改进旋风器结构提高除尘效率的新方法

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简介： 讨论改变旋风器整体结构、增加附件、改进原有旋风器构件的几种改进结构新做法，分析这些做法提高除尘效率的合理性。
关键字：旋风除尘器 除尘效率

一 概述

　　工业生产过程产生的粉尘大多为破碎、粉碎、输送、清理过程。这一过程产生的粉尘与燃烧过程产生的烟尘相比要偏粗，可以用Rosin-Rammler函数表示粒径分布。因此，旋风器(双称旋风除尘器、旋风收尘器、旋风分离器等，本文简称旋风器)成为工业通风常除尘设备。
　　旋风器突出的优点是它的经济性以及结构和设计较为简单。由于没有运动部件所需的维修和保养相对较少，选用合适的材料和结构形式，对一些特殊操作应用条件(如高温，高压，腐蚀性气体环境等)也可以使用。
　　旋风器中用的最多的是切向进口形成的旋风器(如图1)，这种旋风器通常可以用以筒体直径D为比值的结构参数(无因次结构参数)来设计。由于Stairmand型(高效型)研究数据比较完整和应用中的有效性，许多研究者把自己改进旋风器与其作性能对比［1］。
　　作为旋风器研究途径大致为：研究旋风器空气动力场，通过气流场判定其中颗粒物的运动与分离：进行性能参数实测判定旋风器的性能优劣。由于旋风器是依靠离心力来收集粉尘，对于如何提高微细粉尘(Fine Dust or Fine Particle Matter)除尘效率的技术措施最后都归结为对旋风器的结构改进，创造和利用更适合气固(尘)两相分离的流场构造。

二 旋风器的结构改进

1 整体结构的改变
　　在旋风器内部的旋转气流中，颗粒物受离心力作用作径向向外(朝向筒锥壁)运动，运动速度可由颗粒物所受的离心力及气流阻力的运动方程求得。显然旋风器分离的目的就是使颗粒物尽快到达筒锥体边壁。因此，延长颗粒物在旋风器中的运动时间，在气流作用下提高颗粒物与筒锥体壁相撞的概率，可以提高旋风器除尘效率。

图1 传统旋风器

图2 加内筒壁的旋风器

图3 POC旋风器

　　Y.Zhu(2001年)［2］提出的旋风器结构如图2所示，在普通旋风器中增加一个筒壁，这一筒壁将旋风器内部空间划分为两个环形区域，同时，排气芯管被移到了下方，排气芯管中的上升气流也变成了下降气流，颗粒物在内外两个外环形区域内都得到了分离，事实上，这种旋风分离器相当于将两个旋风子合到了一起。从理论上讲，这种改进提高了颗粒物被收集的概率。Y.Zhu型旋风器试验结果(气流流量范围为10L/min～40L/min，对粒径范围为0.6μm～8.8μm颗粒物)与Stairmand旋风器的进行了比较有：改进后的旋风器，除尘效率得到提高，并且随气流流量的增大而增大；同时，对于相同无因次尺寸的旋风器来说，前者的阻力也小于后者。Y.Zhu考虑各方面因素给出相应优化综合指标得出改进旋风器性能优于传统的旋风器。这种改动后的旋风器较原有传统旋风器结构稍为复杂。

2 在原有旋风器结构上增加附加件
　　实际应用中的系统都比较庞大，采用新的旋风器替代原有旋风器，势必导致工程量和成本比较大。基于这一想法，很多研究者寻找不改变原有旋风器结构，而通过增加附加部件为提高旋风性能。
　　由于旋风器对微细颗粒物效率较低，尤其对PM₁₀(粉尘粒径小于10μm的颗粒物)的除尘效率随着颗粒直径减小逐渐降低。也就是说，在旋风器的运行过程中，绝大部分微细粉尘穿透了分离区域，导致对微细粉尘效率下降。A.Plomp等[3]（1996年）提出了加装二次分离附件的一种旋风器，见图3示意图。二次分离附件设置在旋风器本体顶部，称之为POC(post cyclone)。
POC二次分离作用是利用排气芯管强旋流作用使微细粉尘受离心力作用向边壁运动，并与挡板相撞后，通过缝隙1掉入挡板下部的壳体中，另一部分即使在一开始没有与边壁相撞，但由于始终受到离心力的作用，在到达POC顶部时，其中也有很大一部分通过缝隙2处而进入挡板与壳体之间的空间，随后由于 POC中主气流的约10%通过缝隙形成渗透流，在渗透推动下，颗粒物被吹出壳体。
　　为了使该种旋风器得到更好的应用和使POC在已有旋风分离器上加装设计最优化，Youngmin Jo［4］考虑到紊流扩散等因素对POC的影响，对一些变量在不同参数范围内给出了两种不同旋风器(Stairmand旋风器，非Stairmand旋风器)加POC组合的一些试验结果，并对POC模型利用CFD进行了计算，所有试验均在实际生产中投入运行的除尘系统中进行。
　　研究结果得知，在特定结构尺寸和运行条件下总效率比改进前提高了2%～20%；POC的阻力约为旋风器本体10%，该阻力与渗透气流量无关(在所给参数范围内)；对于直径较大的旋风器，尤其在原旋风器性能不是很高的情况下，加装POC的办法对于提高旋风分离的性能很有效。POC装置对3μm以上粉尘分离很有效，对3μm以下的粉尘效果不显著；渗透流量及POC装置的离心力对POC的性能影响显著；采用穿孔 (较小)内挡板可提高分离效率。
　　这种改进方法特点在于增加的能耗小；保养及维修简单；对于已投入使用的分离系统工程改造方便；成本较低。

3 局部结构改进  （来源：www.civilcn.com）
　　许多研究者通过旋风器内部气流流动研究认为：旋风器气流速度分布在径向上呈轴不对称或出现偏心。尤其在锥体下部靠近排尘口附近，有明显的"偏心"；排气管下口附近，径向气流速度较大，有"短路"现象。气流偏心或短路不利于粉尘分离。
　　(1)改变进口结构
　　沈恒根［5］针对旋风器内气流轴不对称问题，将其进口由单进口改为双进口(如图4)，通过双进口旋风器内流场实验研究表明，双进口旋风器流场的轴对称性优于单进口旋风除尘器，双进口旋风器涡核变形小；双进口旋风器内切向速度高于单进口约6%，在准自由涡区衰减也慢；双进口旋风器排气芯管短路流少于单进口。双进口旋风器比单进口旋风器更有利于提高除尘效率和降低设备阻力。
　　针对短路流携尘降低除尘效率的问题，沈恒根等［6］在进口结构中采用了回转通道(见图5)，以此降低进入旋风器空间的向心含尘浓度梯度，并对等截面和变截面两种通道形式的气固两相分离进行了分析。指出采用合理回转角度的进口回转通道，可提高旋风除尘器的除尘效率。这种做法从结构上把旋风器的筒体、锥体两段分离变成进口通道、筒体、锥体三段分离。

图4 单双进口回转通道

图5 进口回转通道

　　(2)锥体结构改变
　　Rongbiao Xiang等［7］研究了锥体尺寸对用于大气采样的小型旋风器的影响情况，以颗粒大小和气流流速为变化参数，对3个具有不同下部直径锥体的旋风器测出了效率。测定结果表明：锥体下部直径大小对旋风分离采样器的效率影响显著，但是并不显著影响不同粒径颗粒物效率之间的变化程度。当锥体下部开口部分直径大于排气芯管直径时，该锥体参数的减小，再不明显增加阻力的前提下，采样效率会随之提高；但是，由阻力测试结果还可看出锥体武器部分直径不宜小于排气芯管直径。从理论上讲，锥体下部直径减小能引起切向速度的提高，从而离心力增大；对于具有相同筒体直径的旋风器，若锥体开口小，则最大切向速度靠近锥壁，这使得颗粒能够更好的分离，同时，如果锥体开口较小，涡流将触及锥壁，使颗粒又有可能重新进入出气气流，但是由于后者与前者相比对旋风采样器影响较小。总之，适当减小锥体下部直径有利于效率的提高。为了便于新型旋风采样器的设计，还指出对高效型Stairmand旋风器效率有较好预测作用的Barth理论及Leith-Licht理论，对锥体改变旋风采样器的收集效率了也有良好的预测作用。

三 结语

　　选用合适的方法对旋风分离器的结构形式进行改进，可以提高旋风器的技术性能。对于改进旋风器应用于工业通风除尘，还需要做到设计方法明确、应用前通过试验验证和应用中的配套技术完善。

参考文献

　　1．John Dirgo, David Leith. Cyclone Collection Efficiency: Comparison of Experimental Results with Theoretical Predictions. Aerosol Science and Technology. 1985 Vol 4, pp401-415.
　　2．Y. Zhu, M.C.Kim, K.W.Lee, Y.O.Park, and M.R.Kuhlman. Design and Performance Evaluation of a Nove1 Double Cyclone. Aerosol Science and Technology, 2001 Vol 34, pp373-380.
　　3．A.PLOMP, M.I.L BEUMER, A.HOFFMANN. POST CYCLONE (POC) AN APPROACH TO A BETTER EFFICIENCY OF DUSTCYCLONE. J.Aerosool Sci. 1996, Vol.27,Supp1.1, PP. S631-S632.
　　4．Youngmin Jo, Chi Tien, Madhumita B.Ray. Development of a post cyclone to improve the efficiency of reverse flow cyclones. POWDER TECHNOLOGY. 2000 Vol 113, PP99-108.
　　5．沈恒根党义荣刁永发等.双进口旋风器内流场的实验研究.西安建筑科技大学学报，1997，29(3)275-277.
　　6．沈恒根张玮.旋风分离器进口回转通道气尘分离模型.西安建筑科技大学学报，1998，30(1)44-46.
　　7．Rongbiao Xiang, S.H.Park, K.W.Lee. Effects of cone dimension on cyclone performance. J.Aerosol Sci. 2001Vol.32, PP549-561.