻，無聚結(jié)現(xiàn)象?；谶@些假定，立式逆流噴霧塔靠慣性碰撞捕集粉塵的效率可以用下式表示：ut：液滴的終末沉降速度，m/s；Vs：空塔斷面氣速，m/s;z：氣液接觸的總塔高度，m；ηd：單個液滴的碰撞效率。單個液滴的集塵效率受雷諾數(shù)的影響很大。如下近似表達(dá)式：對于粒子的慣性捕集，可用下式估算粒子的總通過率：噴霧塔優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、壓力損失小，操作穩(wěn)定，經(jīng)常與高效洗滌塔聯(lián)用捕集粒徑較大的顆粒。三、旋風(fēng)洗滌器干式旋風(fēng)分離器內(nèi)部以環(huán)形方式安裝一排噴嘴，就構(gòu)成一種最簡單的旋風(fēng)洗滌器。噴霧作用發(fā)生在外渦旋區(qū)，并捕集塵粒，攜帶塵粒的液滴被甩向旋風(fēng)洗滌器的濕壁上，然后沿壁面沉落到器底。出口處通常需要安裝除霧器。中心噴霧的旋風(fēng)洗滌器：含塵氣體由筒體的下部切向引入，水通過軸上安裝的多噴嘴噴出，徑向噴出的水霧與螺旋形旋轉(zhuǎn)氣流相碰，使顆粒被捕集下來。如果在噴嘴段上面有足夠的高度，也能起一定的除霧作用。旋風(fēng)水膜除塵器：噴霧沿切線向噴向筒壁，使壁面形成一層很薄的不斷下流的水膜。含塵氣流由筒體下部導(dǎo)入，旋轉(zhuǎn)上升，靠離心力甩向壁面的粉塵被水膜黏附，沿壁面流下排走。旋風(fēng)除塵器適合于處理煙氣量大和含塵濃度高的場合?？蓡为毑捎茫部梢园惭b文丘里洗滌器之后作為脫水器。耗水量：L/G：0.5~1.5L/m3。氣體入口速度：15~45m/s。捕集效率：離心洗滌器凈化dp<5μm的塵粒仍然有效，捕集效率可達(dá)95％以上；適用于處理煙氣量大，含塵濃度高的場合；可單獨使用，也可安裝在文丘里洗滌器之后作除塵器。壓力損失：為0.5~1.5kPa，可以采用下式進(jìn)行估算：Δp：旋風(fēng)洗滌器的壓力損失，Pa；Δp0：噴霧系統(tǒng)關(guān)閉時的壓力損失，Pa；ρ0：液滴密度，kg/m3；：液滴初始平均速度，m/s。四、文丘里洗滌器(Venturiscrubber)文丘里洗滌器是一種高效濕式洗滌器，常在高溫?zé)煔饨禍睾统龎m上。除塵器系統(tǒng)的構(gòu)成：文丘里洗滌器(收縮管，喉管，擴散管)；除霧器；沉淀池；加壓循環(huán)水泵。文丘里洗滌器結(jié)構(gòu)：1、除塵過程1.進(jìn)氣管；2.收縮管；3.噴嘴；4.喉管；5.擴張管；6.連接管水從喉管周邊均勻分布的若干小孔進(jìn)入，在被通過這里的高速含塵氣流撞擊成霧狀液滴，氣體中的塵粒與液滴凝聚成較大顆粒隨氣流進(jìn)入旋風(fēng)器和氣體分離。在旋風(fēng)分離器中，含塵的水滴與氣流分離。作用機理：微細(xì)塵粒以氣流相同的速度進(jìn)入喉管；洗滌液滴的軸向初速度為零，由于氣流曳力在喉管部分被逐漸加速。在液滴加速過程中，由于液滴與粒子之間慣性碰撞，實現(xiàn)微細(xì)塵粒的捕集；碰撞捕集效率隨相對速度增加而增加，因此氣流入口速度必須較高；在擴散管中，氣流速度減小和壓力的回升，使以顆粒為凝結(jié)核的凝聚速度加快，形成直徑較大的含塵液滴，已便于被低能洗滌器或除霧器捕集下來。含塵氣體由進(jìn)氣管進(jìn)入收縮管后，流速逐漸增大，氣流的壓力能逐漸變?yōu)閯幽埽辉诤砉苋肟谔?，氣流速度到達(dá)最大，一般為50~180m/s。洗滌器通過沿喉管周邊均勻分布的噴嘴進(jìn)入，液滴被高速氣流霧化和加速。充分的霧化是實現(xiàn)高效除塵的根本條件。氣速、液滴速度和捕集效率2、幾何尺寸幾何尺寸主要包括：收縮管、喉管和擴散管的長度、直徑以及收縮管的張開角等。進(jìn)氣管直徑D1按與之相聯(lián)管道直徑確定，管道中氣流速度一般為16~22m/s。收縮管的收縮角α1常取23~25°，喉管直徑DT按喉管氣速VT確定，其截面積與進(jìn)口管之比為1:4。進(jìn)氣管直徑D1按與之相聯(lián)管道直徑確定收縮管的收縮角α1常取23°~25°喉管直徑DT按喉管氣速vT確定，其截面積與進(jìn)口管截面積之比的典型值為1:4vT的選擇擇要考慮到粉塵、氣體和洗滌液的物理化學(xué)性質(zhì)、對洗滌器效率和阻力的要求等因素L1ConvergingsectionthroatDivergingsectionL2DTD1D2擴散管的擴散角α2一般為5o~7o出口管的直徑D2按與其相聯(lián)的除霧器要求的氣速確定。由于擴散管后面的直管道還具有凝聚和恢復(fù)壓力的作用，一般設(shè)1~2m長的連接管，再接除霧器。收縮管的和擴散管的長度L1和L2由下面的式子決定：喉管長度一般取喉管直徑的0.8~1.5倍，或取200~500mmL1ConvergingsectionthroatDivergingsectionL2DTD1D23、壓力損失高速氣流的動能要用于霧化和加速液滴，因而壓力損失大于其它濕式和干式除塵器。卡爾弗特等人基于氣流損失的能量全部用于在喉管內(nèi)加速液滴的假定，發(fā)展了計算文丘里洗滌器壓力損失的數(shù)學(xué)模式：

：液滴在x2處的速度為決定在整個喉管內(nèi)的壓力損失，假定：在喉管內(nèi)氣流速度為常數(shù)；氣體流動為不可壓縮的絕熱過程；在任何斷面上液氣比不變；液滴直徑為常數(shù)；液滴周圍壓力是對稱的，因而可以忽略根據(jù)作用在液滴上的慣性力與阻力的平衡:mD：液滴質(zhì)量AD：液滴在垂直于流動方向上的截面積CD：阻力系數(shù)對于球形液滴：因為：故：對上式的積分限為：在x＝0處，uD＝0；在x＝L處〔L為喉管長度〕，uD＝uDL。當(dāng)L足夠長時，液滴速度將近似等于喉管內(nèi)氣流速度vT；對式積分時還應(yīng)考慮阻力系數(shù)CD與vg和uD的關(guān)系，那么Δp的單位為cmH2O，VT的單位是cm/s，Ql與Qg單位相同?；蚋鶕?jù)由多種型式文丘里洗滌器得到的實驗數(shù)據(jù)間的關(guān)系，海斯凱茨〔Hesketh〕提出了如下方程式Δp的單位為Pa，A為喉管的橫斷面積〔m2〕。液滴平均直徑的估算：拔山一彭澤的經(jīng)驗公式估算液滴體積-外表積平均直徑VT：喉管氣流速度，m/s；：液體外表張力，N/m；：液體的粘度，Pa?s；l：液體的密度，kg/m3；Ql/Qg：同單位4、除塵效率卡爾弗特等人做了一系列簡化后提出下式，以計算文丘里洗滌器的通過率：ρl、ρp：分別為洗滌液和顆粒的密度，g/cm3;μg：氣體粘度，10-1Pa·sΔP：文丘里洗滌器的壓力損失，cmH2O;dp：顆粒粒徑，μm；f：經(jīng)驗常數(shù)，在該式中為0.1~0.4。文丘里洗滌器性能氣流速度、液氣比之間的關(guān)系：例題：以液氣比為3的速率將水噴入文丘里洗滌器的喉部，氣體流速為122m/s，密度和粘度分別為3和2.08×10-5kg/〔m/s〕，喉管橫斷面積為0.08m2，參數(shù)f取為，對于粒徑為、密度為3的粒子，試確定氣流通過該洗滌器的壓力損失和粒子的通過率。解:由式〔6-53〕運用海斯凱茨提出的式得估算粒子的通過率：例題：四、文丘里洗滌器的設(shè)計文丘里除塵器的設(shè)計包括兩個主要內(nèi)容：1、凈化氣體量Q的確定可根據(jù)生產(chǎn)工藝物料平衡和燃燒裝置的燃燒計算求得。也可以采用直接測量的煙氣量數(shù)據(jù)。注意：Q量的設(shè)計計算均以文丘里管前的煙氣性質(zhì)和狀態(tài)參數(shù)為準(zhǔn)。2、文丘里管幾何尺寸的確定包括：收縮管、喉管、擴張管的截面積；圓形管的直徑或矩形管的高寬；收縮管和擴張管的張開角等。收縮管：入口風(fēng)速V1，進(jìn)氣端截面積

Qt1——溫度為t1時的進(jìn)氣流量，m3/h