課程設(shè)計(jì)—大氣污染控制工程

1、目錄1 設(shè)計(jì)背景 21.1 除塵設(shè)計(jì)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn) 21.1.1 環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（ GB3095-1996 ）環(huán)境空氣質(zhì)量分類和分級(jí) 21.2 旋風(fēng)除塵器簡介 41.3 旋風(fēng)除塵器工作原理 41.4 旋風(fēng)除塵器中的流場(chǎng) 51.4.1 切向速度 51.4.2 徑向速度 61.5 離心分離理論 61.5.1 轉(zhuǎn)圈理論 （沉降分離理論） 61.5.2 篩分理論 （平衡軌道理論） 71.5.3 邊界層分離理論 72 設(shè)計(jì)計(jì)算部分 72.1 單個(gè)旋風(fēng)除塵器的選擇計(jì)算 72.1.1 工作狀況下的氣體流量 72.1.2 除塵器型號(hào)的選擇與相關(guān)參數(shù)計(jì)算（參見書本 P177 表63）82.1.3 求 dC（分割直

2、徑） 82.1.4 計(jì)算壓力損失 92.1.5 分級(jí)除塵效率 92.1.6 總除塵效率 102.2 兩個(gè)旋風(fēng)除塵器并聯(lián) 102.2.1工作狀態(tài)下的氣體流量 102.2.2 除塵器型號(hào)的選擇與相關(guān)參數(shù)計(jì)算（參見書本 P177 表63）102.2.3 求 dC（分割直徑） 112.2.4 計(jì)算壓力損失 112.2.5 分級(jí)除塵效率 112.2.6 總除塵效率 123 設(shè)計(jì)總結(jié) 12參考文獻(xiàn) 12第1 頁共12 頁回轉(zhuǎn)窯石膏粉塵旋風(fēng)除塵器工藝設(shè)計(jì)摘要：旋風(fēng)除塵器廣泛地應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)除塵系統(tǒng)中，本設(shè)計(jì)針對(duì)旋風(fēng)除塵器 的結(jié)構(gòu)及工作原理， 分析影響旋風(fēng)除塵器壓力損失的因素， 介紹了旋風(fēng)除塵器內(nèi) 部流場(chǎng)和除

3、塵機(jī)理。 針對(duì)旋風(fēng)除塵器除塵效率問題進(jìn)行了分析， 總結(jié)了現(xiàn)有改進(jìn) 方案，指出存在的不足， 并結(jié)合前人的改進(jìn)思路提出了新的改進(jìn)方案， 以提高旋 風(fēng)除塵器的分離效率， 為進(jìn)一步挖掘旋風(fēng)除塵器的潛在性能開辟新的思路。 簡要 地設(shè)計(jì)了一款旋風(fēng)除塵器，并在學(xué)習(xí)中慢慢摸索。關(guān)鍵詞 ：旋風(fēng)除塵器 壓力損失 分離效率 改進(jìn)方案1 設(shè)計(jì)背景1.1 除塵設(shè)計(jì)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)1.1.1 環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) ( GB3095-1996)環(huán)境空氣質(zhì)量分類和分級(jí)一類區(qū)為自然保護(hù)區(qū)、 風(fēng)景名勝區(qū)和其它需要特殊保護(hù)的地區(qū)。 一類區(qū)執(zhí) 行空氣質(zhì)量一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。二類區(qū)為城鎮(zhèn)規(guī)劃中確定的居住區(qū)、 商業(yè)交通居民混合區(qū)、 文化區(qū)、 一般 工業(yè)區(qū)和

4、農(nóng)村地區(qū)。二類區(qū)執(zhí)行空氣質(zhì)量二級(jí) 標(biāo)準(zhǔn) 。三類區(qū)為特定工業(yè)區(qū)。三類區(qū)執(zhí)行空氣質(zhì)量三級(jí) 標(biāo)準(zhǔn) 。1.1.2 粉塵排放標(biāo)準(zhǔn)大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)( GB16297-1996)。 在國家大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)粉塵的排放濃度和排放速率均有詳細(xì) 規(guī)定。鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)( GWPB3-1999)。為了貫徹國家環(huán)境保護(hù)法和大氣污染防治法， 防止大氣污染， 國家制定了鍋第2 頁共12 頁 爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)按建成使用年限分為兩個(gè)時(shí)段，時(shí)段為 2000 年 12 月 31 日前建成使用的鍋爐； 時(shí)段為 2001 年 1 月 1 日起建成使用的鍋爐。工業(yè)窯爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)( GB9078-

5、1996)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了 10 類 19 中工業(yè)爐窯的煙(粉)塵濃度、煙氣的黑度、 6 種有 害污染物的最高允許排放濃度(或排放限值)和無組織排放煙(粉)塵的最高允 許濃度。適用于除煉焦?fàn)t、焚燒爐、水泥廠以外適用固體、液體、氣體燃料和電加熱 的工業(yè)爐窯的管理， 以及工業(yè)爐窯建設(shè)項(xiàng)目的環(huán)境影響評(píng)價(jià)、 設(shè)計(jì)、 竣工驗(yàn)收及 其建成后的排放管理?；痣姀S大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)( GB13223-1996)。 本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了火電廠最高允許二氧化硫排放量、煙塵排放濃度和煙氣的黑 度。適用于單臺(tái)出力在 65t/h 以上除層燃爐和拋煤機(jī)爐以外的火電廠鍋爐與單臺(tái) 出力在 65t/h 以下的煤粉發(fā)電鍋爐的火電廠的排放管理

6、，以及建設(shè)項(xiàng)目的環(huán)境影 響評(píng)價(jià)、設(shè)計(jì)、竣工驗(yàn)收及其建成后的排放管理。煉焦?fàn)t大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)( GB16171-1996)。 本標(biāo)準(zhǔn)分年限規(guī)定了機(jī)械化煉焦?fàn)t無組織排放的大氣污染物最高允許排放 濃度、噸產(chǎn)品污染物最高允許排放量。本標(biāo)準(zhǔn)分一、二、三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。分別與 GB3095-1996的環(huán)境空氣質(zhì)量功能 區(qū)相對(duì)應(yīng)。自本標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施之日起，禁止在 GB3095-1996中的一類區(qū)新建、擴(kuò) 建機(jī)械化煉焦?fàn)t和非機(jī)械化煉焦?fàn)t；改建項(xiàng)目不得增加排污量。水泥廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)( GB4915-1996)。 本標(biāo)準(zhǔn)按年限和區(qū)域分別規(guī)定了水泥廠各個(gè)排放點(diǎn)大氣污染物的排放限值 及粉塵無組織排放控制限值。本標(biāo)準(zhǔn)分一、二

7、、三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。分別與 GB3095-1996的環(huán)境空氣質(zhì)量功能 區(qū)相對(duì)應(yīng)。本標(biāo)準(zhǔn)適用于水泥廠的排放管理， 以及建設(shè)項(xiàng)目的環(huán)境影響評(píng)價(jià)、 設(shè)計(jì)、竣 工驗(yàn)收及其建成后的排放管理。第3 頁共12 頁1.2 旋風(fēng)除塵器簡介自 1886 年摩爾斯第一臺(tái)圓錐形旋風(fēng)除塵器問世以來的百余年里， 許多學(xué)者 對(duì)其流場(chǎng)特性、結(jié)構(gòu)、型式、尺寸比例的研究一直進(jìn)行著。范登格南于19291939 年對(duì)旋風(fēng)除塵器氣流型式的研究發(fā)現(xiàn)了旋風(fēng)除塵器中存在的雙蝸流。 1953 年特林丹畫出了旋風(fēng)除塵器內(nèi)的流線。 20 世紀(jì) 70 年代西門子公司推出帶二次 風(fēng)的旋流除塵器。 1983 年許宏慶在論文中提出旋風(fēng)除塵器內(nèi)徑向速度分布呈現(xiàn) 非

8、軸對(duì)稱性現(xiàn)象，研究出抑制湍流耗散的降阻技術(shù)。 2001 年浙江大學(xué)研究發(fā)現(xiàn) 除塵器方腔內(nèi)的流場(chǎng)偏離其幾何中心， 并呈中間為強(qiáng)旋流動(dòng)和邊壁附近為弱旋的 準(zhǔn)自由蝸區(qū)的特點(diǎn)。 隨著數(shù)學(xué)模型的完善和計(jì)算機(jī)仿真的引人， 旋風(fēng)除塵器的研 究與設(shè)計(jì)將更為深人。 雖然對(duì)旋風(fēng)除塵器的運(yùn)行機(jī)理做了大量的研究工作， 但由 于旋風(fēng)除塵器內(nèi)部流態(tài)復(fù)雜， 準(zhǔn)確地測(cè)定有關(guān)參數(shù)比較困難， 因而牽今理論上仍 不十分完善，捕集小于 5nm 塵粒的效率不高。旋風(fēng)除塵器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)便宜，體積小，無運(yùn)動(dòng)部件，操作維修 方便，壓力損失中等，動(dòng)力消耗不大；缺點(diǎn)是除塵效率不高，對(duì)于流量變化大的 含塵氣體性能較差。 旋風(fēng)除塵器可以單

9、獨(dú)使用， 也可以作多級(jí)除塵系統(tǒng)的預(yù)級(jí)除 塵之用。1.3 旋風(fēng)除塵器工作原理 旋風(fēng)除塵器由筒體、 錐體、進(jìn)氣管、 排氣管和卸灰管等組成，如下圖 1 所 示。旋風(fēng)除塵器的工作過程是當(dāng)含塵氣 體由切向進(jìn)氣口進(jìn)人旋風(fēng)分離器時(shí)氣 流將由直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)閳A周運(yùn)動(dòng)。 旋轉(zhuǎn)氣 流的絕大部分沿器壁自圓簡體呈螺旋 形向下、朝錐體流動(dòng)， 通常稱此為外旋 氣流。含塵氣體在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生離心 力，將相對(duì)密度大于氣體的塵粒甩向器 壁。塵粒一旦與器壁接觸， 便失去徑向 慣性力而靠向下的動(dòng)量和向下的重力 沿壁面下落， 進(jìn)人排灰管。 旋轉(zhuǎn)下降的第4 頁共12 頁外旋氣體到達(dá)錐體時(shí)，因圓錐形的收縮而向除塵器中心靠攏。根據(jù)“旋轉(zhuǎn)矩”不

10、 變?cè)恚?其切向速度不斷提高， 塵粒所受離心力也不斷加強(qiáng)。 當(dāng)氣流到達(dá)錐體下 端某一位置時(shí)， 即以同樣的旋轉(zhuǎn)方向從旋風(fēng)分離器中部， 由下反轉(zhuǎn)向上， 繼續(xù)做 螺旋性流動(dòng)，即內(nèi)旋氣流。 最后凈化氣體經(jīng)排氣管排出管外， 一部分未被捕集的 塵粒也由此排出。自進(jìn)氣管流人的另一小部分氣體則向旋風(fēng)分離器頂蓋流動(dòng)， 然后沿排氣管外 側(cè)向下流動(dòng)； 當(dāng)?shù)竭_(dá)排氣管下端時(shí)即反轉(zhuǎn)向上， 隨上升的中心氣流一同從排氣管 排出。分散在這一部分的氣流中的塵粒也隨同被帶走。1.4 旋風(fēng)除塵器中的流場(chǎng)旋風(fēng)除塵器內(nèi)的流場(chǎng)分布如 圖 2 所示。旋風(fēng)除塵器的除塵上 作原理是基于離心力作用。由于 旋風(fēng)除塵器內(nèi)部流動(dòng)的復(fù)雜性， 只能把三維

11、速度對(duì)旋風(fēng)除塵器捕 集、分離等性能所起作用進(jìn)行分 析如下：1.4.1 切向速度圖 2 旋風(fēng)除塵器內(nèi)的流場(chǎng)分布切向速度分布曲線如圖 3 所示， 在同一橫截面上，切向速度與 旋風(fēng)除塵器半徑 r 成反比變化， 即隨半徑 R 的減小切向速度逐漸增大。在 半 徑 Rm=0.60.7Ro（ 排 氣 管 半 徑 ） 處 ， 切 向 速 度 達(dá) 到 最 大圖 3 切向速度分布1.4.2 徑向速度 徑向速度是影響旋風(fēng)除塵器分離性能的重要因素。徑向速度分布如圖 4 所 示。徑向速度方向有向內(nèi) （旋蝸中心 ）形成內(nèi)向流，有向外 （筒壁 ）形成外向流。內(nèi) 向流可以使塵粒沿半徑方向， 由外向里推至旋蝸中心， 阻礙塵粒的

12、沉降。 這是因 為盡管由于旋轉(zhuǎn)，一定存在正的圓球形顆粒徑向速度 Vp，但 Vp 是相對(duì)于氣體徑 向流動(dòng)的速度，即顆粒的絕對(duì)徑向速度。圖 4 徑向速遞分布1.5 離心分離理論旋風(fēng)除塵器內(nèi)的氣流及顆粒運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜， 對(duì)于顆粒的分離捕集機(jī)理在做出 許多簡化假設(shè)后，形成各種不同的分離機(jī)理模型，土要有轉(zhuǎn)圈理論、篩分理淪、 邊界層分離理論、傳質(zhì)理論和紊流擴(kuò)散理論等。1.5.1 轉(zhuǎn)圈理論 （沉降分離理論 ）轉(zhuǎn)圈理論是由重力沉降室的沉降原理發(fā)展起來的。 它主要考慮旋蝸的離心分 離作用。其原理是 :粉塵顆粒受離心力作用，沉降到旋風(fēng)除塵器壁面所需要的時(shí)第 6 頁 共 12 頁間和顆粒在分離區(qū)間氣體停留時(shí)間的相平衡

13、， 從而計(jì)算出粉塵完全被分離的最小 極限粒徑 d100，即分離效率為 100%的粉塵顆粒最小粒。如果將進(jìn)入旋風(fēng)除塵器 內(nèi)氣流假定為等速流 （速度分布指數(shù) n=0），即氣體嚴(yán)格地按照螺旋途徑始終保持 與進(jìn)人時(shí)相同的速度流動(dòng)，而顆粒隨氣體以恒定的切向速度 （與位置變化無關(guān) ）， 由內(nèi)向外克服氣流對(duì)它的阻力， 穿過整個(gè)氣流寬度， 流經(jīng)一個(gè)最大的凈水平距離， 最后到達(dá)器壁被分離。1.5.2 篩分理論 （平衡軌道理論 ）篩分理論的要點(diǎn)是 :假想在旋風(fēng)除塵器內(nèi)排氣管下方有一個(gè)柱面，含塵氣流 做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)處在該假想面上粉塵在徑向上同時(shí)受到方向相反的兩種力的作用， 即由蝸旋流產(chǎn)生的離心力 Fc 使粉塵向外移動(dòng)

14、， 由匯流場(chǎng)產(chǎn)生的向心力 FD又使粉 塵向內(nèi)飄移。離心力的大小與粉塵直徑的大小有關(guān)， 粉塵粒徑越大則離心力越大， 因而必定有一臨界粒徑 dk，其所受的兩種力的大小正好相等。由于離心力 Fc 的 大小與粉塵粒徑的三次方成正比，而向心力 Fn 的大小僅與粉塵粒徑的一次方成 正比，顯然有凡粉塵粒徑 dpdk 者，被推移到除塵器外壁而被分離出來 ;相反，凡 dpdk者，被帶人上升的內(nèi)蝸旋中排出除塵器。1.5.3 邊界層分離理論篩分理論沒有考慮紊流擴(kuò)散等影響， 而這種影響對(duì)于粉塵細(xì)顆粒是不可忽視 的。20世紀(jì) 70年代有人提出橫向滲混模型，認(rèn)為在旋風(fēng)除塵器的任一橫截而上 顆粒濃度的分布是均勻的， 但在近

15、壁處的邊界層內(nèi)是層流流動(dòng)， 只要顆粒在離心 效應(yīng)下浮游進(jìn)人此邊界層內(nèi)就可以被捕集分離下來，這是邊界層分離理論。2 設(shè)計(jì)計(jì)算部分2.1 單個(gè)旋風(fēng)除塵器的選擇計(jì)算2.1.1 工作狀況下的氣體流量QQTT5000 273 12027337200m3 /h3式中： Q標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的煙氣流量， m3/ hT工況下的煙氣溫度， KT標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的溫度， 273K第7 頁共12 頁Q 7200 2.00m3/ s則煙氣流速為：3600 3600依據(jù)第一部分文獻(xiàn)綜述的內(nèi)容與設(shè)計(jì)煙氣性質(zhì)，選取旋風(fēng)除塵器XLP/B 型，因?yàn)轭}中未給出允許的壓力損失，則可取進(jìn)口氣速在 1225m/s 之間為宜，此中 本設(shè)計(jì)取值為 21

16、m/s。2.1.2 除塵器型號(hào)的選擇與相關(guān)參數(shù)計(jì)算（參見書本 P177 表 63）除塵器入口截面積Q3600v172003600 210.095m入口高度h 2A 2 0.095 0.44m入口寬度2A0.22m筒體直徑D 3.33b 3.33 0.22 0.7267m參考 XLP/B 產(chǎn)品系列，取 D=820mm排出筒直徑： de 0.6D 0.6 820 492mm筒體長度：L1.7D1.7 8201394mm錐體長度：H2.3D2.38201886mm灰口直徑：d10.43D0.43820352.6mm排氣管插入深度： s 0.3D 0.3 820 246mm選取 XLP/B-8.2 型

17、號(hào)；2.1.3 求 dC（分割直徑） 假設(shè)接近圓筒壁處的氣流切向速度近似等于氣流的入口速度，即第8 頁共12 頁v1 21m/ s ，取內(nèi)外渦旋交界圓柱直徑 d0 0.6de0.14 T 0.3n 1 1 0.67( D )0.14 ( )0.3 0.62渦旋指數(shù)：283氣流在交界面上的切向速度：(0.D6de)n21(0.60.802.492)0.62 39.39m/s外渦旋氣流的平均徑向速度：Q vr2 r0h0分割直徑：dc 18 v2rr0 212pv T 018Q2 h0 122pv T018522.2 10 5 12 (L H s) 126 2 2.58 10 6m2000 39.

18、392此時(shí)旋風(fēng)除塵器的分割直徑為 2.58 m2.1.4 計(jì)算壓力損失393K時(shí)煙氣密度可近似取為：1.2932733930.898kg / m31616 0.0950.49226.281 v21 1 6.28 0.898 212 1243Pa2 1 22.1.5 分級(jí)除塵效率2(dpi / dc)2 依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式： 1 (dpi / dc ) 來計(jì)算粒徑（ m）12471013161820質(zhì)量比（%）569132423965分級(jí)除塵 效率（ %）7.1623.5855.5479.0888.5292.8795.1896.1596.86第9 頁共12 頁2.1.6 總除塵效率由公式：i 1i g

19、i 來求解。（ 1i 為進(jìn)口質(zhì)量頻率）78.81%通過以上單個(gè)除塵器設(shè)計(jì)過程可知， 無法滿足除塵要求 （80%），所以我們可以同時(shí)設(shè)計(jì)兩個(gè)除塵器并聯(lián)來增加除塵效果以達(dá)到要求。2.2 兩個(gè)旋風(fēng)除塵器并聯(lián)2.2.1 工作狀態(tài)下的氣體流量QQTT5000 273 12027337200m3 /h式中： Q標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的煙氣流量， m3 / hT工況下的煙氣溫度， KT 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的溫度， 273K則煙氣流速為：Q 3600 1.00m3 / s3600 3600依據(jù)第一部分文獻(xiàn)綜述的內(nèi)容與設(shè)計(jì)煙氣性質(zhì)，選取旋風(fēng)除塵器XLP/B 型，因?yàn)轭}中未給出允許的壓力損失，則可取進(jìn)口氣速在 1225m/s 之間為

20、宜，此中 我取值為 21m/s。2.2.2 除塵器型號(hào)的選擇與相關(guān)參數(shù)計(jì)算（參見書本 P177 表 63）除塵器入口截面積Q3600v136003600 210.048mh 2A 2 0.048 0.308m0.15m入口高度入口寬度筒體直徑D 3.33b 3.33 0.15 0.5138m參考 XLP/B 產(chǎn)品系列，取 D=540mm第 10 頁 共 12 頁排出筒直徑： de 0.6D 0.6 540 324mm筒體長度： L 1.7D 1.7 540 918mm錐體長度： H 2.3D 2.3 540 1242mm灰口直徑： d1 0.43D 0.43 540 232.2mm排氣管插入深度： s 0.3D 0.3 540 162mm選取 XLP/B-8.2 型號(hào)；2.2.3 求 dC（分割直徑） 假設(shè)接近圓筒壁處的氣流切向速度近似等于氣流的入口速度，即v1 21m/ s ，取內(nèi)外渦旋交界圓柱直徑 d0 0.6de渦旋指數(shù)： n 1 1 0.67(D)0.14(2T83)0.3 0.57氣流在交界面上的切向速度：vT