高助威， 王 娟， 王江云， 馬卓越， 毛 羽， 魏耀東

(1.中國(guó)石油大學(xué) 重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 102249； 2.過程流體過濾與分離技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 102249)

旋風(fēng)分離器是利用離心力作用，進(jìn)行氣-固分離的工業(yè)設(shè)備。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、處理量大等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)除塵、石油化工、煤炭發(fā)電等領(lǐng)域。分離效率和壓力損失是衡量其性能優(yōu)劣的兩大指標(biāo)，兩者往往成正相關(guān)性[1-2]，“隨之增大”或“與之減小”。隨著化工過程的發(fā)展，工藝上要求在保持較高分離效率的同時(shí)，能夠降低壓降，從而降低能耗。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者提出了各種減阻增效的方法和措施[3-6]，主要集中在三個(gè)方面——結(jié)構(gòu)優(yōu)化、安裝內(nèi)構(gòu)件和其他措施。包括校直排氣管中的旋轉(zhuǎn)氣流，如安裝導(dǎo)流葉片、消旋器等；改善入口結(jié)構(gòu)，安裝導(dǎo)流板，減少顆粒聚集；改變內(nèi)部流場(chǎng)，提高其流動(dòng)的穩(wěn)定性，如安裝穩(wěn)渦器，減阻桿等；進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，開發(fā)新型高效旋風(fēng)分離器，如無上排氣管結(jié)構(gòu)[7]等。但是，在工業(yè)實(shí)際應(yīng)用過程中，若采用更換旋風(fēng)分離器的方式，將會(huì)增加生產(chǎn)成本和擴(kuò)大工程量。因此，在不改變分離器原有尺寸的情況下，通過添加內(nèi)構(gòu)件來提高分離性能，成為學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。

目前，在旋風(fēng)分離器的工業(yè)應(yīng)用中，通過內(nèi)構(gòu)件來減阻增效是一種行之有效的方法。然而，關(guān)于旋風(fēng)分離器內(nèi)構(gòu)件的系統(tǒng)性分類，以及內(nèi)構(gòu)件技術(shù)的發(fā)展方向，研究報(bào)道尚很少見。筆者在概述旋風(fēng)分離器工作原理的基礎(chǔ)上，通過對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)的分析，闡述減阻增效的機(jī)理，并系統(tǒng)介紹減阻桿、導(dǎo)流葉片、穩(wěn)渦器等幾類內(nèi)構(gòu)件的工作原理和使用效果，以及內(nèi)構(gòu)件技術(shù)的研究進(jìn)展，并展望旋風(fēng)分離器內(nèi)減阻增效內(nèi)構(gòu)件的發(fā)展趨勢(shì)，以期為旋風(fēng)分離器的性能改進(jìn)提供參考。

1 旋風(fēng)分離器的工作原理

旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜多樣。根據(jù)進(jìn)氣形式來分，常用的旋風(fēng)分離器有兩類，切流反轉(zhuǎn)式和軸流反轉(zhuǎn)式，如圖1所示。含有固體顆粒的氣流由入口沿直線進(jìn)入旋風(fēng)分離器，受圓筒形壁面的約束，轉(zhuǎn)變?yōu)槔@壁旋轉(zhuǎn)的圓周運(yùn)動(dòng)，沿著壁面螺旋向下，形成“外旋流”。受旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用，密度較大的固體顆粒被甩向壁面。顆粒一旦與壁面接觸，便依靠入口速度產(chǎn)生的動(dòng)量和重力的沉降作用，沿壁面下落，最終進(jìn)入灰斗。外旋流向下到達(dá)圓錐體部位后，壁面的收縮使轉(zhuǎn)速顯著提高，并且隨著直徑的減小，外壁壓力不斷增加，在錐體的中間區(qū)域形成低壓區(qū)。在高壓區(qū)的作用下，氣流向中心靠攏，并在底部由下向上返轉(zhuǎn)，繼續(xù)做螺旋運(yùn)動(dòng)，直至經(jīng)排氣管排出，此即為“內(nèi)旋流”。部分在下行流區(qū)域未被分離的顆粒會(huì)被甩向外旋流區(qū)重新進(jìn)行分離，另一部分未被捕集的細(xì)小顆粒則從排氣管逃逸。

圖1 旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of cyclone separator(a) Tangential flow reversal cyclone separator;(b) Axial flow reversal cyclone separator

2 旋風(fēng)分離器減阻增效的機(jī)理

雖然旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其內(nèi)部流場(chǎng)卻為復(fù)雜的湍流流場(chǎng)。其中，外旋流對(duì)顆粒的捕集起到積極的作用，而內(nèi)旋流對(duì)顆粒的捕集不起作用，屬于消耗性能量[8]。除內(nèi)旋流和外旋流外，還存在若干干擾渦流。這些干擾渦流在不同程度上影響分離效率和壓力損失。其中，環(huán)形空間的縱向環(huán)流使顆粒聚集形成“頂灰環(huán)”，排氣管下口附近的短路流使顆粒逃逸，錐體下部排塵口附近的偏心環(huán)流使顆粒返混，對(duì)分離效率影響較大。據(jù)此，旋風(fēng)分離器內(nèi)減阻增效的機(jī)理可以總結(jié)為：提高外旋流區(qū)的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度，抑制內(nèi)旋流區(qū)的發(fā)展，降低干擾渦流的能量損失，從而提高分離效率。

3 旋風(fēng)分離器內(nèi)構(gòu)件的分類及研究現(xiàn)狀

在工業(yè)實(shí)際應(yīng)用中，若采用新的旋風(fēng)分離器替代原有分離器，會(huì)使成本和工程量變大。在不改變旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)尺寸的情況下，采用添加內(nèi)構(gòu)件的方法是一個(gè)節(jié)約、簡(jiǎn)單的方案。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式和解決的工業(yè)問題分類，筆者主要介紹減阻桿、導(dǎo)向板、減阻框、中置物和導(dǎo)流葉片等幾類內(nèi)構(gòu)件的工作原理和使用效果，并概述其工程應(yīng)用研究現(xiàn)狀。

3.1 減阻桿

減阻桿，通常是一根特定形狀的剛性桿件，安裝在旋風(fēng)分離器內(nèi)適當(dāng)位置，起到降低壓力損失，穩(wěn)定渦流的作用。減阻桿形狀不同，所形成的繞流尾渦形態(tài)不同，對(duì)流場(chǎng)的影響也不同。減阻幅度與減阻桿的迎風(fēng)面積、背風(fēng)面曲率半徑以及插入深度有關(guān)，安裝示意圖如圖2所示。安裝減阻桿，可以形成繞流尾渦與原流場(chǎng)中的渦流相互作用，能夠抑制內(nèi)旋流的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度，降低湍流脈動(dòng)，使內(nèi)旋流的湍流能量耗散大幅減低。Wang等[9]、Gong等[10-11]在旋風(fēng)分離器內(nèi)添加減阻桿，發(fā)現(xiàn)能夠大幅減低旋風(fēng)分離器內(nèi)的阻力，引發(fā)了國(guó)內(nèi)外專家對(duì)減阻桿的機(jī)理和優(yōu)化的研究[12]。Liu等[13-14]利用激光多普勒測(cè)速儀(Laser doppler velocimetry，LDV)，對(duì)比測(cè)試了安裝減阻桿與否對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)的影響，結(jié)果表明，安裝減阻桿會(huì)使速度梯度減低，湍動(dòng)耗散減弱，壓力損失減小。敖龍等[15]、王政威等[16]對(duì)直徑為150 mm螺旋形旋風(fēng)分離器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)減阻桿直徑為30 mm時(shí)減阻幅度最大可達(dá)26.68%；減阻桿直徑大于80 mm時(shí)，不僅不能減阻，壓降反而增加?？偟膩碚f，安裝適宜的減阻桿能夠降低內(nèi)旋流的能量耗散，穩(wěn)定渦流，從而達(dá)到減阻、節(jié)能與增產(chǎn)的效果。

3.2 導(dǎo)向板

導(dǎo)向板，通常安裝在入口處，抑制壓縮現(xiàn)象的發(fā)生，改善入口處的流動(dòng)。壓縮現(xiàn)象是指含有固體顆粒的氣流沿切線方向進(jìn)入旋風(fēng)分離器，因環(huán)形空間軸向作用產(chǎn)生的上行曳力較大，部分氣流在旋轉(zhuǎn)1周后斜向吹到隨后進(jìn)入的氣流上，導(dǎo)致入口進(jìn)氣偏向筒壁，產(chǎn)生擠壓，形成壓縮作用。壓縮現(xiàn)象不僅使壁面處顆粒的流速增大，增大了壁面摩擦力，形成沖蝕作用，而且嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成顆粒聚集，形成“頂灰環(huán)”，導(dǎo)致壓力損失增大，分離效率降低。安裝導(dǎo)向板，可以使旋轉(zhuǎn)1周后的氣流呈小曲率半徑旋轉(zhuǎn)向下，抑制了壓縮現(xiàn)象，從而有效地提高分離效率。導(dǎo)向板的安裝技術(shù)簡(jiǎn)單方便，對(duì)傳統(tǒng)分離器的改造以及提高其分離性能具有重要的意義。

圖2 旋風(fēng)分離器減阻桿的安裝示意圖Fig.2 Schematic diagram of pressure drop mitigationstick in the cyclone separator

圖3 壓縮現(xiàn)象及導(dǎo)向板安裝位置示意圖Fig.3 Compression phenomenon and location of guide blade

圖3為壓縮現(xiàn)象及導(dǎo)向板安裝位置示意圖。李利等[17]對(duì)不同尺寸的導(dǎo)向板進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)適宜的導(dǎo)向板能夠減少“頂灰環(huán)”現(xiàn)象，證明了導(dǎo)向板可以降低壓力損失，提高分離效率。祝立萍等[18]研究表明，導(dǎo)向板能夠規(guī)整旋風(fēng)分離器內(nèi)部的渦流狀況，對(duì)渦流有導(dǎo)流、引流的作用，可以降低10%～40%的阻力損失。Silvac等[19]、劉文歡等[20]在入口處增設(shè)不同形式的導(dǎo)向板并進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)相對(duì)于方形導(dǎo)向板，弧形導(dǎo)向板的綜合效果更佳。導(dǎo)向板的形狀和尺寸大小[21-23]不同，對(duì)分離效率和壓力損失影響不同。只有適當(dāng)?shù)男螤詈统叽纾拍芗冉档蛪毫p失又提高分離效率。

3.3 中心體結(jié)構(gòu)

中心體結(jié)構(gòu)，又稱內(nèi)筒、芯筒，通常放置在中心軸處，分離內(nèi)外旋流，有效地消除內(nèi)外旋流相互交叉、摻混、碰撞摩擦產(chǎn)生的能量損失[24-25]。中心體結(jié)構(gòu)形式多樣，對(duì)壓力損失和分離效率的影響各有不同，中心體結(jié)構(gòu)及分流型芯管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。趙萍等[26]提出具有內(nèi)外雙筒結(jié)構(gòu)的分離器能夠降低壓降，更有利于顆粒的分離。Griffiths等[27]發(fā)現(xiàn)，中心體結(jié)構(gòu)的直徑為筒體直徑的0.6倍時(shí)，能夠最大程度地降低壓降。中心體結(jié)構(gòu)不僅能夠保證外旋流的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度，減弱氣流旋進(jìn)渦核(Precession vortex core，PVC)運(yùn)動(dòng)，減少內(nèi)旋流的能量損失，而且可以有效降低排氣管內(nèi)氣流的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度，提高分離效率。

圖4 中心體結(jié)構(gòu)及分流型芯管的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure of central body and split coretube in the cyclone(a) Structure of central body; (b) Structure of split core tube

目前，毛羽等[28]、陳建義等[29]開發(fā)的“分流型芯管”在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用，結(jié)構(gòu)如圖4(b)所示，將其安裝在排氣管下端，既可防止粗顆粒因彈跳而被帶出，又能有效地提高細(xì)粉的捕集效率。Li等[30]、金有海等[31-32]在PSC旋風(fēng)管內(nèi)添加分流型芯管，發(fā)現(xiàn)可以有效地抑制排氣管下口的“短路流”，降低顆粒在排氣管下口被“短路流”夾帶的概率。Xiong等[33]、王建軍等[34]對(duì)分流型芯管不同開縫位置(如圖5所示)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)開縫能夠使壓降在不同程度上降低，上部開縫時(shí)壓降最低，下部開縫能提高分離效率。在旋風(fēng)分離器內(nèi)安裝中心體結(jié)構(gòu)，可以減弱內(nèi)旋流的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度，降低旋進(jìn)渦核運(yùn)動(dòng)，達(dá)到減阻效果。如果優(yōu)化中心體結(jié)構(gòu)和安裝導(dǎo)流葉片，分離效果更佳。

圖5 開縫位置示意圖Fig.5 Location of open seam(a) No seam; (b) Global seam; (c) Top seam; (d) Bottom seam

3.4 減阻框

減阻框，多用于軸流式旋風(fēng)管[35]，通常安裝在排氣管下部，用于降低排氣管內(nèi)氣流的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度，減弱“滯流”、“倒流”、逆壓梯度等耗能流動(dòng)。安裝減阻框，對(duì)分離空間內(nèi)的氣流流動(dòng)影響較小，能夠保證分離效率。常見減阻框型式有柵格減阻框、直桿減阻框和錐形減阻框3種，如圖6所示。楊建國(guó)等[36]用由4根圓桿(直徑為8 mm，桿長(zhǎng)200 mm)組成的直桿減阻框進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將其安裝在排氣管內(nèi)。結(jié)果表明，安裝減阻框后，排氣管內(nèi)氣流脈動(dòng)減弱，阻力特性曲線明顯向下偏移，相同流量下壓降降低。后經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)表明，平均減阻幅度可達(dá)9%。馬慶磊等[37-40]對(duì)比分析了3種減阻框結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)安裝柵格減阻框、直桿減阻框均能不同程度降低壓降，減阻幅度大小不同，直桿減阻框減阻幅度最大為26.56%，而柵格最大可減阻7.28%；但是安裝錐形減阻框，壓力損失反而會(huì)有一定程度的升高。隨后，金有海等[31,40]對(duì)減阻效果明顯的直桿減阻框展開流動(dòng)分析，發(fā)現(xiàn)直桿減阻框能減小氣流的切向速度峰值，使氣流旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度降低，從而使排氣管內(nèi)能量耗散減少；改善了軸向上的壓力梯度，降低了壓力損失；對(duì)下行流影響不大，能夠削弱排氣管中心區(qū)域的滯流與回流。這些因素都有利于旋風(fēng)管內(nèi)顆粒的分離，能夠提高其分離效率。

圖6 減阻框及其安裝位置示意圖Fig.6 Structure and location of reducing pressure drop frame

3.5 中置物

中置物，形式復(fù)雜多樣，如圖7所示。安置中置物，能夠填堵軸心區(qū)域的高負(fù)壓區(qū)，改變壓力梯度分布。此外，中置物一般只對(duì)內(nèi)旋流區(qū)起作用，對(duì)外旋流影響較小。這樣就保證了對(duì)分離起決定作用的外旋流的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度，因此對(duì)分離效率幾乎沒有影響[41]。然而，中置物形狀和尺寸不同，對(duì)流場(chǎng)的影響不一。若中置物選擇不當(dāng)，不僅不能減阻增效，反而會(huì)增阻減效，所以選取合適形狀和尺寸的中置物是非常關(guān)鍵的。劉金紅等[42]在旋風(fēng)分離器軸心及出口區(qū)域放置各種形狀的減阻物，分別測(cè)量了分離器內(nèi)三維速度及壓力分布，分析分離器內(nèi)各部分的壓力分配情況，結(jié)果顯示，導(dǎo)彈形減阻器效果最佳，可使分離器壓降降低27.9%，效率提高28.2%。Ogawa等[43-44]發(fā)現(xiàn)將中置物設(shè)計(jì)成橢球體，能夠防止邊界層分離，若其后設(shè)計(jì)成錐形，類似“子彈頭”，則形成簡(jiǎn)單擴(kuò)壓器，能夠?qū)?dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能。能夠解決工業(yè)問題的中置物才是合適的，中置物的結(jié)構(gòu)形式與安裝與否應(yīng)根據(jù)分離器的具體結(jié)構(gòu)和實(shí)際工業(yè)應(yīng)用而定。

圖7 不同形狀中置物及其安裝位置示意圖Fig.7 Different shapes and installationpositions of middle objects(a) Installation positions of middle objects;(b) Different shapes of middle objects;(c) Position and shape of vane

3.6 導(dǎo)流葉片

導(dǎo)流葉片，又稱整流葉片，通常安裝在排氣管入口處，校直排氣管內(nèi)旋轉(zhuǎn)氣流[45]。導(dǎo)流葉片的形式不同，效果也不同。常見的導(dǎo)流葉片類型包括直螺旋葉片、圓弧葉片[46]以及傾斜平板式葉片，如圖8 所示。Prandtl等[47]首先提出導(dǎo)流葉片的概念；Sheperd等[48-49]將導(dǎo)流葉片安裝在排氣管下方，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流葉片能夠在保證效率的同時(shí)降低壓降。陳秉林等[50]設(shè)計(jì)了一種酷似風(fēng)扇葉片的導(dǎo)流葉片，用于CX型旋風(fēng)分離器，減阻可達(dá)22.8%。Browne等[51]設(shè)計(jì)了更完善的消旋器，其結(jié)構(gòu)與圖7(c)所示較為類似，中心為橢球體，葉片數(shù)為8，使阻力下降了22%。Lim等[52]、李礦林等[53]針對(duì)直葉片、大圓弧葉片、小圓弧葉片等形狀的導(dǎo)流葉片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，壓降均有不同程度的減小，其中大圓弧導(dǎo)流葉片最高可減阻23%；但其沒有說明分離效率的變化情況。蔣明虎等[54]、趙立新等[55]分析了葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)分離器內(nèi)部速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的影響。結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，壓力隨角度增大而降低，適當(dāng)增大角度可以減小壓降和能耗。總的來說，適宜的導(dǎo)流葉片能夠減弱排氣管內(nèi)氣流的旋轉(zhuǎn)，減少能量耗散，降低壓力損失。

圖8 導(dǎo)流葉片結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic diagram of guide vane structure(a) Straight spiral vane; (b) Circular arc vane;(c) Inclined plate vane

3.7 穩(wěn)渦器

穩(wěn)渦器，如防返混錐、穩(wěn)渦罩等，安裝在分離空間尾部或者料腿頂部(如圖9所示)，能夠抑制料腿上方的顆粒返混，使顆粒更好地被捕集。吳小林等[56]在旋風(fēng)分離器灰斗上方添加防返混錐，發(fā)現(xiàn)防返混錐能夠大幅降低旋進(jìn)渦核的強(qiáng)度，縮小其范圍，而且能夠較好地抑制已分離顆粒的返混。Dorfeshan等[57]、孫國(guó)剛等[58]研究結(jié)果表明，加防返混錐能使錐體下端切向速度有所提高，利于顆粒分離。Rafiee等[59]、吳冉[60]、吳凱等[61-62]研究發(fā)現(xiàn)，防返混錐雖然能夠抑制旋進(jìn)渦核和顆粒返混，提高分離效率，但也會(huì)增大設(shè)備的壓降。Wasilewski等[63]對(duì)15種不同角度的防返混錐進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)混錐角度為85°時(shí)能最大程度抑制顆粒返混，提高分離效率；混錐角度大于100°時(shí)壓降會(huì)增大。因此，安裝穩(wěn)渦器，能夠改善錐體下部的流動(dòng)狀況，減弱料腿上部的偏心環(huán)流，降低內(nèi)旋流的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度。

圖9 穩(wěn)渦器及其安裝位置示意圖Fig.9 Structure of the vortex stabilizing device and its location(a) No device; (b) Conical type; (c) Elliptical type; (d) Frustum of cone

3.8 防渦器

防渦器，與穩(wěn)渦器不同，通常是一塊剛性板或者一個(gè)交叉的“十字形”或“米字形”剛性板，安裝在料腿上部，主要用來抑制渦流的形成，消除因氣流旋轉(zhuǎn)對(duì)料腿產(chǎn)生的沖蝕，阻止其旋轉(zhuǎn)。但是，防渦器會(huì)造成料腿上方產(chǎn)生較強(qiáng)的擾動(dòng)，使旋轉(zhuǎn)氣流的切向速度大幅降低，導(dǎo)致分離性能下降。Arkadiusz等[64]對(duì)防渦器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，防渦器能夠降低料腿內(nèi)顆粒的旋轉(zhuǎn)，但是也會(huì)產(chǎn)生繞流，導(dǎo)致分離效率下降。為此，除一些特定場(chǎng)合外，不推薦使用防渦器。

圖10 防渦器及其安裝位置示意圖Fig.10 Anti-vortex device and its installation position(a) No device; (b) Anti-vortex device of Phill; (c) Anti-vortex device of Pozi

4 旋風(fēng)分離器內(nèi)構(gòu)件技術(shù)的研究進(jìn)展

4.1 內(nèi)構(gòu)件的組合使用

在工業(yè)運(yùn)用中，內(nèi)構(gòu)件有時(shí)并不單一使用，而是采用多種方式結(jié)合的方法進(jìn)行減阻降耗，提高分離效率。孫化鵬等[65]對(duì)子彈頭減阻器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)子彈頭減阻器上安裝適宜的葉片，如圖7(c)所示，比單一使用子彈頭減阻器，更能提高旋風(fēng)分離器的效率，減小總壓降。Shi等[66]在入口處添加傾斜平板式導(dǎo)流葉片的基礎(chǔ)上，運(yùn)用分流型芯管的形式分離油-水混合物，可使油-水分離設(shè)備分離效率提高20.1%。Kosaki等[67]在添加穩(wěn)渦桿的基礎(chǔ)上，添加防返混錐，發(fā)現(xiàn)這種組合形式不僅能減少顆粒返混，而且提高了流體流動(dòng)的穩(wěn)定性。Dorfeshan等[57]發(fā)現(xiàn)，在筒體中心添加旋流葉片的基礎(chǔ)上，在筒體尾端添加約140°的防返混錐，不僅能夠減少顆粒返混，而且能夠最大程度提高分離效率。所以，內(nèi)構(gòu)件的組合使用可大大提升旋風(fēng)分離器內(nèi)部流動(dòng)空間的利用率，使分離效率在單一內(nèi)構(gòu)件的基礎(chǔ)上再次得到提升，是未來旋風(fēng)分離器內(nèi)構(gòu)件的發(fā)展趨勢(shì)之一。

4.2 新型減阻增效內(nèi)構(gòu)件的開發(fā)

隨著化工科技的發(fā)展，在工程運(yùn)用過程中，還會(huì)出現(xiàn)各種各樣的新型內(nèi)構(gòu)件。Luan等[68]提出，在導(dǎo)流葉片的出口可以連接過濾器，能夠進(jìn)行更加精細(xì)的分離。Sibanda等[69]在旋風(fēng)分離器內(nèi)安裝了錯(cuò)流過濾原件，有效地促進(jìn)了細(xì)顆粒的捕集效率。宋承明等[70]對(duì)內(nèi)置渦核破碎翼旋風(fēng)分離器進(jìn)行顆粒分析，發(fā)現(xiàn)葉片形狀和布置方式對(duì)流場(chǎng)影響較大，安裝合理時(shí)既能維持較高效率又能極大程度減低壓力損失。未來，伴隨著新型內(nèi)構(gòu)件的開發(fā)與應(yīng)用，旋風(fēng)分離器的分離效率會(huì)進(jìn)一步地提高，不僅能夠降低其阻力，而且可以漸漸滿足各種環(huán)保及工藝要求。

4.3 新材料的開發(fā)與內(nèi)構(gòu)件的使用壽命

旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)為氣-固兩相流動(dòng)，顆粒的運(yùn)動(dòng)會(huì)造成內(nèi)構(gòu)件的磨損，降低內(nèi)構(gòu)件的使用效果。對(duì)內(nèi)構(gòu)件使用新材料，使其耐磨抗損，能夠大大增強(qiáng)內(nèi)構(gòu)件的使用壽命，在另一種意義上保證了旋風(fēng)分離器的高效氣-固分離。何祥義等[71]對(duì)CFB旋風(fēng)分離器研究發(fā)現(xiàn)，含SiO2材質(zhì)的耐火磚抗壓強(qiáng)度高，在高溫下有一定的韌性，材料的耐磨性好。李洪杰等[72]在旋風(fēng)筒上運(yùn)用組合陶瓷片，發(fā)現(xiàn)組合陶瓷片能夠提高設(shè)備使用壽命，降低停機(jī)更換成本。因此，新材料的開發(fā)能夠提高內(nèi)構(gòu)件的使用壽命，是未來內(nèi)構(gòu)件的發(fā)展趨勢(shì)之一。

5 旋風(fēng)分離器內(nèi)構(gòu)件技術(shù)的發(fā)展方向

目前，針對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)構(gòu)件的研究取得了一定的成果。但是，部分內(nèi)構(gòu)件很少被用于工業(yè)生產(chǎn)，因?yàn)閮?nèi)構(gòu)件的應(yīng)用不僅要考慮其減阻效果，還要考慮其對(duì)分離器效率的影響大小、安裝難易程度、實(shí)施維修費(fèi)用、使用壽命等因素。許多內(nèi)構(gòu)件的應(yīng)用，在減阻和增效兩方面有可能是矛盾的，阻力降低了，效率可能也隨之下降。

21世紀(jì)是各種自然科學(xué)高度綜合、相互交叉、彼此滲透的時(shí)代，在未來旋風(fēng)分離器內(nèi)構(gòu)件的研究發(fā)展中，會(huì)更傾向于多元化、細(xì)致化、精確化、簡(jiǎn)約化。在宏觀上，結(jié)構(gòu)形式會(huì)趨于多樣化，但以簡(jiǎn)約為主，而且將會(huì)采取多種方式相結(jié)合的方法，減阻降耗提高分離效率。在微觀上，內(nèi)構(gòu)件的使用將使旋風(fēng)分離器分離更加細(xì)微的顆粒，解決目前5 μm以下粒徑顆粒分離效率低的難題。此外，環(huán)保及工藝要求會(huì)越來越高，旋風(fēng)分離器內(nèi)構(gòu)件的研究發(fā)展想要真正達(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，才能為工業(yè)的發(fā)展和創(chuàng)新提供更可靠、更靈活、更高效、更經(jīng)濟(jì)的技術(shù)系統(tǒng)。

6 結(jié) 語

隨著化工過程的不斷發(fā)展，環(huán)保及工藝要求越來越高，工業(yè)上要求保證旋風(fēng)分離器分離效率的同時(shí)能夠減小壓降。目前的研究主要集中在結(jié)構(gòu)優(yōu)化、安裝內(nèi)構(gòu)件和其他措施3個(gè)方面。但是，在工業(yè)實(shí)際應(yīng)用中，若是采用更換分離器的方式，會(huì)大大提高生產(chǎn)成本和工程量，此時(shí)添加內(nèi)構(gòu)件不失為一個(gè)經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便的方法。根據(jù)內(nèi)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式和工作原理，內(nèi)構(gòu)件可大致分為減阻桿、導(dǎo)向板、導(dǎo)流葉片等八類。由于旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)不同，不同內(nèi)構(gòu)件亦有不同程度的減阻效果。但是內(nèi)構(gòu)件的使用對(duì)分離效率的影響不一，部分內(nèi)構(gòu)件在減阻和增效兩方面可能是矛盾的，阻力降低了，效率也隨之下降。此外，工業(yè)上內(nèi)構(gòu)件的使用并不單一，多數(shù)情況下組合使用效果更佳?？偟膩碚f，在不改變旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)尺寸的情況下，安裝內(nèi)構(gòu)件能夠改善旋風(fēng)分離器內(nèi)的干擾渦流，提高內(nèi)部流動(dòng)的穩(wěn)定性，從而有效地實(shí)現(xiàn)分離器的減阻增效。