旋風(fēng)除塵器除塵效率的影響因素探討

尹云波， 常坦祥， 孫宏敏

（安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

旋風(fēng)除塵器是根據(jù)含有粉塵顆粒氣體由進(jìn)氣口流入離心筒中旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力，使粉塵顆粒從旋轉(zhuǎn)氣流中離散出并捕集起來的干式氣固分離裝置。由于其具有構(gòu)造簡單、使用簡便、成本低廉、維護(hù)方便和除塵效果明顯等優(yōu)點(diǎn)，開始越來越多被廣泛用于石油、化工、冶金、礦業(yè)、建材等領(lǐng)域。它對于捕捉粉塵顆粒粒徑大于4～9μm的粉塵效果尤為明顯，能夠使得除塵效率高達(dá)百分之八十以上，但對于顆粒粒徑較小的粉塵其除塵效率一般，對于控制粉塵濃度要求較高的生產(chǎn)場地，經(jīng)常把它用作多級除塵中的一級使用。含塵氣流由進(jìn)氣管進(jìn)入筒體的方式有很多種，在實際生產(chǎn)中常見的進(jìn)氣種類有三種：軸流反轉(zhuǎn)式、直流式和切流反轉(zhuǎn)式。在礦業(yè)除塵領(lǐng)域最為常見的是切流反轉(zhuǎn)式。在工程實踐過程，很多時候旋風(fēng)除塵器除塵效果、排放目標(biāo)未能夠達(dá)到實際設(shè)定的要求，研究如何能夠提升旋風(fēng)除塵效率將具有明顯的現(xiàn)實價值。

1 工作原理

旋風(fēng)除塵器作為常用的除塵設(shè)備其構(gòu)造如圖1所示。

當(dāng)攜帶粉塵顆粒氣流由入口流入筒體內(nèi)時，含塵氣流由原先的直線運(yùn)動開始轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動，絕大部分旋轉(zhuǎn)氣流會沿著器壁和圓筒體向下成螺旋狀朝向錐體運(yùn)動，通常會稱此為外旋流。大量的粉塵顆粒隨著氣流運(yùn)動而產(chǎn)生離心力，在離心力作用下部分重度比較大的粉塵顆粒被拋向筒體壁，一旦顆粒與筒壁相遇，自身的慣性力便消失，粉塵顆粒將會依靠進(jìn)入筒體的速度分量和自身重力向筒體底部運(yùn)動，從而流入排灰管中。外旋氣流隨著筒體旋轉(zhuǎn)逐漸在抵達(dá)錐筒體底部，由于圓錐形筒體底部的變小并向除塵器中心方向靠近，其切向速度在不斷增大。按照“旋轉(zhuǎn)矩不變原理”，旋轉(zhuǎn)氣流運(yùn)動到筒體底部某一定位置時，氣流將會從底部開始回旋上升繼續(xù)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，通常稱向上運(yùn)動氣流為內(nèi)旋流。含塵氣流被凈化后，由除塵器的排氣管排出，部分未被捕獲的粉塵顆粒也會隨之排出筒體外。

圖1 旋風(fēng)除塵器構(gòu)造

2 旋風(fēng)除塵器的流體流動狀態(tài)的分析

旋風(fēng)除塵器內(nèi)氣固兩相流動非常復(fù)雜，其流動狀態(tài)會受到很多因素的影響，氣體的主流型為三維兩層強(qiáng)旋湍流。可以從以下幾個方面考慮降低除塵效率的因素：

（1）排氣口四周容易形成短路流，該處容易產(chǎn)生比較大的向心速度，會攜帶部分粉塵顆粒進(jìn)入排氣口，降低除塵效率。

（2）當(dāng)外旋氣流到達(dá)錐底反轉(zhuǎn)上升時，會使得已經(jīng)沉積下來的粉塵再度揚(yáng)起帶走，造成返混現(xiàn)象，降低除塵效率。

（3）除塵器器壁凹凸不平或者圓筒體不圓，會使得粉塵氣流產(chǎn)生局部小渦流，造成部分富集在器壁的粉塵從新分離，影響分離效率。

旋風(fēng)除塵器中的粉塵顆粒運(yùn)動過程中受到向心力、離心力、重力等作用，還會受到顆粒間團(tuán)聚和分散以及顆粒間和顆粒與器壁之間的碰撞作用的影響，這些影響往往是通過統(tǒng)計規(guī)律進(jìn)行分析但是由于復(fù)雜很難有很好的預(yù)測結(jié)果。

3 影響旋風(fēng)除塵效率的因素

3.1 除塵器的結(jié)構(gòu)

除塵器上面的任何一個部件都有其特定的尺寸大小，改變?nèi)魏我粋€部件的尺寸都會造成除塵器的效率和壓力損失的變化。進(jìn)氣管截面面積、排氣管截面面積以及圓筒體橫截面積和高度的改變對除塵效果的影響尤為顯著。在使用過程中，有些部件尺寸只能在某一范圍內(nèi)做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，當(dāng)部件尺寸變化超出一定限定時，有利條件就有可能轉(zhuǎn)變?yōu)椴焕麠l件，使得除塵效率變低。此外，盡管有時調(diào)整尺寸會提高除塵效率，但同時會增大壓力損失，因而要全面考慮綜合因素的作用，尋找最佳部件尺寸。

3.1.1 進(jìn)氣口

影響含塵氣流旋轉(zhuǎn)運(yùn)動最為重要構(gòu)件之一為進(jìn)氣口。進(jìn)氣口直徑發(fā)生變化將會直接影響到除塵效果和壓力損失的變化。含塵氣流沿著進(jìn)氣口進(jìn)入除塵器的切向速度與進(jìn)氣口面積有著一定關(guān)系。當(dāng)進(jìn)氣口橫截面積變小時，進(jìn)入筒體的氣流切線速度將會增大，將會有更多的粉塵顆粒與器壁碰撞，粉塵顆粒被捕獲的概率將會加大。

3.1.2 排氣管

旋風(fēng)除塵器排氣管的橫截面積和插入筒體深度的變化也會對除塵效率有很大的影響。當(dāng)排氣管插入圓筒體中太深會造成與筒體底部距離太近使得灰塵二次返混排出，同時也會加大含塵氣流與管壁的接觸面積，造成壓力損失變大；當(dāng)排氣管插入過淺時，由進(jìn)氣口進(jìn)入的氣流會直接進(jìn)去排氣管，影響除塵效率。在實際生產(chǎn)過程中，會按照設(shè)計要求將排風(fēng)管底端低于入氣管底部適當(dāng)位置。排氣管直徑對除塵效率影響也非常大，通常需要在一定的范圍里選擇合理的排氣管的直徑，適當(dāng)?shù)亟档团棚L(fēng)管直徑，使得內(nèi)旋流的旋轉(zhuǎn)面積變小，粉塵顆粒就不易從排風(fēng)管排出，從而提升旋風(fēng)除塵器的效率，同時也會因為出口風(fēng)速的加大，阻力損失也會增加。若加大排氣管直徑，阻力損失會明顯降低，同時由于排氣管外壁與圓筒管壁靠近會容易造成外旋流與內(nèi)旋流的 “短路”現(xiàn)象，使得部分粉塵顆粒會隨著內(nèi)旋流從排氣管中排出，從而降低除塵效率。在多次實踐下表明排氣管直徑一般取圓筒體直徑的0.5～0.6倍除塵效果最好。

3.1.3 圓筒直徑D和高度H

在所有構(gòu)件中，圓筒體是旋風(fēng)除塵器最為重要構(gòu)件之一，其直徑D和高度H 的大小將會決定除塵效率的高低。當(dāng)旋轉(zhuǎn)氣流的切線速度一定時，D越小，氣流的旋轉(zhuǎn)半徑就會越小，粉塵顆粒受到離心力將會變大，粉塵顆粒也就易被捕獲，除塵率也將會提高。因此，當(dāng)旋風(fēng)氣流切線速度一定時，選擇適當(dāng)小的圓筒直徑，有利于除塵。實踐經(jīng)驗表明，圓筒體的直徑通常應(yīng)小于900mm，同時如果圓筒體直徑過小會使得其管壁與排氣管接近，容易使得粉塵顆粒從排氣管中流失，降低除塵效率，也會引起一定的堵塞。圓筒直徑過小不宜處理風(fēng)量較大的含塵氣流，在實際工作中，通常會使用多臺旋風(fēng)除塵器并聯(lián)使用，這樣不僅可以很大程度上提高需要處理的風(fēng)量，而且整體承擔(dān)的阻力和單個除塵器受到的阻力相同，這樣將大大提高除塵效率。在實際操作過程中，多個除塵器并聯(lián)運(yùn)行較為繁瑣，所需要的部件也十分多，氣流入口處也會經(jīng)常堵塞。因此，通常規(guī)定并聯(lián)臺數(shù)不易超過8臺。圓筒總高度包含了圓筒體、錐筒體的高度。圓筒體總高度增大會使得外旋含塵氣流與器壁碰撞的幾率變大，粉塵更容易被捕獲，同時總高度過大也容易造成粉塵顆粒隨著內(nèi)旋流由排氣管排走。因此，在實際操作工程中規(guī)定圓筒體總高度為其直徑的五倍時，除塵效果最佳。在實際使用過程中，也會通過在總高度保持不變的情況下適當(dāng)加大錐筒體高度來改善除塵效率。

3.1.4 排灰口

排灰口的構(gòu)造和橫截面積的大小的改變也會影響除塵器的除塵效率。增大排灰口直徑可以提高除塵效率，同時直徑過大也容易造成粉塵重新?lián)P起。在實際操作過程中由于各種因素的綜合考慮，排灰口直徑一般取0.1～0.5倍排氣管的直徑。

除了以上因素外，入風(fēng)口的樣式、灰斗的種類和形狀等因素也將會影響到旋風(fēng)除塵器的工作效率。

3.2 操作工藝參數(shù)

在旋風(fēng)除塵器選定的情況下，各個部件尺寸將會固定而不發(fā)生改變，運(yùn)行方面的因素將會決定旋風(fēng)除塵器除塵效率。

3.2.1 流速

旋風(fēng)除塵器主要通過含塵氣流進(jìn)入筒體旋轉(zhuǎn)所受到的離心力來分離粉塵顆粒從而凈化空氣的，粉塵顆粒受到的離心力越大，除塵效果越明顯。旋轉(zhuǎn)氣流中的粉塵在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動中受到的離心力為

式中：ρ－塵粒的密度，kg／m3，d－塵粒直徑，m，v－塵粒的切向速度，m／s，D－圓筒半徑，m。

從式（1）可以看出，當(dāng)旋風(fēng)除塵器結(jié)構(gòu)固定，粉塵顆粒相同時，流入筒體氣流的速度越大，顆粒受到的離心力作用就會更加明顯，除塵效果也就越好。

當(dāng)含有粉塵顆粒的氣流由入氣口進(jìn)入筒體，進(jìn)口氣量通常會用下面的公式進(jìn)行計算：

式中：Q－旋風(fēng)除塵器進(jìn)口氣量，m3／h，A－除塵器進(jìn)氣口截面面積。

由式（2）可知，當(dāng)除塵器構(gòu)造不變，粉塵顆粒一樣時，流入除塵器中的氣流運(yùn)動速度越大，進(jìn)口氣量也越大。

可見，增大旋風(fēng)除塵器進(jìn)氣口風(fēng)流速度，一方面可以使得粉塵顆粒受到的離心力變大，有利用提高除塵效率，另一方面也提高旋風(fēng)除塵器處理含塵風(fēng)量。但是由于進(jìn)口風(fēng)流速度提高會使得徑向速度和軸向速度加大，紊流的影響也會變大。對于每一個選定的除塵器，含塵氣流的速度都會在一定的范圍內(nèi)，當(dāng)超過這個速度范圍，紊流的作用將會明顯增強(qiáng)，部分之前被分離的粉塵顆粒又被重新帶起，除塵效率降低。綜合以上情況，在實際工程中考慮除塵器的除塵的實際價值和除塵效率，進(jìn)風(fēng)口氣流的速度一般限制在10～18m／s，通常選取14m／s認(rèn)為效果最佳。

3.2.2 粉塵狀況

含塵氣流中的粉塵顆粒粒徑的大小通常也是影響排氣管處凈化氣流粉塵濃度的重要因素。當(dāng)含塵氣流由入口進(jìn)入筒體中將會受到由氣流切線速度產(chǎn)生的離心力和徑向速度產(chǎn)生的向心力的兩種力的作用。粉塵顆粒在離心力的作用下將會向器壁方向運(yùn)動，在向心力的作用下向內(nèi)運(yùn)動。在內(nèi)外旋流的交界面處，如果粉塵顆粒的離心力大于其向心力，則粉塵會在離心力的作用下向外壁移動，從而被分離出來；如果粉塵顆粒受到的向心力大于其離心力，則粉塵顆粒在向心力的作用下進(jìn)入內(nèi)旋流中，從而從排氣管中排出；如果粉塵顆粒受到的離心力等于其向心力，則此時粉塵顆粒受到的外力為零。從理論上可以認(rèn)為粉塵顆粒在內(nèi)外旋流交界面上會不停的旋轉(zhuǎn)。在實踐過程中，由于各種各樣不確定的因素的影響，粉塵顆粒在內(nèi)外交界面上運(yùn)動到內(nèi)旋流和外旋流的概率各占一半，從而使得旋風(fēng)除塵器的除塵效率僅為50%。因此，粉塵顆粒的大小直接決定其受到的離心力的大小，粉塵顆粒越大，其受到的離心力也就越大。通常情況下，旋轉(zhuǎn)氣流的切向速度與粉塵顆粒粒徑增大，排氣管直徑以及徑向速度減小，除塵器的除塵效率就會明顯提高。

當(dāng)粉塵顆粒濃度變大時，粉塵顆粒碰撞的幾率加大，細(xì)小的粉塵顆粒很容易富集起來而被捕獲。此外，大的粉塵顆粒也會裹挾著細(xì)小的粉塵移動到器壁。含塵氣流由入口進(jìn)入除塵器內(nèi)部不斷旋轉(zhuǎn)向下運(yùn)動造成頂部壓力降低，一些細(xì)小的粉塵顆粒很容易隨著上升的氣流從排氣管中排出，因而在實際生產(chǎn)操作過程中，除塵器的效率并不能達(dá)到百分之百。

由于除塵效率η的計算公式：

式中：s0為除塵器出口處粉塵流入量，kg／h，s1為入口處粉塵流入量，kg／h。

由于旋風(fēng)除塵器的工作效率不能達(dá)到百分之百，增加氣流入口處粉塵流入量，由上面公式可以知道除塵效率會提高但是也會造成排氣管口粉塵濃度變大。因此，要使得排出口粉塵濃度降低，就需要降低入口處粉塵濃度或者采取多個除塵器串聯(lián)使用，多級處理，達(dá)到降低出口處粉塵濃度。

3.3 運(yùn)行的影響

當(dāng)含有粉塵顆粒的氣流由進(jìn)氣管流入除塵器中時，含塵氣流開始沿著外壁由上到下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，氣流運(yùn)動到錐筒體底部時，轉(zhuǎn)而開始向上順著軸心方向運(yùn)動。氣流在運(yùn)動過程中，速度可以分解為切向速度、軸向速度和徑向速度，其中軸向速度和徑向速度的分布對除塵器內(nèi)部壓力的影響最為重要。實驗表明，除塵器內(nèi)部徑向壓力變化十分明顯而軸向變化不是很顯著，氣流運(yùn)動過程中外側(cè)壓力明顯大于內(nèi)側(cè)，筒壁附近靜壓達(dá)到最大，軸心處靜壓降為最低。軸心處于負(fù)壓狀態(tài)且排灰口處負(fù)壓達(dá)到最大值。如果除塵器底部有漏洞很容易造成已經(jīng)沉淀下的粉塵顆粒再度揚(yáng)起，跟隨氣流排出去。因而，在實際工作中要使得除塵器達(dá)到預(yù)定的要求，就必須在確保排灰口的嚴(yán)密性，及時地處理掉錐筒體中粉塵，沉積在筒底的粉塵容易造成底部部件的磨損。

4 結(jié) 論

隨著煤炭的迅猛發(fā)展，機(jī)械化水平的不斷提高，對控制粉塵濃度要求越來越嚴(yán)格的情況下，提升旋風(fēng)除塵器的工作效率是煤炭行業(yè)目前面臨一個重要課題，越來越多的科研工作者開始投入其研究。研究與探討影響除塵器工作效率的各種影響因素，是制造、協(xié)調(diào)、改進(jìn)與保護(hù)除塵器的基礎(chǔ)，也是探尋提高工作效率的基本方法。除塵器內(nèi)部粉塵顆粒與氣流運(yùn)動十分復(fù)雜，影響除塵效率的因素也非常多，因而需要全面分析，統(tǒng)籌考慮，探求最優(yōu)的設(shè)計方案和最佳的運(yùn)行管理方法。目前，風(fēng)流在除塵器中運(yùn)動的許多理論還不夠完善，要有待于繼續(xù)深入的研究，盡管許多問題暫時還沒能解決，但除塵器由于本身體積小、構(gòu)造單一、使用簡單、維護(hù)方便和除塵效率高等許多優(yōu)點(diǎn)，目前已成為粉塵處理主要設(shè)備之一。隨著對旋風(fēng)除塵理論的探索和完善，它將會在煤炭行業(yè)發(fā)揮出更大的作用。

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