重力沉降室在大气污染控制工程中的作用

重力沉降室是通过尘粒自身的重力作用使其从气流中分离的简单除尘装置。如图4-7所示，含尘气流进入沉降室后，由于扩大了过流面积，流速迅速下降，其中较大的尘粒在自身重力作用下缓慢向灰斗沉降。

图4-7　重力沉降室

1.层流沉降原理

假设除沉降室前后扩大、缩小段外，气流速度在室内处处相等，尘粒在入口断面均匀分布，忽略颗粒在沉降过程中的相互干扰，欲使沉降速度为υs的尘粒在沉降室内完全沉入料斗，则必须使尘粒由沉降室顶部沉降到沉降室底部的时间ts=H/υs≤气体通过沉降室的时间t=L/υ，即

式中，L、H——沉降室的长度和总高度（m）；

υs——尘粒沉降速度（m/s）；

υ——沉降室内气流水平运动速度（m/s）。

室内气速秒一般取0.2～2.0m/s，依粒子大小和密度定。υ取定后，当高度H已定，可由式（4-52）求出最小长度L；反之，若L已定，可求出最大高度H。沉降室的宽度B可由处理气体流量Q确定，即

式（4-53）表明，理论上Q仅与沉降室的水平面积（BL）和尘粒的沉降速度υs有关。

在时间t（=L/υ）内，沉降速度为υs、粒径为dp的尘粒的垂直沉降高度为h=υst。显然h≥H的粒子可全部降落至室底，其分级除尘效率ηd=100%；而h≤H的粒子不能全部捕集，即ηd≤100%。不同粒径dp的粒子具有不同的沉降速度υs，因而在时间t内沉降的高度h也不同。因此，可用h/H表示沉降室对某一粒径粉尘的分级效率ηd，即

令ηd=100%，由式（4-54）得

将斯托克斯（层流）区域沉降速度式代入式（4-52）中，可得到沉降室能100%捕集的最小尘粒粒径dmin

式中，μ——流体动力黏度（Pa·s）；

ρp——粉尘真密度（kg/m3）。

由式（4-56）可见，降低沉降室高度H（因而设计了图4-8a所示的多层沉降室）和气流速度υ，或增加沉降室长度L（因而设计了图4-8b所示的带挡板的沉降室）都可使dmin减小，从而使沉降室的除尘效率提高。气流速度υ过低，沉降室体积会很庞大，故多采用如图4-8所示两项措施。显然，具有n个通道多层沉降室的分级效率是单层沉降室的n倍，而能100%捕集的最小尘粒粒径dmin则是单层沉降室的倍。

图4-8　不同形式的重力沉降室

根据流体力学原理，当沉降室内流体雷诺数Re＜2300时，流体处于层流状态。矩形沉降室的流体雷诺数Re由下式计算

式中，n——多层沉降室的通道数；

v——流体的运动黏度（m2/s）。

计算结果表明，除非沉降室体积非常庞大，一般沉降室内气流很难处于层流状态。沉降室内存在的气流扰动会引起粒子运动速度和方向发生偏差，同时还存在返混现象，工程上常用式（4-54）计算值的一半作为分级效率，或用36代替式（4-56）中的18进行计算。(www.xing528.com)

2.湍流沉降机理

欲使气流保持层流流动，沉降室的体积将很庞大，否则隔板数必须很多，其设计均不合理。因此，有人提出了湍流沉降室的设计方法。

如图4-9所示为多层沉降室中的一个通道，气流从图示方向流过由上、下隔板构成的空间。根据边界层理论可做如下假设：①紧贴底板处有一层流边界层，其厚度为dy，进入该边界层的粉尘均被捕集；②由于紊流作用，边界层以上流动区内的粉尘分布均匀。

图4-9　湍流沉降室粒子分离示意图

设颗粒在x方向移动距离为dx=υdt，同时在y方向移动距离为dy=υsdt，消去dt后，得到

根据前述假设，对于某一粒径被捕集颗粒的数目（-dN）与总颗粒数目（N）的比值恰为边界层断面积与总断面积之比，即

式中，负号表示随x增加粒子数目减少。将上式积分后得到

当x=0时，N=N0，故C=N0；当x=L时，N=NL，故NL=N0exp（-υsL/υΔH）。

在x方向气流流经L后粒径为dp的粒子的分级效率为

将ΔH=H/n代入上式，得

将层流边界层中颗粒沉降速度代入上式，得

式中

根据以上两式，在其他条件不变时，分级效率ηd与通道数n之间的关系为1n（1-ηd1）/ln（1-ηd2）=n1/n2。

3.经济沉降室尺寸的确定

在计算ηd的式（4-54）的最右端和式（4-61）中，ηd与H无关，式中都有Q和υs，还有因素nBL（式（4-54）中ηd=1）。不但H可任意选择，而且n、B、L也可任意选择，只要nBL乘积不变，设计的ηd也保持不变，因此，设计者面临的问题是选择合理的n、B、L和H值，在效率相同下使投资最小。

沉降室的费用大致与它耗用的材料体积成正比，当厚度相同时，则与沉降室的表面积成正比。根据这一概念，可推导出最小n、B、L和最小面积Am的公式

以上公式中，nBL为三个参数的乘积值。

重力沉降室的优点是阻力小（50～130Pa），动力费用低；结构简单，投资少；性能可靠，维修管理容易。缺点是设备庞大，效率低。适于净化密度和粒径大的粉尘，特别是磨损强的粉尘。设计好时，能捕集50μm以上粉尘，不适用净化20μm以下粉尘。一般作为多级除尘系统的第一级处理设备。