旋风除尘器

 高效旋风除尘器设计

随着人类社会的发展与进步，人们对生活质量和自身的健康越来越重视，对空气质量也越来越关注。然而人们在生产和生活中，不断的向大气中排放各种各样的污染物质，使大气遭到了严重的污染，有些地域环境质量不断恶化，甚至影响人类生存。在大气污染物中粉尘的污染占重要部分，可吸入颗粒物过多的进入人体，会威胁人们的健康。所以防治粉尘污染、保护大气环境是刻不容缓的重要任务^[1]。

除尘器是大气污染控制应用最多的设备，其设计制造是否优良，应用维护是否得当直接影响投资费用、除尘效果、运行作业率。所以掌握除尘器工作机理，精心设计、制造和维护管理除尘器，对搞好环保工作具有重要作用^[2]。

工业中目前常用的除尘器可分为：机械式除尘器、电除尘器、袋式除尘器、湿式除尘器等。机械式除尘器包括重力沉降室、惯性除尘器、旋风除尘器等。重力沉降室是通过重力作用使尘粒从气流中沉降分离的除尘装置，主要用于高效除尘的预除尘装置，除去大于40μm以上的粒子。惯性除尘器是借助尘粒本身的惯性力作用使其与气流分离，主要用于净化密度和粒径较大的金属或矿物性粉尘。旋风除尘器是利用旋转气流产生的离心力使尘粒从气流中分离的装置，多用作小型燃煤锅炉消烟除尘和多级除尘、预除尘的设备.

 

旋风除尘器的结构

 

旋风除尘器的结构如图所示，当含尘气体由进气管进入旋风除尘器时，气流将由直线运动转变为圆周运动，旋转气流的绝大部分延器壁呈螺旋形向下，朝椎体流动。通常称为外旋气流，含尘气体在旋转过程中产生离心力，将重度大于气体的尘粒甩向器壁。尘粒一旦与器壁接触，便失去惯性力而靠入口速度的动量和向下的重力延壁面下落，进入排灰管。旋转下降的外旋气流在到达椎体时，因椎体形状的收缩而向除尘器中心靠拢。根据“旋转矩”不变原理，其切向速度不断增加。当气流到达椎体下端某一位置时，即以同样的旋转方向从旋风除尘器中部，由下反转而上，继续做螺旋运动，即内旋气流。最后净化气体经排气管排除旋风除尘器外，一部分未被捕集的尘粒也由此遗失。

旋风除尘器内的流场

旋风除尘器内的流场是一个相当复杂的三维流场。气体在旋风器内作旋转运动时，任一点的速度均可分解为切向速度vt、轴向速度vz和径向速度vr。

（1） 旋风除尘器的各向速度

①切向速度vt

切向速度对于粉尘颗粒的捕集与分离起着主导作用，含尘气体在切向速度的作用下，由里向外离心沉降，排气管以下任一截面上的切向速度vt沿半径的变化规律为：

在旋风除尘器中心部分的旋转气流，其切向速度vt随着半径的增大而增大，是类似与刚体旋转运动的强制涡旋，称为“内涡旋”;除尘器外部的旋转气流，其切向速度vt则随着半径的增加而减少，称为“外涡旋”。在内外涡旋的交界面上，切向速度达到最大值。各种不同结构的旋风除尘器，其切向速度分布规律基本相同。表达通式为:

V_tr^n=常数

式中r为气流质点的旋转半径；n为速度分布指数一般为0.5~0.9之间。

若忽略旋风除尘器内气流所存在的内摩擦力，根据能量守恒定律，在理想情况下n=1，此时，vt r=常数，称为自由旋流。因此，n和1的差值就是旋流和自由旋流的差异，该n值可由下式计算

                    n=1-(1-0.668)D₀^{0.14_(T/283)0.3}

           式中  D —旋风除尘器的直径（m）；

                 T —热力学温度（K）；

                 n —速度分布指数。

最大切向速度的位置rm称为强制旋流的半径，实验证明

                         rm=2/3re

 

式中  re—出口管半径 

②径向速度vr

径向速度vr是影响旋风除尘器分离性能的重要因素，因为它可以使尘粒沿半径由外向内推向漩涡中心，阻碍尘粒的沉降。但是该径向速度和切向速度之比较小，通常vr在±1~5m/s范围内。

③轴向速度vz

轴向速度vz分布构成了旋风除尘器的外层下行、内层上行的气体双层旋转流动结构。实验表明，有一个零轴向速度面始终和器壁平行，即使在椎体部分，也能保持外层气流厚度不变。

除了上述三种流速外还由于轴向流速和径向流速的作用引起涡流。他们都将引起除尘效率的降低。

（2）旋风除尘器的涡流

旋风除尘器内，除了主旋转气流外，还存在着由轴向速度和径向速度相互作用而形成的涡流。涡流对旋风除尘器的分离效率和压力损失影响较大。常见的涡流有以下几种:

①短路流

即旋风除尘器顶盖、排气管外面与筒体内壁之间，由于径向速度与轴向速度的存在，将形成局部涡流(上涡流)，夹带着相当数量的尘粒向中心流动，并沿排气管外表面下降，最后随中心上升气流逸出排气管，影响了除尘效率。

②纵向旋涡流

纵向旋涡流是以旋风除尘器内、外旋流分界面为中心的器内再循环而形成的纵向流动。由于排气管内的有效通流截面小于排气管管端以下内旋流的有效通流截面，因此在排气管管端处产生节流效应，从而使气体对大颗粒的甩力超过颗粒所受的离心力，而造成“短路”，影响了分离性能。

③外层涡流中的局部涡流

由于旋风除尘器壁面不光滑，如突起、焊缝等等，可产生与主流方向垂直的涡流，其量虽只约为主流的五分之一，但这种流动会使壁面附近，或者己被分离到壁面的粒子重新甩到内层旋流，使较大的尘粒在净化气中出现，降低了旋风除尘器的分离能力。这种湍流对分离5μm以下的颗粒尤为不利。

④底部夹带

 

外层旋流在锥体顶部向上返转时可产生局部涡流，将粉尘重新卷起，假使旋流一直延伸到灰斗，也同样会把灰斗中粉尘，特别是细粉尘搅起，被上升气流带走。底部夹带的粉尘量占从排气管带出粉尘总量的20~30%。因此，合理的结构设计，减少底部夹带是改善旋风除尘器捕集效率的重要方面。

 

旋风除尘器内的压力分布

一般旋风除尘器内的压力分布如图2所示。依据对旋风除尘器的工作原理、结构形式、尺寸以及气体的温度、湿度和压力等分析和试验测试，其压力损失的主要影响因素可归纳如下：

（1）结构形式的影响

旋风除尘器的构造形式相同或几何图形相似，则旋风除尘器的阻力系数ζ相同。若进口的流速相同，压力损失基本不变。

（2）进口风量的影响

压力损失与进口速度的平方成正比，因而进口风量较大时，压力损失随之增大。

（3）除尘器尺寸的影响

除尘器的尺寸对压力损失影响较大，表现为进口面积增大，排气管直径减小，而压力损失随之增大，随圆筒与椎体部分长度的增加而减小。

（4）气体密度变化的影响

压力损失随气体密度增大而增大。由于气体密度变化与T、P有关，换句话说，压力损失随气体温度或压力的增大而增大。

（5）含尘气体浓度的大小的影响

试验表明，含尘气体浓度增高时，压力损失随之下降，这是由于旋转气流与尘粒之间的摩擦作用使旋转速度降低所致。

（6）除尘器内部障碍物的影响

 

旋风除尘器内部的叶片、突起、和支撑物等障碍物能使气流旋转速度降低。但是，除尘器内部粗糙却使压力损失很大。