第四节 湿式除尘器

一、湿式除尘器的优缺点与分类

1.湿式除尘器的优缺点

湿式除尘器是使含尘气体与液体（一般为水）密切接触，利用液网、液膜或液滴等捕集体捕集气流中的粉尘颗粒，或使颗粒粒径增大的装置，也称为洗涤式除尘器或洗涤器。与其他类型除尘器相比，湿式除尘器具有以下优点：

（1）结构简单、造价低、占地面积小、操作及维修方便等。

（2）在耗用相同能量时，湿式除尘器的除尘效率比机械式除尘器的除尘效率高。高能耗湿式除尘器的除尘效率可与电除尘器和袋式除尘器相比，能清除0.1μm以下的粉尘颗粒。

（3）能处理高温、高湿气流、高比电阻粉尘，还可以处理易燃易爆的含尘气体。

（4）在有效去除0.1~20μm粉尘颗粒的同时，还可去除气流中的水蒸气及某些气态污染物，同时具有除尘、冷却和净化的作用。

同时，湿式除尘器也具有一些缺点：

（1）烟气中的粉尘转移到洗涤水中，变为污水污泥。湿式除尘系统需要对污水污泥进行处理，澄清的洗涤水应重复回用。

（2）当烟气中含有腐蚀性的气态污染物时，在除尘过程化学腐蚀性物质转移到水中，洗涤水会具有一定程度的腐蚀性，因此要特别注意设备和管道腐蚀问题。

（3）不适用于净化含有憎水性和水硬性粉尘的烟气，不利于副产品的回收利用，对于黏性粉尘容易使管道、叶片等发生堵塞。

（4）若要提高去除细颗粒物的效率，则需将液相更好地分散，同时能耗也增大。

（5）要考虑当时当地条件是否适合用湿法除尘，若在寒冷地区使用湿式除尘器，为防止结冻，应采取防冻措施。

2.湿式除尘器的分类

工程上使用的湿式除尘器种类繁多，按其结构形式和除尘机理可以大致分为七大类：①重力喷雾洗涤器（喷雾塔洗涤器）；②旋风洗涤器；③自激喷雾洗涤器（冲击水浴除尘器）；④填料洗涤器（填料塔、湍流塔）；⑤板式洗涤器（泡沫塔、筛板塔）；⑥文丘里除尘器；⑦机械诱导喷雾洗涤器。

按除尘设备阻力高低，可分为低能耗、中能耗和高能耗3类。

（1）低能耗湿式除尘器的压力损失为0.2~1.5kPa，包括喷雾塔和旋风洗涤器等，对于粒径大于10μm的粉尘颗粒，净化效率可达90%~95%，常用于焚烧炉、化肥制造、石灰窑、化铁炉的除尘。

（2）中能耗湿式除尘器的压力损失为1.5~3.0kPa，包括动力除尘器和冲击水浴除尘器。

（3）高能耗湿式除尘器的压力损失为3.0~9.0kPa，净化效率可达99.5%以上，如文丘里洗涤器，常用于炼钢、炼铁和造纸烟气粉尘的去除。

表3-8列出了主要湿式除尘装置的性能和操作范围。本节重点介绍工业上应用较为广泛的湿式除尘器，包括喷雾塔除尘器、旋风洗涤器和文丘里除尘器等。

二、湿式除尘器的除尘机理

湿式除尘器主要利用惯性碰撞、黏附和扩散等作用将粉尘捕集，其除尘机理与袋式除尘器的机理有相似之处。但在湿式除尘器中还具有微细粉尘的凝聚效应，借助粉尘颗粒和液滴成为凝聚核心，使颗粒体积逐渐增大，直至呈团状，利于气液分离。

1.惯性碰撞与除尘效率

粉尘颗粒与液滴之间的惯性碰撞是湿式除尘器最基本的除尘机理。尽管在湿式除尘设备中可以采用第二章讨论的几种或全部的除尘机理，但任何此类装置的除尘机理主要是液滴和颗粒之间的惯性碰撞和拦截作用。因此，讨论颗粒、液滴和气流性质对碰撞的影响成为一个重要问题。

一般认为，气流中的粉尘颗粒随气流一起运动，几乎不产生滑动。若含尘气流在运动过程中遇到液滴，在液滴前x_d处，气流开始改变方向，绕过液滴继续流动。气流的运动轨迹由直线变为曲线，其中细小的粉尘随气流一起绕流，但粒径较大（大于0.3μm）和重量较大的粉尘颗粒具有较大的惯性，会脱离气流的流线而保持原来的运动方向，进而与液滴发生碰撞而被捕集。如果粉尘从脱离流线到停止运动所移动的距离x_s大于粉尘脱离流线的点到液滴的距离x_d，粉尘就会和液滴碰撞，从而被捕集。定义x_s与液滴直径D_c的比值为惯性碰撞参数N_I，对于斯托克斯粒子有

式中 u_D——液滴的速度，m/s；

u_p——在流动方向上粒子的速度，m/s。

对于粒径小于5.0μm的粒子，必须考虑坎宁汉修正系数C_u。

颗粒和液滴之间的碰撞概率，即颗粒从气流中除去的效率与该碰撞参数密切相关。由式（3-66）可以看出，当颗粒直径和密度确定以后，碰撞系数与液滴之间的相对速度成正比，而与液滴直径成反比。因此，对于给定的烟气系统，要提高N_I值，必须提高液气相对运动速度和减小液滴直径。目前工程上常用的各种湿式除尘器基本上是围绕这两个因素发展起来的。但液滴直径也不是越小越好，直径过小的液滴容易随气流一起运动，减小了液气相对运动速度。例如，在文丘里洗涤器中气流处于高速运动，小液滴比大液滴容易被加速到载气速度。又如在喷雾塔中，气体速度虽不影响液滴速度，但是重力影响液滴速度。因此，对于给定颗粒，为了获得最大除尘效率，应存在一个最佳液滴直径。

根据斯台尔曼（Stairmand）的实验研究（图3-35），当尘粒密度为2g/cm³时，对各种粒径粉尘的除尘效率之最佳水滴直径在0.5~1mm范围内。从图中看出，当水滴直径为0.8mm左右时，对所有尘粒捕集效率均最高。因为喷水量一定时，喷雾越细，下降水滴布满塔截面的比例越大，靠拦截捕集尘粒的概率越大。但细水滴的沉降速度较小，与气体之间的相对运动速度比粗水滴小，因而靠惯性碰撞捕集尘粒的概率随水滴直径减小而减小。综合这两种对立的机制，便可得到一个最佳水滴直径。如果水滴再细一些，则要考虑水滴在塔中的降落时间及被气流带定的限制，这取决于水滴直径和空塔气速。在实际中，空塔气速大致取水滴沉降速度的50%。

根据碰撞参数的物理意义可知，N_I值越大，粒子惯性越大，碰撞捕集效率越高。针对势流和黏性流，捕集效率可以根据惯性碰撞参数N_I进行计算，约翰斯顿（Johnstone）等人的研究结果为

式中 K——关联系数，其值取决于设备几何结构和系统操作条件；

L——液气比，L/(1000m³气体)。

2.接触功率与除尘效率

根据接触功率（包括输送气体和雾化、喷淋液体所需的功率）理论得到的经验公式，能够较好地关联湿式除尘器压力损失和除尘效率之间的关系，被工业界广泛接受。莱普（Lapple）和卡马克（Kamarck）观察到喷淋洗涤器的除尘效率主要由气体压力与雾化液体所消耗能量之和决定。接触功率理论推广了这一结果，并假定洗涤器除尘效率仅是系统总能耗的函数，与洗涤器除尘机理无关。

设总能耗E_t由气体流过洗涤器时的能量损失E_G和雾化喷淋液体过程中的能量损失E_L组成：

式中 Δp_G——气体通过洗涤器的压力损失，Pa；

p_L——液体的入口压力，Pa；

Q_L、Q_G——液体和气体的流量，m³/s。

通常以传质单元数表示除尘效率，即

对于给定的洗涤器和颗粒物，传质单元数和接触功率之间有明确的关联，即

式中 α、β——特性参数，由被捕集粉尘的特性和洗涤器类型决定。

表3-9为部分工业应用条件下的α和β。

3.分割粒径与除尘效率

预测洗涤器除尘性能的另一种方法是分割粒径法。对于多分散气溶胶体系，控制装置的总除尘效率将取决于颗粒的粒径分布和对这种粉尘的分级效率。任何湿式除尘器对给定粉尘的总通过率P_t可以表示为

式中 P_i——粒径为d_pi的粒子的分级通过率；

m——粉尘的总质量；

G₁——入口粉尘的质量累积频率分布；

q₁——入口粉尘的质量频度分布。

多数惯性分离装置的分级通过率可以表示为

式中 A_e、B_e——常数；

d_a——粒子空气动力学直径。

在粒径d_p大于1μm或粒径分布服从对数正态分布的特殊情况下，作为近似推算，式（3-72）中空气动力学直径d_a可以用实际直径d_p代替。

填料塔、离心式洗涤器和筛板塔都服从上述关系。对填料塔和筛板塔，B_e=2；对离心式洗涤器，B_e≈0.67，文丘里洗涤器也服从上述关系，当喉管处惯性碰撞参数N_I=0.5~5时，B_e≈2。

对于多种形式的对数正态分布，求解上述方程，其结果表示于图3-36和图3-37。其中d_ac为洗涤器的空气动力学分割直径，d_g为粉尘的几何平均直径，d_a50为空气动力学中位径。

为了推算总通过率，必须首先确定洗涤器的分割粒径。卡尔弗特（Calvert）等人关联了洗涤器分割粒径与气相压力损失或输送给洗涤器的能量之间的关系（称为分割-功率关系）。根据现场性能测量和数学模型，得出了常用的洗涤器分割粒径与气相压力降的关系，如图3-38所示。其中气相压力损失以cmH₂O表示；筛板塔的孔径为0.32cm，泡沫密度为0.4g/cm³；填料塔采用直径2.5cm的环形或鞍形填料。

如果已知洗涤器操作的压力损失，就可根据该图预估洗涤器的性能。例如，对于压力损失为33cmH₂O的文丘里洗涤器，从图3-38可知，洗涤器的空气动力学分割粒径为0.63μm；假设粉尘粒径分布为d_g50=d_a50=10μm，且σ_g=3，根据图3-37，洗涤器的总通过率P_t=1%，即总除尘效率为99%。

三、喷雾塔洗涤器

1.喷雾塔洗涤器的结构

喷雾塔洗涤器是湿式除尘器中最简单的一种，它一般不用于单独除尘。该除尘器与高效除尘器，如文丘里除尘器联用，可以起到预净化、降温和加湿作用。

喷雾塔是在圆形或方形截面的空心塔体内设置喷嘴，依靠喷嘴产生的分布在整个截面上的大量液滴来清洗通过塔体的含尘烟气。喷嘴可以安装在同一个截面上，也可以分几层安装在几个截面上，可在一个截面上设置十几个喷嘴，也可只沿中心轴安装喷嘴。

喷雾塔中的流动有顺流、逆流和错流3种形式。顺流就是气体和水滴以相同的方向流动；逆流是指液体与气流方向相反；错流则是在垂直于气流的方向上喷淋液体。

为保证喷雾塔内气体在截面上均匀分布，常设置气流分布格栅或多孔板，并且在喷淋塔的顶部安装除雾器，以除去随气流运动的微小液滴。

2.喷雾塔的除尘过程及除尘效率

逆流喷雾塔的除尘过程如图3-39所示，含尘气体向上运动，液滴由喷嘴喷出向下运动。因粉尘与液滴之间的惯性碰撞、黏附和凝聚等作用，使较大的粉尘被液滴捕集。假如气体流速较小，夹带了粉尘的液滴将因重力作用而沉于塔底。

喷雾塔的除尘效率取决于液滴大小、颗粒的空气动力学直径、液气流量比以及气体性质。为了预估喷淋塔的除尘效率，通常假定所有液滴具有相同直径，且进入洗涤器后立刻以终末沉降速度沉降，液滴在整个过气断面上分布均匀，无聚结现象。在这些假设的基础上，立式逆流喷淋塔靠惯性碰撞捕集粉尘的效率可用下式表示：

式中 u_s——液滴的末端沉降速度，m/s；

v_G——空塔断面气速，m/s；

z——气液接触的总塔高度，m；

d_D——液滴的直径，m；

η_d——单个液滴的碰撞效率。

单个液滴的集尘效率受液滴运动雷诺数的影响很大，根据液滴周围为黏性流和势流时的集尘效率，内插得到如下近似表达式：

由于喷出水滴的凝聚以及与塔壁碰撞的影响，在塔内只有小部分液滴保持在悬浮状态，与气体接触的水滴量及水滴尺寸也是很难估计的，有时甚至只有20%的液体是有效的，这取决于洗涤器的大小。

当气流速度为0.15~0.45m/s，液体质量流量为(2~8)×10⁴kg/(m²·h)时，压力损失通常为1000Pa/m。空塔气流速度v_G一般取为液滴沉降速度的50%，如果液滴直径在0.5~1.0mm范围内，v_G可采用0.6~1.2m/s，这类塔对10μm以上的尘粒去除效率比较高，一般可达90%。一般来说，在喷淋一定量液体的情况下，对每一种粒径的粉尘颗粒有一最佳液滴直径。最佳液滴直径可根据粉尘粒径的大小由图3-35确定。就较小的粉尘而言，最佳液滴直径是0.2~1.0mm。另外，液气流量比对除尘效果也有较大影响。为了提高操作时的液气比，液体应循环使用，为此在工厂区应设置沉淀池。

喷雾塔的压力损失较低，一般为250~500Pa，若不考虑洗涤器中挡水板及气流分布板的压力损失，则其压力损失大约为250Pa。因此，喷雾塔的能耗较低。喷雾塔的除尘效率对于5μm以上的粉尘较好，对于小于5μm的粉尘则迅速下降。

对于错流形式的喷雾塔，液体由顶部喷淋下来，含尘气流水平通过喷雾塔，通过惯性捕集的粒子的总通过率可由下式计算：

四、旋风洗涤器

在干式旋风除尘器内部以环形方式安装一排喷嘴，使旋风除尘器的内壁上形成一薄层水膜，可以有效防止粉尘在器壁上的反弹、冲刷而引起二次扬尘，从而大大提高旋风除尘器的效率。

1.立式旋风洗涤器

立式旋风洗涤器的结构形式很多，可以采用切向进气，也可从中心进气，通过导流叶片而获得旋转运动。从喷水方式分，可以有四周喷雾、中心喷雾或上部周边淋水等方式。

国内所用的立式旋风洗涤器的型号为CLS型（图3-40）。CLS型除尘器运行简单、维护管理方便。这种除尘器在筒体的上部以环形方式安装一排喷嘴，由切向将水雾喷向器壁，使简体内壁形成一层很薄的不断下流的水膜。含尘气体由筒体下部切向导入，旋转上升，由于离心力作用，甩向壁面的粉尘颗粒被水膜黏附，沿筒壁流下。粉尘颗粒随污水由除尘器底部排污口排出，净化后的气体由筒体上部排出。为了防止除尘器在运动中带水，可以在其上部设挡水圈。

CLS型除尘器的净化效率一般可达90%以上，其效率与以下两个因素有关：①净化效率随入口速度增大而提高，但气速不能太大，入口速度过大，不但压力损失急剧增加，而且还会破坏水膜层，使净化效率反而降低，同时出现带水现象，所以入口速度一般范围为15~22m/s；②净化效率随筒体直径减小、筒体高度增加而提高，但直径不能过小、高度不能过高，两者有一定比例，筒体高度一般不大于5倍简体直径。CLS型旋风洗涤器的型号和性能参数见表3-10。

旋风洗涤器的压力损失ΔP一般为0.5~1.5kPa，可以按下式估算：

式中 ΔP₀——喷雾系统关闭时的压力损失，Pa；可以按式（3-25）计算；

ρ_L——液滴密度，kg/m³；

——液滴初始平均速度，m/s。

2.中心喷雾旋风洗涤器

中心喷雾旋风洗涤器，含尘气体由筒体下部切向引入，水通过轴上安装的多头喷嘴喷出，径向喷出的水雾进入气流后在旋转气流作用下也做旋转运动，然后被甩向筒壁，在壁面上形成水膜，甩向壁面的粉尘颗粒被水膜黏附而被捕集。

中心喷雾旋风水膜除尘器对于0.5μm以下粉尘的捕集效率可达95%以上，适合于处理烟气量大和含尘浓度高的场合，既可以单独采用，也可以作为文丘里除尘器的脱水器。图3-41为中心喷雾旋风洗涤器的示意图。

3.麻石水膜除尘器

在湿式除尘器中，需考虑烟气中有害气体对金属材料的腐蚀。采用麻石水膜除尘器可以从根本上解决了除尘防腐的问题。麻石水膜除尘器是一种立式水膜除尘器，由外筒体（用耐磨麻石花岗岩砌筑）、环形喷嘴（或溢水槽）、水封、沉淀池等组成。含尘气体由下部进气管以高速切向进入筒体，形成急剧上升的旋转气流，粉尘颗粒在离心力的作用下被推向外筒体的内壁，并被筒壁自上而下流动的水膜湿润和黏附。然后随水流人锥形灰斗，经水封池和排灰（水）沟冲至沉淀池。净化后的烟气从除尘器的出口排出，经排气管、烟道、吸风机后再由烟囱排入大气。

除尘器入口气体速度一般采用18m/s左右，直径大于2m的除尘器可采用22m/s，除尘器筒体内气流上升速度取4.6~5m/s为宜。处理1m³含尘气体的耗水量0.15~0.20kg。压力损失一般为588~1180Pa。这种除尘器对锅炉排尘的除尘效率一般为85%~90%。

4.卧式旋风洗涤器

卧式旋风洗涤器是一种阻力不高而效率比较高的除尘器。其结构简单，操作维护方便，耗水量小，而且不易磨损，在机械、冶金等行业使用较多。

卧式旋风洗涤器由内筒、外壳、螺旋导流叶片、集尘水箱和排水设施等组成，其结构如图3-42所示。内筒和外壳之间装螺旋导流叶片，螺旋导流叶片使内筒外壳的间隙呈一螺旋通道，筒体下部接灰浆斗。卧式旋风洗涤器的除尘原理：含尘气流由除尘器的一端切向高速进入，并在外壳、内筒间沿螺旋导流片做螺旋运动前进，烟尘中较大颗粒的一部分在烟气中多次冲击水面时，由于惯性力的作用沉留在水中。而较细的粉尘，被烟气多次冲击水面时溅起的水泡、水珠所润湿、凝聚，然后在随烟气做螺旋运动中受离心力作用加速向外壳内壁位移，最后被水膜黏附。被捕集到的粉尘最后在泥浆槽内靠自重沉淀，并通过排浆阀定期排出除尘器。而经过净化的烟气通过堰板或旋风脱水后由除尘器的另一端排出。

卧式旋风水膜除尘器的除尘效率与其结构尺寸有关，特别是与螺旋导流叶片的螺距、螺旋直径有关。导流叶片的螺旋直径和螺距越小，除尘效率越高，但其压力损失也越大。实际运行表明这种卧式水膜除尘器的除尘效率可达85%~92%。压力损失约为300~1000Pa。

五、文丘里洗涤器

文丘里（Venturi）洗涤器是一种高效湿式除尘器。它既可用于高温烟气降温，也可净化含有微米和亚微米粉尘颗粒及易于被洗涤液体吸收的有毒有害气体。文丘里除尘器具有效率高、体积小、投资省等优点。其缺点包括：烟气阻力偏高；耗水量大；液滴雾化装置要求水质干净无杂质，否则容易引起喷嘴堵塞；含尘废水容易引起污染转移；烟气温降较大，约为55~75℃，不利于烟气的扩散；净化后烟气的含湿量大，并随单位耗水量和负荷的增大而增大，不利于引风机长期运转等。

1.除尘过程

文丘里洗涤器的结构如图3-43所示，包括文丘里管（文氏管或喉管）和分离器（旋风水膜除尘器）两部分。文丘里管是整个除尘器的预处理部分，由进气管、收缩管、喷嘴、喉管、扩散管、连接管组成。分离器上端有排气管，用于排出净化后的气体；下端有排尘管道接沉淀池，用于排出泥浆。

文丘里洗涤器的除尘过程包括雾化、凝聚和脱水3个阶段，前两个阶段在文氏管内进行，后一个阶段在分离器内完成。含尘气体由进气管进入收缩管后流速增大，在喉管气体流速达到最大值。在收缩管和喉管中气液两相之间的相对流速很大。从喷嘴喷射出来的水滴，在高速气流（一般在50m/s以上）冲击下雾化，气体湿度达到饱和，粉尘颗粒表面附着的气膜被冲破，使粉尘被水润湿。粉尘与水滴，或粉尘与粉尘之间发生激烈的凝聚。在扩散管中，气流速度减小，压力回升，以粉尘为凝结核的作用加快，凝聚成较大的含尘水滴，更易于捕集。粒径较大的含尘水滴进入分离器后，在重力、离心力等作用下，从气流中分离出来，达到除尘的目的。净化后的烟气经除雾器后排放。

2.几何尺寸

文丘里洗涤器需要确定的几何尺寸包括：收缩管、喉管和扩散管的截面积、圆形管的直径或矩形管的高度和宽度、收缩管和扩散管的张开角等。进气管直径按与之相连的管道直径确定，管道中气流速度一般为16~22m/s。收缩管的收缩角常取23°~25°。喉管直径按喉管气速确定，喉管截面积与进口管截面积之比为1：4，喉管气速要考虑粉尘、气体和洗涤液物性以及对洗涤器效率和阻力的要求选择。扩散管扩散角取5°~7°。出口管直径按除雾器要求确定。扩散管后还需接1~2m长的连接管，再接除雾器。收缩管和扩散管的长度L₁和L₂可由下式确定：

式中 D₁、D₂、D_T——进气管、出气管和喉管直径；

α₁、α₂——收缩管的收缩角、扩散管的扩散角的大小。

喉管长度一般取喉管直径D_T的0.8～1.5倍，或取200～500mm。

3.压力损失

文氏管内高速气流的动能主要用于雾化和加速液滴，因而气流的压力损失自然大于其他湿式和干式除尘器。文氏管的压力损失是一个很重要的性能参数，影响压力损失的因素很多，估算文氏管的压力损失是一个比较复杂的问题，有很多经验公式，卡尔弗特（Calvert）的经验公式为

式中ΔP的单位为cmH₂O（1cmH₂O=98.0665Pa）；v_T的单位是cm/s；Q_L与Q_G的单位相同。

根据出多种形式文丘里洗涤器得到的实验数据间的关系，海斯凯茨（Hesketh）提出了如下经验公式：

式中 ΔP——压力损失，Pa；

A——喉管的横断面积，m²；

v_T——喉管内气流速度，m/s。

4.除尘效率

虽然文丘里除尘器广泛用于除尘过程，但尚缺乏可靠的计算除尘效率的方程式。卡尔弗特（Calvert）等人作了一系列简化后提出下式，来计算文丘里除尘器的通过率。

式中 ρ_L、ρ_p——洗涤液和颗粒的密度，g/cm³；

μ_G——气体黏度，10^-1Pa·s；

ΔP——文丘里洗涤器压力损失，cmH₂O；

C_u——坎宁汉修正系数；

d_p——颗粒直径，μm；

f——经验常数，在该表达式中为0.1~0.4。

图3-44给出了文丘里洗涤器性能（以空气动力学分割粒径表示）与气流速度、液气比之间的关系，同时也给出压力损失等值线。

【例3-7】 以液气比为1.0L/m³的速率将水喷入文丘里洗涤器的喉部，气体流速为122m/s，密度和黏度分别为1.15kg/m³和2.08×10^-5kg/（m·s）。喉管横断面积为0.08m²，参数f取值为0.25，对于粒径为1.0μm、密度为1.55g/cm³的粒子，试确定气流通过该洗涤器的压力损失和粒子的通过率。

解：由式（3-80）得

由式（3-81）得

利用式（3-82）估算粒子的通过率：

六、湿式除尘器的设计

湿式除尘器设计的一般步骤如下：

（1）收集有关废气的资料，包括气量、温度、密度、粉尘浓度、粉尘密度、粉尘粒径分布等。

（2）确定要达到的处理效果。

（3）根据步骤（1）和（2），选择恰当的湿式除尘器。

（4）选取设备的有关参数。

（5）计算除尘效率并和步骤（2）比较，直到满足。

（6）计算设备的结构参数。

（7）计算除尘器的压力损失。