环境工程学B大气污染工程课程设计教材.docx
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环境工程学B大气污染工程课程设计教材
大型作业报告
班级
:
12级机械设计与制造（环保设备）
姓名
:
学号
:
完成时间
:
2013年12月30日
环境科学与工程学院
大气污染控制工程课程设计任务书
设计题目：
某冶炼厂工艺设备每小时产生3000（3200）Nm3的含尘烟气，烟气含尘浓度85（90）g/Nm3，烟气进口温度为250℃，除尘器内平均静压Ps=-340Pa，试设计一台双筒CLT/A型旋风除尘器作为除尘系统的第一级除尘设备。
设计参数：
烟气密度：
烟气粘度：
粉尘密度：
旋风除尘器进口粉尘的粒径分布
平均粒径
1.5
3.5
5
10
15
22
28
36
44
粒径分布
3.5
6
15
17
24
16
11
5
2.5
前言
除尘器是控制尘粒污染的有效措施，也是研究应用较早的一项技术。
但在尘粒初始量增加，排放量进一步严格的情况下，企业必须重新计划自己的操作条件和排放控制系统，开发或应用更高效的除尘器，以满足现行法规的要求。
所以本设计要求完成一台CLT/A型旋风除尘器作为除尘系统的第一级除尘设备的设计。
旋风除尘器是除尘装置的一类。
除沉机理是使含尘气流作旋转运动，借助于离心力降尘粒从气流中分离并捕集于器壁，再借助重力作用使尘粒落入灰斗。
旋风除尘器结构简单，易于制造、安装和维护管理，设备投资和操作费用都较低，已广泛用来从气流中分离固体和液体粒子，或从液体中分离固体粒子。
在普通操作条件下，作用于粒子上的离心力是重力的5～2500倍，所以旋风除尘器的效率显著高于重力沉降室。
在机械式除尘器中，旋风式除尘器是效率最高的一种。
它适用于非黏性及非纤维性粉尘的去除，大多用来去除5μm以上的粒子，并联的多管旋风除尘器装置对3μm的粒子也具有80～85%的除尘效率。
因此，它属于中效除尘器，且可用于高温烟气的净化，是应用广泛的一种除尘器，多应用于锅炉烟气除尘、多级除尘及预除尘。
旋风除尘器在我国应用还不是很广泛，但是随着工业的发展以及人们生活水平和对环境质量要求的提高，旋风除尘器必将有越来越重要的应用，而管式以其显著的优点将会在除尘器的未来发展中显示越来越重要的作用，这可从发达国家除尘器发展的过程中得到证明；另一方面，开发新型除尘装置也是大势所趋。
基于我国的特殊国庆，这个过程可能还需要较长的一段时间，但无论如何，由中小型，低效除尘设备向大型高效除尘设备发展是一个必然的趋势。
目录
1.除尘设备选择1
1.1其他除尘器的特点1
1.2旋风除尘器的特点及选择旋风除尘器的原因2
2.旋风除尘器的结构及工作原理3
2.1旋风除尘器结构3
2.2旋风除尘器的工作原理4
2.3旋风除尘器的优缺点4
3.CLT/A型旋风除尘器5
4.影响旋风除尘器效率的因素6
4.1除尘器结构尺寸对其性能的影响6
4.2操作工艺参数8
4.3影响旋风除尘器压降的因素9
5.工艺设计计算9
5.1选择旋风除尘器的入口风速10
5.2计算确定单进口面积10
5.3入口高度a、宽度b的计算11
5.4计算旋风除尘器的筒体直径D011
5.5按所选筒体直径尺寸计算旋风除尘器其它各部分尺寸11
6.设计检验计算11
6.1除尘器阻力损失计算11
6.2除尘效率计算12
6.3排放浓度计算14
7.设计参数汇总表15
8.小结15
9.设计心得体会16
10.致谢17
[参考文献]17
[摘要]
本文针对旋风除尘器的结构及特点，介绍了旋风除尘器除尘机理和优缺点，分析影响旋风除尘器压力损失和除尘效率的因素，并针对相应的设计要求设计计算一台CLT/A型旋风除尘器作为除尘系统的第一级除尘设备。
1.除尘设备选择
本次设计除尘设备选用CLT型旋风除尘器。
1.1其他除尘器的特点
（1）重力沉降室
重力沉降室是使含尘气流中的尘粒借助重力作用自然沉降来达到净化气体的目的的装置。
这种装置具有结构简单、造价低、施工容易（可以用砖砌或用钢板焊制）、维护管理方便、阻力小（一般50-150Pa）等优点，但由于它体积大，除尘效率低（一般只有40%-50%），适于捕集大于50μm粉尘粒子，故一般只用于多级除尘系统中的第一级除尘。
（2）惯性除尘器
惯性除尘器是利用尘粒在运动中惯性力大于气体惯性力的作用，将尘粒从含尘气体中分离出来的设备。
这种除尘器结构简单、阻力较小、但除尘效率较低，一般常用于一级除尘。
惯性除尘器用于净化密度和粒径较大（捕集10-20μm以上的粗尘粒）的金属或矿物性粉尘，具有较高的除尘效率。
对于黏结性和纤维性粉尘，因其易堵塞，故不宜采用。
（3）电除尘器
电除尘器是含尘气体在通过高压电场进行电离的过程中，是尘粒荷电，并在电场力的作用下使尘粒趁机在集尘板上，将尘粒从含尘气体中分离出来的一种除尘设备。
其与其他除尘器的根本区别在于，分离力直接作用在粒子上，因此具有耗能小、气流阻力小的特点。
其主要优点有压力损失小、处理烟气量大、耗能低、对粉尘具有很高的捕集效率和可在高温或强腐蚀性气体下操作。
但其缺点为一次性投资大、安装精度要求高和需要调节比电阻。
（4）湿式除尘器
湿式除尘器是使含尘气体与液体密切接触，利用水滴和颗粒的惯性碰撞及其他作用捕集颗粒或使粒径增大的装置。
它具有结构简单、造价低、占地面积小、操作及维修方便和净化效率高等优点，能处理高温、高湿的气流，将着火、爆炸的可能减至最低。
但采用湿式除尘器时要特别注意设备和管道腐蚀以及污水和污泥的处理等问题。
湿式除尘过程也不利于副产品的回收。
（5）过滤式除尘器
过滤式除尘器是使含尘气流通过过滤材料将粉尘分离捕集的装置，采用滤纸或玻璃纤维等填充层作滤料的空气过滤器，主要用于通风及空气调节方面的气体净化。
虽然其除尘效率一般可达99%以上，且效率高、性能稳定可靠、操作简单，但其不能在“结露”状态下工作、电除尘相比阻力损失稍大、当烟气中硫氧化物、氮氧化合物浓度很高时，除FE滤料外，其他化纤合成纤维滤料均会被腐蚀损坏，布袋寿命缩短、不适于在高温状态下运行工作，当烟气中粉尘含水分重量超过25%以上时，粉尘易粘袋堵袋，造成布袋清灰困难、阻力升高，过早失效损坏。
1.2旋风除尘器的特点及选择旋风除尘器的原因
（1）旋风除尘器与其他除尘器相比，具有结构简单、占地面积小、投资低、操作维修方便以及适用面宽的优点。
适用于工业炉窑烟气除尘和工业通风除尘；工业气力输送系统气固两相分离与物料气力烘干回收。
（2）旋风除尘器的除尘效率一般达85%左右，高效的旋风除尘器对于输送、破碎、卸料、包装、清扫等工业生产过程产生的含尘气体除尘效率可达95%-98%，对于燃煤炉窑产生烟气的除尘效率可以达到92%-95%。
（3）旋风除尘器捕集<5μm颗粒的效率不高，一般可以作为高浓度除尘系统的预除尘器，与其他类型高效除尘器合用。
可用于10μm以上颗粒的去除，符合此题的题设条件。
（4）粘性大的粉尘容易粘结在除尘器表面，不宜采用干法除尘；比电阻过大或过小的粉尘，不宜采用电除尘；纤维性或憎水性粉尘不宜采用湿法除尘。
本题为锅炉排烟，锅炉排烟的特点是烟气流量大，而且烟气流量变化也很大，选取旋风除尘器是适当的。
（5）旋风除尘器适宜于高温高压含尘气体的除尘。
综合气体的含尘浓度、烟气温度和其他性质以及收集粉尘的处理、运行费用等多项因素，可选用旋风除尘器。
2.旋风除尘器的结构及工作原理
2.1旋风除尘器结构
旋风除尘器是利用旋转气流所产生的离心力将尘粒从合尘气流中分离出来的除尘装置。
它具有结构简单，体积较小，不需特殊的附属设备，造价较低．阻力中等，器内无运动部件，操作维修方便等优点。
旋风除尘器一般用于捕集5-15微米以上的颗粒．除尘效率可达80％以上，近年来经改进后的特制旋风除尘器．其除尘效率可达5％以上。
旋风除尘器的缺点是捕集微粒小于5微米的效率不高。
旋风除尘器也称作旋风分离器，是利用器内旋转的寒碜气体所产生的离心力，将粉尘从气流中分离出来的一种干式气固分离装置。
它主要由排灰管、圆锥体、圆柱体、进气管、排气管以及顶盖组成。
2.2旋风除尘器的工作原理
分气流的运动和尘粒的运动两部分，它们的运动概况如下：
旋转气流的绝大部分沿器壁自圆简体，呈螺旋状由上向下向圆锥体底部运动，形成下降的外旋含尘气流，在强烈旋转过程中所产生的离心力将密度远远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自身的重力沿壁面下落进入集灰斗。
旋转下降的气流在到达圆锥体底部后．沿除尘器的轴心部位转而向上．形成上升的内旋气流，并由除尘器的排气管排出。
自进气口流人的另一小部分气流，则向旋风除尘器顶盖处流动，然后沿排气管外侧向下流动，当达到排气管下端时，即反转向上随上升的中心气流一同从排气管排出，分散在其中的尘粒也随同被带走。
2.3旋风除尘器的优缺点
旋风除尘器的主要优点如下：
（1）旋风除尘器内部没有运动部件，维护方便。
（2）制作、管理十分方便。
（3）处理相同风量的情况下体积小，结构简单，价格便宜。
（4）作为预除尘器使用时，可以立式安装，使用方便。
（5）处理大风量时便于多台并联使用，效率阻力不受影响。
（6）可耐400。
C高温，如采用特殊的耐高温材料，还可以耐受更高的温度。
（7）除尘器内设耐磨内衬后，可用以净化含高磨蚀性粉尘的烟气。
（8）可以干法清灰，有利于回收有价值的粉尘。
但其也有几个缺点，主要如下：
（1）卸灰阀如果漏损会严重影响除尘效率。
（2）磨损严重，特别是处理高浓度或磨损性大的粉尘时，人1：
1处和锥体部位都容易磨坏。
（3）除尘效率不高（对捕集粒径小于5p．m的微细粉尘和尘粒密度小的粉尘，效率较低），单独使用有时满足不了含尘气体排放浓度的要求。
（4）由于除尘效率随筒体直径增加而降低，因而单个除尘器的处理风量受到一定限制。
3.CLT/A型旋风除尘器
CLT/A型旋风除尘器为基本型旋风除尘器，属螺旋型旋风除尘器。
适用于物质密度较大的、干燥的、非纤维除尘，广泛应用于冶金、铸造、喷砂、建筑材料、电力及耐火等工业中。
它由进气管、筒体、排气管、蜗壳（或集风帽）、锥体、灰斗等部分组成。
有两种出风方式：
X型（水平出风）一般用于负压操作；Y型（上部出风）一般用于正或负压操作。
在结构上与一般旋风除尘器的区别在于：
一般旋风除尘器进气管的轴线垂直于旋风筒的轴线，而CLT/A型旋风筒的结构特点是具有一个倾斜的进气管，进气管的轴线与水平倾斜一定角度。
普通型旋风除尘器的烟气进入除尘器后，烟气旋转向下的同时，还会有部分烟气旋转向上而形成涡旋气流，这股气流绕出口内管（排气管）管壁旋转向下在排气管入口处混入已净化烟气内，随排出管排出除尘器而降低除尘效率，由于CLT/A型旋风除尘器具有倾斜的切向进气口及螺旋型顶盖导流板，从而消除了上旋流，动能消耗降低，从而提高了除尘效率。
当含尘气体进入旋风筒后，其工况与一般旋风除尘器相似，即待处理的含尘气体切向进入除尘器后，螺旋状旋转向下到达锥体底部，然后再以直径较小的螺旋反向上旋，经由顶部出口内管（排气管）排出。
尘粒在离心力的作用下与烟气分离并被抛到旋风除尘器的器壁上，然后沿除尘器壁下降到锥体底部并排入灰斗。
对于CLT/A型旋风除尘器而言，由于其筒体较为细长，锥角较小，锥体较长，这样可以提高除尘效率，但△P较大。
CLT/A型单筒旋风除尘器技术性能参数
名称
型号
风量（m3/h）
阻力（Pa）
进口流速
（m/s）
外形尺寸（mm）
（筒径×高）
设备重量
（Kg）
CLT/A－X
CLT/A－Y
CLT/A－3.0
670~1220
843~2850
755~2550
12~22
Φ300×1740
115
CLT/A－3.5
710~1660
843~2850
755~2550
12~22
Φ350×2000
144
CLT/A－4.0
1180~2170
843~2850
755~2550
12~22
Φ400×2300
190
CLT/A－4.5
1500~2760
843~2850
755~2550
12~22
Φ450×2565
232
CLT/A－5.0
1860~3390
843~2850
755~2550
12~22
Φ500×2830
300
CLT/A－5.5
2240~4110
843~2850
755~2550
12~22
Φ550×3040
365
CLT/A－6.0
2670~4890
843~2850
755~2550
12~22
Φ600×3350
460
CLT/A－6.5
3130~5740
843~2850
755~2550
12~22
Φ650×3610
546
CLT/A－7.0
3630~6660
843~2850
755~2550
12~22
Φ700×3880
615
CLT/A－7.5
4170~7640
843~2850
755~2550
12~22
Φ750×4140
705
CLT/A－8.0
4750~8690
843~2850
755~2550
12~22
Φ800×4400
945
4.影响旋风除尘器效率的因素
4.1除尘器结构尺寸对其性能的影响
旋风除尘器的各个部件都有一定的尺寸比例，每一个比例关系的变动，都能影响旋风除尘器的效率和压力损失。
其中除尘器直径、进气口尺寸、排气管直径为主要影响因素。
（1）进气口
旋风除尘器的进气口是形成旋转气流的关键部件，是影响除尘效率和压力损失的主要因素。
切向进气的进口面积对除尘器有很大的影响，进气口面积相对于筒体断面小时，进入除尘器的气流切线速度大，有利于粉尘的分离。
（2）圆筒体直径和高度
圆筒体直径是构成旋风除尘器的最基本尺寸。
旋转气流的切向速度对粉尘产生的离心力与圆筒体直径成反比，在相同的切线速度下，筒体直径D越小，气流的旋转半径越小，粒子受到的离心力越大，尘粒越容易被捕集。
因此，应适当选择较小的圆筒体直径，但若筒体直径选择过小，器壁与排气管太近，粒子又容易逃逸；筒体直径太小还容易引起堵塞，尤其是对于粘性物料。
筒体总高度是指除尘器圆筒体和锥筒体两部分高度之和。
增加筒体总高度，可增加气流在除尘器内的旋转圈数，使含尘气流中的粉尘与气流分离的机会增多，但筒体总高度增加，外旋流中向心力的径向速度使部分细小粉尘进入内旋流的机会也随之增加，从而又降低除尘效率。
筒体总高度一般以4倍的圆筒体直径为宜，锥筒体部分，由于其半径不断减小，气流的切向速度不断增加，粉尘到达外壁的距离也不断减小，除尘效果比圆筒体部分好。
因此，在筒体总高度一定的情况下，适当增加锥筒体部分的高度，有利提高除尘效率。
一般圆筒体部分的高度为其直径的1.5倍，锥筒体高度为圆筒体直径的2.5倍时，可获得较为理想的除尘效率。
（3）排风管
排风管的直径和插入深度对旋风除尘器除尘效率影响较大。
排风管直径必须选择一个合适的值，排风管直径减小，可减小内旋流的旋转范围，粉尘不易从排风管排出；有利提高除尘效率，但同时出风口速度增加，阻力损失增大。
若增大排风管直径，虽阻力损失可明显减小，但由于排风管与圆筒体管壁太近，易形成内、外旋流“短路”现象，使外旋流中部分未被清除的粉尘直接混入排风管中排出，从而降低除尘效率。
一般认为排风管直径为圆筒体直径的0.4~0.6倍为宜。
排风管插入过浅，易造成进风口含尘气流直接进入排风管，影响除尘效率；排风管插入过深，易增加气流与管壁的摩擦面，使其阻力损失增大，同时，使排风管与锥筒体底部距离缩短，增加灰尘二次返混排出的机会。
排风管插入深度一般以略低于进风口底部的位置为宜。
（4）排灰口
排灰口的大小与结构对除尘效率有直接的影响。
增大排灰口直径可使除尘器提高压力降，对提高除尘效率有利，但排灰口直径太大会导致粉尘的重新扬起。
（5）并联设计
当处理风量较大时，因筒体直径小处理含尘风量有限，可采用几台旋风除尘器并联运行的方法解决。
并联运行处理的风量为各除尘器处理风量之和，阻力仅为单个除尘器在处理它所承担的那部分风量的阻力。
但并联使用制造比较复杂，所需材料也较多，气体易在进口处被阻挡而增大阻力。
因此，并联使用时台数不宜过多。
本次才用双筒CLT/A旋风除尘器并联方式。
4.2操作工艺参数
（1）流速
提高进风口气流速度，可增大除尘器内气流的切向速度，使粉尘受到的离心力增加，有利提高其除尘效率。
但进风口气流速度提高，径向和轴向速度也随之增大，紊流的影响增大。
对每一种特定的粉尘旋风除尘器都有一个临界进风口气流速度，当超过这个风速后，紊流的影响比分离作用增加更快，使部分已分离的粉尘重新被带走，影响除尘效果。
（2）粉尘的状况
粉尘颗粒大小是影响出口浓度的关键因素。
处于旋风除尘器外旋流的粉尘，在径向同时受到两种力的作用，一是由旋转气流的切向速度所产生的离心力，使粉尘受到向外的推移作用；另一个是由旋转气流的径向速度所产生的向心力，使粉尘受到向内的推移作用。
在内、外旋流的交界面上，如果切向速度产生的离心力大于径向速度产生的向心力，则粉尘在惯性离心力的推动下向外壁移动，从而被分离出来；如果切向速度产生的离心力小于径向速度产生的向心力，则粉尘在向心力的推动下进入内旋流，最后经排风管排出。
如果切向速度产生的离心力等于径向速度产生的向心力，即作用在粉尘颗粒上的外力等于零，从理论上讲，粉尘应在交界面上不停地旋转。
实际上由于气流处于紊流状态及各种随机因素的影响，处于这种状态的粉尘有50%的可能进入内旋流，有50%的可能向外壁移动，除尘效率应为50%。
此时分离的临界粉尘颗粒称为分割粒径。
这时，内、外旋流的交界面就象一张孔径为分割粒径的筛网，大于分割粒径的粉尘被筛网截留并捕集下来，小于分割粒径的粉尘，则通过筛网从排风管中排出。
旋风除尘器捕集下来的粉尘粒径愈小，该除尘器的除尘效率愈高。
离心力的大小与粉尘颗粒有关，颗粒愈大，受到离心力愈大。
当粉尘的粒径和切向速度愈大，径向速度和排风管的直径愈小时，除尘效果愈好。
气体中的灰分浓度也是影响出口浓度的关键因素。
粉尘浓度增大时，粉尘易于凝聚，使较小的尘粒凝聚在一起而被捕集，同时，大颗粒向器壁移动过程中也会将小颗粒挟带至器壁或撞击而被分离。
但由于除尘器内向下高速旋转的气流使其顶部的压力下降，部分气流也会挟带细小的尘粒沿外壁旋转向上到达顶部后，沿排气管外壁旋转向下由排气管排出，导致旋风除尘器的除尘效率不可能为100%。
根据除尘效率计算公式：
η=（1－So/Si）×100%
式中：
η——除尘效率；
So——出口处的粉尘流出量，kg/h；
Si——进口处的粉尘流入量，kg/h。
因为旋风除尘器的除尘效率不可能为100%，当进口粉尘流入量增加后，除尘效率虽有提高，排风管排出粉尘的绝对量也会大大增加。
所以，要使排放口的粉尘浓度降低，则要降低入口粉尘浓度，可采取多个旋风除尘器串联使用的多级除尘方式，达到减少排放的目的。
4.3影响旋风除尘器压降的因素
（1）进气管的摩擦损失；
（2）气体进入旋风除尘器时，因膨胀或压缩而造成的能量损失；
（3）气体在旋风除尘器与器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引起的能量损失；
（5）排气管内的摩擦损失，同时旋转运动较直线运动消耗需要更高的能量；
（6）排气管内气体旋转时的动能转化成静压能的损失。
5.工艺设计计算
根据要求，选择CLT/A型双筒旋风除尘器进行自主计算设计。
图例如下：
5.1选择旋风除尘器的入口风速
根据设计要求，一般入口流速Vi在12-18m/s之间，故选取Vi=17m/s为入口风速。
5.2计算确定单进口面积
已知烟气的流量QN=3100Nm3/h，Vi=17m/s
因为，PV=nRT；同样，PNVN=nRTN；推出
=
，Q=
而QN=3100Nm3/h，PN=101325Pa，TN=273K，
P=101325+（-340）=100985Pa，T=273+250=523K
可算出：
Q=
=
所以，单入口面积A=Q/（2Vi）=（5958.823/3600）/（2×17）=0.0487m2
5.3入口高度a、宽度b的计算
因为A=a×b
，
其中，A为单进气口面积
a——进气口高度；
b——进气口一侧宽（双筒进气口相同）；
又因为，根据经验可知a:
b=2～3，此处取a=2b，
所以，A=a×b
=2b
=0.0487m2；
计算后得b=156mm；a=312mm
5.4计算旋风除尘器的筒体直径
因为b=（0.2～0.25）D0，所以D0=（4～5）b
取D0=5b=5×0.156=0.780m；
圆整后：
D0=800mm；b=160mm,a=320mm；A=0.0512m2
5.5按所选筒体直径尺寸计算旋风除尘器其它各部分尺寸
筒体高度h=1.5D0=1.5×800=1200mm
椎体高度H-h=2.5D0=2.5×800=2000mm，
故总高度H=3200mm。
排灰口直径D2=（1/3～1/4）D0，取D2=0.3D0=0.3×800=240mm
排风管直径de=（0.4～0.6）D0，取de=0.5D0=0.5×800=400mm
排风管插入深度h0=0.4D0=0.4×800=320mm
6.设计检验计算
6.1除尘器阻力损失计算
根据无叶片的标准切向型进口（CLT/A型），K取值为16
K=16,计算得：
又烟气密度：
，Vi=17m/s
该除尘器的阻力：
因为，PV=nRT；同样，PNVN=nRTN；
密度修正：
，又
推出：
6.2除尘效率计算
用leith-licht经验公式计算分级效率：
其中：
C——旋风除尘器的尺寸比函数：
其中：
ｌ——旋风除尘器的自然长度，即气流自然返回长度
d0——该点圆锥部分直径
带入数值有：
——修正惯性系数，
其中：
ρ0、ρ——固体颗粒以及气体颗粒密度（kg·s2/m4）
带入密度修正
，
以及单位换算（kg·s2/m4）=（kg/m3）/（9.81m/s2）
μ——气体粘度（kg·s/m2）
Vi——气体进口速度（m/s）
d——粉尘颗粒直径（m）
n——速度分布指数
带入
公式有:
带入公式整理有:
根据以上参数及粒径分布可以计算出除尘效率计算表如下：
平均粒径
粒级分布
累计粒级分布
修正惯性
系数
分级除尘效率
1.5
3.5
3.5
0.000259
0.4251
1.4878
3.5
6
9.5
0.001411
0.6123
3.6740
5
15
24.5
0.002879
0.6953
10.4288
10
17
41.5
0.011519
0.8419
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