精品回转窑石膏粉尘旋风除尘器工艺设计毕业论文.docx

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精品回转窑石膏粉尘旋风除尘器工艺设计毕业论文

课程设计

设计题目回转窑石膏粉尘旋风除尘器工艺设计

课程名称大气污染控制工程

一.设计题目

回转窑石膏粉尘旋风除尘器工艺设计

二．设计资料

1、烟气流量及烟气性质

设计烟气量：

5000m3/h（与烟气温度无关）

设计烟气性质：

见下表。

项目

粉尘浓度

粉尘真密度

烟气温度

烟气湿度

烟气黏度

平均值

200g/m3

2000kg/m3

120℃

2.2*10-5Pa·s

粉尘粒径分布（质量比）：

粒径（μm）

质量比（%）

2、处理要求：

此旋风除尘器作为预除尘器，要求除尘效率大于80%，压力损失小于1200Pa。

3、厂区条件

回转窑车间旁有30㎡的空地可用于安装旋风除尘器。

三、设计目的

温习和巩固所学知识、原理，特别是熟悉分级除尘效率的内容；

掌握一般旋风除尘器的设计计算的方法和步骤。

四、设计要求

独立思考，独立完成；

设备选型、卸灰装置选择、技术参数、性能、详细说明；

提交的成品：

设计说明书、除尘器主体设计图、卸灰装置简图。

五、设计内容

根据设计资料和设计要求，确定设备选型和技术参数。

具体选型步骤如下：

1、确定除尘系统所需处理的气体量；

2、根据所需处理气体的含尘质量浓度、粉尘性质及使用条件初步选择除尘器类型；

3、根据所需处理的含尘气体量，计算除尘器直径和各部件尺寸；　

4、确定进口气速（合理取值范围内），计算总除尘效率；

5、计算压力损失；

6、若不能满足要求，则需重新选择除尘器类型，重新设计计算；

7、编写设计说明书，绘制除尘器主体设计图（包括卸灰装置）。

六、设计期限

　　二周，考虑到中间的生产实习，要求6月20日之前上交本课程设计。

七、其它说明

本次课程设计涉及的工艺装备，参照有关设计手册及产品说明书进行选型；

八、主要参考资料

除尘器设计手册（可借阅、网上下载等）

环保设备设计手册—大气污染控制设备（可借阅、网上下载等）

除尘器的内容

第1章绪论

1.1除尘技术概述

近年来人们对大气污染的关注已由局地的或区域的污染扩展至全球气候变化，关注的污染物也不仅只是常规的一次污染物，人们越来越关注二次污染物和一些微量的有毒有害物质对环境和人体健康的影响；大气污染控制技术自身也由末端控制为主发展为以清洁生产为中心的全过程控制。

除尘器是从气流中将粉尘予以分离的设备，它的工作状态直接影响排往大气中的粉尘浓度，从而影响周围环境。

由于生产的需要，实践中采用了很多的除尘器。

根据所利用的除尘原理不同，除尘器可以分为机械式除尘器和电除尘器两大类。

本设计要涉及的是机械式除尘器中的旋风除尘器。

机械式除尘器的特点是结构简单，造价低，维护方便，但除尘效率不高，一般作为多级除尘系统的预处理除尘装置。

下面是几种机械除尘器的性能比较表：

除尘器名称

阻力（Pa）

除尘效率（﹪）

初投资

运行费用

重力沉降室

50~150

40~60

少

惯性除尘器

100~500

50~70

少

旋风除尘器

400~1300

70~92

少

中

多管旋风除尘器

800~1500

80~95

中

喷淋洗涤塔

100~300

75~95

中

1.2旋风除尘器简介

本设计设计为回转窑石膏粉尘旋风除尘器。

回转窑是指旋转煅烧窑（俗称旋窑），属于建材设备类。

回转窑按处理物料不同可分为水泥窑、冶金化工窑和石灰窑。

水泥窑主要用于煅烧水泥熟料，分干法生产水泥窑和湿法生产水泥窑两大类。

水泥的主要成分是石膏，因此水泥回转窑进行生产时，窑尾会产生大量的石膏烟尘，排入在大气中会严重污染大气，给大气环境造成危害。

因此需要在窑尾设计除尘设备，对石膏烟尘排放浓度进行控制排放。

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。

旋风除尘器于1885年开始使用，已发展成为多种型式。

按其流进入方式，可分为切向进入式和轴向进入式两类。

在相同压力损失下，后者能处理的气体约为前者的3倍，且气流分布均匀。

普通旋风除尘器由简体、锥体和进、排气管等组成。

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。

大多用来去除0.3μm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。

选用耐高温、耐磨蚀和腐蚀的特种金属或陶瓷材料构造的旋风除尘器，可在温度高达1000℃，压力达500×105Pa的条件下操作。

从技术、经济诸方面考虑旋风除尘器压力损失控制范围一般为500～2000Pa。

1.1.1除尘原理

气流从宏观上看可归结为三个运动：

外涡旋、内涡旋、上涡旋。

普通旋风器由筒体、锥体、排出管等部分组成。

含尘气流由进口沿切线方向进入除尘器后，沿器壁由上而下作旋转运动，这股旋转向下的气流称为外涡旋（外涡流），外涡旋到达锥体底部转而沿轴心向上旋转，最后经排出管排出。

这股向上旋转的气流称为内涡旋（内涡流）。

外涡旋和内涡旋的旋转方向相同，含尘气流作旋转运动时，尘粒在惯性离心力推动下移向外壁，到达外壁的尘粒在气流和重力共同作用下沿壁面落入灰斗。

气流从除尘器顶部向下高速旋转时，顶部压力下降，一部分气流会带着细尘粒沿外壁面旋转向上，到达顶部后，在沿排出管旋转向下，从排出管排出。

这股旋转向上的气流称为上涡旋。

旋风分离器内气流运动是很复杂的，除切向和轴向运动外，还有径向运动。

在这里，上涡旋不利于除尘。

影响旋风除尘器效率的因素主要有以下几点：

⑴．二次效应

即被捕集粒子的重新进入气流。

在较小的粒径区间内，实际效率高于理论效率；在较大的粒径区间，实际效率低于理论效率。

⑵．比例尺寸

排出管直径越小分割直径越小，即除尘率越高，但排出管直径太小，会导致压力降的增加，一般取排出管直径de=（0.4~0.65）D。

另外，实践表明，筒体和锥体的总高度以不大于5倍的筒体直径为宜。

⑶．烟尘性质

烟尘的物理性质。

气体的密度和粘度、尘粒的大小和比重、烟气含尘浓度等都会影响旋风除尘器的效率。

⑷．操作变量

1.1.2分类

旋风除尘器按其性能可分以下四大类：

①高郊旋风除尘器，其筒体直径较小，用来分离较细的粉尘，除尘效率在95%以上；

②大流量旋风除尘器，筒体直径较大，用于处理很大的气体流量，其除尘效率为50-80%

③通用型旋风除尘器，处理风量适中，因结构形式不同，除尘效率波动在70-85%之间，

④防爆型旋风除尘器，本身带有防爆阀，具有防爆功能。

根据结构形式可分为长锥体、圆筒体、扩散式、旁路型。

按组合、安装情况分为：

内旋风除尘器、外旋风除尘器、立式与卧式以及单筒与多管旋风除尘器。

按气流导入情况，气流进入旋风除尘后的流路路线，以及带二次风的形式可概括地分为以下两种：

①切流反转式旋风除尘器

②轴流式旋风除尘器

1.1.3旋风除尘器优缺点

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℃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，入口处和锥体部位都

易磨坏。

（3）除尘效率不高（对捕集粒径小于5um的微细粉尘和尘粒密度小的粉尘，效率低），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。

第2章设计选择

2.1设计方案确定与简介

由题设可知，本设计的烟气量和含尘量都不大。

烟气量Q=5000m3/h，粉尘浓度200mg/m3，根据《环保设备设计手册—大气污染控制设备》选XLP/B型旁路式旋风除尘器。

2.2所选除尘器介绍与工作原理

XLP型旁路式旋风除尘器是一种在旋风筒体外侧带有一旁路通道的高效旋风除尘器，它能使筒内壁附近含尘较多的一部分气体通过旁路进入旋风筒下部，以减少粉尘由排风口逸出的机会，特别对大于5μm的粉尘有较高的除尘效率。

用于清除工业废气中含有密度较大的非纤维性及黏结性的灰尘。

能有效地分离烟草灰、滑石粉、石英粉、石灰石粉、矿渣水泥、水泥生料等，具有结构简单、操作方便，耐高温、阻力低而除尘效率高的特点，适用于矿山、冶金、耐火材料、煤炭、化工、建材及电力等工业部门的气体净化。

除尘器的工作原理是：

含尘气体从进口处切向进入后，气体在获得旋转运动的同时，气流分成上、下分开，形成双旋涡运动，粉尘在排气底部即双旋涡的分界处产生强烈的分离作用。

较细较轻的尘粒由上部旋涡气流带往上部，在顶盖下面形成强烈旋转的灰环，产生尘粒的聚集，并被从特设的旁路分离室上部洞口引出，经旁路分离室下部螺旋槽，从除尘器外壁回风口切向引入除尘器筒体下部与内部气流汇合，粉尘被分离而落入灰斗。

另一部分较粗重的粉尘颗粒则在下旋涡气流带动下，沿除尘器下段经由上旋涡气流的类似过程，将粉尘分离并进入灰斗。

2.3所选除尘器分类

XLP型旁路式旋风除尘器比一般旋风除尘器进气口位置低，使在除尘器顶部有充足的空间形成上旋涡并形成粉尘环，从旁路分离室引至锥体部分，这样有害于除尘效率的二次气流，变成有粉尘集聚作用的上旋涡气流；旁路分离室设计成螺旋形，使进入的含尘气流切向进入锥体，避免扰乱锥体内壁气流，防止再次尘化现象。

①按XLP型旁路式旋风除尘器出风方式分类。

X型（水平出风，吸出式除尘器位于风机吸入侧，并带有出口蜗壳），一般用于负压操作；Y型（上部出风，压入式除尘器位于风机压入侧），一般用于正压或负压操作。

②按回旋方向可分为右回旋S型和左回旋N型两种，两型号除尘器有四种组合型式（XN、XS、YN、YS型）。

③按螺旋形旁路分离室分类。

XLP/A呈半螺旋形，外形呈双锥体；XLP/B呈全螺旋形，具有较小圆锥角的单锥体，锥体较长。

试验证明在同样条件下A型效率高于B型，同时A型阻力大于B型，B型比A型结构简单，质量小。

从各方面考虑，如所需处理气体的含尘质量浓度、粉尘性质及使用条件本设计选用XLP/B呈半螺旋形旋风除尘器。

下图是XLP两种除尘器的示意图：

第3章设计参数计算

3.1除尘器尺寸计算

除尘系统所需处理的气体量为Q=5000m3/h=1.39m3/s。

根据所处理的烟气量，取进口风速度为25m.S-1根，相关XLP/B型的设计计算公式如下图：

尺寸名称

XLP/A

XLP/B

XLT/A

XLT

入口宽度，b

入口高度，h

筒体直径，D

上3.85b

下0.7D

3.33b

（b=0.3D）

3.85b

4.9b

排出筒直径，de

上0.6D

下0.6D

0.6D

0.58D

筒体长度，L

上0.50D

下1.0D

1.7D

2.26D

1.6D

锥体长度，H

上0.50D

下1.00

2.3D

2.0D

1.3D

灰口直径，d1

0.296D

0.43D

0.3D

0.145D

进口速度

为右值时的压力损失

12m/s

700（600）

5000（420）

860（770）

440（490）

15m/s

1100（940）

890（700）

1350（1210）

670（770）

18m/s

1400（1260）

1450（1150）

1950（1740）

990（1110）

由表格找出关于XLP/B的相关计算数据，进行如下设计：

（1）旋风除尘器的进口截面积，m2

有设计规范可知，此处无计算v1的标准公式，因此v1应在12~25m/s之间。

此处取v1=18m/s。

A==5000/（3600*18）=0.077m2

（2）旋风除尘器的入口高度，m

h===0.394m

（3）旋风除尘器的入口宽度，m

b===0.196m

（4）旋风除尘器的筒体直径，D

D=3.33b=0.196*3.33=0.653m=653mm

参考XLP/B产品系列，取D=700mm,

（5）旋风除尘器的排出筒直径，mm

de=0.6D=0.7*0.6=420mm

（6）旋风除尘器的筒体长度，mm

L=1.7D=0.7*1.7=1190mm

（7）旋风除尘器的锥体长度，mm

H=2.3D=2.3*0.7=1610mm

（8）旋风除尘器的灰口直径，mm

d1=0.43D=0.43*0.7=301mm

校核

入口宽度入口面积

入口高度则

为防止粒子短路漏到出口，，则

计算得，取

3.2除尘器压力损失计算

由《环保设备设计手册—大气污染控制设备》可得XLP/B型旋风除尘器的局部阻力系数值：

烟气的密度：

则可以求出该除尘器的阻力：

3.3除尘效率计算

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，取内外涡流交界圆柱的直径

要根据斯托克斯公式计算出除尘器的分割粒径：

根据斯托克斯定律可知：

其中：

μ——烟气黏度/,Pa·s。

——气流的入口速度，m/s

——交界圆柱面的半径，m

——粉尘真密度，kg/m3

——气流在交界面的切向速度，m/s

涡流指数:

气流在交界面上的切向速度：

外涡旋气流的平均径向速度：

则分割直径：

分级效率：

计算后，列表如下：

粒径（μm）

质量比（%）

分级效率ηi/%

5.56

19.07

48.52

74.27

85.49

90.87

93.78

95.02

95.93

总效率

ηigi

0.28

1.14

4.36

9.66

20.52

20.90

8.44

5.70

4.80

η/%

η=∑ηigi

75.80

通过计算可知，所设计的除尘器的除尘效率明显没有达到了设计的要求。

为了达到要求中的80%去除率，必须更换相应的方案。

3.4方案变更

由于一台旋风除尘器的除尘效率远远达不到要求中的80%，因此考虑使用两台XLP/B并联进行除尘。

由表格找出关于XLP/B的相关计算数据，进行如下设计：

（1）旋风除尘器的进口截面积，m2

有设计规范可知，此处无计算v1的标准公式，因此v1应在12~25m/s之间。

此处取v1=22m/s。

A==2500/（3600*22）=0.031m2

（2）旋风除尘器的入口高度，m

h===0.251m

（3）旋风除尘器的入口宽度，m

b===0.124m

（4）旋风除尘器的筒体直径，D

D=3.33b=0.124*3.33=413mm

参考XLP/B产品系列，取D=420mm,

（5）旋风除尘器的排出筒直径，mm

de=0.6D=0.42*0.6=252mm

（6）旋风除尘器的筒体长度，mm

L=1.7D=0.42*1.7=714mm

（7）旋风除尘器的锥体长度，mm

H=2.3D=2.3*0.42=966mm

（8）旋风除尘器的灰口直径，mm

d1=0.43D=0.43*0.42=181mm

由《环保设备设计手册—大气污染控制设备》可得XLP/B型旋风除尘器的局部阻力系数值：

烟气的密度：

则可以求出该除尘器的阻力：

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，取内外涡流交界圆柱的直径

要根据斯托克斯公式计算出除尘器的分割粒径：

根据斯托克斯定律可知：

其中：

μ——烟气黏度/,Pa·s。

——气流的入口速度，m/s

——交界圆柱面的半径，m

——粉尘真密度，kg/m3

——气流在交界面的切向速度，m/s

涡流指数:

气流在交界面上的切向速度：

外涡旋气流的平均径向速度：

则分割直径：

分级效率：

计算后，列表如下：

粒径（μm）

质量比（%）

分级效率ηi/%

8.5

27．1

59.8

82.0

90.3

94.1

96.0

96.8

97.4

总效率

ηigi

0.43

1.63

5.38

10.66

21.67

21.62

8．63

5.81

4.87

η/%

η=∑ηigi

80.698

通过计算可知，所设计的除尘器并联的除尘效率明显达到了设计的要求，且符合相关规范和标准。

因此两个XLP/B-4.2并联的方案可行，同时压力损失和占地均符合要求。

但是，对于小粒径的粉尘回收效率过低，因此只能作为预处理装置，后面还要接二次处理装置才能使小粒径的粉尘得到处理。

3.5卸灰装置

卸灰装置位于旋风除尘器的下端。

它的严密性也是影响除尘效率的一个重要因素。

因为：

从外壁向中心静压是逐渐下降的，即使是旋风除尘器在正压下运行，锥体底部也会处于静压状态。

若下部不严密，漏入外部空气，会将正在进入的粉尘重新带走，产生二次效应，除尘效率明显的下降。

因此在不漏风的状态下，进行正常排灰是旋风除尘器运行中必须重视的问题。

本设计中，卸灰装置采用双翻板式锁气器。

第4章小结

整个设计过程使我对大气污染控制工程，特别是除尘技术，有了更加全面、深入的认识。

这次的设计针对回转窑石膏粉尘除尘进行的，使我对整个粉尘治理有了宏观上的认识和了解。

对于各种设备的选择，除了考虑性能和外型，还要考虑其运行期间会产生哪些问题并提出相关的意见。

计算过程中的问题还是比较多，有些公式因为数据不足没有能够使用上，还有一些经验参数的选取也没有实际的经验作为指导。

下面是对本设计的总结：

1.设计型号参数

具体参数：

尺寸名称

XLP/B旋风除尘器

入口宽度，

0.124m

入口高度，

0.251m

筒体直径，

0.420m

排出筒直径，

0.252m

筒体长度，

0.714m

锥体长度，

0.966m

灰口直径，

0.181m

压力损失：

总除尘效率：

η=80.698%

符合设计要求，可以作为回转窑石膏粉尘的预处理装置。