4.2　重力沉降室

重力沉降室（gravity settling chamber）是指尘粒通过自身的重力作用从气流中分离的除尘装置。如图4-1所示，含尘气流进入沉降室后，由于流动截面积扩大，气流速度迅速下降，其中较重颗粒在自身重力作用下缓慢向灰斗沉降。

4.2.1　沉降理论

含尘气流进入沉降室，其中颗粒沿气流方向向前运动的同时以沉降速度下降。进入沉降室的含尘气体在沉降室断面上的平均水平流速v_avg（m/s）为：

　　（4.1）

式中，Q为含尘气流量，m³/s；H为沉降室高度，m；W为沉降室的宽度，m。

沉降室气体流动模式主要有层流和混合流，下面详细阐述两种模式下的颗粒沉降过程。

①层流流动模式。假设气体流动始终保持层流状态，水平流速在沉降室内处处相等，颗粒沿气流方向的运动速度等于气流速度，垂直向下速度等于颗粒终沉降速度，颗粒在沉降过程中无相互干扰，沉降到沉降室底部也无反弹。此时，颗粒在沉降室内停留的时间t为：

　　（4.2）

式中，L为沉降室长度，m。

这段时间内，颗粒通过重力作用的垂直沉降距离（高度）h计算式为：

　　（4.3）

颗粒在沉降室内被沉降去除的条件是在停留时间t内颗粒完全沉入料斗，即颗粒距离沉降室底部高度≤h，如图4-2所示。因此，对于气流中第i种粒径的颗粒被沉降分离的最大比例为：

　　（4.4）

将Stokes公式中颗粒终沉降速度v_st代入式（4.4），得第i种粒径颗粒在层流模式下的重力沉降去除效率计算公式：

　　（4.5）

②混合流模式。气流流动处于湍流状态，颗粒在沉降过程将受到气流干扰，沉降效率下降。此时，颗粒去除效率可按如下程序计算。

如图4-3所示，考虑宽度W、高度H和长度dx的捕集元，颗粒停留（沉降）时间为：

　　（4.6）

此时，颗粒通过重力作用的垂直沉降距离h（dy）：

　　（4.7）

结合边界层的气流层流运动理论，第i种粒径的颗粒被沉降分离的最大比例为：

　　（4.8）

气流通过长度dx时的颗粒浓度变化为dc，则

　　（4.9）

联合式（4.8）和式（4.9），得到：

　　（4.10）

对式（4.10）进行积分，得：

　　（4.11）

方程（4.11）的边界条件为：x=0时，c=c_in；x=L时，c=c_out。将边界条件代入式（4.11），得到：

　　（4.12）

这就是第i种粒径的颗粒在混合流模式下的重力沉降去除效率计算公式。

对于给定的沉降室，可以按式（4.12）求出不同粒径颗粒的分级效率η_i，再根据沉降室入口颗粒的粒径分布，求出沉降室的总除尘效率η：

　　（4.13）

从上述颗粒去除效率计算式可知，对于重力沉降室，去除效率与沉降室长度（沉降时间）、颗粒沉降速度成正比，而与沉降室高度、气流水平流速成反比。因此，降低水平气流流速、增加沉降室长度、降低沉降室高度，均可提高沉降室除尘效率。

实际工程中，沉降室总高度不变时，可通过在沉降室内增设水平隔板，形成多层沉降，降低所需沉降高度，提高除尘效率：

　　（4.14）

式中，n为水平隔板层数。

考虑到多层沉降室清灰的困难，实际工程中一般限制隔板数n≤3。

例4.1　分别用层流模式和混合流模式，计算重力沉降室对颗粒的去除效率。沉降室参数：H=2.0m，L=10m，v_avg=1.0m/s。颗粒真密度=2000kg/m³，气流动力黏度1.8×10^-5kg/（m·s）。假设颗粒沉降符合Stokes定律。

解：分别采用式（4.5）、式（4.12），计算上述重力沉降室对颗粒粒径1μm、10μm、30μm、50μm、80μm、100μm、120μm的去除效率。结果如表4-1所示。

4.2.2　沉降室设计

重力沉降室构造简单，阻力低（压力损失50～100Pa），但体积大、效率低，适用于捕集粒径大于50μm的颗粒。

沉降室设计计算主要是根据处理气量和净化效率，确定沉降室的尺寸。气体流速选取是关键，气速低，分离效果好，但横截面积大。为防止已沉积的颗粒飞扬，沉降室中气体流速宜控制在0.4～1.0m/s。沉降室横截面积A为：

　　（4.15）

计算捕集颗粒的沉降速度v_st，确定隔板数n，然后根据要求达到的捕集效率，计算沉降室的长度与高度之比（L/H）。根据现场空间条件，以消耗材料最少化以及运转便利为依据，确定具体的长度和高度尺寸。最后，复核该沉降室所能捕集的最小颗粒的粒径。

例4.2　设计一重力沉降室，已知气流量Q=2800m³/h，气流温度150℃，此温度下气流动力黏度μ=2.4×10^-5kg/（m·s），颗粒真密度ρ_p=2100kg/m³，要求能去除d_p≥30μm的颗粒。

解：①由式（3.51）计算30μm颗粒的沉降速度v_st：

取沉降室内气速v=0.4m/s，H=1.5m，由式（4.3）计算沉降室最小长度L：

由于沉降室过长，可采用三层水平隔板，即n=3，取每层高ΔH=0.4m，总高H=0.4×（3+1）=1.6（m），则此时所需沉降室长度：

L=ΔHv/v_st=0.4×0.4/0.0429=3.72（m），取3.8m。

沉降室宽度B为：

因此，沉降室尺寸为L×B×H=3.8m×1.3m×1.6m，能100%捕集的最小粒径为：

例4.3　根据混合流沉降公式，计算例4.2中粒径28.7μm的颗粒实际捕集效率和该粒径颗粒分级效率达到99%所需的沉降室长度。

解：d_p=28.7μm粒子的沉降速度为：

由式（4.12）得d_p=28.7μm粒子的分级效率：

当d_p=28.7μm颗粒的分级效率η_d=99%时，所需的沉降室长度为：