旋風(fēng)分離器的新結(jié)構(gòu)和新構(gòu)件的研究進(jìn)展

吳 凱，段繼海,2，張自生,2

（1. 青島科技大學(xué) 化工學(xué)院， 山東 青島 266000； 2. 生態(tài)化工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266000）

旋風(fēng)分離器的新結(jié)構(gòu)和新構(gòu)件的研究進(jìn)展

吳 凱1，段繼海1,2，張自生1,2

（1. 青島科技大學(xué) 化工學(xué)院， 山東 青島 266000； 2. 生態(tài)化工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266000）

綜述了近幾年國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)提高選分離器性能結(jié)構(gòu)方面的研究進(jìn)展，研究表明：多種新型旋風(fēng)分離器的應(yīng)用完全能夠捕獲1～5μm的微米和亞微米級(jí)顆粒，通過(guò)安裝導(dǎo)流件等內(nèi)構(gòu)件措施能夠降低湍動(dòng)耗散能，降低能耗，降低旋風(fēng)分離器的壓降。新型旋風(fēng)結(jié)構(gòu)和內(nèi)構(gòu)件是提高傳統(tǒng)分離器性能的重要手段。

旋風(fēng)分離器；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；研究進(jìn)展

旋風(fēng)分離器是一種常見(jiàn)的氣固分離設(shè)備，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，被廣泛應(yīng)用于煤粉流態(tài)化燃燒、石油催化裂化催化劑回收等裝置中。含塵氣體切向進(jìn)入筒體，內(nèi)旋流的渦核類(lèi)似于剛體旋轉(zhuǎn)的渦核，外旋流則是準(zhǔn)自由渦，也就是所謂的蘭金組合渦[1,2]。由于內(nèi)旋流的不穩(wěn)定流動(dòng)，在下錐體容易擾動(dòng)起壁面沉積的灰塵，從而影響分離效率。渦核尾端存在大量的顆粒返混和夾帶，抑制渦尾末端的“擺尾”象有利于提高分離器性能[3-5]。對(duì)于旋風(fēng)分離器增設(shè)改良結(jié)構(gòu)、增設(shè)內(nèi)構(gòu)件，改良流場(chǎng)、抑制擺尾對(duì)于提高分離器的研究具有重要的意義。已出現(xiàn)的螺旋型、蝸旋型CLT型旋風(fēng)分離器、D型旋風(fēng)分離器、電除塵器等各種旋風(fēng)分離器層出不盡，粉塵捕集能力不斷提高[6]。對(duì)于微米以及亞微米顆粒的旋風(fēng)分離在工業(yè)生產(chǎn)中需要達(dá)到的分離要求和節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)也越來(lái)越高。所以，本文從結(jié)構(gòu)方面介紹近幾年來(lái)旋風(fēng)分離器 的研究進(jìn)展。

1 旋風(fēng)除塵器分離機(jī)理

1.1 普通旋風(fēng)除塵器的除塵原理

傳統(tǒng)的旋風(fēng)分離器示意圖，由進(jìn)氣口，分離區(qū)圓筒，圓錐下錐體，排氣管，排灰口等幾部分組成。旋風(fēng)分離器是利用離心力將氣固兩相中的固體顆粒甩到壁面，將固體顆粒分離的設(shè)備。其分離過(guò)程如下：氣固兩相氣流沿切向進(jìn)口進(jìn)入旋風(fēng)分離器內(nèi)，氣流在筒體和圓錐體內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)，沿筒體和下錐體壁面螺旋運(yùn)動(dòng)最終到達(dá)下灰口附近形成自上而下的外旋流。外旋流到達(dá)下錐體底部后旋轉(zhuǎn)向上轉(zhuǎn)化為內(nèi)旋流，最終由出氣管排出。在此過(guò)程中，含塵氣流中較大顆粒受流場(chǎng)離心力的作用，甩向壁面最終進(jìn)入灰斗。較小顆粒由于受到離心力較小，伴隨氣流通過(guò)出氣口排出。

1.2 旋風(fēng)除塵器結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展

壓降的耗散和顆粒的分離效率一直是評(píng)價(jià)旋風(fēng)分離器性能的重要指標(biāo)。如何在提高粉塵捕集能力的同時(shí)降低壓力損失是國(guó)內(nèi)外研究者長(zhǎng)期以來(lái)研究的重點(diǎn)。現(xiàn)在提高旋風(fēng)分離器的性能大都是通過(guò)開(kāi)發(fā)新結(jié)構(gòu)、增加新型導(dǎo)流件、優(yōu)化旋風(fēng)分離器尺寸等辦法[7,8]，來(lái)消除旋風(fēng)分離器的不利影響。以下將從降壓減阻方面和提高旋風(fēng)分離器分離效率方面，總結(jié)近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有旋風(fēng)除塵器中幾種比較典型的案例，為新型旋風(fēng)除塵器的研究提供了有價(jià)值的信息。

1.2.1 進(jìn)口處結(jié)構(gòu)處減阻措施

改進(jìn)旋風(fēng)分離器的進(jìn)口的結(jié)構(gòu)形式是旋風(fēng)分離器技術(shù)改良的可行措施，趙兵濤等人提出優(yōu)化改進(jìn)旋風(fēng)分離器的進(jìn)口結(jié)構(gòu)形式,采用雙進(jìn)口進(jìn)氣,由于進(jìn)氣口是水平相對(duì)用以增強(qiáng)流場(chǎng)的的對(duì)稱(chēng)強(qiáng)度，減少筒體上部的上灰環(huán)和短路流。渦流紊亂受軸對(duì)稱(chēng)性影響得以降低，從而達(dá)到湍動(dòng)能耗散降低的目的。Seville 等[9,10]通過(guò)在入口處增設(shè)靜電除塵裝置，含塵氣流中小顆粒收靜電作用向大顆粒聚集，增大了顆粒粒徑使顆粒團(tuán)聚，進(jìn)入離心流場(chǎng)后能夠快速分離。Gautam和Moore等[11]進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)表明雙進(jìn)口旋風(fēng)在煙塵分離方面有特殊的效果，分離效率提高7%～10%左右。

1.2.2 安裝導(dǎo)流板提高分離性能

傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器一般采用切向進(jìn)口，切向入口的氣體會(huì)偏向旋風(fēng)分離器的筒壁，造成入口處短路流現(xiàn)象，也就是所謂的“上灰環(huán)”。為了抑制這種現(xiàn)象可以安裝導(dǎo)流板，從而改善旋風(fēng)除塵器入口處的流場(chǎng)湍動(dòng)狀態(tài)，并且能夠降低阻力損失。導(dǎo)流板技術(shù)安裝簡(jiǎn)便對(duì)傳統(tǒng)分離器的改造、提高其性能有著重要的意義。李利[12]等針對(duì)旋風(fēng)分離器“上灰環(huán)”現(xiàn)象，在旋風(fēng)分離器入口增設(shè)導(dǎo)流板并對(duì)不同尺寸的導(dǎo)流板進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。試驗(yàn)表明：使用合適尺寸的導(dǎo)流板能夠提高旋風(fēng)分離器的分離效率和壓降。祝立萍[13]在對(duì)導(dǎo)流板進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)后，證明導(dǎo)流板對(duì)渦流起到了導(dǎo)流、引流的作用，導(dǎo)流板能夠規(guī)整流場(chǎng)的渦流狀況。2007年趙峰[14]等在入口處增設(shè)不同形式的導(dǎo)流板，并對(duì)它們對(duì)比試驗(yàn)研究。研究表明在旋風(fēng)分離器入口安裝導(dǎo)流板扇葉有效提高了旋風(fēng)分離的性能，并能夠降低壓降的阻尼系數(shù)。

1.2.3 安裝減阻器

王連澤和彥啟森[15-17]對(duì)旋風(fēng)分離器增設(shè)減阻桿后，發(fā)現(xiàn)分離器性能提高，其基本原理是在旋風(fēng)分離器特定位置安裝特定形狀的剛性減阻桿，減阻桿改變了原來(lái)流場(chǎng)的渦流結(jié)構(gòu)，降低了流體流動(dòng)的壓降損失從而達(dá)到提高分離器性能的目的。劉成文[18]等利用激光多普勒測(cè)速儀(LDV)工具，對(duì)比測(cè)試了傳統(tǒng)分離器的流場(chǎng)與安裝減阻桿后旋風(fēng)分離器的流場(chǎng)變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)表明減阻桿消除了中心內(nèi)旋流渦流紊亂現(xiàn)象，減阻桿使時(shí)均切向速度及其速度梯度大幅度降低，降低了紊亂渦流湍動(dòng)耗散情況，降低壓降損失。同時(shí)不同尺寸、不同材質(zhì)的的減阻桿對(duì)旋風(fēng)分離器的性能影響不同。

1.2.4 旋風(fēng)抽氣系統(tǒng)

首次提出灰斗抽氣措施的C.J.Stairmand[19]， 早在1951年進(jìn)行了的測(cè)試。隨后P.W.Sage和M.A. Wright通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明灰斗抽氣可以減少出口氣體中粉塵濃度40% 以上，降低了上升內(nèi)旋流的氣量，有利于減少內(nèi)旋流帶出灰倉(cāng)內(nèi)的灰塵，減少排氣口處短路流，從而達(dá)到提高分離效率的作用?；诖松蹏?guó)興[20]提出一種新型抽氣灰斗抽氣系統(tǒng)，對(duì)于相同的壓降操作條件下，分離效率優(yōu)于三級(jí)串聯(lián)旋風(fēng)分離器的分離作用。

1.2.5 排氣管新構(gòu)造進(jìn)展

由于排氣管出去旋風(fēng)分離器分離區(qū)上部，進(jìn)入排氣管的內(nèi)旋流依然具有不小的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度，同時(shí)在排氣管底端還存在“短路流”，影響了細(xì)顆粒的分離。因此，改進(jìn)排氣管結(jié)構(gòu)能降低旋風(fēng)分離器的壓力阻，并且能提高分離效率。大多數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明排氣管處安裝的旋轉(zhuǎn)翅片能夠使得靜壓能降低，但是對(duì)于微米和亞微米的分離效率也受到影響。原因是旋轉(zhuǎn)翅片降低了切向氣流的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度減少了流場(chǎng)的離心力。

1.2.6 增強(qiáng)旋風(fēng)分離器離心力的結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施

動(dòng)態(tài)旋風(fēng)分離器與傳統(tǒng)分離器相比，是利用機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件高速旋轉(zhuǎn)獲得強(qiáng)制離心力場(chǎng)，使流場(chǎng)里的顆粒獲得更大的離心力，達(dá)到快速分離的目的。動(dòng)態(tài)旋風(fēng)分離器可分離5μm以下超細(xì)顆粒。波蘭ChmielniakT和Bryczkowski A[21,22]在一定的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下，對(duì)于5μm以上的顆粒具有較好的分離效率。

2 結(jié) 論

綜上所述，在分離微米亞微米顆粒時(shí)，采用多種手段相結(jié)合的方式可減阻降耗提高分離效率。壓力損失和細(xì)粉捕集效率一直為旋風(fēng)除塵器研究者所關(guān)注，鑒于此人們已做了相當(dāng)多的努力，研究出多種結(jié)構(gòu)形式的旋風(fēng)除塵器，但是要真正達(dá)到低阻高效的目的，滿足各種工業(yè)要求還需要進(jìn)行更加深入的研究。

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Research Progress of New Structure Improvement in Cyclon Separators

WU Kai1，DUAN Ji Hai1,2，ZHANG Zi-sheng1,2
（1. Department of Chemical Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Shandong Qingdao 266000, China; 2. State Key Laboratory Base of Eco-chemical Engineering, Shandong Qingdao 266000, China）

The research progress of improving the performance of cyclone separators at home and abroad was reviewed. The new experimental results show that: a variety of new cyclone separators can fully capture 1～5μm micron and sub micron particles, to install diversion parts and other inner components in cyclone separators can reduce the turbulent dissipation energy and energy consumption. The new structure of cyclone and inner component is an important means to improve the performance of traditional separators.

Cyclon; New sructure; Research progress

TQ 052

： A

： 1671-0460（2015）10-2355-02

2015-03-23

吳凱（1988-）男，山東濰坊人，碩士研究生，研究方向：多相流體的流動(dòng)與分離。E-mail：496726236@qq.com。

張自生（1961-）男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：化學(xué)工程。E-mail: ZZSLunWen@126.com。