《大气污染控制工程》旋风除尘器设计.docx
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《大气污染控制工程》旋风除尘器设计
《大气污染控制工程》
课程设计
题目：
旋风除尘器的设计
专业：
指导老师：
姓名：
学号：
2017年6月1日
1.引言............................................1
2.除尘设计的有关标准..............................2
2.1环境空气质量分类和分级（GB3095-2012）..........2
2.2大气污染物综合排放标准.......................2
3.旋风除尘器的除尘机理及性能......................3
3.1旋风除尘器简介...............................3
3.2旋风除尘器的结构.............................3
3.3旋风除尘器的除尘机理.........................3
3.4旋风除尘器内的流场...........................4
3.5涡流.........................................5
3.6旋风除尘器的压力损失.........................5
3.7影响旋风除尘器效率的因素.....................6
4.旋风除尘器的选型................................7
4.1旋风除尘器选型原则...........................7
4.2旋风除尘器的设计选型.........................8
5.旋风除尘器的设计................................9
5.1旋风除尘器各部分尺寸的确定...................9
5.1.1形式的选择..............................9
5.1.2确定进口风速............................9
5.1.3确定旋风除尘器的尺寸....................9
5.2旋风除尘器的效率检验........................10
5.2.1计算分级效率...........................10
5.2.2计算总效率.............................11
5.2.3压力损失估算...........................11
参考文献
1.引言
课程设计是每位大学生对所学知识的一次综合性的检测，需要每位学生通过大学三年里面所学的专业课、公共课的理论知识，然后通过查阅资料等实际方式，理论结合实际从而设计出符合要求的产品。
课程设计锻炼了我们作为大学生应当具备的发现问题，解决问题的能力，为我们以后走上工作岗位打下了一个良好的基础。
这次课程设计的课题是设计旋风除尘器，在拿到课程设计课题之前，我对于旋风除尘器知之甚少，所以不断地搜集资料，最终拿出设计方案。
通过这次的课程设计，我加深了专业课所学的知识，又强化了专业软件的使用。
我相信这次课程设计对我以后的工作是很有帮助的。
随着我国经济的进一步发展，环境问题也变得越来越突出。
水污染，大气污染等已经严重影响到了我们的健康。
这几年，全国持久不散的雾霾天气现在依然让人们感到大气污染的严峻形势。
环境污染的原因是多方面的，有一些生活垃圾的污染，还有一些工业生产带来的污染。
对我们影响最大的其实是工业生产中一些企业排放不达标所致。
在一些工厂，我们随处可见飘散的微尘，高耸的烟囱。
可想而知，这些污染物，特别是PM2.5以下的可吸入污染物对我们身体的健康有着很大的影响。
经济发展应当以人为本，可持续发展，所以，环境污染的防止是迫在眉睫的。
现在在工业生产上常用的除尘方式是使用除尘器除尘。
主要的除尘器的除尘方式有湿式除尘装置、机械式除尘、电除尘和袋式除尘器等。
本次课程设计的课题是旋风除尘器的设计。
旋风除尘器是机械式除尘装置的一种，除了机械式除尘还有重力沉降等几种常见的除尘方式。
旋风除尘器对于除去直径较大的尘粒效果显著，而在处理一些污染物尘粒较小的情况下，效果不好。
旋风除尘器是一种在大气污染防治中使用最多的设备。
由于旋风除尘器结构简单，没有运动部件，设备成本低廉，维修保养方便。
所以旋风除尘器是除尘设备中应用最多，使用最广的设备。
旋风除尘器的设备费用，维护保养成为旋风除尘器的主要参考指标。
本次设计的目的在于设计出符合要求的能够净化指定环境空气的除尘设备，进一步巩固和加深课程理论知识，并能结合实践，学以致用。
设计时力求层次分明、图文结合、内容详细。
此设计主要由筒体、锥体、进气管、排气管、排灰口的设计计算以及风机的选择计算等组成，在获得符合条件的性能的同时力求达到加工工艺简单、经济美观、维护方便等特点。
由于学识水平有限，设计错误之处难免，衷心感谢希望各位老师和同学能够给予指导。
2.除尘设计的有关标准
2.1环境空气质量分类和分级（GB3095-2012）
（1）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。
（2）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。
2.2大气污染物综合排放标准
大气污染物综合排放标准（GB16297－1996）规定了33种大气污染物的排放限值，同时规定了标准执行中的各种要求。
于1997年1月1日正式施行。
在我国现有的国家大气污染物排放标准体系中，按照综合性排放标准与行业性排放标准不交叉执行的原则，锅炉执行GB13271-2014《锅炉大气污染物排放标准》、工业炉窑执行GB9078-1996《工业炉窑大气污染物排放标准》、火电厂执行GB13223-1996《火电厂大气污染物排放标准》、炼焦炉执行GB16171-1996《炼焦炉大气污染物排放标准》、水泥厂执行GB4915-1996《水泥厂大气污染物排放标准》、恶臭物质排放执行GB14554-93《恶臭污染物排放标准》、汽车排放执行GB14761.1～14761.7-93《汽车大气污染物排放标准》、摩托车排气执行GB14621-93《摩托车排气污染物排放标准》，其它大气污染物排放均执行本标准。
3.旋风除尘器的除尘机理及性能
3.1旋风除尘器简介
旋风除尘器是利用旋转的含尘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。
旋风除尘器用于工业生产以来，已有百余年历史。
该类分离设备、机构简单、制造容易、造价和运行费用较低，对于捕集分离5～15μm以上的较粗颗粒粉尘，净化效率很高，所以在矿山、冶金、耐火材料、建筑材料、煤炭、化工及电力工业部门应用极为普遍。
但旋风除尘器对于5～15μm以下的较细颗粒粉尘（尤其是密度小的细颗粒粉尘）净化效率极低所以旋风分离器通常用于粗颗粒粉尘的净化或用于多级净化时的初步处理。
3.2旋风除尘器的结构
旋风除尘器主要由排灰管、圆锥体、圆柱体、进气管、排气管以及顶盖组成。
一般的旋风除尘器是通过入口和筒体的结构使含尘气体切向进入其内部产生旋转运动。
入口一般为如图所示的矩形截面。
一般把旋风除尘器内部空间分为两部分，下运动的外漩涡和向上运动的内漩涡。
3.3旋风除尘器的除尘机理
含尘气流进入除尘器后，沿外壁由上向下作旋转运动，同时有少量气体沿径向运动到中心区域。
当旋转气流的大部分到达锥体底部后，转而向上沿轴心旋转，最后经排出管排出。
通常将旋转向下的外圈气流称为外涡旋，旋转向上的中心气流称为内涡流，两者的旋转方向是相同的。
气流作旋转运动时，尘粒在离心力作用下逐步移向外壁，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，顶部的压力下降，一部分气流带着细小的尘粒沿筒壁旋转向上，到达顶部后，再沿排出管外壁旋转向下，最后到达排出管下端附近被上升的内涡旋带走，从排出管排出，这股旋转气流称为上涡旋。
对旋风除尘器内气流运动的测定发现，实际的气流运动是很复杂的，除了切向和轴向运动外，还有径向运动。
如在外涡旋，少量气体沿径向运动到中心区域，在内涡旋也存在离心的径向运动。
3.4旋风除尘器内的流场
在旋风除尘器中，颗粒相对于气体的速度决定了它是否能够被捕捉。
旋风分离器的分离效率与颗粒的运动过程密切相关，而颗粒的而运动又与旋风分离器内部的流场密切相关，为此首先需要了解流场内的速度分布。
（1）切向速度
切向速度对固体粉尘颗粒的分离起着决定性作用，由于粉尘颗粒与气体的密度不同以及切向速度的影响，导致两者的离心力不同而分离。
旋风分离器的除尘原理是应用离心加速度来实现旋转流场中的分选和除尘。
旋风除尘器内气流的切向速度分布入图所示。
根据“涡流”定律，外涡旋的切向速度反比于旋转半径R的n次方，
即：
vtRn=常数
式中：
n≦1，常称为涡流指数。
实验表明n值可由下式进行估算：
n=1-（1-0.67D0.14）（T/283）0.3
式中：
D——旋风除尘器直径，m；
T——气体的温度，K。
内涡流的切向速度正比于旋转半径R，比例常数等于气流的旋转角速度。
在内、外涡流交界圆柱面上，气流的切向速度最大。
实验测量表明，交界圆柱直径di=（0.6-1.0）de（de为排气管直径）。
（2）径向速度
径向速度方向分为向内和外向，内向速度将粉尘沿径向由外推至轴心即漩涡中心，妨碍尘粒与气流的分离。
这是因为尽管由于旋转，颗粒一定存在相对于气体径向流动的速度。
vr=vp-up
vr——相对速度
vp——尘粒的径向速度
up——气体的径向速度
如果vp＜up，则vr＜0，说明颗粒的运动方向是向着内心而不是向着筒壁。
因此分离能力越差除尘器其气流的径向速度越大。
（3）轴向速度
轴向速度在半径r方向由负值逐渐变为正值，每一横截面都有轴向零速度的两分界点。
在两分界点外圈形成下降流，在两分界点之间形成上升流。
分界点的集合构成筒形分界面，在分界面边界外侧的固体颗粒，大部分随同向下气流流至排尘口，圆锥面内侧的固体颗粒，由于上升流及径向速度的作用，一部分由排气管排出，一部分受离心作用被甩到圆锥外侧，最后沉入排尘口。
3.5涡流
正是由于除尘器内部涡流的存在，粉尘才能与气流分离。
但是旋风除尘器内部流场的复杂性也产生许多不利于分离粉尘的涡流，最主要的有以下三种。
（1）短路流
在旋风分离器的排气管外壁与入口之间的部分区域里,由于轴向速度与径向速度的作用容易形成局部的涡流。
该部分涡流夹带着未经过旋转的颗粒向排气管外壁流动并随之表面下降直接逃逸，从而影响分离效率。
因此,在旋风除尘器的研究与设计中非常关键的一点就是尽量避免产生短路流。
（2）外漩涡中的局部涡流
由于已被抛向筒壁的粉尘颗粒速度比较小，若碰到旋风除尘器筒壁不光滑处（如焊缝），粉尘会被重新甩入外漩涡中，降低了除尘除尘性能。
（3）底部夹带涡流
外漩涡在锥体底部（即排尘口附近）向上返转为内漩涡时，可能会对已被分离的粉尘，尤其是细粉尘产生二次返混。
这是影响除尘的一个重要因素。
3.6旋风除尘器的压力损失
依据对旋风除尘器的工作原理、结构形式、尺寸以及气体的温度、湿度和压力等分析和试验测试，其压力损失的主要影响因素可归纳如下：
（1）结构形式的影响
旋风除尘器的构造形式相同或几何图形相似，则旋风除尘器的阻力系数ζ相同。
若进口的流速相同，压力损失基本不变。
（2）进口风量的影响
压力损失与进口速度的平方成正比，因而进口风量较大时，压力损失随之增大。
（3）除尘器尺寸的影响
除尘器的尺寸对压力损失影响较大，表现为进口面积增大，排气管直径减小，而压力损失随之增大，随圆筒与椎体部分长度的增加而减小。
（4）气体密度变化的影响
压力损失随气体密度增大而增大。
由于气体密度变化与T、P有关，换句话说，压力损失随气体温度或压力的增大而增大。
（5）含尘气体浓度的大小的影响
试验表明，含尘气体浓度增高时，压力损失随之下降，这是由于旋转气流与尘粒之间的摩擦作用使旋转速度降低所致。
（6）除尘器内部障碍物的影响
旋风除尘器内部的叶片、突起、和支撑物等障碍物能使气流旋转速度降低。
但是，除尘器内部粗糙却使压力损失很大。
3.7影响旋风除尘器效率的因素
影响旋风除尘器效率的因素有：
二次效应、比例尺寸、除尘器下部严密性、烟尘的物理性质和操作变量。
（1）二次效应
二次效应即被捕集粒子重新进入气流。
在较小粒径区间内，理应逸出的粒子由于聚集或被较大尘粒撞向壁面而脱离气流获得捕集，实际效率高于理论效率。
在较大粒径区间，实际效率低于理论效率，这是因为理应沉降入灰斗的尘粒却随净化后的气流一起排走，其起因主要为粒子被反弹回气流或沉积的尘粒被重新吹起。
通过环状雾化器将水喷淋在旋风除尘器内壁上，能有效地控制二次效应。
（2）比例尺寸
高效旋风除尘器的各个部件都有一定的比例尺寸，这些比例是基于广泛调查研究的结果。
某个比例关系的变动，能影响旋风除尘器的效率和压力损失。
在相同的切向速度下筒体直径D愈小，粒子受到的惯性离心力愈大，除尘效率愈高，但若筒体直径过小，粒子容易逃逸，使效率下降。
另外，锥体适当加长，对提高除尘效率有利。
除尘器分割直径的推导过程表明，排出管直径愈少分割直径愈小，即除尘效率愈高。
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。
（3）烟尘的物理性质
下列各种物理性质都影响旋风除尘器的效率：
气体的密度和粘度、尘粒的大小和相对密度、烟气含尘浓度等。
压力损失与含尘量之间的关系可表示为：
△Pd=
（4）操作变量
提高烟气入口流速，旋风除尘器分割直径变小，使除尘器性能改善。
若入口流速过大，已沉积的粒子有可能再次被吹起，重新卷入气流中，导致除尘效率的下降。
通常依旋风除尘器的直径而选用的实际入口速度在10-25m/s范围内。
4.旋风除尘器的选型
4.1旋风除尘器选型原则
选型原则有以下几个方面：
1、旋风除尘器净化气体量应与实际需要处理的含尘气体量一致。
选择除尘器直径时应尽量小些，如果要求通过的风量较大，可采用若干个小直径的旋风除尘器并联为宜；如气量与多管旋风除尘器相符，以选多管除尘器为宜。
2、旋风除尘器入口风速要保持18~23m/s，低于18m/s时，其除尘效率降低；高于23m/s时，除尘效率提高不明显，但压力损失增加，耗电量增高很多。
3、选择除尘器时，要根据工况考虑阻力损失及结构形式，尽可能使之动力消耗减少且便于制造维护。
4、当含尘气体温度很高时，要注意保温，避免水分在除尘器内凝结。
假如粉尘不吸收水分、露点为30~50℃时，除尘器得到温度最少应高出30℃左右；假如粉尘吸水性较强（如水泥、石膏和含碱粉尘等）、露点为20~50℃时，除尘器的温度应高出露点温度40~50℃.
5、旋风除尘器结构的密闭要好，确保不漏风。
尤其是负压操作，更应注意卸料锁风装置的可能性。
6、易燃易爆粉尘（如煤粉）应设有防爆装置。
防爆装置的通常做法是在入口管道上加一个安全防爆阀门。
7、当粉尘浓度减小时，最大允许含尘质量浓度与旋风筒直径有关，即直径越大其允许含尘质量浓度也越大。
具体的关系如表2—2所列
表2—2直径与允许含尘质量浓度关系
旋风除尘器直径/mm
800
600
400
200
100
60
40
允许含尘质量浓度（g/m3）
400
300
200
150
60
40
20
4.2旋风除尘器的设计选型
1、根据含尘浓度、粒度分布、密度等烟气特征，以及除尘要求、允许的压力损失和制造条件等因素全面分析，合理的选择旋风除尘器的类型。
2、根据使用时允许的压力降确定进口气速V1，如果制造厂已提供各种操作温度下进口气速与压力降的关系，则根据工艺条件允许的压力降就可选定气速V1；若没有气速与压力降的数据，则根据允许的压力降就计算进口气速。
若没有提供允许的压力降数据，一般取进口气速为12-25m/s。
3、确定旋风除尘器的进口界面A、入口宽度b和高度h。
根据处理烟气量，由下式决定进口截面积A：
A=bh=qv/v1
式中：
qv——旋风除尘器处理烟气量，m3/s
4、确定各部分几何尺寸：
由进口截面A、入口宽度b和高度h定出各部分的几何尺寸。
5.旋风除尘器的设计
原始资料：
有一台锅炉，处理烟气量Q＝4000m3/h，排烟温度T=100℃，入口浓度为C0=650mg/m3，要求出口浓度C=100mg/m3。
已知粉尘密度ρp＝1200kg/m3，，粒度分布见表，请按要求设计一台旋风除尘器。
粒径范围μm
1~5
5~10
10~30
30~60
60~80
＞80
平均径dp
3
7.5
20
45
70
90
质量频率ΔD％
6
12
22
29
18
13
筛分理论分级效率
0.268
0.542
0.876
0.991
0.999
1
5.1旋风除尘器各部分尺寸的确定
5.1.1形式的选择
根据国家规定的粉尘排放标准、粉尘的性质、允许的阻力和制造条件、经济性合理选择旋风除尘器的形式，选通用型旋风除尘器。
5.1.2确定进口风速
根据推荐取Vj=20m/s
5.1.3确定旋风除尘器的尺寸
（1）进气口面积
的确定
进气口截面一般为长方形，尺寸为a和b，根据处理气量Q和进气速度
可得
=4000÷（3600×20）
=0.056
取a=2.5b，则a=0.37m，b=0.15m
则实际风速Vj1=Q÷（3600×ab）=4000÷（3600×0.15×0.37）=20.02m/s
（2）筒体尺寸的确定
一般旋风除尘器的直径越小，气流的旋转半径越小，粉尘颗粒所受的离心力越大，除尘效率越高。
但是过小的筒体直径，和排气管太近，可能造成大直径颗粒反弹至中心被气流带走，使除尘效率降低，另外还可能引起筒体内堵塞。
因此，一般筒体直径不宜小于50~75mm。
因为旋风除尘器以筒体直径D为其规格的标准，因此，一般取整数。
取a=0.5D，则D=740mm，现取D=800mm
筒体高度L=筒体直径D=800mm
（3）排气管直径和高度的确定
取排气管直径d=0.5D=H，则d=H=400mm
（4）椎体高度的确定
取H=2D，则H=1600mm
（5）排尘口直径的确定
取Dd=D/3，则Dd=270mm
5.2旋风除尘器的效率检验
已知处理烟气温度T＝100℃，查表或用公式可得常压下烟气密度ρg＝0.95kg/m3，动力黏度μ＝2.2×10-5Pa·s。
（1）由几何尺寸，计算自然返回长
L=2.3D（d2/ab）
，则L=2.62m
（2）由筛分理论，计算粉尘分割径为
5.2.1计算分级效率
由公式
和设计任务书上的表格可得
5.2.2计算总效率
本次设计所需的除尘效率为
因ηT＞84.62%，故满足设计要求。
5.2.3压力损失估算
压力损失取上限，旋风除尘器阻力近似为1800Pa。
7.结束语
这次课程设计，我们的设计任务是设计旋风除尘器。
在设计计算中，参考了一些国内外的资料，但由于工程经验的不足，专业知识的限制，设计工作量较大，对于主要的设计参数，基本上依据设计手册为主，对于一些各文献都不一致的设计参数，依照老师的工程经验加以取值及计算，从检索资料及设计计算过程中，我们充分认识自己知识的缺乏。
同时也认识到一个工程的设计是一个反复的过程，必须不断的调整。
经过这次课程设计，我们不仅对自己所学的专业知识作了一次总结，而且对环境工程设计人员所从事的设计工作有了更进一步的了解，我相信自己在以后的学习中会得以改进。
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P143-145P167-177
[4]化工原理课本
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