除尘设备简介

10．2．1 机械除尘器

利用质量力（重力、惯性力和离心力）的作用使颗粒物与气体分离的装置，常用的有：重力沉降室、惯性除尘器和旋风除尘器。 如图10．2中的水泥工业生产中的燃油水泥窑炉示意图。

图10．2 水泥窑炉示意图

1．平流重力沉降室

它的定义是通过重力作用使尘粒从气流中沉降分离的除尘装置。 如图10．3所示的沉降室示意图。

图10．3 沉降室

工作原理是气流进入重力沉降室后，流动截面积扩大，流速降低，较重颗粒在重力作用下缓慢向灰斗沉降。 沉降方式有层流式和湍流式两种。

因此沉降室需要的断面尺寸较大，使含尘在沉降室内的速度v大为下降，成为紊流或接近层流状态下的运动。 因为紊流运动的次级运动速度将妨碍粉尘的面积。 尘粒在重力作用下按沉降速度vc缓慢下降，经过足够长的时间，尘粒由上部降落至室底，从气流中分离出来。为了保证沉降室内气流能在层流状态下运动，故进风管不应直接插入沉降室的室壁。 应通过平滑的渐扩管与其相联。 如果地位受限制，则应装设导流板，以保证气流均匀分布。

假定沉降室内气流为柱塞流；颗粒均匀分布于烟气中，忽略气体浮力，粒子仅受重力和阻力的作用。

从如图10．4所示可以看出，为了使得尘粒在通过沉降室过程中沉入底部，要求在尘粒高度方向下降到底部的时间要短于长度方向上运行时间，分析如下：

高度方向运行时间为：tc＝；长度方向运行时间为：t＝，要使得粉尘尘粒不被带走，必须满足的条件是：t≥tc即：

图10．4 层流式重力沉降室

在设计重力沉降室时，必须先确定捕集粉尘的沉降速度vc和沉降室高度h，然后确定沉降室内的气流速度v和长度l及其宽度b。

粉尘粒径dc直接影响着沉降速度，如果要除去微小颗粒，沉降速度值应该很小，沉降室高度要小，长度要很长，这非常不现实。 因此用重力沉降仅能去除50μm以上的粉尘，而微小粒径的粉尘必须依靠其他方法处理。

沉降室内的气流速度v一般设计在0．3～2m／s，而不同的尘粒所需要的速度也不同，具体如表10．2所示。

表10．2 不同粉尘的最高允许气流速度

为了降低尘粒沉落时间，通过缩短沉降室的高度办法来做到，这就出现了多层沉降室除尘器，具体如图10．5所示，沉降室内加入了n块水平隔板，使沉降高度减少为原来的1／（n＋1）。

2．湍流式重力沉降室

沉降室中气流处于湍流状态，垂直于气流方向的每个断面上粒子完全混合。 在湍流状态下，沉降室的除尘效率要下降，具体如图10．6所示。 假设：

①在临近底板表面有一层层流层，厚度为dy，处于层流层中的所有颗粒很快将会被捕集。

②由于湍流作用，整个通道内各种大小粒子都均匀分布。

图10．5 多层沉降室

图10．6 湍流模型分析图

设沉降室高度为H，宽度为L，长为dx的单元体。 设气流经过dx时的时间为dt，此时在层流层内粉尘沉降距离为dy，则有

由于粉尘在断面上分布均匀，所以被捕集的粉尘量d N与整个粉尘量N的比值，即为层流层面积与整个沉降室断面积的比值：

积分得：

当x＝0时，N＝N0，C＝N0，上式可写成为

在沉降室出口处，x＝L时的粉尘量为

沉降室的除尘效率η为

3．重力沉降室的优缺点

（1）重力沉降室的优点有：

①结构简单，造价低；

②运行可靠，维护费用少；

③阻力低；

④不受温度及压力的限制（除了受沉降室的结构材料所局限外）；

⑤没有磨损问题；

⑥可以回收干灰。

（2）重力沉降室的缺点有：

①占地面积大；

②除尘效率低，一般只适用于捕集粗颗粒粉尘，直径大于50～100μm。

10．2．2 惯性除尘器

沉降室内设置各种形式的挡板，含尘气流冲击在挡板上，气流方向发生急剧转变，借助尘粒本身的惯性力作用，使其与气流分离。 具体的示意图如图10．7所示。

惯性除尘器主要种类有：冲击式惯性除尘器、回流式惯性除尘器、反转式惯性除尘器、碰撞式惯性除尘器。 图10．7就是冲击式惯性除尘器。

10．2．2．1 冲击式惯性除尘器

冲击式惯性除尘器的结构图如图10．8所示，可分为单级式和多级式。

图10．7 惯性沉降示意图

图10．8 冲击式惯性除尘示意图

冲击式-气流冲击挡板捕集较粗粒子，一般是净化密度和粒径较大的金属或矿物性粉尘。净化效率不高，一般只用于多级除尘中的一级除尘。 捕集10～20μm以上的粗颗粒压力损失100～1000Pa。

10．2．2．2 反转式惯性除尘器

反转式惯性除尘器具体常见的形式有如下几种，如图10．9所示。

图10．9 反转式惯性除尘装置

10．2．2．3 气流折返式惯性除尘器

气流折返式惯性除尘器具体如图10．10所示。

图10．10 气流折返式惯性除尘器

这种除尘器主要是依靠气流的急剧转折，在惯性作用下使得粉尘分离。图10．10中（a）图的气流进入沉降室后遇到挡板，折转90°后排出。 （b）图的形式可以降低降尘阻力。 （c）图的气流折转角度为180°，因此离心力产生的分离力增加。 （d）图的进气管插入沉降室内，气流折转向上，然后排出，有时进气管也作渐扩形式，以降低进气管出口的气流速度，减小有气流冲击引起的二次扬尘。这种类型的惯性除尘器曾用于高炉的除尘，进气管内的流速达到10m／s，进入沉降室的流速降至大约1μm。对于直径大于25～30μm的粉尘的捕集效率达到65％～85％。

10．2．2．4 回流式惯性除尘器

如图10．11所示，回流式惯性除尘器特点是构造简单，没有活动部件，可以就近生产设备进行安装，因此运行成本远远低于袋式除尘器、静电除尘器以及洗涤式除尘器，是可供选择的主要除尘设备之一，特别是用于预除尘或物料分离方面，更具独特优点。

图10．11 回流式惯性除尘器构造示意图

1．构造特征

（1）回流式惯性除尘器的构造

除尘器由一个圆柱筒及排尘装置组成如图10．11所示。 圆柱筒内部含有一簇依据空气动力学原理设计的锥形环，每个锥环的直径比前一个锥环的直径略小，排列成锥体。 当含有粉尘的气流从除尘器的入口端沿轴线方向流动时，由于锥环内外存在压差，气体从两锥之间流向外圆筒中，而尘粒在空气动力的作用下向里朝锥环的中心流动，并经过排尘装置流向收料器，净化后的气体则从圆筒尾端排出。

（2）回流式惯性除尘器的优点

①除尘器性能卓越，可以水平、垂直或倾斜方式安装，加之尺寸紧凑，可以就近生产设备安装，在粉尘源处对物料进行收集和净化。

②除尘器设计简单，本体可用多种材料很经济地因地制宜制造，以满足不同的工况要求。

③除尘器没有活动部件或过滤器，因此其运行成本远远低于滤袋式除尘器、静电除尘器及洗涤式除尘器。

④运行安全可靠，防火防爆，无须频繁检查。

2．回流分离机理

如图10．12所示，设有一回转180°的回流式惯性除尘器，垂直于画面的宽度取为b，入口的含尘气流速度为ui，颗粒为均匀分布。进入除尘器后，由于惯性效应，颗粒逐渐向外壁浓集，无返混。 任意处r的颗粒的三个速度分量为：切向速度ut，重力沉降速度ug，在惯性效应下向外浮游的径向速度ur。通过计算得到了回流式除尘器的除尘效率。

图10．12 回流式惯性除尘器示意图

式中 ηi——除尘效率；

f——除尘器摩擦系数；

ui——尘粒入口时的速度；

ρD——颗粒密度；

μ——气体黏度；

δ——颗粒尺寸当量直径；

φ——颗粒径向相对水平面的夹角。r0，rφ，ri分别如图所示对应的尺寸。

从上式可以看出除尘效率与颗粒密度、直径、回转速度、角度、气体黏度等复杂关系。

10．2．3 旋风除尘器

10．2．3．1 旋风除尘器工作原理

图10．13 旋风除尘器

旋风除尘器的结构如图10．13所示。 当含尘气流由进气管进入旋风除尘器时，气流将由直线运动变为圆周运动。 旋转气流的绝大部分沿器壁呈螺旋形向下，朝锥体流动。 通常称此为外旋气流。 含尘气体在旋转过程中产生离心力，将重度大于气体的尘粒甩向器壁，尘粒一旦与器壁接触，便失去惯性力而靠入口速度的动量和向下的重力沿壁面下落，进入排灰管。旋转下降的外旋气流在到达锥体时，因锥体形的收缩而向除尘器中心靠拢。 根据“旋转矩”不变原理，其切向速度不断提高。 当气流到达锥体下端某一位置时，即以同样的旋转方向从旋风除尘器中部，由下反转而上，继续作螺旋流动，即内旋气流。 最后净化气经排气管排出旋风除尘器外。 一部分未被捕集的尘粒也由此逃失。

10．2．3．2 旋风除尘器内的流场

旋风除尘器内的流场是一个相当复杂的三维流场。 气体在旋风器内作旋转运动时，任一点的速度均可分解为切向速度vt、轴向速度vz和径向速度vr。

1．旋风除尘器的三维速度分布

（1）切向速度vt分布

切向速度对于粉尘颗粒的捕集与分离起着主导作用。 含尘气体在切向速度的作用下，使尘粒由里向外离心沉降。

在排气管以下任一截面上的切向速度vt沿半径的变化规律为：

在旋风除尘器中心部分的旋转气流，其切向速度vt随着半径的增大而增大，是类似与刚体旋转运动的强制涡流，称为“内涡旋”；除尘器外部的旋转气流，其切向速度vt则随着半径的增加而减少，是准自由旋涡，称为“外旋涡”。 在内、外涡旋的交界面上，切向速度达到最大值（见图10．14）。 各种不同结构的旋风除尘器，其切向速度分布规律基本相同。 表达通式为

图10．14 旋风除尘器内气体的切向速度和压力分布图

vtrn＝常数 （10．19）

式中 r——气流质点的旋转半径，即距除尘器轴心的距离；

n——旋转指数。对外涡旋，n＝0．5～0．8；在内涡旋的外侧面上n＝0，vt为常数，并达到了最大值。

对内涡旋，n＝1，则有

vt／r＝ω＝常数 （10．20）

（2）径向速度vr

根据实验表明，在排气管入口以下的空间存在着向心的径向流动。 在旋风除尘器中，径向速度沿着高度的分布并不是均匀的，尤其是在排气管入口附近的径向速度值较大，对粉尘的捕集是不利的。 由于径向速度值比切向速度值小一个数量级，而在除尘器内径向压力梯度又较大，所以极难测定，因而，至今对径向速度的分布规律还研究不足。

（3）轴向速度vz

靠近旋风除尘器外壁的一层旋转气流的轴向速度vz是下行的，中心部分是上行的，这样的轴向速度分布，构成了旋风除尘器内气体的双层旋转流动结构。 实验证明，在这两层部分气体交界面上轴向速度为零，该交界面与器壁平行呈倒圆锥形。

2．旋风除尘器的涡流

旋风除尘器内，除了主旋转气流外，还存在着由轴向速度vz和径向速度vr相互作用而形成的涡流。

涡流对旋风除尘器的分离效率和压力损失影响较大。 常见的涡流有以下几种：

①短路流即旋风除尘器顶盖、排气管外面与筒体内壁之间，由于径向速度与轴向速度的存在，将形成局部涡流（上涡流），夹带着相当数量的尘粒向中心流动，并沿排气管外表面下降，最后随中心上升气流逸出排气管，影响了除尘效率。

②纵向旋涡流

纵向旋涡流是以旋风除尘器内、外旋流分解面为中心的器内再循环而形成的纵向流动。由于排气管内的有效流通截面小于排气管管端以下内旋流的有效流通截面，因此在排气管管端处产生节流效应，从而使气体对大颗粒的甩力超过颗粒所受的离心力，而造成“短路”，影响了分离性能。

③外层涡流中的局部涡流

由于旋风除尘器壁面不光滑，如突起、焊缝等，可产生与主流方向垂直的涡流，其量虽只有约主流的五分之一，但这种流动会使壁面附近，或者已被分离到壁面的粒子重新甩到内层旋流，使较大的尘粒在净化气中出现，降低了旋风除尘器的分离能力。 这种湍流对分离5μm以下的颗粒尤为不利。

④底部夹带

外层旋流在锥体顶部向上返转时可产生局部涡流，将粉尘重新卷起，假使旋流一直延伸到灰斗，也同样会把灰斗中粉尘，特别是细粉尘搅起，被上升气流带走。 底部夹带的粉尘量占从排气管带出粉尘总量的20％～30％。 因此，合理的结构设计，减少底部夹带是改善旋风除尘器捕集效率的重要方面。

3．旋风除尘器内的压力分布

一般旋风除尘器内的压力分布如图10．14所示。 根据实测结果分析，旋风除尘器内的压力损失在轴向，圆周切向及径向的变化情况可归纳为如下几点：

（1）轴向压力变化

在捕集分离空间，沿轴上下方向的速度变化很小，几乎不产生压差，而气流从排气管沿轴向压力变化很大。

（2）切向压力变化

不论是捕集分离空间或排尘后排气空间，沿气流旋转在圆周的切向压力变化很小，仅由于气流不均匀而稍有变化。

（3）径向压力变化

由于离心力作用，压力沿径向变化非常显著，尤其是在中心部分，其压力梯度更大。 但动压变化不大，主要受静压支配。

4．旋风除尘器的性能指标

（1）处理气体流量QN

处理气体流量是代表除尘器处理气体能力大小的指标，一般以体积流量表示。 实际运行的除尘装置，由于漏气等原因，往往旋风除尘器的进口和出口的气体流量不同，因此，用两者的平均值代表处理气体流量，用QN表示，即

式中 QN——处理气体流量，m3／s；

Q1N——旋风除尘器的进口气体流量，m3／s；

Q2N——旋风除尘器的出口气体流量，m3／s。

旋风除尘器的漏风率δ可用下式计算：

（2）压力损失ΔP

除尘器的压力损失是评定除尘器性能的重要技术指标，它也是衡量除尘设备的能耗和运转费用的一个指标。

旋风除尘器的压力损失主要包括以下几个方面：

①进口管的摩擦损失；

②气体进入旋风除尘器内，因膨胀或压缩而造成的能量损失；

③气体在旋风除尘器中与气壁的摩擦所引起的能量损失；

④旋风除尘器内气体因旋转而产生的能量耗损；

⑤排气管内摩擦损失，同时旋转运动较直线运动需要消耗更多的能量；

⑥排气管内气体旋转时的动能转化为静压能的损失。

压力损失应用旋风除尘器进、出口全压之差来表示，即

ΔP＝（Pq）j-（Pq）h（10．23）

式中 （Pq）j、（Pq）h——分别表示旋风除尘器进、出口全压。

（3）除尘效率η

除尘器的除尘性能，通常用除尘效率来表示。 旋风除尘器的除尘效率通常采用总除尘效率和分级效率两种。

总除尘效率作为除尘器性能衡量指标受到很大局限性，它受尘粒大小的影响很大，即使在同一装置、同一运行条件下，由于尘粒分散度的不同。 其性能也有显著的差别。 而分级除尘效率是按粒径的不同分别表示的除尘效率，能够更好地反映除尘器的性能。

5．影响旋风除尘器效率的因素

（1）二次效应-被捕集粒子的重新进入气流

在较大粒径区间，粒子被反弹回气流或沉积的尘粒被重新吹起，实际效率低于理论效率；

通过环状雾化器将水喷淋在旋风除尘器内壁上，能有效地控制二次效应，在较小粒径区间内，理应逸出的粒子由于聚集或被较大尘粒撞向壁面而脱离气流获得捕集，实际效率高于理论效率。

（2）比例尺寸

在相同的切向速度下，筒体直径越小，离心力越大，除尘效率越高；筒体直径过小，粒子容易逃逸，效率下降。

锥体适当加长，对提高除尘效率有利，筒体和锥体的总高度以不大于五倍的筒体直径为宜。

（3）除尘器下部的严密性

（4）烟尘的物理性质

气体的密度和黏度、尘粒的大小和比重、烟气含尘浓度。

（5）操作变量

提高烟气入口流速，旋风除尘器分割直径变小，除尘器性能改善。 入口流速过大，已沉积的粒子有可能再次被吹起，重新卷入气流中，除尘效率下降。

10．2．4 过滤式除尘器

过滤式除尘是使含尘气体通过过滤层，气流中的尘粒被阻截下来，从而实现含尘气体净化的过程。

按照使用过滤材料种类进行分类，可分为：

①空气过滤器：利用滤纸或玻璃纤维等进行空气过滤装置，一般用于洁净车间、洁净厂房、实验室及洁净室，或者用于电子机械通信设备等的防尘。

②颗粒层除尘器：利用不同粒径的砾石、沙等固体颗粒组成的固定床层作为过滤介质的除尘器。

③袋式除尘器：利用玻璃纤维编织物制作的滤袋来捕集含尘气体中固体颗粒的除尘装置。

本教材重点介绍袋式除尘器。