第06章 顆粒物污染控制技術3

第六章除塵裝置§3濕式除塵器(Scrubber)一、概述二、濕式除塵器的除塵機理三、噴淋塔洗滌器四、旋風洗滌器五、文丘里洗滌器教學重點：碰撞參數(shù)；濕式除塵器的常見類型；文丘里洗滌器。教學難點：文丘里洗滌器的組成、原理第三節(jié)濕式除塵器使含塵氣體與液體（一般為水）密切接觸，利用水滴和塵粒的慣性碰撞及其它作用捕集塵?；蚴沽皆龃蟮难b置可以有效地除去直徑為0.1～20μm的液態(tài)或固態(tài)粒子，亦能脫除氣態(tài)污染物除塵機理：①液體介質(zhì)與塵粒間的慣性碰撞和攔截；②微細塵粒與液滴間的擴散接觸；③加濕的塵粒相互凝并；④飽和態(tài)高溫煙氣降溫時，以塵粒為凝結核凝結按能耗分為：高能和低能濕式除塵器低能濕式除塵器的壓力損失為0.2～1.5kPa，對10μm以上粉塵的凈化效率可達90％～95%，包括噴霧塔、旋風洗滌器高能濕式除塵器的壓力損失為2.5～9.0kPa，凈化效率可達99.5％以上，如文丘里洗滌器濕式除塵器旋風噴淋塔噴淋塔濕式除塵器板式塔填料塔濕式除塵器洗滌塔

文丘里洗滌除塵器

濕式除塵器旋風水膜除塵濕式除塵器根據(jù)濕式除塵器的凈化機理，大致分為重力噴霧洗滌器旋風洗滌器自激噴霧洗滌器板式洗滌器填料洗滌器文丘里洗滌器機械誘導噴霧洗滌器

濕式除塵器主要濕式除塵裝置的性能和操作范圍裝置名稱氣體流速/m?s-1液氣比/l?m-3壓力損失/Pa分割直徑/μm噴淋塔0.1～22～3100～5003.0填料塔0.5～12～31000～25001.0旋風洗滌器15～450.5～1.51200～15001.0轉筒洗滌器（300～750r/min）0.7～2500～15000.2沖擊式洗滌器10～2010～500～1500.2文丘里洗滌器60～900.3～1.53000～80000.1濕式除塵器的優(yōu)點

在耗用相同能耗時，比干式機械除塵器高。高能耗濕式除塵器清除0.1m以下粉塵粒子，仍有很高效率可與靜電除塵器和布袋除塵器相比，而且還可適用于它們不能勝任的條件，如能夠處理高溫，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、凈化的作用濕式除塵器的缺點

排出的污水污泥需要處理，澄清的洗滌水應重復回用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，因此要特別注意設備和管道腐蝕問題不適用于凈化含有憎水性和水硬性粉塵的氣體寒冷地區(qū)使用濕式除塵器，容易結凍，應采取防凍措施

濕式除塵機理涉及各種機理中的一種或幾種。主要是慣性碰撞、擴散效應、粘附、擴散漂移和熱漂移、凝聚等作用。濕式除塵器的除塵機理

1.慣性碰撞慣性碰撞是濕式除塵的一個主要機理?，F(xiàn)討論塵粒、液滴和氣流性質(zhì)對碰撞的影響問題，為簡化，現(xiàn)考慮下述模型：簡化模型

含塵氣體與液滴相遇，在液滴前xd處開始繞過液滴流動，慣性較大的塵粒繼續(xù)保持原來的直線運動。塵粒從脫離流線到慣性運動結束時所移動的直線距離為粒子的停止距離xs，若xs大于xd；塵粒和液滴就會發(fā)生碰撞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。塵粒的慣性越大，氣體流線曲率半徑越小，塵粒脫離流線而被液滴捕集的可能性越大。如圖a；當塵粒與液滴碰撞時，塵粒若能被該液體潤濕，則進入液體內(nèi)部（b）；若不能被潤濕，則粘附在液滴表面。所有接近液滴的塵粒，在直徑d0的面積范圍內(nèi)將與液滴碰撞(c)；通常把氣流中又可能被分離的垂直斷面面積與液滴在氣流方向上的投影面積之比叫做碰撞效率ηt，圖（a）圖（b）圖（c）圖（d）從捕集角度來看，希望ηt接近于1

定義：塵粒從脫離流線到慣性運動結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。碰撞參數(shù)受到多種因素的影響,在上述簡化模型的前提下，現(xiàn)以液滴直徑dD代替xd(液滴直徑dD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dD(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。濕式除塵器的除塵機理

(1)根據(jù)粉塵受力情況推導碰撞數(shù)Ni推導過程如下:粉塵運動時主要受兩個力的作用：慣性力FI和阻力fd。

FI=fd時經(jīng)過積分得xs

Vp0——相對速度，即塵粒相對于液滴的速度；濕式除塵器的除塵機理

dD——液滴直徑。碰撞數(shù)的影響因素：①Vp0：Vp0增大，Ni增大，則效率增大。②dD：dD增大，Ni減小，則效率減小。濕式除塵器的除塵機理

VD-液滴的速度VP-在流動方向上粒子的速度但太小，相對速度會變得太小，粉塵跟液滴碰撞不上。一般dD>100μm(據(jù)stokes公式可推算出來)濕式除塵器的除塵機理

對Stocks粒子的除塵效率有：

Vp——在流動方向上粒子的速度，m/s；

VL——液滴的速度，m/s；

C——肯爾漢校正系數(shù)，<5μm的粒子必須考慮修正。定義慣性碰撞參數(shù)NI：停止距離xs與液滴直徑dD的比值慣性碰撞參數(shù)與除塵效率由上式可見，當塵粒直徑和密度確定以后，碰撞參數(shù)NI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，必須提高氣液相對運動速度和減小液滴直徑。目前，工業(yè)上常用的各種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。2慣性碰撞參數(shù)與除塵效率除塵效率：根據(jù)碰撞參數(shù)的物理意義可知，NI值越大，粒子慣性越大，則ηII越高對于勢流和粘性流，ηII=f(NI)有理論解，一般情況下，JohnStone等人的研究結果

K—關聯(lián)系數(shù)，其值取決于設備幾何結構和系統(tǒng)操作條件L—液氣比，L/1000m3

對各種粒徑粒子除塵效率最高的液滴直徑范圍是0.5～l.0mm。尤以0.8mm左右為最佳。慣性碰撞參數(shù)與除塵效率根據(jù)慣性碰撞和攔截機理，減小水滴直徑DL將使慣性碰撞與攔截作用增強，但DL過小時，水滴的自由沉降速度緩慢，甚至被氣流托起或帶走，相對速度大大降低，碰撞參數(shù)St反而減小，效率降低。因此存在一個最佳水滴直徑范圍。2.擴散效應、粘附、擴散漂移和熱漂移δ-為液滴周圍氣膜的有效厚度。

D-為擴散系數(shù)。Vs=Vp—VLVp——在流動方向上粒子的速度，m/s；VL——液滴的速度，m/s；擴散幾率：若氣流中含有飽和蒸汽，當其與較冷液滴接觸時，飽和蒸汽會在較冷的液滴表面上凝結，形成一個向液滴運動的附加氣流，這就是所謂的熱漂移和擴散漂移，這種氣流促使較小塵粒向液滴移動，并沉積在液滴表面而被捕集。排煙中常含有水蒸汽、氣態(tài)有機物等。隨著溫度降低，這些凝結成分就會被吸附在粉塵表面，使塵粒彼此凝聚成較大的二次粒子，易于被液滴捕集。3.凝聚作用氣液界面及除塵器的型式

用液體來洗滌和捕集氣體中微粒，大體要在四種氣—液交界面上進行。即氣泡表面、液體噴射表面、液膜表面以及液滴表面。1．氣泡表面含塵氣流通過多孔板上的液體時，氣體在孔眼處形成氣泡，并逐漸變大，隨后上升通過液層，篩板可分為三個區(qū)域：最下層是鼓泡區(qū)，主要為液體；中間層是運動的氣泡層，主要使氣體，液體是以氣泡膜的形式存在；上層是濺沫區(qū)，液體變成了不連續(xù)的濺沫。氣流中的塵粒主要在氣泡區(qū)被捕集。泡沫除塵器（板式塔）

氣液界面及除塵器的型式

2.液體射流表面

噴出的射流經(jīng)一定距離后破碎為直徑分布范圍很廣的液滴群。氣體和液體發(fā)生強烈混合，常見的除塵器是引射式文丘里洗滌器，由于塵粒和液滴相對速度較小，故此裝置的捕集效率不很高，但由于液體噴射的抽吸作用，氣體不需引風設備。

氣液界面及除塵器的型式

3．液膜液體依靠其流動性，潤濕性在固體表面鋪展開來，即形成液膜，如洗滌塔，內(nèi)裝裝填料，在填料表面形成液膜。4．液滴靠機械力、慣性力以及摩擦力等使液體分散在大量氣體中，從而形成液滴。接觸功率與除塵效率

根據(jù)接觸功率理論得到的經(jīng)驗公式，能夠較好地關聯(lián)濕式除塵器壓力損失和除塵效率之間的關系，已被工業(yè)界廣泛接受接觸功率理論：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接觸功率與除塵效率

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接觸功率與除塵效率除塵效率

為了關聯(lián)接觸功率與除塵效率，常以傳質(zhì)單元數(shù)Nt表示后者，根據(jù)傳質(zhì)定義：對于給定的洗滌器和顆粒物，傳質(zhì)單元數(shù)與接觸功率之間有明確的關聯(lián)。對于一系列洗滌器的研究表明，在雙對數(shù)坐標系內(nèi)傳質(zhì)單元數(shù)與總能量消耗的關系為一直線：

－除塵器的特性參數(shù)（見下頁）接觸功率與除塵效率

粉塵和塵源類型1L－D轉爐粉塵4.4500.46632滑石粉3.6260.35063磷酸霧2.3240.63124化鐵爐粉塵2.2550.62105煉鋼平爐粉塵2.0000.56886滑石粉2.0000.65667從硅鋼爐升華的粉塵1.2260.45008鼓風爐粉塵0.9550.89109石灰窯粉塵3.5671.052910從黃銅熔爐排出的氧化鋅2.1800.531711從石灰窯排出的堿2.2001.229512硫酸銅氣溶膠1.3501.067913肥皂生產(chǎn)排出的霧1.1691.414614從吹氧平爐升華的粉塵0.8801.619015沒有吹氧的平爐粉塵0.7951.5940除塵器的特性參數(shù)分割粒徑與除塵效率

預測洗滌除塵器性能的另一個方法是分割粒徑法分割粒徑法：基于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為：da:粒子的空氣動力學直徑Ae，Be:均為常數(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NI=0.5～5），Be=2分割粒徑與除塵效率對于多種形式的對數(shù)正態(tài)分布，求解上述方程，結果如6-43，以Beln（δg）為參數(shù)，給出了總通過率Pt隨的變化（dac:洗滌器的空氣動力學直徑；dg:粒子的幾何平均直徑；空氣動力學中位直徑）6-44為Be=2時以δg為參數(shù)時結果分割粒徑與除塵效率分割直徑與壓力降的關系（分割－功率關系）篩板塔孔徑為0.2cm，泡沫密度為0.4填料塔采用直徑為2.5cm環(huán)形或鞍形填料。假定已知洗滌器操作壓力損失，就可以根據(jù)該圖預估洗滌器的性能

噴霧塔洗滌器

是濕式除塵器中最簡單的一種。

①噴霧塔洗滌器的工作原理：含塵氣流向上運動，液滴由噴嘴噴出向下運動，粉塵顆粒與液滴之間通過慣性碰撞、接觸阻留、粉塵因加濕而凝聚等作用機

較大的塵粒被液滴捕集。當氣體流速較小時，夾帶了顆粒的液滴因重力作用而沉于塔底，凈化后的氣體通過脫水器去除夾帶的細小液滴由頂部排出。

②霧塔洗滌器的基本構造

根據(jù)噴霧塔洗滌器內(nèi)截面的形狀，可分為圓形和方形兩種；按其內(nèi)的氣液流動方向

份為順流、逆流和錯流三種型式。

③噴霧塔洗滌器的特點與使用場合

噴塔洗滌器的主要特點是結構簡單、壓力損失小，一般為

250～500

Pa，操作方便，運行穩(wěn)定。

噴霧塔洗滌器適用于捕集粒徑較大的顆粒，當氣體需要除塵、降溫或除塵兼有去除其他有害氣體時，往往與高效除少器（如文丘里除塵器）串聯(lián)使用。

噴霧塔洗滌器

噴霧塔洗滌器

噴霧塔洗滌器的除塵效率取決于液滴大小、顆?？諝鈩恿W直徑、液氣流量比以及氣體性質(zhì)為了預估噴霧塔的除塵效率，假定所有液滴具有相同直徑液滴進入洗滌器后立刻以終末速度沉降液滴在斷面上分布均勻、無聚結現(xiàn)象含塵氣體清潔氣體循環(huán)水含塵水噴霧塔洗滌器

則立式逆流噴霧塔靠慣性碰撞捕集粉塵的效率可以用下式預估ut

一液滴的終末沉降速度，m/sVG－空塔斷面氣速，m/sz－氣液接觸的總塔高度，md－單個液滴的碰撞效率噴霧塔洗滌器單液滴捕集效率ηd可用下式表示對于Stokes粒子，湍流過渡區(qū)，

牛頓區(qū)，

慣性碰撞參數(shù)錯流式中，垂直方向氣速=0，,所以噴霧塔洗滌器錯流式噴霧塔液體從塔頂噴淋，含塵氣體水平通過噴霧塔洗滌器噴霧塔結構簡單、壓力損失小，操作穩(wěn)定，經(jīng)常與高效洗滌器聯(lián)用捕集粒徑較大的粉塵嚴格控制噴霧的過程，保證液滴大小均勻，對有效的操作是很有必要旋風洗滌器干式旋風分離器內(nèi)部以環(huán)形方式安裝一排噴嘴，就構成一種最簡單的旋風洗滌器噴霧作用發(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洗滌器的濕壁上，然后沿壁面沉落到器底在出口處通常需要安裝除霧器旋風水膜除塵器

噴霧沿切向噴向筒壁，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入，旋轉上升，靠離心力甩向壁面的粉塵為水膜所粘附，沿壁面流下排走

旋風洗滌器旋風洗滌器的壓力損失范圍一般為0.5～1.5kPa，可以下式進行估算

－旋風洗滌器的壓力損失，pa－噴霧系統(tǒng)關閉時的壓力損失，Pa－液滴密度，kg/m3－液滴初始平均速度，m/s旋風洗滌器離心洗滌器凈化dp<5μm的塵粒仍然有效耗水量L/G=0.5～1.5L/m3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脫水器由于氣流的旋轉運動，使其帶水現(xiàn)象減弱可采用比噴霧塔更細的噴嘴文丘里洗滌器又稱文丘里管除塵器。由文丘里管凝聚器和除霧器組成。除塵過程可分為霧化、凝聚和除霧等三個階段，前二階段在文丘里管內(nèi)進行，后一階段在除霧器內(nèi)完成。文氏管是一種投資省、效率高的濕法凈化設備。根據(jù)文氏管喉管供液方式的不同，可分為外噴文氏管和內(nèi)噴文氏管。1－循環(huán)泵；2－文氏管；3－調(diào)節(jié)板4－分離器；5－沉淀池

文丘里洗滌器結構型式按形狀分：矩形和圓形；按喉管構造分：有喉口部分無調(diào)節(jié)裝置的定徑文氏管和喉頭裝有調(diào)節(jié)裝置的調(diào)徑文氏管；按水霧化方式分：有預霧化和不預霧化兩種；按供水方式分：有徑向內(nèi)噴，徑內(nèi)外噴、軸向噴霧和溢流供水。確定文氏管幾何尺寸的基本原則是保證凈化效率和減小流體阻力。尺寸包括收縮管、喉管和擴散管的直徑和長度，及收縮管和擴散管的擴張角等。文丘里洗滌器(a)-(c)圓形定徑；(d)矩形定徑；(e)(f）重砣式定徑(倒裝和正裝)；(g)-(j)矩形調(diào)徑（翼板式、滑塊式、米粒式）文丘里洗滌器

除塵過程

含塵氣體由進氣管進入收縮管后，流速逐漸增大，氣流的壓力能逐漸轉變?yōu)閯幽茉诤砉苋肟谔?，氣速達到最大，一般為50～180m/s洗滌液

（一般為水）通過沿喉管周邊均勻分布的噴嘴進入，液滴被高速氣流霧化和加速充分的霧化是實現(xiàn)高效除塵的基本條件

文丘里洗滌器通常假定微細塵粒以氣流相同的速度進人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回升，使以顆粒為凝結核的凝聚速度加快，形成直徑較大的含塵液滴，以便于被低能洗滌器或除霧器捕集下來。文丘里洗滌器幾何尺寸進氣管直徑D1按與之相聯(lián)管道直徑確定收縮管的收縮角α1常取23o～25o喉管直徑DT按喉管氣速vT確定，其截面積與進口管截面積之比的典型值為1：4vT的選擇要考慮到粉塵、氣體和洗滌液的物理化學性質(zhì)、對洗滌器效率和阻力的要求等因素D2L112ConvergingsectionthroatDivergingsectionDTD1L2文丘里洗滌器設計計算的內(nèi)容為文丘里管收縮管、喉管和擴散管的直徑和長度，以及收縮管和擴散管的張角等主要尺寸的確定。（1）文氏管進、出口管和喉管的管徑或高度寬度計算

文丘里洗滌器矩形截面圓形截面進口管管徑一般按與之相連的管道大小確定，v1一般取16～22m/s。出口管管徑一般按其后相連的脫水器要求的氣速確定，v2一般為18～22m/s。喉管直徑DT按喉管內(nèi)氣流速度vT確定，在除塵中，一般vT=40～120m/s；凈化亞微米的塵粒，vT=90～120m/s，甚至150m/s；凈化較粗塵粒時，vT=60～90m/s。用于降溫及除塵效率要求不高時，vT取40～60m/s。在氣體吸收中，vT一般取20～23m/s。對于處理氣體量大的臥式矩形文丘里洗滌器，其喉管寬度不應大于600mm，而喉管的高度hT不受限制。文丘里洗滌器幾何尺寸（續(xù)）擴散管的擴散角α2一般為5o～7o出口管的直徑Dz按與其相聯(lián)的除霧器要求的氣速確定

L112ConvergingsectionthroatDivergingsectionDTD1L2收縮管的長度：擴張管的長度：通常取α1＝23～30度。當文丘里洗滌器用于氣體降溫時，取α1

＝23～25度；用于除塵時，取α1＝23～28度，最大可達30度。

擴張管的擴張角α2的取值一般與v2有關。v2越大，α2越小；反之亦然。一般取α2=6°~7°。②矩形文丘里收縮管和擴張管的長度

文丘里洗滌器取較大值收縮管的長度：擴張管的長度：取較大值（3）喉管長度喉管長度取=(0.8～1.5)（為喉管的當量直徑）。喉管截面為矩形時，喉管的當量直徑按下式計算

d0T＝4AT/q

式中，AT為喉管的截面積（m2），

q為喉管的周長（m）。通常喉管長度為200～350mm，最長不超過500mm。文丘里洗滌器過長阻力會增大，水量太小，形不成水簾子，太大，會反方向跑掉，也不能完全噴成霧狀，一般控制的水氣比為0.5-1l/m3。文丘里洗滌器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)學模式文丘里洗滌器壓力損失（續(xù)）卡爾弗壓力損失模式：基于喉管內(nèi)氣流方向上dx段的力平衡令x=0處（液體注入點）液滴在x方向的速度為零，積分得文丘里洗滌器壓力損失（續(xù)）假定：1.在喉管內(nèi)氣流速度為常數(shù)；2.氣體流動為不可壓縮的絕熱過程；3.在任何斷面上液氣比不變；4.液滴直徑為常數(shù)；5.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文丘里洗滌器壓力損失（續(xù)）對于球形液滴因為