旋風(fēng)除塵器的應(yīng)用現(xiàn)狀及研究

張玉星 鄭豐蕾 榮 彥

1 引言

旋風(fēng)除塵器是一種氣固兩相分離裝置，它利用氣流在旋轉(zhuǎn)過程中作用在塵粒上的慣性離心力達(dá)到分離的目的。相較于其他除塵器，旋風(fēng)除塵器適用于高溫高壓環(huán)境。例如，若要處理高溫氣流，就必須對(duì)氣流進(jìn)行降溫處理。顯然，這樣做會(huì)降低經(jīng)濟(jì)效益。而旋風(fēng)除塵器對(duì)氣流溫度要求不高，有些特殊材料制成的旋風(fēng)除塵器甚至只要求含塵氣體溫度低于1100℃[1]?？梢姡谀承┨貏e行業(yè)里，不可避免處理高溫含塵氣流時(shí)，旋風(fēng)除塵器就變成了首要選擇。壓力損失和分離效率是旋風(fēng)除塵器的兩項(xiàng)重要性能指標(biāo)。長(zhǎng)期以來，如何在低阻高效之間尋求一個(gè)合適的平衡點(diǎn)，一直是一個(gè)焦點(diǎn)問題。近年來，PM2.5嚴(yán)重威脅著我們的健康，國(guó)民環(huán)境保護(hù)意識(shí)與安全健康生活需求有所提高。因此，尋求一種高效便捷的除塵器尤為重要。

2 除塵機(jī)理

當(dāng)含塵氣流進(jìn)入旋風(fēng)除塵器筒體時(shí)，氣流作沿外壁向下的螺旋形旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通常我們把這股而下旋轉(zhuǎn)的氣流叫做外渦旋[2]。含塵氣流在筒體中旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的過程中，產(chǎn)生的離心力使塵粒到達(dá)外壁，之后在氣流與重力的共同作用下掉落，進(jìn)入集塵斗。外渦旋到達(dá)錐體時(shí)，由于椎體母線匯集于一點(diǎn)而使氣流向中心靠攏，當(dāng)氣流接觸到椎體底部時(shí)將由下反轉(zhuǎn)而上，繼續(xù)作沿軸心向上的螺旋形流動(dòng)。通常稱此為內(nèi)渦旋。最后，內(nèi)渦旋氣流向上排出旋風(fēng)除塵器，并在該過程中攜帶部分細(xì)小塵粒。

3 旋風(fēng)除塵器的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀

自1885年Moiss獲得世界上第一臺(tái)旋風(fēng)除塵器設(shè)計(jì)專利以來，已有130多年的歷史了。隨著社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，旋風(fēng)除塵器應(yīng)用在生產(chǎn)生活中的各個(gè)領(lǐng)域。下面，本文將介紹兩種典型的旋風(fēng)除塵器。

3.1 多管除塵器

筒體直徑與塵粒受到的離心作用力成反比。因此，我們可以通過減小筒體直徑來提高分離效率。也就是說，可以并聯(lián)使用多個(gè)小直徑旋風(fēng)子[3]。多管除塵器的優(yōu)點(diǎn)是處理含塵氣體量大的同時(shí)保證除塵效率較高。然而，由于旋風(fēng)子直徑較小，多管除塵器不適合用于粘性大顆粒物。

3.2 旁路式旋風(fēng)除塵器

由于上渦旋不受進(jìn)口氣流干擾，細(xì)小的塵粒會(huì)在頂部聚積，形成灰環(huán)，稱為“上灰環(huán)”。為了消除上灰環(huán)，可以設(shè)置一個(gè)外旁室，讓積聚在頂部的塵粒通過旁室進(jìn)入除塵器底部。這種帶有一個(gè)外旁室的除塵器成為旁路式除塵器。

4 問題及改進(jìn)措施

4.1 二次揚(yáng)塵

在椎體底部，氣流雷諾準(zhǔn)數(shù)較高，旋轉(zhuǎn)氣流中心產(chǎn)生負(fù)壓。如果除塵器稍有漏氣便會(huì)使外界氣體進(jìn)入除塵器造成二次夾帶，降低除塵效率。因此，在安裝設(shè)計(jì)中，排灰裝置是重中之重。對(duì)于收塵量較小、無需連續(xù)排灰的除塵器，可以在除塵器下部設(shè)置固定的排灰裝置，如集塵斗。而對(duì)于收塵量大的除塵器，可以采用翻板式鎖氣器。為了減少二次揚(yáng)塵，還可以采用環(huán)縫氣墊耐磨旋風(fēng)除塵器[4]。這種除塵器是在普通旋風(fēng)除塵器的基礎(chǔ)上增設(shè)環(huán)縫，它不但能夠解決二次揚(yáng)塵問題，還能夠抑制上灰環(huán)的形成，提高除塵效率。

4.2 上灰環(huán)

上灰環(huán)主要是由于上渦旋不受進(jìn)口氣流干擾而形成的[5]。上渦旋使得本已被捕集的塵粒沿著筒體外壁向上運(yùn)動(dòng)，在除塵器頂部聚積形成上灰環(huán)，最終降低除塵效率。如前所述，上灰環(huán)可以通過設(shè)置旁路而避免。事實(shí)上，旁路式旋風(fēng)除塵器的誕生正是為了消除上灰環(huán)。

4.3 壓力損失

式中：ζ——局部阻力系數(shù)；

u——進(jìn)口速度，m/s；

ρ——?dú)怏w的密度，kg/m3

由上式可知，進(jìn)口速度對(duì)壓力損失有著顯著地影響。此外，旋風(fēng)除塵器內(nèi)的氣流是湍流且存在多種渦流。這些流場(chǎng)均會(huì)對(duì)除塵效率與壓力損失造成影響。例如，短路流構(gòu)成的上部渦旋會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣口進(jìn)氣時(shí)偏向筒體外壁從而產(chǎn)生壓縮現(xiàn)象。壓縮現(xiàn)象會(huì)增加壁面的流速，由上式可知，壓力損失與進(jìn)氣口流速的平方成正比。因此，可以采取措施抑制壓縮現(xiàn)象來提高分離效率。例如，方形導(dǎo)板可以通過減少一周旋轉(zhuǎn)后小曲率半徑的旋轉(zhuǎn)壓縮現(xiàn)象來減小吸塵器的阻力。另外，還可以安裝減阻桿降低壓力損失[6]。

5 總結(jié)

總之，經(jīng)過長(zhǎng)期的發(fā)展，旋風(fēng)除塵器低阻高效的研究已取得一定的進(jìn)展，但是距離完全實(shí)現(xiàn)低阻高效的目的還有一定的距離，尚需要更加深入的探索與完善其各項(xiàng)功能。

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[5]陳明紹，吳光興，張大中，等.除塵技術(shù)的基本理論與應(yīng)用.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1981.

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