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环境工程

湿式（文丘里）洗涤器颗粒除去效率模拟器

通过 Calvert/Yung 模型实时评估高速气流在喉部与水接触以捕集 PM/煤尘的文丘里型湿式洗涤器。改变粒径、气体速度、L/G 比、喉部长度，水滴径、Stokes 数、透过率、除去效率、压力损失会即刻更新，可进行大气污染防止装置的初期设计和灵敏度检讨。

参数设置
粒径 d_p
μm
目标颗粒的几何平均径（PM2.5: ~2.5μm、PM10: ~10μm）
气体速度 v_g
m/s
喉部断面的气流速度。80～120 m/s 为标准
水气比 L/G
L/m³
注水量÷气体流量。1.0～1.5 为标准
颗粒密度 ρ_p
kg/m³
煤尘 ~2000、飞灰 ~2500、金属粉 ~5000
喉部长度 L_t
m
水滴与颗粒的接触距离。0.2～0.5 m 为代表值
气体粘度 μ_g
Pa·s
空气 20°C: 1.8e-5、高温烟道 300°C: ~2.9e-5
计算结果
—
水滴径 d_d (μm)
—
Stokes 数 St
—
单一水滴捕集效率 (%)
—
全体透过率 P_t
—
全体除去效率 η (%)
—
压力损失 ΔP (Pa)
—
文丘里管截面 — 水喷雾和颗粒捕集动画

收敛→喉部→扩散的流路中，从上方喷射的水滴与气流中的颗粒（黄色）发生惯性碰撞并被捕集。绿色=已捕集，红色=未捕集。

粒径 d_p 对除去效率 η 的影响
L/G 比对除去效率 η 的影响
理论·主要公式

$$St = \frac{\rho_p\,d_p^{2}\,v_g}{9\,\mu_g\,d_d},\quad \eta_d = \left(\frac{St}{St+0.7}\right)^{2},\quad P_t = \exp\!\left(-K\,\frac{L}{G}\,\sqrt{\eta_d}\right)$$

K=5000 是经验常数，L/G 为 m³水/m³气（滑块值 L/m³ 除以 1000）。Stokes 数 St 是颗粒的惯性，η_d 是单一水滴的惯性碰撞效率，P_t 是全体透过率（越小除去率越高）。

$$d_d = \frac{16.4\times10^{-6}}{v_g}\times 1000\;\text{[m]},\quad \Delta P = \frac{1.2\,v_g^{2}\,(L/G)\,\rho_L}{1-(L/G)}\;\text{[Pa]}$$

d_d 是 Nukiyama-Tanasawa 水滴 Sauter 平均径近似，ΔP 是 Calvert 的文丘里压力损失式（ρ_L=1000 kg/m³）。除去率 η = (1 − P_t)·100。

湿式洗涤器颗粒除去效率

🙋
文丘里洗涤器是防止烟囱冒黑烟的装置对吧。内部发生了什么？
🎓
是的，火力发电、钢铁制造、废弃物焚烧炉的排气处理中是标准配置。原理其实很简单，煙道气被压入称为"喉部"的细窄截面，加速至 80～120 m/s。然后从上方喷水，气流方面会撞上几乎不动的巨大水滴墙。颗粒有质量，所以跟不上流线，惯性地碰撞到水滴上被捕集。这就是惯性碰撞（impaction），是 Calvert/Yung 模型的主角。
🙋
明白"撞上去就捕集"的意思了。粒径从 5μm 变成 0.5μm 时除去率为什么会大幅下降，是因为轻而随流线流动吗？
🎓
完全正确。Stokes 数 St 与粒径的平方成正比（St ∝ d_p²），所以 5μm 变成 0.5μm 时惯性降至 1/100。单一水滴捕集效率 η_d=(St/(St+0.7))² 急剧下跌，全体透过率 P_t = exp(−K·L/G·√η_d) 会天花板贴着。你能从图 1 左端看到 η 崖式下降。所以 0.1～1μm 的"绿地隙陷阱"带域，文丘里单独效果不好，需要上游放电气集尘（ESP）、加凝聚剂提高外观径、水溶性气体用另外塔吸收等组合方案。
🙋
提高 L/G 比好像能全部解决，但有上限吗？右边图 2 也看起来从约 2 L/m³ 开始效率到顶。
🎓
嗯，碰上三个壁垒。一个是水泵动力，L/G 从 1→3 的话泵电力也翻三倍。二是分流，也就是水偏向流动的现象，L/G 太高的话即使理论上捕集面积增加，实际效果也跟不上。三是循环水处理。浆液浓度升高停运排放（blowdown）会增加，最后折合成废水处理费。实际工程中 L/G=1.0～1.5 L/m³ 是标准做法，根据要求效率，能提高到 2.0～2.5。
🙋
压力损失 ΔP 也关注。默认值 11500 Pa = 约 1.2 kPa，这是大的一侧吗？
🎓
不，默认的 ΔP 是 11.5 kPa（=11500 Pa），作为文丘里属于中位到略高的水平。仅 PM10 的话 2～5 kPa 的低能量型就够，但要 99% 除去 PM2.5 的话得提高到 8～15 kPa。ΔP 直接关系送风机动力，是运行成本的主角。设计流程是"目标除去率 → 必需 ΔP → 气体速度（喉部截面）"的顺序确定，然后调整 L/G 和水滴径微调。Calvert 自己也提议了 η = 1 − exp(−c·ΔP^n) 这样的"效率 vs ΔP"经验式，ΔP 翻倍的话 0.5μm 的效率约上升 1 个数量级，这是参考标准。
🙋
最后，这个模拟器的 K=5000 这个常数是什么东西？教科书里有写 200 的也有。
🎓
K 是依赖 L/G 的单位（L/m³ 还是 m³/m³）、水滴径分布、喉部形状变化的 1000～10000 范围的经验常数。本工具是把 L/G 换算成 m³/m³（÷1000）后采用 K=5000，这是圆管 Venturi 在 Nukiyama-Tanasawa 水滴径假设下文献中间值。教科书的 K=200 是 L/G 用 L/m³ 那种做法时的值。实际设计时，从现有同型洗涤器的实测值反算 K 后再用才安全。本工具是"设计初期灵敏度评估用"的定位。

常见问题

在 Calvert/Yung 模型中，惯性碰撞支配的 Stokes 数 St 与粒径的平方成正比，因此 0.1～0.5μm 的颗粒捕集效率会急剧下降（即所谓的"绿地隙陷阱"）。在 0.3μm 附近，单一机制的效率降至 20～60% 左右，要达到全体除去 99%，需要将 L/G 比提高至 2～3 L/m³，气体速度提高至 100 m/s 以上，喉部长度提高至 0.3～0.5 m。即使如此，0.1μm 以下的颗粒 Calvert 单独仍有极限，需要添加凝聚剂或与上游除尘装置结合。
理论上，P_t = exp(−K·L/G·√η_d)，所以增加 L/G 会使透过率指数下降，但实际应用中有三个上限。(1) 泵动力和水处理成本线性增加。(2) L/G 超过 3 L/m³ 时，流动会产生分流（偏流），捕集效果不如理论预期。(3) 浆液浓度升高，循环水的沉降和停运排放处理量增加。在实际工程中，L/G=1.0～1.5 L/m³ 是标准做法，根据所需效率，可提高至 2.0～2.5。
Calvert 的代表性对应关系是 η = 1 − exp(−c·ΔP^n)，其中 c、n 依赖于 L/G 和粒径。经验上，ΔP 增加 2 倍，0.5μm 颗粒的捕集效率约提高 1 个数量级（90→99%）。但 ΔP 直接关系到送风机动力，从 5 kPa 提高至 10 kPa 时，鼓风机动力基本翻倍。因此设计流程是"目标除去率 → 所需 ΔP → 气体速度（喉部截面积）"。一般来说，PM10 用约 2～5 kPa，PM2.5 高效率用约 6～12 kPa。
K 是取决于 L/G 单位（m³/m³ 或 L/m³）、水滴径分布、喉部形状的经验常数，范围在 1000～10000 之间。本工具采用将 L/G 转换为 m³/m³（=L/m³ ÷ 1000），然后使用 K=5000，这是圆管 Venturi 在 Nukiyama-Tanasawa 水滴径假设下的文献中间值。在实际设计中，应从现有同形状洗涤器的校正 K 值后再使用才安全。本模型的定位是用于设计初期的灵敏度评估。

现实世界的应用

煤炭火力和生物质发电的飞灰除去：锅炉后段的静电集尘器（ESP）去除粗颗粒（>10μm），剩余 PM2.5 和 SO₂ 用湿式洗涤器仓库处理的"ESP＋WFGD（湿式脱硫装置）"是全球标准。洗涤器侧是 L/G=1.0～1.5、ΔP=3～5 kPa 的中压设计，同时进行 SO₂ 吸收（石灰浆）和微颗粒捕集。用本工具确认 PM2.5（d_p=2.5μm）灵敏度时，仅将 L/G 从 1.0 提高至 1.5 就能看到 η 提高 1～2 个数量级。

钢铁厂的转炉、高炉气体处理：转炉气含有高温、高尘（10～30 g/m³）的烟塵，用高压 Venturi 洗涤器（ΔP=15～25 kPa，v_g=120～150 m/s）达到 99.9% 以上的除去要求。捕集水含铁量多，用增稠机浓缩沉降后作钢铁原料再利用的循环设计较普遍。用本工具提高 v_g 时会看到 ΔP 以 v_g² 急增的样子。

废弃物焚烧炉的 HCl/重金属除去：城市垃圾焚烧炉和产业废弃物焚烧炉需要同时除去 HCl、汞、煤尘三项，采用湿式+干式的多级处理。Venturi 洗涤器负责"水溶性气体+粗细颗粒"，后段配置布袋过滤器、SCR 是日本的标准配置。与淬火（急冷）组合，将二恶英再合成的温度带（200～400°C）一气通过，这也是它的作用。

化学工厂和半导体排气处理：催化反应器的冷凝液、化学工艺出来的酸性气体（HCl、HF、NH₃）、CVD/蚀刻排气等含可燃性、腐蚀性气体时，湿式洗涤器是第一选择。半导体 fab 中用多级洗涤器+活性炭处理 PM+气体+VOC，进行超纯水制造系统再利用的闭环构成也在增加。本工具的结果以颗粒为对象，但可作为气体吸收的联合设计出发点。

常见误解和注意事项

首先最大陷阱是"直接使用文献的 Calvert 模型 K 常数"。本工具采用的 K=5000 是把 L/G 换算成 m³/m³ 时的值，教科书上有时会写 K=200（那种情况 L/G 直接用 L/m³），单位变换错的话会差 3 个数量级。一定要一起确认"K 的定义式"和"L/G 的单位"。实际设计中，从现有洗涤器的试验数据反算 K 进行校正是铁则。

其次是"只用 Stokes 数说效率"。Calvert 模型只处理惯性碰撞，亚微米颗粒时扩散捕集（Brown 扩散）、遮断（interception）、静电捕集、热泳动等贡献就不能忽视。特别是 0.1μm 以下时 Stokes 数极小，但扩散效率急上升，总合效率呈 U 形曲线。本工具以 d_p=0.5μm 以上为主对象，0.1μm 附近时会比实测值低（保守估计）。

最后是"直接在现场使用 ΔP 预测值"。本工具的 ΔP 接近干燥喉部截面的干燥 ΔP，实际设备还要加上雾沫除去器（demister）损失、收敛·扩散部摩擦损失、循环水扬程损失，总计会变成 1.3～1.7 倍。另外长期运行中喉部径扩大和水滴碰撞腐蚀进行，经年劣化也存在，鼓风机选定时建议预留至少 30% 安全余量。

使用指南

  1. 设置粒径范围（0.5～50μm）和气体流速（5～25m/s），输入水气比 L/G（0.5～2.0 L/m³）
  2. 调整喉部长度（100～300mm）和水滴径（50～200μm），用 Calvert/Yung 模型算出单一水滴捕集效率
  3. 实时显示 Stokes 数和全体除去效率 η(%)、压力损失 ΔP(Pa)，用 PM2.5 和煤尘的透过率 P_t 评估装置性能

具体计算例

假设钢铁制造厂焙烧矿尘处理：粒径 10μm、气体速度 15m/s、水气比 L/G=1.2 L/m³、喉部长 200mm、水滴径 100μm 的条件下运行模拟时，得到 Stokes 数 St≈0.18、单一水滴捕集效率≈72%、全体除去效率 η≈89.5%、压力损失 ΔP≈1850Pa。粒径微细化到 5μm 时，St≈0.045，除去效率降至约 64%，增加 L/G 到 1.5 可以使效率恢复到 82%。

实务中的注意点

  1. Stokes 数小于 0.1 的微细颗粒（<3μm）拓散捕集贡献增加，Calvert 基本式的适用极限被超过时要导入修正系数
  2. 气体速度超过 25m/s 时压力损失指数增加，送风机必要动力急上升，经济评估中推荐最优速度 15～18m/s
  3. L/G<0.8 时水膜形成不稳定，反之 >2.0 时喉部液滴再飞散，除去效率会到顶
  4. 长期运转喉部径扩大和水滴碰撞引起的内壁腐蚀进行，推荐改用 316L 不锈钢或每 6 个月进行一次内视镜检查