新型旋風除塵器的設計與應用

王文達，馮艷峰

1.遼寧基伊能源科技有限公司，遼寧沈陽，110000；2.沈陽工業大學，遼寧沈陽，110870

0 引言

旋風除塵器于1885年開始使用，已發展成為多種形式[1]。按氣流進入方式，可分為切向進入式和軸向進入式兩類。在相同壓力損失下，后者能處理的氣體約為前者的3倍，且氣流分布均勻。

傳統旋風除塵器由進氣管、排氣管、圓筒體、圓錐體和灰斗組成。在普通操作條件下，作用于粒子上的離心力是重力的5～2500倍，所以旋風除塵器的效率顯著高于重力沉降室。在機械式除塵器中，旋風式除塵器是效率最高的一種。它適用于非黏性及非纖維性粉塵的去除，大多用來去除5μm以上的粒子，并聯的多管旋風除塵器裝置對3μm的粒子也具有80%～85%的除塵效率。選用耐高溫、耐磨蝕和腐蝕的特種金屬或陶瓷材料構造的旋風除塵器，可在溫度高達1000℃、壓力達500×105Pa的條件下操作。從技術、經濟諸方面考慮旋風除塵器壓力損失控制范圍一般為500～2000Pa[2]。

對于旋風除塵器的運行機理和內部流場運動過程的分析，國內外已有諸多文獻報道[3-7]。通過以往的研究可以歸納出，導致旋風除塵器除塵效率受限的原因主要有以下幾點：

（1）旋風除塵器內部流體流速慢，固體顆粒受流體阻力大；

（2）由于流場內部沒有明顯的氣固分界線，所以無法實現徹底的氣固分離；

（3）下降氣流與上升氣流交匯，由于下降氣流與上升氣流內部固體顆粒的相互運動導致固相顆粒從下降氣流向上升氣流遷出，從而造成出風口固體顆粒濃度高的現象；

（4）固相進入集塵斗時，濃度極高，細小顆粒不容易進入灰斗被收集，因此會重新被氣流帶回筒體，最終從出風口排出，影響了除塵效率。

1 旋風除塵器內部流場分析

在旋轉流場中，固相的質量密度因素使得氣相運動產生了很大的離心力，所以在分析固相運動流線或流場時，就應以力學為主進行分析（圖1）。

圖1 旋風除塵器內部流場分析

旋風除塵器的主要原理是利用旋轉產生的強大離心力進行氣固分離，固相顆粒就是依靠離心力向外壁移動，從而得到分離的機會。但是得到離心力的粒子在向外壁移動的過程中，要克服氣相流體的阻力才能完成移動過程，當離心力大于氣相流體力的阻力時，向外壁的移動就可以進行；當離心力小于氣相阻力時，向外壁移動的過程無法完成。因此，能否完成向外壁移動的要素取決于粒子質量（m）、速度（v）、旋轉半徑（r），當速度（v）、旋轉半徑（r）為標量時，粒子質量就是一個重要因素，經過實驗證明，大顆粒或粒子質量較大的粒子會能高效率地完成分離；同樣粒徑較小或質量較小的粒子，則仍以氣相為載體不能完成分離過程。

在旋風除塵器中，由于有產生離心力的需要，因此在除塵器中的各個質點，存在著氣相流體向中心移動的過程，除了上述氣相阻力之外，固相粒子還受到氣相流體向心運動的拖曳力。因此，離心力（F）要克服氣相阻力之外還要大于氣相流體的拖曳力，即F＞P2+PT（P2阻力，PT拖曳力）。因此，在工程實踐中，氣固分離裝置對拖曳力的影響也是不能忽視的。拖拽力的本質是氣流對固體顆粒的阻力，其大小可以按固體顆粒受氣流流體的阻力計算。作穩定運動的顆粒必然受到流體阻力的作用。阻力的大小決定于顆粒的形狀、粒徑、表面特性、運動速度及流體的種類和性質。阻力的方向總是與速度向量的方向相反，其大小可按如下標量方程計算：

顆粒運動處于層流狀況，C D與呈直線關系，由理論和實驗得到：

這一關系式通稱為斯托克斯（Stokes）阻力定律。對于球形顆粒將式（3）和式（4）代入式（1）中，得到斯托克斯阻力公式：

由式（5）可以看出，固體顆粒受流體阻力與顆粒運動速率成正比。在旋風除塵器內部一點，顆粒受重力和離心力兩種作用，其運動速率是重力和離心力共同作用的結果，而離心力和重力與固體顆粒的質量成正比，再加上在設備中，受風量等影響，導致固體顆粒運動速度較低，越靠近設備中心的位置，顆粒離心力越小，運動速度越小，顆粒所受流體阻力越大。這是導致傳統旋風除塵器除塵效率低的主要原因。

2 新型旋風除塵器的設計

基于對傳統旋風除塵器內部流場的系統分析，針對其流體阻力大的缺點，對設備進行改進，研發出一套新型旋風除塵設備。目前該設備已經應用于某些大型除塵工業項目中，并取得良好效果。

新型旋風除塵器的芯管采用雙芯管，這種設計不但解決了上渦旋，還制造出一個下渦旋，下渦旋的產生使效率得到了很大的提升，如圖2所示，在單層芯管中形成的折返線是一條公共線，即下旋區與上旋區的共用邊界，而雙層芯管下緣則將下旋區和上旋區分開在雙層芯的下方形成一個渦區，這個渦區一方面阻止了下旋流的粒子逃逸、短路，另一方面將上旋流攜帶的粒子再次進行分離，接收并轉送至下旋區，使除塵效率得到保障。

圖2 芯管

蝸形殼的主要功能是加速氣流旋轉。在蝸殼設計中，采用了上下斜板結構（圖3）。上斜板結構的目的是清除上平板的平旋流場帶來的缺陷，即消除了上渦旋及粒子環的產生；進氣口是矩形結構，在進入旋轉區時由于流通截面擴大導致氣流減速及向上擴張，多氣流形成速度差，而粒子由于質量關系，仍會以原速度旋轉并分離，在旋轉360°后，濃縮在矩形進氣口的左側中間區域，這樣就沒有上粒子環產生并順利進入下旋區；下斜板的作用：①避免顆粒物過度集中，不利分離；②減小阻力或壓降；③加長了芯管的長度就相當于加大了篩子的面積，有利于粒子分離，蝸形殼的截面加大后，氣流的旋轉速度是一個減速過程，這樣有助于粒子分離。

圖3 蝸殼

傳統旋風分離器中的下旋區與上旋區的折返線沒有明顯的界線，尤其是在折返線的下端，受湍動氣流的影響，效率損失較大。在折返線的上端做了雙層芯管的設計解決了上端的分界問題，在下端設計折返線截止屏，這樣使得下端有一個折返線的終止點，這樣不但保障了效率的穩定，同時可使總體高度減小，并可加大料斗的存儲量，徹底解決了上旋流二次卷走顆粒物的可能性，如圖4所示。

圖4 折返線截止屏

折返線截止屏為圓臺形，在下邊緣和多層分離套筒相連接，在連接點處有排料孔，由于大量的顆粒物在到達此處前已經多次分離，所以此處的顆粒物濃度很低。因此，不會造成氣流混亂而影響效率的穩定。

空間成為顆粒物的沉降及吸集區，在多級分離套筒將顆粒面分離的同時會有大量的氣流進入此區域，因此，如果這些氣流沒有一個回路就會影響到分離效果，所以為了使這些氣流有一個合理的回路，在折返線截止屏的上方設計了一個回流穩定柱。由于上旋區的中心位置是一個較大的負壓區，因此能夠給多處分離套筒進入的氣流一個很好的回路。除此之外，回流穩定柱還能起到穩流的作用。

3 新型旋風除塵器的應用

與傳統旋風除塵器相比，新型旋風除塵器的設計有效解決了除塵效率低的問題。雙芯管可在阻力不增加的條件下保障效率不損失。多級分離環使氣流含塵濃度逐步降低，避免了設備磨損。反射屏的作用是保證下旋與下旋氣流轉折點與邊界穩定。回風穩流解決了上旋流的擺動問題，有助于粉塵再分離。新型旋風除塵器在大風量工況下的工業生產除塵凈化方面有很好的應用。下面以某閥門廠沖天爐煙塵凈化治理方案的設計來說明新型旋風除塵器的應用效果。

3.1 方案說明

（1）本設備包括：多管除塵器、一級洗氣機、二級洗氣機、脫水器、置換水池、加堿機、污水過濾器、隔膜出泥泵、污泥車、清水泵、電控。

（2）在沖天爐加料口下方安裝管道，進風口在沖天爐內部，為下進風型式，安裝管道先與多管除塵器連接，先經初步除塵后再進入洗氣機，煙塵被吸入洗氣機凈化，凈化后氣體經管道直接排入大氣。

（3）多管除塵器是以多管旋流除塵器為主體，除塵效率可達90%以上。在沖天爐煙氣出口經多管旋流除塵后到洗氣機洗滌凈化排放。

（4）CTL洗氣機配備一套供水系統、一臺防腐耐磨泵：流量Q=25m3/h、揚程H=30m、功率N=7.5kW、電壓380V，循環水池有效容積20m3。

3.2 實用效果

通過測試分析得出，整套系統可利用率達95%以上，除塵效率達到99%以上，經施工治理后可達到的排放標準：顆粒物＜30mg/m3，滿足國家粉塵的排放標準。

4 結論

針對傳統旋風除塵器除塵效率低、能耗大等缺點，從芯管、蝸殼、折返線截止屏和回流穩定柱幾方面設計新型旋風除塵器，并將新型旋風除塵器應用于某閥門廠沖天爐煙氣凈化中。從凈化效果可以看出，整套系統可利用率達95%以上，除塵效率達到99%以上。治理后可達到的排放標準：顆粒物＜30mg/m3，滿足國家粉塵的排放標準。除塵效率明顯高于傳統旋風除塵器。