王文達(dá)，馮艷峰

1.遼寧基伊能源科技有限公司，遼寧沈陽，110000；2.沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧沈陽，110870

0 引言

旋風(fēng)除塵器于1885年開始使用，已發(fā)展成為多種形式[1]。按氣流進(jìn)入方式，可分為切向進(jìn)入式和軸向進(jìn)入式兩類。在相同壓力損失下，后者能處理的氣體約為前者的3倍，且氣流分布均勻。

傳統(tǒng)旋風(fēng)除塵器由進(jìn)氣管、排氣管、圓筒體、圓錐體和灰斗組成。在普通操作條件下，作用于粒子上的離心力是重力的5～2500倍，所以旋風(fēng)除塵器的效率顯著高于重力沉降室。在機(jī)械式除塵器中，旋風(fēng)式除塵器是效率最高的一種。它適用于非黏性及非纖維性粉塵的去除，大多用來去除5μm以上的粒子，并聯(lián)的多管旋風(fēng)除塵器裝置對3μm的粒子也具有80%～85%的除塵效率。選用耐高溫、耐磨蝕和腐蝕的特種金屬或陶瓷材料構(gòu)造的旋風(fēng)除塵器，可在溫度高達(dá)1000℃、壓力達(dá)500×105Pa的條件下操作。從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)諸方面考慮旋風(fēng)除塵器壓力損失控制范圍一般為500～2000Pa[2]。

對于旋風(fēng)除塵器的運行機(jī)理和內(nèi)部流場運動過程的分析，國內(nèi)外已有諸多文獻(xiàn)報道[3-7]。通過以往的研究可以歸納出，導(dǎo)致旋風(fēng)除塵器除塵效率受限的原因主要有以下幾點：

（1）旋風(fēng)除塵器內(nèi)部流體流速慢，固體顆粒受流體阻力大；

（2）由于流場內(nèi)部沒有明顯的氣固分界線，所以無法實現(xiàn)徹底的氣固分離；

（3）下降氣流與上升氣流交匯，由于下降氣流與上升氣流內(nèi)部固體顆粒的相互運動導(dǎo)致固相顆粒從下降氣流向上升氣流遷出，從而造成出風(fēng)口固體顆粒濃度高的現(xiàn)象；

（4）固相進(jìn)入集塵斗時，濃度極高，細(xì)小顆粒不容易進(jìn)入灰斗被收集，因此會重新被氣流帶回筒體，最終從出風(fēng)口排出，影響了除塵效率。

1 旋風(fēng)除塵器內(nèi)部流場分析

在旋轉(zhuǎn)流場中，固相的質(zhì)量密度因素使得氣相運動產(chǎn)生了很大的離心力，所以在分析固相運動流線或流場時，就應(yīng)以力學(xué)為主進(jìn)行分析（圖1）。

圖1 旋風(fēng)除塵器內(nèi)部流場分析

旋風(fēng)除塵器的主要原理是利用旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的強(qiáng)大離心力進(jìn)行氣固分離，固相顆粒就是依靠離心力向外壁移動，從而得到分離的機(jī)會。但是得到離心力的粒子在向外壁移動的過程中，要克服氣相流體的阻力才能完成移動過程，當(dāng)離心力大于氣相流體力的阻力時，向外壁的移動就可以進(jìn)行；當(dāng)離心力小于氣相阻力時，向外壁移動的過程無法完成。因此，能否完成向外壁移動的要素取決于粒子質(zhì)量（m）、速度（v）、旋轉(zhuǎn)半徑（r），當(dāng)速度（v）、旋轉(zhuǎn)半徑（r）為標(biāo)量時，粒子質(zhì)量就是一個重要因素，經(jīng)過實驗證明，大顆?；蛄Ｗ淤|(zhì)量較大的粒子會能高效率地完成分離；同樣粒徑較小或質(zhì)量較小的粒子，則仍以氣相為載體不能完成分離過程。

在旋風(fēng)除塵器中，由于有產(chǎn)生離心力的需要，因此在除塵器中的各個質(zhì)點，存在著氣相流體向中心移動的過程，除了上述氣相阻力之外，固相粒子還受到氣相流體向心運動的拖曳力。因此，離心力（F）要克服氣相阻力之外還要大于氣相流體的拖曳力，即F＞P2+PT（P2阻力，PT拖曳力）。因此，在工程實踐中，氣固分離裝置對拖曳力的影響也是不能忽視的。拖拽力的本質(zhì)是氣流對固體顆粒的阻力，其大小可以按固體顆粒受氣流流體的阻力計算。作穩(wěn)定運動的顆粒必然受到流體阻力的作用。阻力的大小決定于顆粒的形狀、粒徑、表面特性、運動速度及流體的種類和性質(zhì)。阻力的方向總是與速度向量的方向相反，其大小可按如下標(biāo)量方程計算：

顆粒運動處于層流狀況，C D與呈直線關(guān)系，由理論和實驗得到：

這一關(guān)系式通稱為斯托克斯（Stokes）阻力定律。對于球形顆粒將式（3）和式（4）代入式（1）中，得到斯托克斯阻力公式：

由式（5）可以看出，固體顆粒受流體阻力與顆粒運動速率成正比。在旋風(fēng)除塵器內(nèi)部一點，顆粒受重力和離心力兩種作用，其運動速率是重力和離心力共同作用的結(jié)果，而離心力和重力與固體顆粒的質(zhì)量成正比，再加上在設(shè)備中，受風(fēng)量等影響，導(dǎo)致固體顆粒運動速度較低，越靠近設(shè)備中心的位置，顆粒離心力越小，運動速度越小，顆粒所受流體阻力越大。這是導(dǎo)致傳統(tǒng)旋風(fēng)除塵器除塵效率低的主要原因。

2 新型旋風(fēng)除塵器的設(shè)計

基于對傳統(tǒng)旋風(fēng)除塵器內(nèi)部流場的系統(tǒng)分析，針對其流體阻力大的缺點，對設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，研發(fā)出一套新型旋風(fēng)除塵設(shè)備。目前該設(shè)備已經(jīng)應(yīng)用于某些大型除塵工業(yè)項目中，并取得良好效果。

新型旋風(fēng)除塵器的芯管采用雙芯管，這種設(shè)計不但解決了上渦旋，還制造出一個下渦旋，下渦旋的產(chǎn)生使效率得到了很大的提升，如圖2所示，在單層芯管中形成的折返線是一條公共線，即下旋區(qū)與上旋區(qū)的共用邊界，而雙層芯管下緣則將下旋區(qū)和上旋區(qū)分開在雙層芯的下方形成一個渦區(qū)，這個渦區(qū)一方面阻止了下旋流的粒子逃逸、短路，另一方面將上旋流攜帶的粒子再次進(jìn)行分離，接收并轉(zhuǎn)送至下旋區(qū)，使除塵效率得到保障。

圖2 芯管

蝸形殼的主要功能是加速氣流旋轉(zhuǎn)。在蝸殼設(shè)計中，采用了上下斜板結(jié)構(gòu)（圖3）。上斜板結(jié)構(gòu)的目的是清除上平板的平旋流場帶來的缺陷，即消除了上渦旋及粒子環(huán)的產(chǎn)生；進(jìn)氣口是矩形結(jié)構(gòu)，在進(jìn)入旋轉(zhuǎn)區(qū)時由于流通截面擴(kuò)大導(dǎo)致氣流減速及向上擴(kuò)張，多氣流形成速度差，而粒子由于質(zhì)量關(guān)系，仍會以原速度旋轉(zhuǎn)并分離，在旋轉(zhuǎn)360°后，濃縮在矩形進(jìn)氣口的左側(cè)中間區(qū)域，這樣就沒有上粒子環(huán)產(chǎn)生并順利進(jìn)入下旋區(qū)；下斜板的作用：①避免顆粒物過度集中，不利分離；②減小阻力或壓降；③加長了芯管的長度就相當(dāng)于加大了篩子的面積，有利于粒子分離，蝸形殼的截面加大后，氣流的旋轉(zhuǎn)速度是一個減速過程，這樣有助于粒子分離。

圖3 蝸殼

傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器中的下旋區(qū)與上旋區(qū)的折返線沒有明顯的界線，尤其是在折返線的下端，受湍動氣流的影響，效率損失較大。在折返線的上端做了雙層芯管的設(shè)計解決了上端的分界問題，在下端設(shè)計折返線截止屏，這樣使得下端有一個折返線的終止點，這樣不但保障了效率的穩(wěn)定，同時可使總體高度減小，并可加大料斗的存儲量，徹底解決了上旋流二次卷走顆粒物的可能性，如圖4所示。

圖4 折返線截止屏

折返線截止屏為圓臺形，在下邊緣和多層分離套筒相連接，在連接點處有排料孔，由于大量的顆粒物在到達(dá)此處前已經(jīng)多次分離，所以此處的顆粒物濃度很低。因此，不會造成氣流混亂而影響效率的穩(wěn)定。

空間成為顆粒物的沉降及吸集區(qū)，在多級分離套筒將顆粒面分離的同時會有大量的氣流進(jìn)入此區(qū)域，因此，如果這些氣流沒有一個回路就會影響到分離效果，所以為了使這些氣流有一個合理的回路，在折返線截止屏的上方設(shè)計了一個回流穩(wěn)定柱。由于上旋區(qū)的中心位置是一個較大的負(fù)壓區(qū)，因此能夠給多處分離套筒進(jìn)入的氣流一個很好的回路。除此之外，回流穩(wěn)定柱還能起到穩(wěn)流的作用。

3 新型旋風(fēng)除塵器的應(yīng)用

與傳統(tǒng)旋風(fēng)除塵器相比，新型旋風(fēng)除塵器的設(shè)計有效解決了除塵效率低的問題。雙芯管可在阻力不增加的條件下保障效率不損失。多級分離環(huán)使氣流含塵濃度逐步降低，避免了設(shè)備磨損。反射屏的作用是保證下旋與下旋氣流轉(zhuǎn)折點與邊界穩(wěn)定?；仫L(fēng)穩(wěn)流解決了上旋流的擺動問題，有助于粉塵再分離。新型旋風(fēng)除塵器在大風(fēng)量工況下的工業(yè)生產(chǎn)除塵凈化方面有很好的應(yīng)用。下面以某閥門廠沖天爐煙塵凈化治理方案的設(shè)計來說明新型旋風(fēng)除塵器的應(yīng)用效果。

3.1 方案說明

（1）本設(shè)備包括：多管除塵器、一級洗氣機(jī)、二級洗氣機(jī)、脫水器、置換水池、加堿機(jī)、污水過濾器、隔膜出泥泵、污泥車、清水泵、電控。

（2）在沖天爐加料口下方安裝管道，進(jìn)風(fēng)口在沖天爐內(nèi)部，為下進(jìn)風(fēng)型式，安裝管道先與多管除塵器連接，先經(jīng)初步除塵后再進(jìn)入洗氣機(jī)，煙塵被吸入洗氣機(jī)凈化，凈化后氣體經(jīng)管道直接排入大氣。

（3）多管除塵器是以多管旋流除塵器為主體，除塵效率可達(dá)90%以上。在沖天爐煙氣出口經(jīng)多管旋流除塵后到洗氣機(jī)洗滌凈化排放。

（4）CTL洗氣機(jī)配備一套供水系統(tǒng)、一臺防腐耐磨泵：流量Q=25m3/h、揚程H=30m、功率N=7.5kW、電壓380V，循環(huán)水池有效容積20m3。

3.2 實用效果

通過測試分析得出，整套系統(tǒng)可利用率達(dá)95%以上，除塵效率達(dá)到99%以上，經(jīng)施工治理后可達(dá)到的排放標(biāo)準(zhǔn)：顆粒物＜30mg/m3，滿足國家粉塵的排放標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

針對傳統(tǒng)旋風(fēng)除塵器除塵效率低、能耗大等缺點，從芯管、蝸殼、折返線截止屏和回流穩(wěn)定柱幾方面設(shè)計新型旋風(fēng)除塵器，并將新型旋風(fēng)除塵器應(yīng)用于某閥門廠沖天爐煙氣凈化中。從凈化效果可以看出，整套系統(tǒng)可利用率達(dá)95%以上，除塵效率達(dá)到99%以上。治理后可達(dá)到的排放標(biāo)準(zhǔn)：顆粒物＜30mg/m3，滿足國家粉塵的排放標(biāo)準(zhǔn)。除塵效率明顯高于傳統(tǒng)旋風(fēng)除塵器。