東南大大氣污染控制工程教案05機(jī)械式除塵器

大氣污染控制工程教案PAGEPAGE97第頁(yè)第10次課2學(xué)時(shí)上次課復(fù)習(xí)：1、顆粒物的粒徑分布及其物理性質(zhì)；2、評(píng)價(jià)凈化裝置的技術(shù)指標(biāo)。本次課題（或教材章節(jié)題目）：第五章機(jī)械式除塵器1、重力沉降室2、慣性除塵器3、旋風(fēng)除塵器教學(xué)要求：1、理解并掌握重力沉降室和旋風(fēng)除塵器的工作原理；3、掌握影響旋風(fēng)除塵器除塵效率的因素及壓力損失。重點(diǎn)：1.重力沉降室的設(shè)計(jì)2.旋風(fēng)除塵器的工作原理3.旋風(fēng)除塵器的壓力損失、結(jié)構(gòu)及影響除塵效率的因素難點(diǎn)：100％除去的最小粒徑，半分離直徑教學(xué)手段及教具：多媒體講授內(nèi)容及時(shí)間分配：一、重力沉降室二、旋風(fēng)除塵器講課時(shí)間：2學(xué)時(shí)課后作業(yè)P825.25.3565.8參考資料第五章機(jī)械式除塵器重點(diǎn)：1.重力沉降室的設(shè)計(jì)2.旋風(fēng)除塵器的工作原理3.旋風(fēng)除塵器的壓力損失結(jié)構(gòu)及影響除塵效率的因素機(jī)械力除塵裝置是相對(duì)電除塵器而言。除重力沉降室、慣性除塵器和旋風(fēng)除塵器外，還包括濕式除塵器和袋式除塵器等，其除塵機(jī)理可概括為五個(gè)方面：1．重力沉降：氣流中的塵粒依靠重力自然沉降，從氣流中分離出來(lái)。主要適用于粒徑較大的塵粒，沉降速度V較小。2．離心碰撞：含塵氣流作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，在慣性離心力作用下，塵粒和氣流產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使塵粒從氣流中分離。主要適用于10μm以上的塵粒。3．慣性碰撞：含塵氣流運(yùn)動(dòng)過(guò)程中遇到障礙物（如擋板、水滴等）時(shí)，氣流會(huì)改變方向而繞流，細(xì)小的塵粒會(huì)隨氣流一起流動(dòng)，而較大的塵粒慣性較大，則脫離流線保持自身的慣性運(yùn)動(dòng)，于是塵粒就和物體發(fā)生了碰撞。見(jiàn)圖5-1（a）。4．滯留：細(xì)小的塵粒隨氣流繞流時(shí)，如流線和物體表面靠得很近，有些塵粒就和物體表面接觸，從氣流中分離出來(lái)。見(jiàn)圖5-2（b）。5．?dāng)U散：小于1μm的微小粒子在氣流中會(huì)和氣體一樣作不規(guī)則的布朗運(yùn)動(dòng)，布朗運(yùn)動(dòng)隨粒徑減小而增大。若作布朗運(yùn)動(dòng)的塵粒和物體表面接觸，就可能從氣流中分離，這種分離機(jī)理稱為擴(kuò)散。見(jiàn)圖5-1（c）。除此之外，還涉及篩濾、靜電力和聲波凝聚作用等。第一節(jié)重力沉降室重力沉降室是通過(guò)重力從氣流中分離塵粒的。其結(jié)構(gòu)如圖所示。沉降室可能是所有空氣污染控制裝置中最簡(jiǎn)單和最粗糙的裝置。就其本身的特點(diǎn)而論，有廣泛的用途。能用于分離顆粒分布中的大顆粒，在某些情況下，其本身就是能進(jìn)行適當(dāng)?shù)奈廴究刂疲闹饕猛臼菍?duì)更有效的控制裝置作為一種初篩選裝置。在大顆粒特別多的地方，沉降室能除掉顆粒分布中的大量大顆粒，這些顆粒如不除掉，就要堵塞其它控制裝置。(一)原理：利用含塵氣體中的顆粒受重力作用而自然沉降的原理。含塵氣流進(jìn)入沉降室后，引流動(dòng)截面積擴(kuò)大，流速迅速下降，氣流為層流，塵粒在重力作用下緩慢向灰斗沉降。a．沉降速度由第三章可知，懸浮在空氣中的塵粒在重力作用下降落時(shí)，起初作加速運(yùn)動(dòng)，但當(dāng)空氣的阻力增大到使塵粒所受的合力為零時(shí)，它就開(kāi)始作勻速下降，塵粒的降落速度達(dá)到最大恒定速度，該速度即為沉降速度us。層流區(qū)：雷諾數(shù)Rep≤1，對(duì)球形粒子而言：（6-2）當(dāng)介質(zhì)為空氣時(shí)ρp>>ρ則有：（6-3）由上式可見(jiàn)Vt,若dp小，則Vt就小，故小顆粒就難分離。若將雷諾數(shù)Rep=1代入，可求出塵粒沉降時(shí)的臨界粒徑dc。得代入（6-2）得：（6-4）一般說(shuō)來(lái)方程式6-3應(yīng)用于粒徑小于50μm的球形塵粒，小于100μm得塵粒誤差也不大。工業(yè)粉塵粒徑大致為1—100μm，粒徑小于5μm的塵粒實(shí)際沉降速度要比Stocks定律預(yù)示的大，需修正。故dp≤5μm的塵粒：us=c·us·Stocksc為修正系數(shù)，在空氣中溫度為20℃，壓強(qiáng)為1atm時(shí)，dp為μm。在其它溫度下，Kc值就變化，（二）重力沉降室的設(shè)計(jì)假設(shè)通過(guò)重力沉降室斷面的水平氣流的速度V分布式均勻的，呈層流狀態(tài)；入口斷面上粉塵分布均勻（即每個(gè)顆粒以自己的沉降末端速度沉降，互不影響）；在氣流流動(dòng)方向上塵粒和氣流速度相等，就可得到除塵設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單模式。1．沉降時(shí)間和（最小粒徑時(shí)的）沉降速度塵粒的沉降速度為Vt，沉降室的長(zhǎng)、寬、高分別為L(zhǎng)、W、H，要使沉降速度為Vt的塵粒在沉降室內(nèi)全部去除，氣流在沉降室內(nèi)的停留時(shí)間t（）應(yīng)大于或等于塵粒從頂部沉降到灰斗的時(shí)間（），即：將代入上式，可求出沉降室能100%捕集的最小粒徑dmin上式是在理想狀況下得到的，實(shí)際中常出現(xiàn)反混現(xiàn)象，工程上常用36代替式中的18，這樣理論和實(shí)踐更接近。室內(nèi)的氣流速度u應(yīng)根據(jù)塵粒的密度和粒徑確定。常取0.3—0.5m/s，一般取0.2—2m/s。沉降室的設(shè)計(jì)：概括1.沉降時(shí)間,2.沉降速度(按要求沉降的最小顆粒)2．沉降室尺寸先按算出捕集塵粒的沉降速度us，在假設(shè)沉降室內(nèi)的氣流速度V和沉降室高度H（或?qū)挾萕），而后求沉降室的長(zhǎng)度和寬度（或高度）。Q=WHV=WLVt沉降室長(zhǎng)度：沉降室寬度：Q為處理氣流量，m3/s（三）沉降室的結(jié)構(gòu)重力除塵一般是讓氣流慢慢地通過(guò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而體積較大的除塵室，這樣可為顆粒提供落入底部灰斗的機(jī)會(huì)。顆粒需要降落的距離可通過(guò)在除塵室中放置一些水平隔板而縮短。類型：重力沉降室可放置導(dǎo)流板，以改變氣流的方向，以產(chǎn)生慣性作用，也可利用魚鱗板、百葉窗以產(chǎn)生慣性作用。有單層沉降室，有多層沉降式（平行的放置一些隔板）。折流板式沉降室（垂直的折流板安裝在沉降室的頂部，慣性作用力會(huì)增強(qiáng)顆粒的重力作用。當(dāng)氣流被繞過(guò)折流板底部的時(shí)候，由于氣流路徑上這段彎曲部分的慣性作用，顆粒被分離下來(lái)。四、實(shí)際性能和測(cè)試沉降式的實(shí)際性能幾乎從不進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量或測(cè)試，在最好的情況下，這種裝置也只能作為氣體的初級(jí)凈化，除去最大和最重的顆粒。沉降室的除塵效率約為40—70%，僅用于分離dp>50μm的塵粒。穿過(guò)沉降室的顆粒物必須用其它的裝置繼續(xù)捕集。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資少、易維護(hù)管理、壓損?。?0—130Pa）。缺點(diǎn)：占地面積大、除塵效率低。1．設(shè)計(jì)要求（1）．保證粉塵能沉降，L足夠長(zhǎng)；（2）．氣流在沉降室的停留時(shí)間要大于塵粒沉降所需的時(shí)間。（3）．能100%沉降的最小粒徑2．設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容根據(jù)粒徑dp算出1）Vt；2）初始確定：V、H,，根據(jù)求長(zhǎng)度L。3）根據(jù)進(jìn)氣量Q求寬度B，Q=VBH.第二節(jié)旋風(fēng)除塵器旋風(fēng)除塵器是利用旋轉(zhuǎn)氣流產(chǎn)生的離心力使塵粒從氣流中分離的，用來(lái)分離粒徑大于5—10μm以上的的顆粒物。工業(yè)上已有100多年的歷史。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地面積小，投資低，操作維修方便，壓力損失中等，動(dòng)力消耗不大，可用于各種材料制造，能用于高溫、高壓及腐蝕性氣體，并可回收干顆粒物。優(yōu)點(diǎn)：效率80%左右，捕集<5μm顆粒的效率不高，一般作預(yù)除塵用。（一）工作原理1．旋風(fēng)器內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)氣流運(yùn)動(dòng)：從宏觀上看，可歸結(jié)為三個(gè)運(yùn)動(dòng)：外渦流、內(nèi)渦流、上渦流。普通旋風(fēng)器由筒體、錐體、排出管等部分組成，見(jiàn)圖7-8P289。含塵氣流由進(jìn)口沿切線方向進(jìn)入除塵器后，沿器壁由上而下作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這股旋轉(zhuǎn)向下的氣流稱為外渦旋（外渦流），外渦旋到達(dá)錐體底部轉(zhuǎn)而沿軸心向上旋轉(zhuǎn)，最后經(jīng)排出管排出。這股向上旋轉(zhuǎn)的氣流稱為內(nèi)渦旋（內(nèi)渦流）。外渦旋和內(nèi)渦旋的旋轉(zhuǎn)方向相同，含塵氣流作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，塵粒在慣性離心力推動(dòng)下移向外壁，到達(dá)外壁的塵粒在氣流和重力共同作用下沿壁面落入灰斗。氣流從除塵器頂部向下高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，頂部壓力下降，一部分氣流會(huì)帶著細(xì)塵粒沿外壁面旋轉(zhuǎn)向上，到達(dá)頂部后，在沿排出管旋轉(zhuǎn)向下，從排出管排出。這股旋轉(zhuǎn)向上的氣流稱為上渦旋。旋風(fēng)分離器內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)是很復(fù)雜的，除切向和軸向運(yùn)動(dòng)外，還有徑向運(yùn)動(dòng)。在這里，上渦旋不利于除塵。如何減少上渦旋，降低底部的二次夾帶及出口室氣流旋轉(zhuǎn)所消耗的動(dòng)力，成為當(dāng)前改進(jìn)旋風(fēng)器的主要問(wèn)題。V出=15—30m/s對(duì)同樣流量的氣流而言，旋風(fēng)分離器比重力沉降室小得多，但動(dòng)力消耗多。2．氣流的速度為方便，常把內(nèi)外旋流氣體的運(yùn)動(dòng)分解為三個(gè)速度分量：切向速度Vθ、徑向速度Vr、軸向速度Vz。1）切向速度切向速度時(shí)決定氣流合速度大小的主要速度分量，也是決定氣流質(zhì)點(diǎn)離心力和顆粒捕集效率的主要因素。切向速度的分布見(jiàn)書P290。切向速度分布規(guī)律：外渦流：Vθ隨半徑r的減小而增大，n=0.5，有內(nèi)渦流：Vθ隨半徑r的減小而增大，n=-1，有內(nèi)外渦流交界面：n=0，有Vθ最大，交界面半徑2）．徑向速度：Vr假設(shè)內(nèi)外渦旋的交界面是圓柱面，外渦旋均勻通過(guò)該柱面進(jìn)入內(nèi)渦旋，那麼認(rèn)為氣流通過(guò)此圓柱面時(shí)的平均速度就是外渦旋氣流的平均徑向速度Vr。Q——處理氣體量；F——假想圓柱面表面積。（到底部才由外轉(zhuǎn)為內(nèi)，這種假設(shè)值得驗(yàn)證）3．降壓器內(nèi)的壓力分布?jí)毫Ψ植家?jiàn)P290圖7-9全壓和靜壓在徑向變化非常顯著，由外壁向軸心逐漸降低，軸心處為負(fù)值。(二)旋風(fēng)除塵器內(nèi)的顆粒運(yùn)動(dòng)及分離過(guò)程旋風(fēng)器內(nèi)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡及分離過(guò)程見(jiàn)圖：現(xiàn)跟蹤進(jìn)入旋風(fēng)器的五個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)。設(shè)2、4號(hào)粒徑較大，3、5號(hào)粒徑較小，1號(hào)為不同粒徑的顆粒。1號(hào)幾乎是直線軌跡隨氣流進(jìn)入旋風(fēng)器，在1a位置上與器壁相碰撞，由于其入射角非常小，碰撞后沿器壁滑動(dòng)，受重力下落進(jìn)入收塵室，完成與氣流的分離過(guò)程，代表的分離過(guò)程為一次分離，氣流中的多數(shù)粒子是按此方式分離。3、5號(hào)與器壁碰撞于3a、5a點(diǎn)之后被反彈回來(lái)，在碰撞點(diǎn)顆粒將動(dòng)能傳給內(nèi)壁，由于dp很小，其速度和離心力都大大減小。這些小顆粒在徑向氣流摩擦力的強(qiáng)烈影響下，返回到氣流中不再與器壁碰撞，并在點(diǎn)3b、5b處被氣流帶入出口管逸出。3、5號(hào)代表那些不能從氣流中分離出來(lái)的部分顆粒（小粒子）。2、4號(hào)進(jìn)入后與器壁碰撞于點(diǎn)2a、4a，由于入射角較大，不能沿壁滑動(dòng)而反彈到2b點(diǎn)。2號(hào)因其dp較大，在一次碰撞后所剩動(dòng)能足以使它與器壁產(chǎn)生二次碰撞于2b點(diǎn)，在此獲得分離，此種分離稱為二次分離。4號(hào)顆粒在反彈后于4b處由三種去向：被氣流帶到4d處出排出管；由4b到4c發(fā)生二次分離；由4b到4c’到4c’’沿螺旋線最終得到分離。一次分離發(fā)生在圓筒形進(jìn)氣室，且?guī)缀跛腥肷漭^小的顆粒，只要與器壁碰撞都可能發(fā)生一次分離。二次分離發(fā)生在漩渦室，且只有一定粒徑的顆粒才發(fā)生二次分離，入射角很大的小顆粒則很易發(fā)生返回被氣流從出口管代處。所以設(shè)計(jì)氣流入口時(shí)應(yīng)注意減小顆粒的入射角。（三）旋風(fēng)除塵器分離性能1．顆粒的分離直徑旋風(fēng)除塵器的除塵效率與顆粒的直徑有關(guān)，直徑愈大，效率愈高。當(dāng)dp達(dá)到某一值時(shí)，其除塵效率可達(dá)100%，此時(shí)的顆粒直徑為全分離直徑dc100（臨界直徑），同樣，η為50%時(shí)的顆粒直徑為半分離直徑dc50（切割直徑）。分離直徑越小，除塵其性能越好。半分離直徑的求法：=1\*GB3①．拉波爾經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式：適用于切線、螺旋、蝸殼式入口旋風(fēng)器。H、B——?dú)饬魅肟诘膶挾扰c高度；L1、L2——圓筒與圓錐的高度。=2\*GB3②．根據(jù)假想圓筒理論求dc50塵粒在旋風(fēng)器中受到兩個(gè)力的作用：離心力ft：向心力（徑向氣流阻力）fd：(Rep≤1時(shí))在交界面上塵粒有三種情況：①ft>fd移向外壁②fd>ft移向內(nèi)壁③ft=fd進(jìn)去50%，出來(lái)50%，即除塵效率為50%。ft=fd得：當(dāng)處理氣量為Q(m3/s)時(shí)，則代入上式得：2．捕集效率=1\*GB3①．經(jīng)驗(yàn)式：水田木村典夫D——旋風(fēng)器的直徑=2\*GB3②．由的關(guān)系圖查取=3\*GB3③．（四）影響效率的因素1．工作條件1）進(jìn)口速度VI,VI增大，則切向速度Vθ增大，dcp減小，效率增大。但不能過(guò)大，過(guò)大會(huì)影響氣流運(yùn)動(dòng)的方向（劇烈、方向混亂），破壞了正常的渦流運(yùn)動(dòng)，另外阻力會(huì)加大，故常選用V2=12—25m/s。2）．除塵器的結(jié)構(gòu)尺寸一般而言，直徑越小，F(xiàn)t越大，則效率越小，過(guò)小易逃逸。出口管直徑減小，則r0減小，減少了內(nèi)渦旋，則效率增大。但dpp減小阻力會(huì)增大，故不能太小。筒體長(zhǎng)度增大，則效率增大，但過(guò)大阻力會(huì)增大，所以，筒體長(zhǎng)度不大于5倍筒體直徑。另外，希望錐體長(zhǎng)度大一點(diǎn)，這樣會(huì)使切向速度大和距器壁短。旋風(fēng)器斜放對(duì)效率影響不大。2．流體性質(zhì)對(duì)于氣體而言，μ增大對(duì)除塵不利，dcp增大，效率減小。溫度增大，則μ增大，溫度高或μ增大都會(huì)使效率減小。粉塵粒徑與密度：離心力跟粒徑的三次方成正比，向心力跟粒徑的一次方成正比。綜合來(lái)說(shuō)，dp增大則效率增大，又因?yàn)樗裕裵小，難分離，影響捕集效率。3．分離器的氣密性漏風(fēng)率：0%、5%、15%η：90%、50%、0要求保證旋風(fēng)器的嚴(yán)密性。旋風(fēng)器一般：①用于粒子較大（>10μm）的場(chǎng)合；②除塵效率不太高；③濃度較高時(shí)作為初級(jí)處理；④可串聯(lián)使用。（五）旋風(fēng)除塵器的分類及選型（一）旋風(fēng)除塵器的分類1．按氣體流動(dòng)狀況分：切流返轉(zhuǎn)式旋風(fēng)除塵器：常用的型式為直入式和螺殼式。含塵氣體由筒體沿側(cè)面沿切線方向?qū)?。軸流式旋轉(zhuǎn)除塵器：軸流直流式和軸流反旋式。2．按結(jié)構(gòu)形式分：圓筒體、長(zhǎng)錐體、旁通式、擴(kuò)散式。（二）旋風(fēng)除塵器的選型旋風(fēng)除塵器的選型一般選用計(jì)算法和經(jīng)驗(yàn)法。計(jì)算法：①由入口濃度c0，出口濃度ce（或排放標(biāo)準(zhǔn)）計(jì)算除塵效率η；②選結(jié)構(gòu)型式；③根據(jù)選用的除塵器的分級(jí)效率ηd（分級(jí)效率曲線）和凈化粉塵的粒徑頻度分布f0，計(jì)算ηT,若ηT>η,即滿足要求，否則按要求重新計(jì)算。④確定型號(hào)規(guī)格⑤計(jì)算壓力損失。經(jīng)驗(yàn)法：①計(jì)算所要求的除塵效率η；②選定除塵器的結(jié)構(gòu)型式；③根據(jù)選用的除塵器的η—Vi實(shí)驗(yàn)曲線，確定入口風(fēng)速Vi；④根據(jù)氣量Q，入口風(fēng)速Vi計(jì)算進(jìn)口面積A；⑤由旋風(fēng)器的類型系數(shù)求除塵器筒體直徑D，