旋风除尘器的关键技术与创新研究人：汪天博、朱猛、张栋杰、顾峰、蒋寒军
研究背景及目的
旋风除尘器旋转气流的绝大部分沿器壁自圆筒体呈螺旋状自上而下向圆锥体底部运动, 形成下降的外旋含尘气流, 在强烈旋转过程中所产生的离心力将密度远远大于气体的尘粒甩向器壁, 尘粒一旦与器壁接触, 便失去惯性力而靠入口速度产生的动量和自身的重力沿壁面下落进入集料斗。旋转下降的气流在到达圆锥体底后, 沿除尘器的轴心部位转而向上, 形成上升的内旋气流, 并由除尘器的排气管排出。自进气口流入的另一小部分气流, 则向旋风除尘器顶盖处流动, 然后沿排风管外侧向下流动, 当达到排风管下端时, 即反转向上随上升的中心气流一同从排风管排出, 分散在其中的尘粒也随同被带走。旋风除尘器的除尘效率对除尘的产量以及成本有着至关重要的意义，因此提高旋风除尘器的除尘效率是当今社会共同面对的问题。
国内外研究现状
目前，旋风除尘器的研究状况可以从以下两个方面叙述：
（1）分离理论及计算模型
目前，旋风除尘器的研究理论主要脱硫除尘有转圈理论、筛分理论、边界层理论、传介质理论等，各个理论都在一定的假设前提下建立了旋风除尘器性能计算模型。其中转圈理论是类比平流重力沉降分离理论最早发展起来的理论。在平流沉降室中距分离界面最高点h
处的粉尘以重力沉降速度向下沉降，同时粉尘又以水平方向速度向前移动，只要沉降室有足够长度L,则粉尘脱硫招聘就能到达分离界面而被分离。在旋风除尘器内存在径向向外的离心沉降速度和旋转切向分速度，如果旋转圈数足够多，即展开后的长度相当于平流沉降室的长度L，则粉尘就能从内半径到达外边壁处的分离界面而被分离,这一理论的研究以Rosin、Rammler、Lnterman、First为代表[1,5]。
转圈理论对于旋风除尘器内的流场认识是不够全面的。气流进入旋风除尘器内，在上筒体内，旋转可以认为只有单一的旋涡流场；而到达锥体空间，径向的汇流或类汇流就将开始出现，因此旋风除尘招聘除尘器内除尘空间的流场，只见有涡，而不见有汇，显然是不够全面的。为了补救转圈理论的缺点,对于旋风除尘器内的流场即见有涡，也见到有汇，因此形成了筛分理论。
筛分理论认为每一粉尘颗粒都同时受到方向相反的两种推移作用。由旋涡流场的惯性离心力使颗粒受到向外推移的作用，由于汇流场又使得颗粒受到向内漂移的作用。离心力的大小与粉尘颗粒的大小有关，颗粒越大离心力越大，因而必定有一临界粒径dc50，受离心力向外推移的作用正好与向内漂移的作用相等。凡粒径d＞dc者，向外推移作用大于向内漂移作用，结果被推移到旋风除尘器壁附近，粉尘浓度大到运载介质的极限负荷浓度时，则粉尘被分离出来。相反，凡d＜dc的粉尘颗粒，向内漂移的作用大于向外推移的作用而被带到上升的强制涡核心部分，随着外排气流而排离旋风除尘器。这一理论的研究以Lapple、Shepherd、Staimand、Barth、Muschelknautz等代表[1,2,3]。
边界层理论认为在旋风除尘器任一截面上固相颗粒的浓度分布是均匀的，但流体在近壁面处的边界层内是层流流动，只要颗粒进入边界层内颗粒的运动由旋转转变为自由沉降扩散运动即视为被捕集分离，以D.Leith和W.Licht等的研究为代表[5，6]。
我国学者向晓东提出传介质理论。转圈理论只考虑旋涡在靠近旋风除尘器器壁处的离心
分离作用，筛分理论则只考虑在假想筛分圆柱面上的离心分离作用，实际上，在旋风除尘器的整个分离空间内，旋转气流均有分离作用。针对这两点，传介质理论认为：若在分离空间内无粒子的凝聚与生长，那么，在整个分离空间内任取一六面微元体，单位时间内此微元体内粒子的总通量应为零，即质量和数量是守恒的。根据这一假设，推导旋风除尘器的相关性能计算公式[3,7]。
Sproull于1970年采用与电除尘器类似的方法，给出了旋风除尘器效率的分离计算公式[8]。D.Leith和W.Licht于1972年考虑湍流扩散对固相颗粒分离的影响，基于边界层分析理论，把气流中悬浮颗粒的横向混合理论与旋风除尘器内气流的平均停留时间相结合，从理论上严格推导出了分级效率模型[6,9]。
张吉光等[10]于1991年根据旋风器内气流的轴向速度分布规律确定尘粒在旋风器内的平均停留时间分析了旋风器内气流的三维速度分布规律对固相颗粒分离的影响及旋风器各主要结构参数和运行参数的影响，并考虑筒体与锥体边界层内颗粒的分离效应，建立了旋风除尘器的分级效率数学模型。
陈建义、时铭显等[11]于1993年在对PV型旋风除尘器内部流场及浓度测定的基础上，考虑了颗粒间的相互碰撞、反混等对分离性能的影响，建立了旋风除尘器分级效率的多区计算模型。
王广军、陈红于[12]2001年考虑了径向浓度梯度以及重力沉降和径向加速过程对固相颗粒分离的影响，建立了锅炉细粉分离分离效率的计算模型。沈恒根等[13]在假设：不考虑边界层作用；忽略边壁作用，尘粒到达外边壁就被捕集；进入旋风除尘器前，尘粒浓度分布均匀；不考虑重力作用，提出了平衡尘粒模型。运用涡汇升降流三维气流分析尘粒运动，提出平衡尘粒分布，给出了平衡尘粒计算公式。清华大学的王连泽、彦启森认为：旋风除尘器内的流动主要受切向速度支配，旋风除尘器的性能，也主要与切向速度相关，同时，他们应用粘性流体力学理论，推导出了旋风除尘器内切向速度的计算公式。
张晓玲、亢燕铭、付海明等[14]通过对旋风除尘器内尘粒粒子的运动和捕集特性的分析，讨论了无量纲准则数Reynolds和Stokes与粒子分离过程的关系，并在对经典文献给出的试验数据进行回归分析的基础上，得到了一个有影响除尘效率的主要无量纲数表示的旋风除尘器分级效率半经验计算式。
（2）结构改进
在理论继续发展的同时，旋风除尘器不断有新的改进措施提出，从而开发出许多新型高效的旋风除尘器。国内外研究者在旋风除尘器整体改进方面推出了新型旋风除尘器其中以PV型旋风除尘器和环流式旋风除尘器最为瞩目。PV型旋风除尘器由石油大学、洛阳石油化工工程公司和原北京设计院联合开发,为中国石油化工集团公司专有技术,已几乎在所有的催化裂化装置中得到成功应用,而且又在化工及煤炭发电等领域中得到推广应用,应该说是很成熟的一项先进技术。[15,16]新型环流式旋风除尘器(国家发明专利产品,专利
号: ZL 92219769.5)。如图1.1，环流式旋风除尘器的外型与常规型旋风除尘器相似,但器内增设了强化分离效率的内件。该除尘器具有压降低、放大效应小、分离效率高、操作稳定性好等特点[17,18,19]。
研究发现气流运动性能、颗粒性能、几何参数、材料表面摩擦系数等对旋风除尘器性能都有影响。因此，一些研究者针对旋风除尘器不同部分也做了成功的改进以提高旋风除尘器性能。Y.Zhu[20]提出如图1.2所示的旋风除尘器结构,与Stairmand型旋风除尘器相比，最大的特点就是通过增加一个倒置的旋风除尘器筒壁,从而将整个旋风除尘器内部空间划分为两个颗粒分离环形区域,同时,排气管被移到了下方,这种旋风除尘器相当于将两个旋风子合到
了一起。Y.Zhu型旋风除尘器除尘效率得到提高,压力损失也有所降低。Plomp等[21,22]针对气流出口提出了加装二次分离附件，如图1.3。二次分离附件设置在旋风除尘器顶部，称之
为POC。沈恒根[23,24,25,26]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1.4。通过双进口旋风器内流场实验研究表明,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。
气流在开始进入旋风除尘器时存在气流压缩问题，祝立萍[27]通过试验的方法证实在气流入口添加弧形导向板可以有效地解决这一问题同时还降低压力损失，导向板如图1.5。旋风除尘器的磨损问题在工业应用过程中是十分普遍的问题，向晓东在内壁添加耐磨设置环缝套圈[28,29]，可以有效地减少粉尘颗粒对旋风除尘器的磨损提高使用寿命。王连泽等[30]人以Stairmand型旋风除尘器为研究模型通过在旋风除尘器内安装减阻杆，可以在保证分离效率的前提下降低流动阻力。同时工业应用表明，安装减阻杆能提高旋风除尘器的处理风量，降低除尘系统动力消耗，从而达到减阻、节能与增产的效果。此外，将高压静电技术和旋风除尘器的结合技术[31,32]、添加稳流杆等都是成功的改进方案。
传统对旋风除尘器的研究主要通过试验测定及理论推导来分析其除尘机理。随着，CFD 技术和计算机科学技术的发展，数值模拟技术应用与旋风除尘器的模拟分析已经变为现实，采用这一技术, 可有效地对旋风除尘器内部流场分析研究，有利于进一步提出更多新型高效的旋风除尘器。
影响旋风除尘器的除尘效率的因素
旋风除尘器的除尘效率受到很多因素的影响，其中主要包括除尘器的结构，操作工艺参数
等。
1、除尘器结构
1．1．1 进气口
旋风除尘器的进气口是形成旋转气流的关键部件，是影响除尘效率和压力损失的主要因素。切向进气的进口面积对除尘器有很大的影响，进气口面积相对于筒体断面小时，进人除尘器的气流切线速度大，有利于粉尘的分离。
1．1．2 圆筒体直径和高度
圆筒体直径是构成旋风除尘器的最基本尺寸。旋转气流的切向速度对粉尘产生的离心力与圆筒体直径成反比，在相同的切线速度下，筒体直径D 越小，气流的旋转半径越小，粒子受到的离心力越大，尘粒越容易被捕集。因此，应适当选择较小的圆筒体直径，但若筒体直径选择过小，器壁与排气管太近，粒子又容易逃逸；筒体直径太小还容易引起堵塞，尤其是对于粘性物料。当处理风量较大时，因筒体直径小处理含尘风量有限，可采用几台旋风除尘器并联运行的方法解决。并联运行处理的风量为各除尘器处理风量之和，阻力仅为单个除尘器在处理其所承担的那部分风量的阻力。但并联使用制造比较复杂，所需材料也较多，气体易在进口处被阻挡而增大阻力。因此，使用时台数不宜过多。筒体总高度是指除尘器圆筒体和锥筒体两部分高度之和。增加筒体总高度，可增加气流在除尘器内的旋转圈数，使含尘气流中的粉尘与气流分离的机会增多，但筒体总高度增加，外旋流中向心力的径向速度使部分细小粉尘进入内旋流的机会也随之增加，从而又降低除尘效率。筒体总高度一般以4 倍的圆筒体直径为宜，锥筒体部分，由于其半径不断减小，气流的切向速度不断增加，粉尘到达外壁的距离也不断减小，除尘效果比圆筒体部分好。因此，在筒体总高度一定的情况下，适当增加锥筒体部分的高度，有利提高除尘效率。一般圆筒体部分的高度为其直径的1．5 倍，锥筒体高度为圆筒体直径的2．5 倍时，可获得较为理想的除尘效率。
1．1．3 排气管
排风管的直径和插入深度对旋风除尘器除尘效率影响较大。排风管直径必须选择一个合适的值，排风管直径减小，可减小内旋流的旋转范围，粉尘不易从排风管排出，有利提高
除尘效率，但同时出风口速度增加，阻力损失增大；若增大排风管直径，虽阻力损失可明显减小，但由于排风管与圆筒体管壁太近，易形成内、外旋流“短路”现象，使外旋流中部分未被清除的粉尘直接混入排风管中排出，从而降低除尘效率。一般认为排风管直径为圆筒体直径的0．5～0．6 倍为宜。排风管插入过浅，易造成进风口含尘气流直接进入排风管，影响除尘效率；排风管插入深，易增加气流与管壁的摩擦面，使其阻力损失增大，同时，使排风管与锥筒体底部距离缩短，增加灰尘二次返混排出的机会。排风管插入深度一般以略低于进风口底部的位置为宜。
1．1．4 排灰口
排灰口的大小与结构对除尘效率有直接的影响。增大排灰口直径可使除尘器高压力下降，对提高除尘效率效率有利，但排灰口直径太大会导致粉尘的重新扬起。通常采用排灰口直径Do＝(0．5－0．1)Dc。
1．2 操作工艺参数
在旋风除尘器尺寸和结构定型的情况下，其除尘效率关键在于运行因素的影响。
1．2．1 流速
旋风除尘器是利用离心力来除尘的，离心力愈大，除尘效果愈好。在圆周运动(或曲线运动)中粉尘所受到的离心力为：F＝ma式中：F—离心力，N m—粉尘的质量，kg a—粉尘的离心加速度，m／ s2。因为，a＝VT2R式中：VT—尘粒的切向速度，m／ sR—气流的旋转半径，m。
所以，F＝mVTR可见，在旋风除尘器的结构固定(R 不变)、粉尘相同(m 稳定) 的情况下，旋风除尘器入口的气流速度愈高，旋风除尘器的离心力就愈大。而旋风除尘器的进口气量为：Q＝3600AVT式中：Q—旋风除尘器的进口气量，m3 ／ hA—旋风除尘器的进口截面积，m2所以，在结构固定(R 不变，A 不变)，粉尘相同(m 稳定)的情况下，除尘器入口的气流速度与进口气量成正比，而旋风除尘器的进口气量是由引风机的进风量决定的。可见，提高进风口气流速度，可增大除尘器内气流的切向速度，使粉尘受到的离心力增加，有利提高其除尘效率，同时，也可提高处理含尘风量。但进风口气流速度提高，径向和轴向速度也随之增大，紊流的影响增大。对每一种特定的粉尘旋风除尘器都有一个临界进风口气流速度，当超过这个风速后，紊流的影响比分离作用增加更快，使部分已分离的粉尘重新被带走，影响除尘效果。另外，进风口气流增加，除尘阻力也会急剧上升，压损增大，电耗增加。综合考虑旋
风除尘器的除尘效果和经济性，进风口的气流速度控制在12～20m ／ s 之间，最大不超过25m ／ s，一般选14m ／ s为宜。
1．2．2 粉尘的状况
粉尘颗粒大小是影响出口浓度的关键因素。处于旋风除尘器外旋流的粉尘，在径向同时受到两种力的作用，一是由旋转气流的切向速度所产生的离心力，使粉尘受到向外的推移作用；另一个是由旋转气流的径向速度所产生的向心力，使粉尘受到向内的推移作用。在内、外旋流的交界面上，如果切向速度产生的离心力大于径向速度产生的向心力，则粉尘在惯性离心力的推动下向外壁移动，从而被分离出来；如果切向速度产生的离心力小于径向速度产生的向心力，则粉尘在向心力的推动下进入内旋流，最后经排风管排出。如果切向速度产生的离心力等于径向速度产生的向心力，即作用在粉尘颗粒上的外力等于零，从理论上讲，粉尘应在交界面上不停地旋转。实际上由于气流处于紊流状态及各种随机因素的影响，处于这种状态的粉尘有50％的可能进入内旋流，有50％的可能向外壁移动，除尘效率应为50％。此时分离的临界粉尘颗粒称为分割粒径。这时，内、外旋流的交界面就象一张孔径为分割粒径的筛网，大于分割粒径的粉尘被筛网截留并捕集下来，小于分割粒径的粉尘，则通过筛网从排风管中排出。旋风除尘器捕集下来的粉尘粒径愈小，该除尘器的除尘效率愈高。离心
力的大小与粉尘颗粒有关，颗粒愈大，受到离心力愈大。当粉尘的粒径和切向速度愈大，径向速度和排风管的直径愈小时，除尘效果愈好。气体中的灰分浓度也是影响出口浓度的关键因素。粉尘浓度增大时，粉尘易于凝聚，使较小的尘粒凝聚在一起而被捕集，同时，大颗粒向器壁移动过程中也会将小颗粒挟带至器壁或撞击而被分离。但由于除尘器内向下高速旋转的气流使其顶部的压力下降，部分气流也会挟带细小的尘粒沿外壁旋转向上到达顶部后，沿排气管
外壁旋转向下由排气管排出，导致旋风除尘器的除尘效率不可能为100％。根据除尘效率计算公式：η＝(1－So ／ Si)100％式中：η—除尘效率So—出口处的粉尘的流入量，kg ／ h
Si—进口处的粉尘的流入量，kg ／ h。因为旋风除尘器的除尘效率不可能为100％，当进口粉尘流入量增加后，除尘效率虽有提高，排气管排出粉尘的绝对量也会大大增加。所以，要使排放口的粉尘浓度降低，则要降低入口粉尘浓度，可采取多个旋风除尘器串联使用的多级除尘方式，达到减少排放的目的。
1．2．3 运行的影响
旋风除尘器下部的严密性是影响除尘效率的又一个重要因素。含尘气体进人旋风除尘器后，沿外壁自上而下作螺旋形旋转运动，这股向下旋转的气流到达锥体底部后，转而向上，沿轴心向上旋转。旋风除尘器内的压力分布，是轴向各断面的压力变化较小，径向的压力变化较大(主要指静压)，这是由气流的轴向速度和径向速度的分布决定的。气流在筒内作圆周运动，外侧的压力高于内侧，而在外壁附近静压最高，轴心处静压最低。即使旋风除尘器在正压下运动，轴心处也为负压，且一直延伸到排灰口处的负压最大，稍不严密，就会产
生较大的漏风，已沉集下来的粉尘势必被上升气流带出排气管。所以，要使除尘效率达到设计要求，就要保证排灰口的严密性，并在保证排灰口的严密性的情况下，及时清除除尘器锥
体底部的粉尘，若不能连续及时地排出，高浓度粉尘就会在底部流转，导致锥体过度磨损。
提高除尘效率的措施
2 旋风分离器结构改进
在旋风除尘器的众多性能指标中，压力损失和分离效率是最为重要的参数，其症结是消除“上灰环”。解决上灰环问题的方法之一是通过设置灰尘隔离室，即采用旁路式旋风除尘器，它主要是在普通旋风除尘器的基础上增加一个螺旋形的旁路分离室，在除尘器顶部形成的上涡旋粉尘环，从旁路分离室引至锥体部分。这样可使导致除尘效率降低的二次流变为能起粉尘聚集作用的上涡旋气流，提高除尘效率。除此之外，还可通过添加导向叶片、改变气流进口形状等措施来消除上灰环。为了解决边壁处的二次扬尘问题，可采用环缝气垫耐磨旋风除尘器，它是在普通旋风除尘器内侧设置环缝套圈，粉尘在旋转气流作用下向边壁靠近，然后利用靠近边壁处的下行气流将粉尘带入环缝，由于环缝的存在，不仅可以减少二次扬尘，而且使高速旋转的上、下灰环消失，提高了除尘效率。但这些方法实际使用效果并不是十分理想。现提出一种新的改进方法使旋风除尘器的分离性能得到了极大提高。改进后的新型旋风除尘器结构如图1。这种新型旋风除尘器在结构上主要
改进如下：
（1）进口管下斜5°～10°，使气流在旋转的同时保证了向下的旋转。并且下倾角确保了尘粒反弹时绝对折射朝下。在传统旋风除尘器结构中，进气蜗壳底板与旋风筒轴线是垂直的，由于气流从上部切线方向进入除尘器后向下旋转，引起除尘器顶部倒空形成上涡旋气流
产生顶部灰环，灰环沿着排气管道外表面旋转向下时，会在排气管入口处与已净化废气的上旋气流混合，而后经排气管排出除尘器。
（2）进口管采用了180°的半圈螺旋管代替了传统型的直吹进筒，从而进一步保证了气流的“下旋”。传统型是含粉尘的气体进筒后才旋转，而改进型则是确保尘气高速旋转起来后才进筒。
（3）进口螺旋道截面递减，增大了气流旋转的离心力。含粉尘的气体在螺旋道中实现1．4 倍加速。提高了尘粒的惯性，降低了尘粒沉降的时间。
（4）锥体长度加长并采用20°小锥角，增加了气流在分离器中的停留时间，有利于小颗粒的沉降完全，且使向下旋转的气体平缓地转变成折转向上的旋转，从而使除尘效率得以提高。
（5）除尘器下设缓冲料斗，有效改善废气在筒体内的流动工况，减少了灰斗的反混现象和下灰环可能产生的二次杨尘。
（6）出风管增长，直到螺旋轨道的底部，防止了内侧部分尘粒裹进出风管。
（7）进口、加速段、出口的截面积之比扩大为1：0．7：2，即出口风速是进口速度的一半；出口风速是内部加速段的1 ／ 3。改进型除尘器粒子的离心力比在传统型除尘器中的离心力增大了1．4 倍以上。而出口处，负压对粒子的吸力比传统型约小了1 ／ 4。因此，气流进筒后，尘粒因惯性大，使得稍小些的颗粒在气流在旋风除尘器中停留时间内也能得到分离。出风风速降低，也使得部分细小的颗粒能摆脱上升气流的吸力而有机会沉降下来，从而使分离效率得以提高。
对旋风除尘器的结构的创新
对其结构进行改进的目的是为了进一步的提高其除尘效率，从而使得节约资源，提高产量。为此，设计结构如图
1、进口处的改进
已知其螺旋口式的入口处，其进料口出的管道有一个向下的倾斜，这样可以加速物料的下降。然而，其还是会有一定的摩擦力，切在旋转的过程中会和管道壁有一个摩擦，此摩擦力会使其在下降的过程中有一定的损失，即会使得其下降速度变慢，从而使得其沉降效率变小。我们所改进的方式是在其原有的基础上，在边壁的左右两边形成一个坡度，可以使其左右两端倾斜角度为45°，这样可以利用物料自身的重力使其下降，会使得其下降速度变得更快，从而提高其除尘效率。
2、圆柱体内部改进
传统方法是含尘气体在旋转过程中产生很大的离心力,由于尘粒的密度比空气大很多倍,因此旋转的尘粒在很大的离心力作用下,从气流中分离甩向器壁,尘粒一旦与器壁接触后便失去离心力作用而靠入口速度的动能和自身的重力势能沿器壁面旋转下落,由于沿着内壁运动仍会受后来的气旋作用，一方面会增加混乱程度，不利于分离，另一方面也浪费了一部分动能。故此在内壁增加倾斜挡板，当被分离的颗粒将进入一个相对封闭的区域，即便有微小内气旋，但其后主要是沿壁下降，减少了混乱程度，提高了分离效率。由于挡板的作用，圆筒的内径相对减小了，气流旋转速度会相应提高，离心力也会相应增加。被分离的尘粒经锥体排入集灰箱。当气流运动到接近倒圆锥的底面时,由于集尘箱是密闭的空间,下旋气流无法继续下旋，将从排气管排出。
3、排气口的改进
考虑集灰箱是密闭的，尘粒往里进有一定的抵触力，部分尘粒会再次被气流卷起进入排气口，故在排气管下端安装如图示的半球挡板，形成小旋气流，阻挡扬起的尘粒被直接排除选粉除尘器，提高收尘率。
结论
如何提高旋风除尘器的除尘效率是当前水泥行业需要解决的一个重要课题。研究和分析影响旋风除尘器除尘效率的因素，是设计、选用、管理和维护旋风除尘器的基础，也是探求提高旋风除尘器除尘效率途径的必由之路。由于旋风除尘器内气流速度及粉尘微粒的运动等都较为复杂，影响其除尘效率的因素较多，需要我们进行全面分析，综合考虑，寻求最优设计方案和运行管理方法。当前，旋风除尘器许多理论还待研究和探讨，尽管如此，旋风除尘器仍以其结构简单、体积小、制造维修方便、除尘效率较为理想等优点，成为目前水泥企业主要除尘设备之一。随着对旋风除尘器认识的进一步的深入和完善，它必将在水泥行业除尘中发挥更大的作用。
参考文献
[1]李文．锅炉应用旋风除尘器除尘的影响因素分析[J]．云南环境科学，2006，25（S）:56－58．
[2]赵斌，田小藏，郑水山．提高传统型旋风除尘器除尘效率的措施[J]．河南冶金，2007，15
（1）:45－47．
[3]姚兰新，姚勇鹏．影响旋风除尘器除尘效率的因素及对策[J]．中国棉花加工，1999，20（3）:
10－20．笪