重力沉降室

1.粉尘重力沉降原理

重力沉降室是通过重力使尘粒从气流中分离的，如图1所示为一水平气流重力沉降室，其基本结构是一根底部设有贮灰斗的长形管道。含尘气体在风机的作用下进入沉降室，由于沉降室内气流通过的横截面积突然增大，使得含尘气体在沉降室内的流速将比输送管道内的流速小得多。开始时尽管尘粒和气流具有相同速度，但气流中质量和粒径较大的尘粒在重力场作用下，获得较大的沉降速度，经过一段时间之后，尘粒降落至室底，从气流中分离出来，从而达到除尘的目的。尘粒的受力分析和重力沉降情况分析可参见图1。

图1 简易重力沉降室的结构示意图

2.重力沉降室的结构

重力沉降室的结构一般可分为水平气流沉降室和垂直气流沉降室两种。如图2所示，水平气流沉降室在实际运行时，都要在室内加设各种挡尘板，以提高除尘效率。根据实验测试，以采用人字形挡板和平行隔板结构形式的除尘效率较高，这是因为人字形挡板能使刚进入沉降室的气体很快扩散并均匀地充满整个沉降室，而平行隔板可减少沉降室的高度，使粉尘降落的时间减少，致使相同沉降室的除尘效率一般比空沉降室提高15%左右。沉降室也可用喷嘴喷水来提高除尘效率，例如以电场锅炉烟尘为试样，在进口气速为0.538m/s时，其除尘效率为77.6%，增设喷水装置后除尘效率可达88.3%。

图2 重力沉降室的结构形式

上述简易结构的水平气流重力沉降室作为一种除尘设备，其效率较为有限，大多数沉降室只能除去粒径大于43μm的尘粒。重力沉降室仅适用于50 μm以上的粉尘。由于它除尘效率低、占地面积大，通风工程中应用较少。

图3为霍华德(Howard)多盘式沉降室，其作用在于缩小沉降室的高度，使尘粒能较快地降落到沉降室的底部。沉降室分层越多，除尘效果越好，但必须使各层隔板间气流分布均匀。同时，分层越多，清理积灰越困难。

除了上述水平沉降室外，还经常采用垂直气流沉降室。常见的垂直气流沉降室有3种结构形式：屋顶式沉降室、，扩大烟管式沉降室、带有锥形导流器的扩大烟管式沉降室。

3.重力沉降室的设计计算

除尘器的结构设计，一般是在已知处理流量、所需捕集尘粒粒径和密度的前提下，确定沉降室的结构尺寸，并计算所设计沉降室的除尘效率和阻力损失。设计模式有层流式和湍流式两种，目前大多采用层流模式。

(1)沉降室结构尺寸的确定

层流模式假定在沉降室内为柱塞流，流速为，流动保持在层流范围内，尘粒均匀地分布在气流中。尘粒的运动由两个分速度组成，一个是在气流流动方向尘粒和气流具有的相同的水平速度v；另一个是垂直于气流流动方向每个尘粒以其沉降速度独立沉降。同时如果忽略含尘气体的浮力而仅考虑重力和气体阻力的作用，则只要尘粒能在气流通过沉降室的时间内降至底部，就可以从气流中完全分离出来。气流通过沉降室的时间必须大于等于尘粒从沉降室顶部降至底部所需要的时间，这是沉降室设计和操作的基本原则，即

                                      (1)

  式中 H —— 沉降室的高度，m；

   L —— 沉降室的长度，m。

气体在沉降室内的水平流速为

 (m/s)                                (2)

  式中 B —— 沉降室的高度，m；

      Q —— 含尘气体通过沉降室的流量，即沉降室的处理量，m3/s。

将式(2)代入式(1)中，整理得出

                                     (3)

由此可见，沉降室的理论处理能力只与其宽度和长度有关，而与高度H无关，因此应将沉降室设计成为扁平形。设计重力沉降室时，首先要用到含尘气体流速的临界值(即临界流速)，可由下式计算，

(m/s)                            (4)

式中    —— 流线系数，取10～20，值随尘粒直径减小而递增；

—— 含尘气体的密度，kg/m3；

g ——重力加速度，m/s2；

dp —— 粉尘的粒径，m；

——粉尘的真密度，kg/m3。

含尘气体在沉降室断面上的流速为临界流速的0.5～0.75倍，一般在0.3m/s～3m/s范围内选取；同时利用Stokes公式计算尘粒的沉降速度。然后根据所设计沉降室的处理能力Q，由下式近似确定其结构尺寸，

                                  (5)

                                (6)

                                     (7)

    式中  F —— 重力沉降室的截面积，m2。

(2)除尘效率η的计算

从理论上讲，当沉降室的结构一定，沉降速度的尘粒都能沉降下来；当沉降速度时，对各种粒径尘粒的分级除尘效率可按下式求出，

                           (8)

当沉降室的结构尺寸和气体流量确定之后，可通过Stokes公式确定能捕集的最小尘粒直径，

                 (9)

应该注意，应用Stokes公式的前提条件是假设沉降在层流区，因此要对实际的雷诺数进行校核。从上式可见，降低沉降室的高度H和气流速度，或者增加沉降室长度L，都可以提高沉降室的除尘效率。设计时其气流速度一般取0.2～2m/s，使气流处于层流状态。但L过长，会使沉降室的造价提高和增大占地面积。所以设计沉降室时，应从技术经济和现场情况综合考虑。通常，实用的方法是降低沉降室的高度，即在总高度H不变的情况下，在沉降室内增设几块水平隔板，形成多层沉降室。如图4所示，若用n层隔板将高度为H的重力沉降室分为n+1个通道，则尘粒的分级效率可参照式(8)推导如下，

   (10)

对于较粗的尘粒，按照上式计算时可能会出现效率大于1的情况，这表明该尘粒到达出口之前就能沉降下来，此时应按100%考虑。

通过上面的分析可见，在简单沉降室中加水平隔板，可以提高除尘效率，且分层越多，除尘效果越好，但必须保证各层隔板之间层流分布均匀。在设计多层沉降室时，按照要求捕集的最小尘粒直径，令其除尘效率为100%，利用上式计算出沉降室的尺寸。当多层沉降室的结构尺寸和气体流量确定后，可通过Stokes公式求出可捕集的最小尘粒直径，

                    (11)

在给出沉降室入口尘粒的粒径分布函数(各粒径尘粒占全部尘粒的质量分数)时，可通过下式计算出沉降室的总除尘效率，

                                (12)

    式中  —— 某一粒径尘粒的分级效率；

      —— 入口处某一粒径尘粒占全部尘粒的质量分数(即粒径频率分布)；

        n  —— 尘粒粒径的分段数。

采用多层沉降室时还应注意下列问题：①多层沉降室的缺点是清灰比较困难，为此不宜处理高浓度的含尘气体，并且需设置清扫刷，定期扫灰或用水冲洗；②隔板之间的间距很小时，易引起二次扬尘，以不小于25mm为宜；③在处理高温烟气时，应考虑防止隔板的变形。

(3)压力损失的计算

在沉降室的设计中，除设备的材质之外，一般不需考虑压力和温度的限制。压力损失等于各种流动阻力(包括入口扩张、沉降室摩擦阻力、出口收缩等)之和，可按下式计算，

                                (13)

式中 —— 含尘气体通过沉降室的压力损失，Pa；

      —— 沉降室入口处含尘气体的速度，m/s；

      —— 沉降室出口处含尘气体的速度，m/s。

   一般含尘气体通过沉降室的压力损失只有50～100Pa。

(4)湍流式重力沉降室

实际工业应用中，沉降室几乎都不是层流，因此讨论紊流状态下的的重力沉降室很有必要。湍流模式假定沉降室中的气体为湍流状态，在垂直于含尘气体流动方向的每个横截面上尘粒完全混合，即各种粒径的尘粒都均匀分布于气流中；在靠近底板表面处有一厚度为dy的边界层，进入此边界层所有粒子均被捕集。

图5为湍流式重力沉降内的尘粒分离示意图。考虑宽度为B、高度为H和长度为dx的捕集元，在气体流过距离dx的时间内，在边界层中尘粒的沉降距离为，

                                    (14)

图5 紊流状态下的重力沉降室分离机理

由于各断面上尘粒的浓度均匀，在微元体内，粒子的减少量等于在边界层内的捕集量，即有，

                                    (15)

浓度从，长度从0→L，对上式进行积分，得到，

                                     (16)

由效率定义可得，

              (17)

    式(17)比式(8)更符合实际。根据分级除尘效率即可求得沉降室的总除尘效率。

4.沉降室设计与应用的注意事项

(1)在选取沉降室内的水平气体流速时，应防止流速过高而引起二次扬尘。实际中采用的速度为0.3～3.0m/s，对于轻质粉尘(如炭黑)其流速还应低些；有的资料推荐取0.5～1.5m/s，如加喷雾等措施，可适当提高，但以不超过1.5m/s为限。对于某些粉尘，沉降室内允许的最大流速列于表1，可作为沉降室设计和应用时参考。

表1 沉降室内允许的最大气流速度

(2)确定沉降室的结构尺寸时应以矮、宽、长为原则，过高会因顶部尘粒沉降到底部的时间过长，尘粒往往未能降到底部而被含尘气体带走。因此，流通截面决定后，宽度应增加，高度应降低。同时一般将进气管设计成渐扩管式，如果场地受到限制，进气管与沉降室无法直接连接时，可设导流板、扩散板等气流分布装置，具体设置方法可参阅有关的设计手册。

(3)为防止沉降在底部的尘粒可能被气流带走，可在沉降室底部设置水封池或喷雾等措施。但由于含尘气体中的SO2溶于水而使水呈酸性，腐蚀金属管道和引风机，设计与应用时应采取相应的防治措施。废水经适当处理后可回用，或达到排放要求后再排放掉。

(4)用于净化高温烟气时，由于热压作用，排气口以下的空间有可能出现气流减弱，降低了容积利用率和除尘效率，此时沉降室的进、出口位置应低一些。

(5)沉降室适用于捕集密度大、颗粒大的粉尘，特别是磨损性很强的粉尘，其优点主要有：结构简单、造价低、施工容易、维护管理方便、压力损失小(一般为50～150Pa)、可处理较高温度的气体(最高烟气温度一般为350～550℃)、无磨损问题、可回收干灰等。其缺点是除尘效率低(一般为40％～50％)、占地面积大，因此一般局限于捕集分离50～100μm以上的尘粒，主要用作高效除尘装置的前级预除尘。对于燃油水泥窖(燃油量为1.4m3/h)，要分离直径为10μm的尘粒至少需面积575～700m2，而完全分离50μm的尘粒则需要面积23200m2。