1、旋風除塵器的關鍵技術與創新研究人：汪天博、朱猛、張棟杰、顧峰、蔣寒軍研究背景及目的旋風除塵器旋轉氣流的絕大部分沿器壁自圓筒體呈螺旋狀自上而下向圓錐體底部運動，形成下降的外旋含塵氣流，在強烈旋轉 過程中所產生的離心力將密度遠遠大于氣體的塵粒甩向器壁，塵粒一旦與器壁接觸，便失去慣性力而靠入口速度產生的動量和自 身的重力沿壁面下落進入集料斗。 旋轉下降的氣流在到達圓錐體底 后，沿除塵器的軸心部位轉而向上，形成上升的內旋氣流，并由除 塵器的排氣管排出。自進氣口流入的另一小部分氣流，則向旋風除塵器頂蓋處流動，然后沿排風管外側向下流動，當達到排風管下端 時，即反轉向上隨上升的中心氣流一同從排風管排出，分散

2、在其中的塵粒也隨同被帶走。旋風除塵器的除塵效率對除塵的產量以及成 本有著至關重要的意義，因此提高旋風除塵器的除塵效率是當今 社會共同面正確問題。國內外研究現狀當前，旋風除塵器的研究狀況能夠從以下兩個方面敘述：(1)分離理論及計算模型當前，旋風除塵器的研究理論主要 脫硫除塵有轉圈理論、篩分 理論、 邊界層理論、 傳介質理論等，各個理論都在一定的假設前 提下建立了旋風除塵器性能計算模型。其中轉圈理論是類比平流重力沉降分離理論最早發展起來的理論。在平流沉降室中距分離界面最高點h處的粉塵以重力沉降速度向下沉降，同時粉塵又以水平方向速度向前移動，只要沉降室有足夠長度 L,則粉塵脫硫招聘就能到 達分離界面

3、而被分離。在旋風除塵器內存在徑向向外的離心沉降速 度和旋轉切向分速度，如果旋轉圈數足夠多，即展開后的長度相當 于平流沉降室的長度 L,則粉塵就能從內半徑到達外邊壁處的分離 界面而被分離，這一理論的研究以 Rosin、Rammler、Lnterman、 First 為代表1,5。轉圈理論對于旋風除塵器內的流場認識是不夠全面的。氣流進入旋風除塵器內，在上筒體內，旋轉能夠認為只有單一的旋渦流場；而到達錐體空間，徑向的匯流或類匯流就將開始出現，因此旋風途 塵招聘除塵器內除塵空間的流場，只見有渦，而不見有匯，顯然是 不夠全面的。為了補救轉圈理論的缺點，對于旋風除塵器內的流場即見有渦，也見到有匯，因此形成

4、了篩分理論。篩分理論認為每一粉塵顆粒都同時受到方向相反的兩種推移 作用。由旋渦流場的慣性離心力使顆粒受到向外推移的作用，由于匯流場又使得顆粒受到向內漂移的作用。離心力的大小與粉塵顆粒的大小有關，顆粒越大離心力越大，因而必定有一臨界粒徑 dc50, 受離心力向外推移的作用正好與向內漂移的作用相等。凡粒徑d>dc者，向外推移作用大于向內漂移作用，結果被推移到旋風除塵器壁附近，粉塵濃度大到運載介質的極限負荷濃度時,則粉塵被分離出來。相反，凡d<dc的粉塵顆粒，向內漂移的作用大于向外推移 的作用而被帶到上升的強制渦核心部分，隨著外排氣流而排離旋風除塵器。這一理論的研究以 Lapple、Sh

5、ephercL Staimand、Barth、 Muschelknautz 等代表1,2,3。邊界層理論認為在旋風除塵器任一截面上固相顆粒的濃度分 布是均勻的，但流體在近壁面處的邊界層內是層流流動，只要顆粒進入邊界層內顆粒的運動由旋轉轉變為自由沉降擴散運動即視為 被捕集分離,以D.Leith和W.Licht等的研究為代表5, 6。中國學者向曉東提出傳介質理論。轉圈理論只考慮旋渦在靠近旋風除塵器器壁處的離心分離作用，篩分理論則只考慮在假想篩 分圓柱面上的離心分離作用，實際上，在旋風除塵器的整個分離空 間內，旋轉氣流均有分離作用。針對這兩點，傳介質理論認為：若在 分離空間內無粒子的凝聚與生長，那么

6、，在整個分離空間內任取一六面微元體，單位時間內此微元體內粒子的總通量應為零，即質量和數量是守恒的。根據這一假設，推導旋風除塵器的相關性能計算 公式3,7。Sproull于1970年采用與電除塵器類似的方法，給出了旋風除塵器效率的分離計算公式8。D.Leith和W.Licht于1972年考慮湍 流擴散對固相顆粒分離的影響，基于邊界層分析理論，把氣流中懸 浮顆粒的橫向混合理論與旋風除塵器內氣流的平均停留時間相結 合，從理論上嚴格推導出了分級效率模型6,9。張吉光等10于1991年根據旋風器內氣流的軸向速度分布規 律確定塵粒在旋風器內的平均停留時間分析了旋風器內氣流的三 維速度分布規律對固相顆粒分離

7、的影響及旋風器各主要結構參數和運行參數的影響，并考慮筒體與錐體邊界層內顆粒的分離效應，建立了旋風除塵器的分級效率數學模型。陳建義、 時銘顯等11于1993年在對PV型旋風除塵器內部 流場及濃度測定的基礎上，考慮了顆粒間的相互碰撞、反混等對分離性能的影響，建立了旋風除塵器分級效率的多區計算模型。王廣軍、 陳紅于12考慮了徑向濃度梯度以及重力沉降和徑 向加速過程對固相顆粒分離的影響，建立了鍋爐細粉分離分離效率的計算模型。沈恒根等13在假設：不考慮邊界層作用；忽略邊壁 作用，塵粒到達外邊壁就被捕集；進入旋風除塵器前，塵粒濃度分 布均勻；不考慮重力作用，提出了平衡塵粒模型。運用渦匯升降流 三維氣流分析

8、塵粒運動，提出平衡塵粒分布，給出了平衡塵粒計算 公式。清華大學的王連澤、彥啟森認為：旋風除塵器內的流動主要受切向速度支配，旋風除塵器的性能，也主要與切向速度相關，同 時，她們應用粘性流體力學理論，推導出了旋風除塵器內切向速度 的計算公式。張曉玲、 亢燕銘、付海明等14經過對旋風除塵器內塵粒粒子的運動和捕集特性的分析，討論了無量綱準則數 Reynolds和 Stokes與粒子分離過程的關系，并在對經典文獻給出的試驗數據進 行回歸分析的基礎上，得到了一個有影響除塵效率的主要無量綱 數表示的旋風除塵器分級效率半經驗計算式。(2)結構改進在理論繼續發展的同時,旋風除塵器不斷有新的改進措施提出，從而開發

9、出許多新型高效的旋風除塵器。國內外研究者在旋風 除塵器整體改進方面推出了新型旋風除塵器其中以PV型旋風除塵器和環流式旋風除塵器最為矚目。PV型旋風除塵器由石油大學、洛陽石油化工工程公司和原北京設計院聯合開發，為中國石油化工集團公司專有技術，已幾乎在所有的催化裂化裝置中得到成功應用 而且又在化工及煤炭發電等領域中得到推廣應用，應該說是很成熟的一項先進技術。15,16新型環流式旋風除塵器（國家創造專利產 品，專利號：ZL 92219769.5）。如圖1.1,環流式旋風除塵器的外型與 常規型旋風除塵器相似，但器內增設了強化分離效率的內件。該除 塵器具有壓降低、放大效應小、分離效率高、操作穩定性好等

10、特點17,18,19。研究發現氣流運動性能、顆粒性能、幾何參數、材料表面摩擦系數等對旋風除塵器性能都有影響。因此 ，一些研究者針對旋 風除塵器不同部分也做了成功的改進以提高旋風除塵器性能。Y.Zhu20提出如圖1.2所示的旋風除塵器結構，與Stairmand型旋風 除塵器相比，最大的特點就是經過增加一個倒置的旋風除塵器筒 壁,從而將整個旋風除塵器內部空間劃分為兩個顆粒分離環形區域 同時，排氣管被移到了下方，這種旋風除塵器相當于將兩個旋風子合 到了一起。Y.Zhu型旋風除塵器除塵效率得到提高，壓力損失也有所 降低。Plomp等21,22針對氣流出口提出了加裝二次分離附件，如圖1.3。二次分離附件

11、設置在旋風除塵器頂部，稱之為POC。沈恒根23,24,25,26針對旋風器內氣流軸不對稱問題，將其進口由單進口改為雙進口，如圖1.4。經過雙進口旋風器內流場實驗研究表明 雙進口旋風器比單進口旋風器更有利于提高除塵效率和降低設備 阻力。氣流在開始進入旋風除塵器時存在氣流壓縮問題，祝立萍27經過試驗的方法證實在氣流入口添加弧形導向板能夠有效地解決 這一問題同時還降低壓力損失，導向板如圖1.5。旋風除塵器的磨 損問題在工業應用過程中是十分普遍的問題，向曉東在內壁添加耐磨設置環縫套圈28,29,能夠有效地減少粉塵顆粒對旋風除塵器 的磨損提高使用壽命。王連澤等30人以Stairmand型旋風除塵器為研究

12、模型經過在旋風除塵器內安裝減阻桿，能夠在保證分離效率的前提下降低流動阻力。同時工業應用表明，安裝減阻桿能提高旋風除塵器的處理風量，降低除塵系統動力消耗，從而達到減阻、 節能與增產的效果。另外，將高壓靜電技術和旋風除塵器的結合技 術31,32、添加穩流桿等都是成功的改進方案。傳統對旋風除塵器的研究主要經過試驗測定及理論推導來分 析其除塵機理。隨著，CFD技術和計算機科學技術的發展，數值模 擬技術應用與旋風除塵器的模擬分析已經變為現實，采用這一技術，可有效地對旋風除塵器內部流場分析研究，有利于進一步提出更多新型高效的旋風除塵器。影響旋風除塵器的除塵效率的因素旋風除塵器的除塵效率受到很多因素的影響，

13、其中主要包括除塵器的結構，操作工藝參數等。1、除塵器結構1.1.1 進氣口旋風除塵器的進氣口是形成旋轉氣流的關鍵部件 ，是影響除 塵效率和壓力損失的主要因素。切向進氣的進口面積對除塵器有很 大的影響，進氣口面積相對于筒體斷面小時 ,進人除塵器的氣流切 線速度大，有利于粉塵的分離。1.1.2 圓筒體直徑和高度圓筒體直徑是構成旋風除塵器的最基本尺寸。旋轉氣流的切向速度對粉塵產生的離心力與圓筒體直徑成反比，在相同的切線速度下，筒體直徑D越小，氣流的旋轉半徑越小，粒子受到的離心力 越大，塵粒越容易被捕集。因此，應適當選擇較小的圓筒體直徑， 但若筒體直徑選擇過小，器壁與排氣管太近，粒子又容易逃逸； 筒體直徑太小還容易引起堵塞，特別是對于粘性物料。當處理風量 較大時,因筒體直徑小處理含塵風量有限，可采用幾臺旋風除塵器