大气污染控制工程设计.docx

目 录
1 设计背景 2
1.1 除尘设计的有关标准 2
1.1.1 环境空气质量标准（GB3095-1996）环境空气质量分类和分级 2
1.2 旋风除尘器简介 3
1.3 旋风除尘器工作原理 4
1.4 旋风除尘器中的流场 5
1.4.1 切向速度 5
1.4.2 径向速度 5
1.5 离心分离理论 6
1.5.1 转圈理论(沉降分离理论) 6
1.5.2 筛分理论(平衡轨道理论) 6
1.5.3 边界层分离理论 7
2 设计计算部分 7
2.1 单个旋风除尘器的选择计算 7
2.1.1 工作状况下的气体流量 7
2.1.2 除尘器型号的选择与相关参数计算（参见书本P177表6—3） 7
2.1.3 求dC（分割直径） 8
2.1.4 计算压力损失 9
2.1.5 分级除尘效率 9
2.1.6 总除尘效率 9
2.2 两个旋风除尘器并联 9
2.2.1 工作状态下的气体流量 9
2.2.2 除尘器型号的选择与相关参数计算（参见书本P177表6—3） 10
2.2.3 求dC（分割直径） 10
2.2.4 计算压力损失 11
2.2.5 分级除尘效率 11
2.2.6 总除尘效率 11
3 设计总结 11
参考文献 12

回转窑石膏粉尘旋风除尘器工艺设计

[摘要]：旋风除尘器广泛地应用于各个行业除尘系统中，本设计针对旋风除尘器的结构及工作原理，分析影响旋风除尘器压力损失的因素，介绍了旋风除尘器内部流场和除尘机理。针对旋风除尘器除尘效率问题进行了分析，总结了现有改进方案，指出存在的不足，并结合前人的改进思路提出了新的改进方案，以提高旋风除尘器的分离效率，为进一步挖掘旋风除尘器的潜在性能开辟新的思路。简要地设计了一款旋风除尘器，并在学习中慢慢摸索。
[关键词]：旋风除尘器 压力损失 分离效率 改进方案
1 设计背景
1.1 除尘设计的有关标准
1.1.1 环境空气质量标准（GB3095-1996）环境空气质量分类和分级
⑴一类区为自然保护区、风景名胜区和其它需要特殊保护的地区。一类区执行空气质量一级标准。
⑵二类区为城镇规划中确定的居住区、商业交通居民混合区、文化区、一般工业区和农村地区。二类区执行空气质量二级标准。
⑶三类区为特定工业区。三类区执行空气质量三级标准。
1.1.2 粉尘排放标准
⑴大气污染物综合排放标准（GB16297-1996）。
　　在国家大气污染物综合排放标准中对粉尘的排放浓度和排放速率均有详细规定。
⑵锅炉大气污染物排放标准（GWPB3-1999）。
　　为了贯彻国家环境保护法和大气污染防治法，防止大气污染，国家制定了锅炉大气污染物排放标准。该标准按建成使用年限分为两个时段，Ⅰ时段为2000年12月31日前建成使用的锅炉；Ⅱ时段为2001年1月1日起建成使用的锅炉。
⑶工业窑炉大气污染物排放标准（GB9078-1996）。
　　该标准规定了10类19中工业炉窑的烟（粉）尘浓度、烟气的黑度、6种有害污染物的最高允许排放浓度（或排放限值）和无组织排放烟（粉）尘的最高允许浓度。
适用于除炼焦炉、焚烧炉、水泥厂以外适用固体、液体、气体燃料和电加热的工业炉窑的管理，以及工业炉窑建设项目的环境影响评价、设计、竣工验收及其建成后的排放管理。
⑷火电厂大气污染物排放标准（GB13223-1996）。
　　本标准规定了火电厂最高允许二氧化硫排放量、烟尘排放浓度和烟气的黑度。
适用于单台出力在65t/h以上除层燃炉和抛煤机炉以外的火电厂锅炉与单台出力在65t/h以下的煤粉发电锅炉的火电厂的排放管理，以及建设项目的环境影响评价、设计、竣工验收及其建成后的排放管理。
⑸炼焦炉大气污染物排放标准（GB16171-1996）。
本标准分年限规定了机械化炼焦炉无组织排放的大气污染物最高允许排放浓度、吨产品污染物最高允许排放量。
本标准分一、二、三级标准。分别与《GB3095-1996》的环境空气质量功能区相对应。自本标准实施之日起，禁止在《GB3095-1996》中的一类区新建、扩建机械化炼焦炉和非机械化炼焦炉；改建项目不得增加排污量。
⑹水泥厂大气污染物排放标准（GB4915-1996）。
　　本标准按年限和区域分别规定了水泥厂各个排放点大气污染物的排放限值及粉尘无组织排放控制限值。
　　本标准分一、二、三级标准。分别与《GB3095-1996》的环境空气质量功能区相对应。
　　本标准适用于水泥厂的排放管理，以及建设项目的环境影响评价、设计、竣工验收及其建成后的排放管理。
1.2 旋风除尘器简介
自1886 年摩尔斯第一台圆锥形旋风除尘器问世以来的百余年里，许多学者对其流场特性、结构、型式、尺寸比例的研究一直进行着。范登格南于1929—1939 年对旋风除尘器气流型式的研究发现了旋风除尘器中存在的双蜗流。1953 年特林丹画出了旋风除尘器内的流线。20 世纪70 年代西门子公司推出带二次风的旋流除尘器。1983 年许宏庆在论文中提出旋风除尘器内径向速度分布呈现非轴对称性现象，研究出抑制湍流耗散的降阻技术。2001 年浙江大学研究发现除尘器方腔内的流场偏离其几何中心，并呈中间为强旋流动和边壁附近为弱旋的准自由蜗区的特点。随着数学模型的完善和计算机仿真的引人，旋风除尘器的研究与设计将更为深人。虽然对旋风除尘器的运行机理做了大量的研究工作，但由于旋风除尘器内部流态复杂，准确地测定有关参数比较困难，因而牵今理论上仍不十分完善，捕集小于5nm尘粒的效率不高。
旋风除尘器的优点是结构简单，造价便宜，体积小，无运动部件，操作维修方便，压力损失中等，动力消耗不大；缺点是除尘效率不高，对于流量变化大的含尘气体性能较差。旋风除尘器可以单独使用，也可以作多级除尘系统的预级除尘之用。
1.3 旋风除尘器工作原理
旋风除尘器由筒体、锥体、进气管、排气管和卸灰管等组成，如下图1所示。旋风除尘器的工作过程是当含尘气体由切向进气口进人旋风分离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自圆简体呈螺旋形向下、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，将相对密度大于气体的尘粒甩向器壁。尘粒一旦与器壁接触，便失去径向惯性力而靠向下的动量和向下的重力沿壁面下落，进人排灰管。旋转下降的外旋气体到达锥体时，因圆锥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，尘粒所受离心力也不断加强。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分离器中部，由下反转向上，继续做螺旋性流动，即内旋气流。最后净化气体经排气管排出管外，一部分未被捕集的尘粒也由此排出。
自进气管流人的另一小部分气体则向旋风分离器顶盖流动，然后沿排气管外侧向下流动；当到达排气管下端时即反转向上，随上升的中心气流一同从排气管排出。分散在这一部分的气流中的尘粒也随同被带走。
1.4 旋风除尘器中的流场
旋风除尘器内的流场分布如图2所示。旋风除尘器的除尘上作原理是基于离心力作用。由于旋风除尘器内部流动的复杂性，只能把三维速度对旋风除尘器捕集、分离等性能所起作用进行分析如下：

图2 旋风除尘器内的流场分布
1.4.1 切向速度

切向速度分布曲线如图3所示，在同一横截面上，切向速度与旋风除尘器半径r成反比变化，即随半径R的减小切向速度逐渐增大。
在半径Rm=0.6~0.7Ro(排气管半径)处，切向速度达到最大。

图3 切向速度分布
1.4.2 径向速度
径向速度是影响旋风除尘器分离性能的重要因素。径向速度分布如图4所示。径向速度方向有向内(旋蜗中心)形成内向流，有向外(筒壁)形成外向流。内向流可以使尘粒沿半径方向，由外向里推至旋蜗中心，阻碍尘粒的沉降。这是因为尽管由于旋转，一定存在正的圆球形颗粒径向速度Vp，但Vp是相对于气体径向流动的速度，即颗粒的绝对径向速度。

图4 径向速递分布
1.5 离心分离理论
旋风除尘器内的气流及颗粒运动十分复杂，对于颗粒的分离捕集机理在做出许多简化假设后，形成各种不同的分离机理模型，土要有转圈理论、筛分理沦、边界层分离理论、传质理论和紊流扩散理论等。
1.5.1 转圈理论(沉降分离理论)
转圈理论是由重力沉降室的沉降原理发展起来的。它主要考虑旋蜗的离心分离作用。其原理是:粉尘颗粒受离心力作用，沉降到旋风除尘器壁面所需要的时间和颗粒在分离区间气体停留时间的相平衡，从而计算出粉尘完全被分离的最小极限粒径d100，即分离效率为100%的粉尘颗粒最小粒。如果将进入旋风除尘器内气流假定为等速流(速度分布指数n=0)，即气体严格地按照螺旋途径始终保持与进人时相同的速度流动，而颗粒随气体以恒定的切向速度(与位置变化无关)，由内向外克服气流对它的阻力，穿过整个气流宽度，流经一个最大的净水平距离，最后到达器壁被分离。
1.5.2 筛分理论(平衡轨道理论)
筛分理论的要点是:假想在旋风除尘器内排气管下方有一个柱面，含尘气流做旋转运动时处在该假想面上粉尘在径向上同时受到方向相反的两种力的作用，即由蜗旋流产生的离心力Fc使粉尘向外移动，由汇流场产生的向心力FD又使粉尘向内飘移。离心力的大小与粉尘直径的大小有关，粉尘粒径越大则离心力越大，因而必定有一临界粒径dk，其所受的两种力的大小正好相等。由于离心力Fc的大小与粉尘粒径的三次方成正比，而向心力Fn的大小仅与粉尘粒径的一次方成正比，显然有凡粉尘粒径dp>dk者，被推移到除尘器外壁而被分离出来;相反，凡dp<dk者，被带人上升的内蜗旋中排出除尘器。
1.5.3 边界层分离理论
筛分理论没有考虑紊流扩散等影响，而这种影响对于粉尘细颗粒是不可忽视的。20世纪70年代有人提出横向渗混模型，认为在旋风除尘器的任一横截而上颗粒浓度的分布是均匀的，但在近壁处的边界层内是层流流动，只要颗粒在离心效应下浮游进人此边界层内就可以被捕集分离下来，这是边界层分离理论。
2 设计计算部分
2.1 单个旋风除尘器的选择计算
2.1.1 工作状况下的气体流量

式中： Q——标准状态下的烟气流量，
T’——工况下的烟气温度，K
T——标准状态下的温度，273K
则烟气流速为：
依据第一部分文献综述的内容与设计烟气性质，选取旋风除尘器XLP/B型，因为题中未给出允许的压力损失，则可取进口气速在12~25m/s之间为宜，此中本设计取值为21m/s。
2.1.2 除尘器型号的选择与相关参数计算（参见书本P177表6—3）
除尘器入口截面积

入口高度

入口宽度

筒体直径

参考XLP/B产品系列，取D=820mm
排出筒直径：
筒体长度：
锥体长度：
灰口直径：
排气管插入深度：
选取XLP/B-8.2型号；
2.1.3 求dC（分割直径）
假设接近圆筒壁处的气流切向速度近似等于气流的入口速度，即，取内外涡旋交界圆柱直径
涡旋指数：
气流在交界面上的切向速度：

外涡旋气流的平均径向速度：

分割直径：

此时旋风除尘器的分割直径为2.58。
2.1.4 计算压力损失
393K时烟气密度可近似取为：

2.1.5 分级除尘效率
依据经验公式： 来计算。
粒径（μm）
1
2
4
7
10
13
16
18
20
质量比（%）
5
6
9
13
24
23
9
6
5
分级除尘效率（%）
7.16
23.58
55.54
79.08
88.52
92.87
95.18
96.15
96.86
2.1.6 总除尘效率
由公式： 来求解。（为进口质量频率）

通过以上单个除尘器设计过程可知，无法满足除尘要求（80%），所以我们可以同时设计两个除尘器并联来增加除尘效果以达到要求。
2.2 两个旋风除尘器并联
2.2.1 工作状态下的气体流量

式中： Q——标准状态下的烟气流量，
T’——工况下的烟气温度，K
T——标准状态下的温度，273K
则烟气流速为：
依据第一部分文献综述的内容与设计烟气性质，选取旋风除尘器XLP/B型，因为题中未给出允许的压力损失，则可取进口气速在12~25m/s之间为宜，此中我取值为21m/s。
2.2.2 除尘器型号的选择与相关参数计算（参见书本P177表6—3）
除尘器入口截面积

入口高度

入口宽度

筒体直径

参考XLP/B产品系列，取D=540mm
排出筒直径：
筒体长度：
锥体长度：
灰口直径：
排气管插入深度：
选取XLP/B-8.2型号；
2.2.3 求dC（分割直径）
假设接近圆筒壁处的气流切向速度近似等于气流的入口速度，即，取内外涡旋交界圆柱直径
涡旋指数：
气流在交界面上的切向速度：

外涡旋气流的平均径向速度：

分割直径：

此时旋风除尘器的分割直径为3.32。
2.2.4 计算压力损失
393K时烟气密度可近似取为：

2.2.5 分级除尘效率
依据经验公式： 来计算。
粒径（μm）
1
2
4
7
10
13
16
18
20
质量比（%）
5
6
9
13
24
23
9
6
5
分级除尘效率（%）
8.31
26.62
59.21
81.63
90.07
93.87
95.87
96.70
97.31

2.2.6 总除尘效率
由公式： 来求解。（为进口质量频率）

3 设计总结
通过以上两个方案的比较，我们可以看出并不是并联的旋风除尘器越多越好，当气流流量变化较大的原来除尘效果较好的反而效率会降低。
此外，由于设计者知识很有限，在设计过程中参见了其他的资料，本设计中定有很多不当之处，还请老师加以批评与指导为感！！！

参考文献
[1] 除尘器设计手册
[2] 环保设备设计手册—大气污染控制设备
[3] 大气污染控制工程课本P143-145，P167-177
附图：除尘器设计图纸