湿式除尘原理及除尘方法.docx

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湿式除尘原理及除尘方法

第四章湿式除尘器

湿式除尘器是用水或其他液体与含尘气体互相接触实现分离捕集粉尘粒子的装置。

它是基于含尘气体与液体接触。

借助于惯性碰撞、扩散等机理，将粉尘予以捕集。

这种方法简单、有效，因而在实际中得到相当广泛的应用。

湿式除尘器与其他除尘器比较具有以下优点：

1．在消耗同等能量的情况下，湿式除尘器的除尘效率要比干式的高，高能湿式洗涤器（文氏管除尘器）对于小至0.1μm的粉尘仍有很高的除尘效率；

2．湿式除尘器适用于处理高温、高湿烟气以及粘性大的粉尘。

在这些情况下，采用干式除尘器往往要受到各种条件的限制；

3．很多有害气体可以采用湿法净化，因此，在这些情况下湿式除尘器可以同时除尘和净化有害气体。

为了更有效地净化有害气体，可以根据有害气体的性质选用其他液体（例如化学溶剂）代替水；

4．湿式除尘器结构简单，一次性投资低，占地面积小。

5．安全性好。

可有效地防止设备内可燃性粉尘的燃烧、爆炸，但对特殊粉尘要注意工作液体的成分，如氧化镁粉尘不能与酸性溶液接触，以免产生氢气。

湿式除尘器的缺点有：

1．从湿式除尘器中排出的泥浆要进行处理，否则会造成二次污染；

2．当净化有腐蚀性的气体时，化学腐蚀性转移到水中，因此，污水系统需要使用防腐材料加以保护；

3．不适用于憎水性和水硬性粉尘（水泥），对于疏水性粉尘除尘效率不高，粘性粉尘容易使管道叶片堵塞；

4．排气温度低，不利于排气的抬升、扩散，还可能出现白烟。

如进行尾气再热，则需消耗能量。

5．在寒冷地区要防止冬季结冰。

一、湿式除尘器的除尘原理

在湿式除尘器中，水与含尘气体的接触大致有三种形式：

1．水滴

由于机械喷雾或其他方法使水形成大小不同的水滴，分散于气体中成为捕尘体，例如喷淋塔、文氏管除尘器等。

从原理上讲，捕尘的机理符合在过滤理论中所介绍的各种机理，只是以水滴作为捕尘体。

2．水膜

这是在捕尘表面形成水膜，气体中的粉尘由于惯性、离心力等作用而撞击到水膜中，例如，旋风水膜除尘器，填充式洗涤器等。

其分离原理与干式旋风除尘器或颗粒层除尘器相同。

然而由于水膜的存在，增加了捕尘的几率，有效地防止了二次扬尘。

因而可以大大提高除尘效率。

3．气泡

由于气体穿过水层，根据气流速度、水的表面张力等因素不同，产生不同大小的气泡。

粉尘在气泡中的沉降，主要是由于惯性、重力和扩散等机理的作用。

在实际的湿式除尘器中，可以兼有以上两种甚至三种接触形式。

二．湿法捕集装置中颗粒捕集的机理

除尘装置都是借助于一种或几种机理分离固体颗粒。

在这里将简要分析在气固湿法捕集装置中常见的捕集机理。

惯性碰撞和拦截一当随气流绕过一个小障碍物时颗粒借助于惯性的作用，将颗粒继续向障碍物运动，使部分颗粒被捕集下来。

重力沉降一在湿法捕集装置中重力沉降分离作用对于小颗粒较弱。

布朗扩散一当颗粒足够小时（直径小于0．1捍m），气体分子对颗粒的作用效果显著，颗粒开始象气体分子那样在气体中作无规则的布朗运动。

布朗运动和惯性碰撞是湿法捕集装置中两个起主要作用的机理。

离心分离一通过改变气流方向而产生离心力，使颗粒从气流中分离出来。

离心分离对于粒径小于0.5μm的颗粒分离效果较差。

凝聚作用一颗粒通过碰撞形成颗粒团，这种凝聚作用使颗粒尺寸增大更易于捕集。

扩散泳作用一在湿法捕集装置中，水蒸汽冷凝到低温表面，颗粒受到物质传递过程中所施加的外力，使其沉积在液面上。

热泳作用一若气液相间存在温度梯度，将造成不同能量分子的碰撞使微粒向低温波面运动。

冷凝作用一蒸汽在颗粒表面冷凝形成液膜，使颗粒质量增大，结果就使颗粒易于受惯性碰撞而被捕集。

三、湿式除尘器的分类

湿式除尘器的分类方法有以下几种。

1．按不同的能耗量分类

湿式除尘器分为低能耗、中能耗和高能耗三类。

压力损失不超过1kPa的除尘器属于低能耗湿式除尘器，这类除尘器有重力喷雾塔洗涤除尘器、湿式离心（旋风）洗涤除尘器，压力损失为1~4kPa的除尘器属于中能耗湿式除尘器，这类除尘器有动力除尘器和冲击水浴除尘器，压力损失大于4kPa的除尘器属于高能耗湿式除尘器，这类除尘器主要有文丘里洗涤除尘器和喷射洗涤除尘器。

2．按不同除尘机制分类

根据湿式除尘器中除尘机制的不同，可分为七种类型。

（a）为重力喷雾洗涤除尘器；（b）为离心洗涤除尘器；（c）为贮水式冲击水浴除尘器3（d）为板式塔洗涤除尘器；（e）为填料塔洗涤除尘器；（f）为文丘里洗涤除尘器；（g）为机械动力洗涤除尘器。

3．按气液分散情况分类

根据气液分散情况的不同，湿式除尘器可分为液滴洗涤类、液膜洗涤类和液层洗涤类三种。

液滴洗涤类除尘器主要以液滴为捕集体，包括重力喷雾塔、离心喷洒洗涤器、自激喷雾洗涤器、文丘里洗涤器和机械诱导喷雾洗涤器等。

液膜洗涤类主要靠惯性力、离心力等作用使粉尘撞击到水膜上而被捕集，包括旋风水膜除尘器、填料塔洗涤器等。

液层洗涤器（如泡沫除尘器）中含尘气体分散成气泡与水接触，主要作用因素有惯性、重力和扩散等。

4．按不同结构形式分类

根据湿式除尘器的结构形式不同，分压力水式洗涤除尘器、填料塔洗涤除尘器、贮水式冲击水浴除尘器和机械回转式洗涤除尘器。

四、常见湿式除尘器的构造和特点

1．重力喷雾洗涤器

重力喷雾洗涤器是湿式除尘器中最简单的一种，也称喷雾塔或洗涤塔。

它是一种空塔，如图所示，当含尘气体通过喷淋液体所形成的液滴空间时，因尘粒和液滴之间发生碰撞、拦截和凝聚等作用，使较大较重的尘粒靠重力作用沉降下来，与洗涤液一起从塔底部排走。

为保证塔内气流分布均匀，常用孔板型分布板或填料床。

若断面气流速度较高，则需在塔顶部设除雾器。

喷雾塔的压力损失小，一般小于250Pa。

喷雾塔对小于10μm尘粒的捕集效率较低，工业上常用于净化大于50μm的尘粒，而很少用于脱除气态污染物。

喷雾塔常与高效洗涤器联用，起预净化和降温、加湿等作用。

喷雾塔的特点是结构简单，压损小，操作稳定方便。

但设备庞大，效率低，耗水量及占地面积均较大。

2．旋风水膜除尘器

采用喷雾或其他方式，使旋风除尘器的内壁上形成一薄层水膜，可以有效地防止粉尘在器壁上的反弹、冲刷而引起的二次扬尘，从而大大提高旋风除尘器的除尘效率。

这类除尘器适于净化大于5μm的粉尘。

在净化亚微米范围的粉尘时，常将其串接在文丘里洗涤器之后，作为凝聚水滴的脱水器。

也常用于吸收某些气体，这时洗涤液往往不单纯是水。

旋风水膜除尘器除尘效率一般可达90％以上，压力损失为0.25~1kPa，特别适用于气体量大和含尘浓度高的场合。

常用的旋风水膜除尘器有以下几种：

（1）立式旋风水膜除尘器

这种除尘器的结构形式很多。

从进气方式来说，可以采用切线进口，也可以从中心进气通过导流叶片而获得旋转运动。

从喷水方式来说，可以有四周喷雾、中心喷雾或上部周边淋水等方式。

图9—40所示为立式旋风水膜除尘器的一种（CLS型除尘器）。

喷嘴设在筒体上部，由切向将水雾喷向器壁，使筒体内壁始终覆盖一层往下流动的很薄的水膜。

含尘气体由筒体下部切向引入器内，旋转上升，由于离心力作用而分离下来的粉尘，甩向器壁，被水膜层所吸收，然后随污水经排污口排出。

净化后的气体由筒体上部排出。

净化效率可达90％以上。

按除尘器规格不同，设有3~6个喷嘴，喷水压力为30~50kPa，耗水量为0.1~0.3L／m3。

这种除尘器的入口最大允许含尘浓度为2g／m3，浓度大时应在其前增设一级预除尘器，以降低入口含尘浓度。

为了防止除尘器在运行中带水，有的在其上部设挡水圈。

图9—41为中央喷水管喷雾的旋风水膜除尘器。

含尘空气由下部切线方向送入，水雾进入气流后在旋转气流作用下也作旋转运动，然后被甩向器壁，并在器壁上形成水膜。

主要除尘机制包括中心区水滴的碰撞、离心力和水膜粘附作用等。

操作控制靠人口管上的导流调节板来调节入口速度和压损，进一步控制靠调节喷雾压力来实现。

人口速度通常在15m／s以上，断面速度一般为1.2~2.4m／s，压损为0.5kPa左右，耗水量为0.4~1.3L／m3。

对各种粉尘的净化效率一般可达95％~98％。

用于吸收锅炉烟气中的二氧化硫，使用弱碱溶液作洗涤液时，吸收率在94％以上。

（2）卧式旋风水膜除尘器

这种除尘器也称为水鼓除尘器、旋筒式水膜除尘器等，其结构如图9—42所示，它由内筒、外筒、螺旋型导流板、集尘水箱和供排水装置等组成。

内、外筒间设有螺旋型导流板。

使除尘器形成一个螺旋形气体通道。

主要除尘机制包括高速气流对水面的冲击、水滴与尘粒的惯性碰撞、旋转气流的离心力和甩向外筒形成水膜的粘附作用等。

对各种粉尘的净化效率一般在90％以上，有的高达98％。

实验表明，保持效率高和压损低的关键在于各圈形成完整和强度均匀的水膜。

这主要靠在各圈内保持合适的螺旋通道高度和通道断面上的气流速度。

通过除尘器的气量和连续供水量是决定效率和压损的两个因素。

当连续供水量不变时，增大气量，会使平衡水位下降，除尘效率降低，压损升高。

在气量一定时，若加大供水量，则水位升高，通道高度变小，水膜变强烈，使除尘效率和压损皆提高。

据实验资料，通道高度的合适范围为100~150mm，通道内平均气流速度范围为11.0~17.0m／s，连续供水量为0.06~0.15L/m3，气量允许波动范围为20％左右，除尘器压力损失为800~1200Pa。

3．自激喷雾洗涤器

具有一定动能的气流直接冲击液面以形成雾滴的洗涤器称为自激喷雾洗涤器。

自激喷雾在效果上与喷嘴喷雾不同。

它的优点是在高含尘浓度时能维持高的气流量，耗水量小，一般低于0.13L/m3。

压力损失范围为500~4000Pa。

常见的自激喷雾洗涤器有以下两种：

（1）冲击水浴除尘器

冲击水浴除尘器结构简单（图9—43）。

除尘过程大致是：

含尘气流经喷头高速喷出，冲击水面并急剧地改变流向，粗尘粒靠惯性与水碰撞而被捕获；接着气流以细流方式穿过水层，激发出大量泡沫和水花，受到二次净化。

除尘效率一般达85％~95％，压力损失为1.5kPa左右。

影响冲击水浴除尘器效率和压力损失的主要因素有：

气体经喷头的喷射速度，喷头被水淹没的深度，喷头与水面接触的周长S与气流量Q之比值（S／Q）。

一般情况下，随着喷射速度、淹没深度和比值S／Q的增大，除尘效率提高，压力损失也增大。

当喷射速度和淹没深度增大到一定值后，除尘效率几乎不变，而压力损失却急剧增大。

因此，提高除尘效率最佳途径是改进喷头形式，增大比值S／Q。

圆管喷头最简单，但效果不好。

一般采用图9—43所示的形式，气流从环形窄缝喷出。

（2）自激式除尘器

自激式除尘器如图9—44所示，含尘气体进入除尘器后转弯向下冲击水面，粗尘粒被水捕获，细尘粒随气流进入两叶片间的“S”形精净化室，由于高速气流冲击水面激起水滴的碰撞及离心力的作用，使细尘粒被捕集下来。

我国生产的自激式除尘机组，将通风机、洗涤除尘室、水位控制装置和清灰装置组合成一整体，结构紧凑，占地面积小，便于安装和管理。

其中CCJ型采用机械耙灰和自控供水方式,耗水量约为0.04L／m3；CCJ／A型采用橡胶排污阀排出泥浆，供水可自控，耗水量约为0.17L/m3。

对一般除尘系统，水位控制为50mm，通过“S”形通道的气流速度为18~35m／s，除尘效率可达99％，压力损失为1.0~1.6kPa。

自激式除尘器的特点是，随着入口含尘浓度增大，除尘效率有所提高；处理气体量在20％范围内波动时，对除尘效率几乎没有影响。

有关自激式除尘器的使用情况见表9—8。

尘源

入口浓度

（g／m3）

出口浓度

（g／m3）

效率

（％）

尘源

入口浓度

（g／m3）

出口浓度

（g／m3）

效率

（％）

电炉烟气

0.62

0.147

76.3

花岗岩粉尘

10.00

0.046

99.5

锅炉飞灰

3.00

0.011

99.6

石灰

10.00

0.400

96.0

褐煤尘

4.00

0.039

99.0

陶瓷磨光尘

0.92

0.018

98.0

烧结尘

6.90

0.046

99.3

喷砂

1.58

0.055

96.5

炭黑

0.51

0.005

99.0

金属抛光尘

0.28

0.030

89.3

石棉纤维

1.00

0.005

99.5

4．文丘里洗涤器

文丘里洗涤除尘器是一种高效湿式洗涤除尘器，它既可用于高温烟气降温，也可净化含有微米和亚微米粉尘粒子及易于被洗涤液吸收的有毒有害气体。

早期设计的一种称为PA型文丘里洗涤器（图9—45所示），由文丘里管（简称文氏管）和脱水器组成。

文丘里洗涤器的除尘过程，可分为雾化、凝聚和脱水三个过程，前两个过程在文氏管内进行，后一过程在脱水器内完成。

在收缩管和喉管中气液两相之间的相对流速很大，喷嘴喷射出来的水滴，在高速气流冲击下进一步雾化成更细的雾滴。

同时，气体完全被水所饱和，尘粒表面附着的气膜被冲破，使尘粒被水润湿。

因此，在尘粒与水滴或尘粒之间发生着激烈的碰撞、凝聚。

在扩散管中，气流速度的减小和压力的回升，使这种以尘粒为凝结核的凝聚作用发生得更快更完善。

凝聚成较大直径的含尘水滴，容易被其他形式的低能洗涤器或脱水器捕集下来。

文氏管的结构形式有多种，从断面形状上分，有圆形和矩形两类。

从喉管构造上分，有喉口部分无调节装置的定径文氏管及喉口部分装有调节装置的调径文氏管。

调径文氏管用于净化效率要严格保证，需要随气流量变化调节喉径以保持喉管气速不变的场合。

喉径的调节方式，圆形文氏管一般采用重舵式，矩形文氏管可采用翼板式、滑块式和米粒型。

从水雾化方式上分，有预雾化（用喷嘴喷成水滴）和不预雾化（借助高速气流使水雾化）两类。

按供水方式分，有径向内喷、径向外喷、轴向喷雾和溢流供水四类。

溢流供水是在收缩管顶部设溢流水箱，使溢流水沿收缩管壁流下形成均匀的水膜。

这种文氏管，可以起到消除干湿交界上粘灰的作用。

各种供水方式皆应以利于水的雾化并使水滴布满整个喉管断面为原则。

文氏管喉口的调整

文氏管的阻损增加，烟气出口含尘量增加。

由于文氏管的压力损失与流速的二次方成正比，若采用固定喉口，当烟气量减少时，烟气流速降低，因此压力损失降低，出口含尘量增加。

在高炉炼铁中，由于炉况的变化，高炉产生的烟气量发生较大的变化，在炼钢过程中，吹氧期与炼钢后期相比烟气量有很大的变化，必须对喉口面积进行调整。

目前，改变喉口断面的方法，有手动和自动两种。

自动调整主要根据压力损失来进行调整。

文氏管的几何尺寸的确定，应以保证净化效率和减小流体阻力为基本原则。

主要包括收缩管、喉管和扩散管的直径和长度，及收缩管和扩散管的张角等。

文氏管进口管径，一般按与之相联的管道直径确定，流速一般取16~22m／s。

文氏管的出口管径，按脱水器要求的气速确定，一般选18~22m／s。

由于扩散管后面的直管道还具有凝聚和压力恢复的作用，故最好设1~2m的直管段，再接脱水器。

喉管直径D按喉管内气流速度确定。

在除尘中，一般取40~120m／s；净化亚微米的粉尘对可取90~120m／s，甚至高达150m／s；净化较粗粉尘时可取60~90m／s，有些情况取35m／s也能满足要求。

在气体吸收中，喉管内的气速一般取20~23m／s。

喉管长度L，一般采用L／D＝0.8~1.5左右，或取200~350mm。

收缩管的收缩角愈小，阻力愈小，一般采用23°~25°。

扩散管的扩散角，一般取6°~8°。

文丘里洗涤器的除尘效率取决于文氏管的凝聚效率和脱水器的脱水效率。

文氏管的凝聚效率是指因惯性碰撞、拦截和凝聚等作用使尘粒被水滴捕获的百分率。

与喉管内气流速度、粉尘特性、液滴直径及液气比等因素有关。

文丘里洗涤器的压力损失与结构尺寸，特别是喉管尺寸，加工、安装精度，喷雾方式和喷水压力，水气比，气体流动状况等因素有关。

由于文丘里洗涤器对细粉尘具有很高的除尘效率,且对高温气体的降温效果也很好,所以广泛用于高温气体的降温、除尘上，如炼铁高炉煤气、炼钢转炉炉气及有色金属冶炼和化工生产中各种高温烟气的净化。

喷水嘴

在湿式除尘设备中，如洗涤塔、文氏管都要使用喷水嘴。

除尘清洗用水通过喷水嘴喷淋雾化成极细的水滴与烟气接触，以达到清洗和冷却烟气的目的。

选用性能良好的喷水嘴不但能减少烟气清洗和冷却设备的体积，同时还可以节约水量。

目前常用的喷水嘴有碗型喷水嘴、渐开线型和矩形三线螺旋芯喷水嘴等。

1．渐开线型喷水嘴

渐开线型喷水嘴又名螺旋型喷水嘴、涡形喷水嘴。

它的优点是结构简单，不易堵塞。

但喷淋密度不均匀，中心小，周围大，而且供水压力越高越明显。

喷射角一般为68°，流量系数较小。

因此，一般用于水质比较差的场合，如喷淋塔中。

2．碗型喷水嘴

碗型喷水嘴分丝扣连接和法兰连接两种形式。

它具有雾化性能好，水滴细、喷射角大等优点。

但存在结构复杂，易堵塞，对水质要求比较严格，喷淋密度不均匀，中心小，四周大，丝扣常易锈蚀漏水等缺点。

一般常用于文氏管中。