浙大環(huán)境工程學(xué)教案第13-16講 第六章 顆粒污染物控制

第9頁★第6章顆粒污染物控制（8學(xué)時）本章教學(xué)內(nèi)容：除塵技術(shù)基礎(chǔ)，旋風(fēng)除塵器，袋式除塵器，靜電除塵器本章教學(xué)要求：掌握粉塵的幾何特性和重力沉降的規(guī)律；了解旋風(fēng)除塵器、靜電除塵器和袋式除塵器的性能，掌握這三種除塵器的工作原理和常用裝置，了解其他除塵器的原理與應(yīng)用，熟悉除塵器的技術(shù)動態(tài)。本章教學(xué)重點：粉塵的幾何特性，除塵器的工作原理與常用裝置本章習(xí)題:P4111,2,6,8,9第一節(jié)除塵技術(shù)基礎(chǔ)知識（2學(xué)時）大氣污染物主要來源于工業(yè)廢氣的排放，可以采用各種方法控制和治理廢氣。按廢氣來源分類可分為工藝生產(chǎn)尾氣治理方法、燃料燃燒廢氣治理方法、汽車尾氣治理方法等；按廢氣中污染物的物理形態(tài)可分為顆粒污染物治理(除塵)方法和氣態(tài)污染物治理方法。

一、顆粒污染物的物理性質(zhì)顆粒污染物的治理通常采用除塵技術(shù)。除塵技術(shù)是應(yīng)用各種除塵裝置捕集分離氣溶膠中的固態(tài)顆粒。為了深入理解各種除塵機理，首先應(yīng)了解顆粒污染物的各種物理性質(zhì)，才能提高除塵的效果，正確掌握除塵系統(tǒng)的設(shè)計、選擇和運行操作。氣溶膠中包含固體顆粒和液體顆粒。根據(jù)除塵技術(shù)的需要，這里只介紹固體顆粒的主要性質(zhì)。考慮到一般工程技術(shù)中的習(xí)慣，用“粉塵”一詞泛指固體顆粒。1.幾何特性顆粒污染物的幾何特性包括粉塵的粒徑、形狀、比表面積等。1）粒徑。粉塵粒子的粒徑一般分為代表粒子群中各單個粒子大小的單一粒徑和代表由不同大小粒子組成的粒子群的平均粒徑，單位一般以μm表示。（1）單一粒徑。按不同的測定方法，如投影法、篩分法、沉降法等，有不同的定義及表示方法，除塵技術(shù)中常用的粒徑有：定向粒徑dF，也稱菲雷特(Feret)直徑，為各粒子平面投影圖中同一方向上的最大投影距離。斯托克斯粒徑ds，系與被測粒子密度相同、終末沉降速度相等的球的直徑。粒子雷諾數(shù)Re＜1時，按斯托克斯(Stokes)定律可得：（6－1）式中μ—流體的動力粘度，Pa·s；vs—粒子在重力場中的終末沉降速度，m/s；ρp及ρ—粒子及流體的密度，kg／m3?？諝鈩恿W(xué)粒徑da，系在空氣中與被測粒子的沉降速度相等的單位密度(ρp＝1g／cm3)的球的直徑。單位為微米(空氣)，記為μmA，計算式為，式中ρp單位為g／cm3。分割粒徑dc，也稱臨界粒徑，為某除塵器的分級效率為50％時的粒徑。（2）平均粒徑。如果由形狀和大小各異的粒子組成的實際粒子群與由均一的球形粒子組成的假想粒子群具有相同的某一物理性質(zhì)，則稱此球形粒子的直徑為實際粒子群的平均粒徑。平均粒徑的計算方法有多種，如長度平均粒徑(算術(shù)平均粒徑)dl＝∑nd/∑n；體積平均粒徑dv＝∑(nd3/∑n)1/3；質(zhì)量平均粒徑dm＝∑nd4/∑nd3等，式中d為實際粒子群中不同粒子的粒徑，n為相應(yīng)不同粒徑的粒子個數(shù)。粒徑的計算方法應(yīng)根據(jù)粉塵的理化性質(zhì)和裝置的任務(wù)來確定。2）粒徑分布。某一粒子群中不同粒徑的粒子所占比例稱為粒徑分布，即指粒子的分散度。粒徑分布有粒數(shù)分布或質(zhì)量分布，前者為粒子的個數(shù)百分數(shù)，后者用粒子的質(zhì)量分數(shù)來表示。粒徑分布的表示方法有表格法、圖形法和函數(shù)法，常用的數(shù)學(xué)函數(shù)法有正態(tài)分布函數(shù)、對數(shù)分布函數(shù)、羅辛—拉姆勒（Rosin-Rammler）分布函數(shù)。除塵技術(shù)中多采用質(zhì)量分布，通常有頻率分布、頻度分布以及篩上累積頻率分布三種：頻率分布（相對頻數(shù)）ω為粒徑dp至dp＋Δdp之間的粒子質(zhì)量ΔM占粉塵試樣總質(zhì)量M的質(zhì)量分數(shù)，定義為：（6－2）頻度分布（頻率密度）f為單位粒徑間隔寬度Δdp時的頻率分布，取Δdp＝1μm時粒子質(zhì)量占粉塵試樣總質(zhì)量的百分數(shù)，定義為：（6－3）頻率分布f達到最大值時相對應(yīng)的粒徑dd稱為眾徑。篩上累積頻率分布（篩上累積分布）Rs為大于某一粒徑dp的全部粒子質(zhì)量占粉塵試樣總質(zhì)量的質(zhì)量分數(shù)，定義為：（6－4）反之，小于某一粒徑dp的全部粒子質(zhì)量占粉塵試樣總質(zhì)量的質(zhì)量分數(shù)稱為篩下累計頻率分布（篩下累計分布）Rx，即：（6－5）篩上累計分布和篩下累計分布相等(Rs＝Rx50％)時的粒徑d50稱為中位徑，也是除塵技術(shù)中常用的一種表示粉塵粒徑分布特性的方法。頻度分布f可用微分式表示，累計分布R可用積分式表示。以上三種粒徑分布均可根據(jù)計算結(jié)果繪出頻率（或頻度）分布的直方圖，并按照各組粒徑間隔的平均粒徑值，可以得到一條光滑的分布曲線。2）形狀。大多數(shù)粒子實際上是不規(guī)則形狀，在測定粒徑及研究粒子在流體中的運動時，通常把粒子假定為球形，因此出現(xiàn)理論計算與實際現(xiàn)象不符。3）比表面積。單位體積或質(zhì)量的粉塵具有的總表面積稱為粉塵的比表面積，單位為m2/m3或m2/kg。比表面表示粉塵粒子群總體的細度，通常影響粉塵的潤濕性和粘附性，用于研究通過粉塵層的流體阻力以及化學(xué)反應(yīng)、傳質(zhì)、傳熱等現(xiàn)象。粉塵粒子越細，比表面積越大，其物理和化學(xué)活性越顯著，通過顆粒層的流體阻力也隨之增大。2.密度單位體積粉塵的質(zhì)量稱為粉塵的密度，單位為kg/m3。粉塵在不同的產(chǎn)生情況和實驗條件具有不同的密度值，因此粉塵的密度分為真密度和堆積密度。粉塵的真密度是指將吸附在粉塵粒子凹凸表面、內(nèi)部空隙以及粒子之間的空氣排除以后測得顆粒自身的密度，用符號ρp表示；堆積密度是指包括粉塵粒子內(nèi)部空隙和粉體粒子之間氣體空間在內(nèi)的粉體密度，用符號ρb表示。粉塵的真密度與堆積密度之間存在如下關(guān)系：（6－6）式中，ε為空隙率，是指粉塵之間的空隙體積與包含空隙和粉體在內(nèi)的總體積之比?？梢姡瑢ν环N粉塵而言，ρb＜ρp。如硅酸鹽水泥塵（0.7～91μm），其ρp＝3.12kg/cm3，ρb＝1.50kg/cm3；煤燃燒產(chǎn)生的飛灰粒子（0.7～5.6μm），其ρp＝2.20kg/cm3，ρb＝1.07kg/cm3。對一定種類的粉塵，ρp為定值，而ρb則隨ε而變化。ε值與粉塵種類、粒徑、充填方式等因素有關(guān)。粉塵越細，吸附的空氣就越多，則ε值愈大；在擠壓或振動過程中充填，ε值減小。粉塵的真密度應(yīng)用于研究粉塵粒在廢氣中的運動以及除塵方式的選擇，而堆積密度則用在灰斗容積或倉儲的確定等方面。3.粘附性粉塵粒子附著在固體表面上或它們之間相互凝聚的可能性稱為粉塵的粘附性。從微觀上看，粉塵之間產(chǎn)生的各種粘附力主要有分子力（范德華力）、毛細力和靜電力(庫侖力)。通常，顆粒細小、表面粗糙且形狀不規(guī)則、含水量高且潤濕性好、含塵濃度高和荷電量大的粉塵，其粘附力增大。此外，粉塵粘附現(xiàn)象還與容器壁面粗糙度、周圍介質(zhì)性質(zhì)及粉塵的氣流運動狀況有關(guān)，如在光滑無可溶性和粘性物質(zhì)的固體表面上和低速氣流中運動的粉塵粒子不易粘附，而在氣體中的塵粒粘附要比液體中強得多。粉塵由于粘性力的的作用，在相互碰撞中會導(dǎo)致塵粒的凝聚變大，有助于提高對粉塵的捕集。由于電除塵器或袋式除塵器的除塵效率在很大程度上依賴于收塵極或濾料上捕集粉塵的能力，因此粘性力的影響尤為突出。但在除塵設(shè)備或含塵氣流管道中，粉塵粘附在器壁上會造成裝置和管道的堵塞或引起故障，需要加以防范。4.潤濕性粉塵粒子與液體相互附著或附著難易程度稱為粉塵的潤濕性。粉塵的潤濕性取決于液體分子的表面張力，表面張力越小的液體對粉塵的浸潤性越強。例如，水的表面張力比酒精或煤油大，其對粉塵的浸潤就較差。因此，各種粉塵對液體具有不同的親和程度，當塵粒與液滴接觸時，如果能擴大接觸面而相互附著的粉塵稱為親水性粉塵，反之，接觸面趨于縮小而不能相互附著的粉塵則稱為疏水性粉塵。粒塵的潤濕性還與粉塵的粒徑大小、理化性質(zhì)及所處狀態(tài)等因素有關(guān)。例如，石英的親水性好，但粉碎成粉末后親水能力就大為降低。一般來說，小于5μm尤其是1μm以下的塵粒就難以被水潤濕。這是由于細粉的比表面積大，對氣體有很強的吸附作用，表面存在著一層氣膜，只有當在塵粒與水滴之間以較高的相對速度運動而沖破氣膜時，才會相互附著。此外，粉塵的潤濕性還隨液體表面張力增大而減小，隨溫度降低而增大，隨壓力升高而增強。各種濕式技術(shù)中，粉塵的浸潤性是選擇除塵設(shè)備的主要依據(jù)之一。對于疏水性粉塵可加入某些浸潤劑(如皂角素等)，以減少固液之間的表面張力，增加粉塵的親水性。對于某些遇水易形成不溶于水的硬垢的粉塵，如水泥、石灰、白云石砂等，會造成設(shè)備和管道結(jié)垢或堵塞，故不宜采用濕式除塵技術(shù)。5.電性粉塵的電性主要有粉塵的荷電性及比電阻。（1）荷電性。粉塵在其產(chǎn)生和運動過程中，由于碰撞、摩擦、放射線照射、電暈放電以及接觸帶電體等原因帶有一定的電荷稱為粉塵的荷電性。其中，有些粉塵帶負電荷，有些帶正電荷，還有一些不帶電荷。粉塵荷電后，某些物理性質(zhì)，如凝聚性、附著性及在氣體中的穩(wěn)定性等將發(fā)生改變，并增加對人體的危害。粉塵隨著比表面積增大、含水量減少及溫度升高，其荷電量增加。（2）比電阻。粉塵的比電阻表現(xiàn)粉塵的導(dǎo)電性能，其表示方法和金屬導(dǎo)線相同，也用電阻率來表示，單位為Ω·cm。粉塵的比電阻除取決于它的化學(xué)成分外，還與測定條件有關(guān)，如溫度、濕度以及粉塵的粒度和松散度等，僅是一種可以相互比較的表觀電阻率。粉塵的比電阻包括容積比電阻和表面比電阻：容積比電阻為粉塵依靠其內(nèi)部的電子或離子進行的顆粒本體的容積導(dǎo)電；表面比電阻為粉塵依靠其表面因吸附水分或其他化學(xué)物質(zhì)而形成的化學(xué)膜進行表面導(dǎo)電。對于電阻率高的粉塵，在較高溫度(＞200℃)時，以容積導(dǎo)電為主；在較低溫度(＜100℃)時，表面導(dǎo)電占主導(dǎo)地位；在中間溫度范圍內(nèi)，粉塵的比電阻是兩種比電阻的合成，其值最高。比電阻是粉塵的重要特性之一，對電除塵器性能有重要影響。6.爆炸性可燃物形成粉塵(如硫礦粉、煤塵等)后，由于總表面積增加，粉體的表面自由能相應(yīng)增加，從而提高了粉塵的化學(xué)活性。當粉塵達到自燃溫度時，在一定的條件下會轉(zhuǎn)化為燃燒狀態(tài)。如果在封閉空間內(nèi)，可燃性懸浮粉塵的劇烈氧化燃燒會在瞬間產(chǎn)生大量的熱量和燃燒產(chǎn)物，當粉塵的放熱反應(yīng)速度超過系統(tǒng)的排熱速度，將在空間內(nèi)造成很高的壓力和溫度，形成化學(xué)爆炸?？扇夹苑蹓m的的濃度只是在一定的范圍內(nèi)才會發(fā)生爆炸，這一濃度稱為爆炸極限。能發(fā)生爆炸的粉塵最低濃度稱為爆炸下限，而其最高濃度稱為爆炸上限。低于爆炸下限或高于爆炸上限時的粉塵無爆炸危險，處于兩者之間的粉塵均屬于爆炸危險性粉塵。除塵裝置中通常只需考慮爆炸下限，因為一般粉塵的爆炸上限值很大，多數(shù)場合下難以達到。影響粉塵自燃和爆炸的因素很多。一般顆粒細小、分散度高、惰性塵粒(不燃塵粒)少、濕度低以及含有揮發(fā)性可燃氣體的粉塵，其自燃和爆炸的可能性增大。此外，有些粉塵(如鎂粉、碳化鈣粉塵)與水接觸后會引起自然爆炸，對于這種粉塵不能采用濕式除塵方法，還有一些粉塵互相接觸或混合后（如溴與磷、鋅粉與鎂粉）也會發(fā)生爆炸。對于有爆炸和火災(zāi)危險的粉塵，在進行除塵設(shè)計時，必須充分考慮粉塵自燃和爆炸性能，并對爆炸危險性粉塵采取必要的防范措施。7.安息角粉塵通過小孔連續(xù)落到水平板上，堆積成的錐體母線與水平面小于90°的夾角稱為粉塵的安息角，也叫靜止角或堆積角。安息角是粉塵的動力特性之一，用于評價粉塵的流動特性。安息角愈小，粉塵的流動性愈好，多數(shù)粉塵的安息角的平均值在35°左右。一般情況，粒徑大、表面光滑、接近球形、濕度低及粘性小的粉塵，其安息角減小。粉塵的安息角是設(shè)計除塵設(shè)備灰斗及管道傾斜度的主要依據(jù)。

二、除塵裝置捕集效率表示除塵器的除塵效率包括總除塵效率，分級除塵效率、通過率等。（1）總除塵效率η。設(shè)除塵器進口處的氣體流量為Qi（m3/s），粉塵流量為Mi（g/s），氣體含塵濃度為Ci（g/m3），相應(yīng)出口處的參數(shù)分別為Qo、Mo、Co，除塵器中捕集的粉塵流量為Mc(g/s)。對粉塵流量有Mi＝Mo+Mc，M=CQ。則同一時間內(nèi)除塵器捕集的粉塵質(zhì)量與進入的粉塵質(zhì)量之比的質(zhì)量分數(shù)即為總除塵效率η：(6－7)若除塵器完全密閉，穩(wěn)態(tài)等溫操作，則進出除塵器的氣體量不變，則上式可變?yōu)椋?6－8)通常測定除塵器進、出口的參數(shù)來計算總除塵效率。當除塵器漏氣量大于進口量的20％時，應(yīng)將測定的實際值換算成標準狀態(tài)時的參數(shù)（0℃，1.013×105Pa），按式(4－17)計算。（2）分級除塵效率ηd?？偝龎m效率是除塵器在一定運行工況下對某種特性粉塵的總捕集效果。但是，對粒徑分布不同的粉塵和同一特性粉塵中不同粒徑的粒子，除塵器的具有不同的除塵效率。為了正確評價除塵器對不同粒徑粉塵的捕集效果，采用分級除塵效率的概念。分級效率是指除塵器對某一粒徑dp或某一粒徑范圍Δdp的粉塵的捕集效果。假設(shè)進入除塵器的粉塵總量Mi中，粒徑dp或某一粒徑范圍Δdp的粉塵Mid的頻率分布為ωid＝ΔMid/Mi；在被捕集的粉塵總量Mc中，粒徑dp或某一粒徑范圍Δdp的粉塵ΔMcd的頻率分布ωcd＝ΔMcd/Mc，則除塵器對粒徑dp或某一粒徑范圍Δdp的粉塵的分級效率ηd為：(6－9)根據(jù)測定的除塵器的總效率，分析出的除塵器入口和捕集的粉塵粒徑頻率分布ωid和ωcd，即可按上式計算出分級效率。如果對式(4－19)右邊分子、分母同除以Δdp，由式（4－3）的關(guān)系，粉塵的分級效率可用除塵器入口及捕集的粉塵的頻度分布fid、fcd表示，即：(6－10)而總除塵效率從整個粒徑范圍的分級效率求和得到：(6－11)分級效率ηd與粒徑dp的關(guān)系，一般以指數(shù)函數(shù)形式表示：(6－12)式中，α和m為由實驗確定的系數(shù)。分級效率ηd隨α和m值的增大而提高，α值越大，粉塵逃逸量越小；而m值愈大，表明dp對ηd的影響越大。m值一般在0.33～1.20。（3）透過率P。一些除塵器的除塵效率非常高，可達99％以上，總效率的變化難以判斷除塵效果及排放對環(huán)境效應(yīng)的影響，有時用從除塵器中逃逸的粉塵質(zhì)量與進入的粉塵質(zhì)量之比的質(zhì)量分數(shù)，即透過率P來表示：(6－13)如兩臺除塵器的除塵效率分別為99.9％和99.0％，則前者P＝0.1％，后者P＝1.0％，后者的透過率為前者的10倍。（4）除塵器串聯(lián)運行的除塵總效率。設(shè)η1，η2，…，ηn分別為第1，2，…，n級除塵器的除塵效率，則n級除塵器串聯(lián)后的總除塵效率為：(6－14)三、重力沉降重力沉降是利用含塵氣體中的顆粒受重力作用而自然沉降的原理，將顆粒污染物與氣體分離的過程。特點是結(jié)構(gòu)簡單，造價低，便于維護管理，阻力小，且可以處理高溫氣體，但是效率低，一般只能去除50微米以上的顆粒。因此，重力沉降室主要作為高效除塵器的預(yù)處理。1.顆粒沉降速度在重力場的作用下，粒子在靜止流體中作自由沉降運動。假設(shè)粒子為球形，直徑為dp。粒子受到重力Fw以及流體的浮升力Fb和阻力Fd的共同作用，其合力為F＝Fw―Fb―Fd，其中：（6－15）(6－16)式中ρp及ρ—粒子及流體的密度，kg／m3；Cf—流體的阻力系數(shù)；v—粒子對流體的相對運動速度，m／s；Ap—粒子垂直于氣流方向的投影面積，對于球形顆粒，Ap＝πdp2/4，m2。粒子在重力作用下，克服流體的浮升力和阻力從起始位置開始作加速下降運動，即F＞0。由于流體阻力Fd隨加速沉降速度v的不斷增加大而增大，當Fd增大到使合力F＝0時，加速過程結(jié)束，塵粒開始作均速下降運動。此時的塵粒沉降速度達到了恒定的最大值vs，稱為終末沉降速度，簡稱沉降速度。由式（4－7）和(4－8)可得：(6－17)流體阻力系數(shù)Cf隨流動狀態(tài)而變化，即與粒子雷諾數(shù)Re＝vdpρ/μ有關(guān)，式中μ為流體的動力粘度，Pa·s。球形粒子Cf的研究結(jié)果如下：(6－18)對處于不同流動區(qū)域的粒子，將相應(yīng)的Cf代入式(4－9)，得到三種流動狀況下的終末沉降速度。例如，對于dp＝1～100μm的較小顆粒，一般處于層流區(qū)，其終末沉降速度為：(6－19)由式(6－19)可知，vs∝dp2，越細小的粉塵，其沉降速度越小，則越難以分離；含塵氣流的溫度增高，其密度減小而粘度增加，沉降速度減小，也不易分離。式(6－1)的斯托克斯粒徑ds即由式(6－19)求解得到。此外，顆粒形狀、粒子的凝并、高濃度時顆粒之間相互作用、容器壁面等因素對顆粒的沉降也有影響。對實際工作中的非球形通常近似按球形粒子處理。2.重力沉降室的設(shè)計重力沉降室是利用重力沉降作用使粉塵從氣流中分離的裝置，如圖6－1所示，圖中L、H、B分別為沉降室的長、高、寬。當含塵氣流進入后，由于流通面積擴大，流速下降，塵粒借本身重力作用以沉降速度vs向底部緩慢沉降，同時以氣流在沉降室內(nèi)的水平速度vo繼續(xù)向前運動。如果氣流通過沉降室的時間大于或等于塵粒從頂部沉降到底部所需的時間，即L/vo≥H/vs，則具有沉降速度為vs的塵粒能夠全部沉降。當沉降室的結(jié)構(gòu)尺寸、含塵氣體的性質(zhì)和流量Q一定時確定后，如果粒子沉降運動處于層流區(qū)時，則可用斯托克斯式（4－11）求得沉降室能100％捕集的最小塵粒的粒徑dmin為：（6－20）上式為理論計算式，但實際由于氣流運動狀況，粒子形狀及濃度分布等影響，沉降效率會有所降低。顯然，dmin越小，除塵效率越高。由式（6－20）可知,降低沉降室內(nèi)氣流速度vo，減小沉降室的高度H和增加沉降室長度L，均能提高重力沉降室的除塵效率。但是vo過小或L過長，都會使沉降體積龐大,一般取vo＝0.2～2.0m/s。圖6－2為降低H的多層重力沉降室，在室內(nèi)沿水平方向設(shè)置n層隔板，其沉降高度就降為H/(n+1)。重力沉降室的設(shè)計步驟是：首先根據(jù)粉塵的真密度和該沉降室應(yīng)能捕集的最小塵粒的粒徑計算出沉降速度vs，再選取室內(nèi)氣速vo和沉降高度H(或?qū)挾菳)，最后確定沉降室的長度L和寬度B(或高度H)。重力沉降室一般能捕集40～50μm以上而不宜捕集20μm以下的塵粒。它的除塵效率低，一般僅為40％-70％，且設(shè)備龐大。但阻力損失小，Δp＝50～150Pa，且結(jié)構(gòu)簡單，投資少，使用方便，維護管理容易，適用于顆粒粗、凈化密度大、磨損強的粉塵。一般作為多級凈化系統(tǒng)的預(yù)處理。第三節(jié)旋風(fēng)除塵（2學(xué)時）旋風(fēng)除塵器是利用旋轉(zhuǎn)氣流的離心力使粉塵從含塵氣流中分離的裝置。旋風(fēng)除塵器的結(jié)構(gòu)簡單，運行方便，效率適中(80％～90％)，阻力約1000Pa左右，適于凈化密度較大、粒度較粗（＞10μm）的非纖維性粉塵，應(yīng)用最為廣泛。一、旋風(fēng)除塵器的工作原理旋風(fēng)除塵器一般由筒體和錐體，進氣管和排氣管及密封灰斗組成，結(jié)構(gòu)如圖6－3所示。由進氣口切向進入的含塵氣流沿筒體內(nèi)壁從上向下做旋轉(zhuǎn)運動，到達錐體底部的回流區(qū)后轉(zhuǎn)而向上，在中心區(qū)旋轉(zhuǎn)上升，最后經(jīng)排氣管向外排出。一般將沿外圈向下旋轉(zhuǎn)的氣流稱為外旋流，而將中心旋轉(zhuǎn)向上的氣流稱為內(nèi)旋流，兩者的旋轉(zhuǎn)方向相同。由于實際氣體具有粘性，外旋流是旋轉(zhuǎn)向下的準自由渦流，同時有向心的徑向運動；內(nèi)旋流是旋轉(zhuǎn)向上的強制渦流，同時有離心的徑向運動。旋轉(zhuǎn)氣流中的塵粒依靠離心力向外移動，達到筒體內(nèi)壁后在氣流和重力的共同作用下，沿壁面落入灰斗。離心分離是利用旋轉(zhuǎn)含塵氣流產(chǎn)生的離心力的作用使粒子與氣體分離的一種簡單而重要的分離方法。它可以產(chǎn)生比重力大得多的分離力，因此得到廣泛的應(yīng)用。此外，離心力對慣性分離和慮料攔截起著重要作用。在離心力的作用下，粒子將產(chǎn)生垂直于切向的徑向運動，最終到達壁面而從氣流中分離出來。對處于斯托克斯區(qū)的球形粒子所受離心力Fc為：(6－21)式中vθ—旋轉(zhuǎn)半徑r處氣流和粒子的切向速度，m／s；r—旋轉(zhuǎn)氣流流線的半徑，m；與重力分離相同，粒子沿徑向運動時受到流體向心的徑向阻力Fd作用：(6－22)式中vr—旋轉(zhuǎn)半徑r處氣流和粒子的向心徑向速度，m／s。當Fc＝Fd，即離心力和向心阻力平衡時，粒子的終末離心沉降速度vrs為：(6－23)式(6－23)與式(6－21)具有相同的形式，僅以離心加速度vθ2/r代替式(6－20)中的重力加速度g。由(6－23)可知，vrs除了與粒徑和含塵氣流溫度有關(guān)外，還受氣流的旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)半徑的影響。氣流的旋轉(zhuǎn)速度越高，旋轉(zhuǎn)半徑越小，其終末離心沉降速度vrs越大，愈能分離細小的塵粒。旋風(fēng)除塵器的顆粒分離機理有多種解釋：①假想圓筒理論，認為內(nèi)、外旋流的分界面附近有一假想圓筒，內(nèi)旋流中的粒子易被排出氣流帶走，外旋流中的粒子易被捕集；②轉(zhuǎn)圈理論，認為粒子在隨氣流旋轉(zhuǎn)下降到底部前，如果能碰到筒壁，則認為粒子能被分離；③湍流徑向返混理論，認為氣體的湍流混合、對粒子的阻力、粒子反彈及二次飛揚等作用，使旋風(fēng)除塵器的任一水平橫截面上，未捕集的粒子迅速處于連續(xù)均勻分布。旋轉(zhuǎn)氣流中的粒子受到方向相反的兩個力－離心力Fc和阻力Fd的共同作用。在內(nèi)外旋流的分界面上，外旋流的切向速度vθ最大，粒子在此處所受離心力Fc也最大，當Fc＞Fd，粒子移向外旋流而被捕集；Fc＜Fd，則粒子向內(nèi)旋流移動而被氣流帶走。二、旋風(fēng)除塵器的分離性能（一）顆粒的分離直徑（二）捕集效率（三）捕集效率的影響因素三、旋風(fēng)除塵器的分類與選型四、旋風(fēng)除塵器的設(shè)計（了解）第四節(jié)靜電除塵（2學(xué)時）以靜電分離作為除塵的機理，利用高壓電場使塵粒荷電，在電場力的作用下使粉塵與氣流分離的裝置。有干法清灰和濕法清灰兩種型式。其特點是除塵效率高(特別是濕法清灰)，流動阻力小，能耗低，但消耗鋼材多，投資高。一、靜電除塵的基本原理電除塵器是利用靜電分離原理使粉塵從氣體中分離的裝置。它能分離粒徑為lμm左右的細塵粒，除塵效率高(＞99％)，阻力小(200～500Pa)，處理煙氣量大(30～300m3/s)，適用于高溫或腐蝕性氣體，所以廣泛地應(yīng)用在各種工業(yè)部門。電除塵器的除塵過程分為高壓電場的電暈放電，塵粒與電子和自由碰撞后的粒子荷電，粒子在電場力的作用下向集塵極運動的粒子沉降，以及粒子清除4個階段，其分離機理前面已經(jīng)討論過。按集塵極的形狀，電除塵器可分為管式和板式2種，如圖6-4所示。管式電除塵器的集塵極一般為多根并列的金屬圓管或六角形管，適用于氣體量較小的情況。板式電除塵器采用各種斷面形狀的平行鋼板作集塵極，可從幾平方米到幾百平方米，極間均布電暈線，處理氣體量很大。根據(jù)粒子荷電和集塵的空間位置，電除塵器有單區(qū)和雙區(qū)兩種布置方式，如圖6-5所示。單區(qū)電除塵器是荷電和集塵在同一空間區(qū)域，多用于鍋爐及其他工業(yè)除塵；雙區(qū)電除塵器則是荷電和集塵先后在兩個電場空間內(nèi)進行，常用于空氣調(diào)節(jié)等粉塵濃度很低的空氣凈化，而且使用陽極電暈。電暈放電效果與電壓有關(guān)。當電壓較低時，不足以使自由電子獲得高速運動的能量，因此難以撞擊氣體分子使之電離而實現(xiàn)電暈放電。當達到起暈電壓U0后，一般為20kV，產(chǎn)生電暈放電，電暈電流I呈拋物線上升。隨著電壓的增大，空氣電離即電暈放電的范圍逐漸擴大。若電壓高到一定值，一般高于60kV，達到擊穿電壓Us后，I急劇上升，會使兩極間的空氣全部電離，整個電場被擊穿，發(fā)生弧光放電，電路短路，燒壞電極或供電設(shè)備。電除塵器的電暈電流與電壓的關(guān)系如圖圖6-6所示。實踐表明，負電暈電流高于同一電壓下的正電暈電流，而且負電暈擊穿電壓高于正電暈，因此負電暈穩(wěn)定性好，對除塵有利。影響電暈放電的因素有氣體的成分、溫度、壓力和電極的形狀、尺寸、積灰狀況，以及粉塵特性等。二、靜電除塵器的分類與結(jié)構(gòu)（一）靜電除塵器的分類除塵器類型雙區(qū)電除塵器－通風(fēng)空氣的凈化和某些輕工業(yè)部門單區(qū)電除塵器－控制各種工藝尾氣和燃燒煙氣污染管式電除塵器用于氣體流量小，含霧滴氣體，或需要用水洗刷電極的場合板式電除塵器為工業(yè)上應(yīng)用的主要型式，氣體處理量一般為25一50m3/s以上（二）靜電除塵器的結(jié)構(gòu)電除塵器主要由放電極、集塵極、氣流分布裝置、清灰裝置、供電設(shè)備等組成。放電極應(yīng)有起暈電壓低、電暈電流大等良好的放電性能，足夠的機械強度和耐腐蝕性，且容易清灰。電暈線有多種形狀，常見的有圓形、星形、芒刺形等，如圖4-16所示。集塵極要有利于塵粒沉積，清灰方便，振打時再次飛揚少，有足夠的剛性，金屬消耗低(占金屬總消耗量的30％～50％)，制造方便等。板式集塵極的形式如圖4-17所示，一般有平板式、箱式和型板式，平板式剛度較差，清灰時二次飛揚嚴重；箱式目前已很少采用；型板兩側(cè)設(shè)有溝槽或檔板以增大剛度，同時避免直接沖刷板面，防止二次揚塵，目前應(yīng)用最多。極板的厚度為1.2～2.0mm，板間距為220～300mm。為了提高除塵效率，要求氣流均勻進入除塵器電場。一般在除塵器電場之前設(shè)置1～3塊開有圓孔或方孔的氣流分布孔板，也可采用格柵式分布板等。電極清灰裝置是為了避免極板上粉塵沉積較厚時電暈電流的減小，使除塵效率降低。清灰方式有干式和濕式兩種。板式電除塵器常采用干式清灰，清灰是用機械撞擊（跌落振打或錘擊振打）或電極振動使灰塵脫離極板，振打時存在二次揚塵等問題。振打要有合適的振打強度和頻率，通常在運行中調(diào)節(jié)確定。管式電除塵器常采用濕式清灰，它是利用噴霧或溢流水等方式在集塵極表面保持一層水膜，粉塵隨水膜流動而沖走，避免了二次飛揚，提高除塵效率。但存在極板腐蝕和污水、污泥處理問題。電除塵器的供電設(shè)備應(yīng)能提供足夠高的電壓并具有足夠的功率，操作穩(wěn)定。目前多采用可控硅控制和火花跟蹤自動調(diào)壓的高壓硅整流設(shè)備，可以把除塵器的功率輸入穩(wěn)定在可能達到的最大值，從而保持高的除塵效率。三、靜電除塵器的效率電除塵器除塵效率通常按德意希(Deutch)捕集效率方程計算。該方程可由理論導(dǎo)出，推導(dǎo)時作了一些假定：除塵器中為的氣流為湍流；通過除塵器任一橫斷面上的氣流和塵粒濃度均勻分布；進入除塵器的塵粒即刻荷電完畢；集塵極附近所有塵粒的驅(qū)進速度相同，與氣流速度相比是很小的；忽略塵粒重返氣流的影響。若集塵極面積為A（m2），氣體總流量為Q（m3/s），德意希捕集效率方程為：(6－28)式中，vp稱為有效驅(qū)進速度，并不是式（6－16）中的驅(qū)進速度ves。因為德意希理論推導(dǎo)和ves計算式中沒有考慮各種實際因素的影響，實際值低于用式(4－28)計算的捕集效率，據(jù)估計ves＝（2～10）vp，因此引入有效驅(qū)進速度的概念。vp是實際中對一定結(jié)構(gòu)和運行條件的電除塵器實測η、A和Q的值后，反算出相應(yīng)的驅(qū)進速度，用作設(shè)計新除塵器的基礎(chǔ)。德意希效率公式指明了提高捕集效率的途徑，在電除塵器設(shè)計和分析中被廣泛應(yīng)用。影響電除塵器捕集效率的因素，主要有氣體的性質(zhì)和狀態(tài)、粉塵特性、電極形狀和尺寸及供電參數(shù)等。（1）氣體性質(zhì)。對電子親和力高的負電性氣體如O2和SO2，以及與高速電子碰撞時易電離出一個氧原子的氣體如CO2和HO2(蒸汽)，能很快俘獲電子，形成穩(wěn)定的負離子。而非負電性氣體如N2，不能形成負離子。此外，電場中遷移速率較低的離子，如SO2氣體離子，具有較高的擊穿電壓。因此，氣體中有負電性和低離子遷移率的氣體存在，可施加更高的電壓，即更強的電場，則提高塵粒的驅(qū)進速度，即提高捕集效率。（2）氣體的工作狀態(tài)。氣體的壓力降低或溫度升高，氣體密度小，分子平均自由程增大，有利于電子加速到氣體電離的速度，可降低起暈電壓，改善除塵器的工作性能。（3）粉塵比電阻。粉塵正常工作的比電阻范圍一般為104～2×1010Ω·cm。粉塵到達集塵極之后，會以適當?shù)乃俣确懦鲭姾?。若比電阻小?04Ω·cm，帶負電的塵粒到達集塵極后，會立刻放出電荷，失去極板對其產(chǎn)生的吸引力，容易產(chǎn)生粉塵的二次飛揚。若比電阻大于2×1010Ω·cm，粉塵沉積到集塵極表面后，不能完全釋放電荷，易形成與集塵極電性相反的帶負電的粉塵層，排斥隨后到來的帶電塵粒，阻止其沉積。此外，若帶電粉塵層出現(xiàn)裂縫時，該處還會形成局部的高場強電場，使裂縫內(nèi)的空氣電離，產(chǎn)生局部電暈放電，即反電暈。電離產(chǎn)生的正離子要向負極(電暈極)移動，運動時與荷負電塵粒碰撞中和，使除塵效率大為降低。氣體溫度與濕度對微粒比電阻有重要的影響。如鍋爐飛灰，溫度小于250℃范圍，粉塵的比電阻隨溫度的升高而增加。因為低溫時塵粒吸附的水蒸氣多，導(dǎo)電性能好，故比電阻低。溫度升高后，塵粒吸附的水蒸氣蒸發(fā)，比電阻逐漸增加。同理，煙氣含濕量增加，粉塵的比電阻下降，當溫度大于250℃后，比電阻基本不受煙氣含濕量的影響。（4）粒徑。dp＞1.0μm以后，隨著粒徑增大，荷電量q顯著增加，q的增幅大于dp的增大，因此驅(qū)進速度提高，除塵效率迅速增加。（5）粉塵濃度。進口氣體含塵濃度較低時，捕集效率隨粉塵濃度增加會有所提高。但進口濃度過高，電場中的氣體離子大量沉積到塵粒上，由于荷電塵粒的運動速度遠比氣體離子運動速度小，所以電流減弱，除塵效率下降。（6）供電參數(shù)。通常，隨著極間電壓升高，電暈功率和電流急劇增大，因此除塵效率隨電暈功率而增加。四、靜電除塵器的設(shè)計電除塵器的選擇和設(shè)計：電除塵器的選擇和設(shè)計仍然主要采用經(jīng)驗公式類比方法比集塵表面積的確定根據(jù)運行和設(shè)計經(jīng)驗，確定有效驅(qū)進速度ωe按德意希方程求得比集塵表面積A/Q長高比的確定集塵板有效長度與高度之比，直接影響振打清灰時二次揚塵的多少要求除塵效率大于99%時，除塵器的長高比至少要1.0－1.5。氣流速度的確定通常由處理煙氣量和電除塵器過氣斷面積，計算煙氣的平均流速平均流速高于某一臨界速度時，作用在粒子上的空氣動力學(xué)阻力會迅速增加，粉塵的重新進入量亦迅速增加氣體的含塵濃度如果氣體含塵濃度很高，電場內(nèi)塵粒的空間電荷很高，易發(fā)生電暈閉塞應(yīng)對措施－提高工作電壓，采用放電強烈的芒剌型電暈極，電除塵器前增設(shè)預(yù)凈化設(shè)備等電除塵器的輔助設(shè)計因素（一）平板式除塵器設(shè)計程序：通道數(shù)通道橫斷面積處理氣量處理時間（二）管式除塵器設(shè)計程序：圓筒個數(shù)通道橫斷面積處理氣量處理時間第四節(jié)袋式除塵（2學(xué)時）利用含塵氣流通過濾