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旋风除尘器的研究进展
白玉 20100970 旋风除尘器作为一种气固分离装置，具有结构简单、无运动部件、造价便宜、除尘效率较高、维护管理方便，可在高温、高压环境下工作等特点。其应用于工业生产以来，已有百余年的历史，对于捕集、分离5一l0µm以上的尘粒颗粒效率较高，其除尘效率可达90％左右。广泛应用于能源动力、化工等行业，是目前应用最广的气固分离装置之一。
但是传统的旋风除尘器普遍存在排气口短路流、锥体部分二次扬尘以及上灰环夹带等问题，而且放大效应显著。工业应用表明对于粒径为3µm以下的颗粒分离效率很低，即便是3～10µm粒径范围内的颗粒，分离效率也仅在80％ ～90％左右。随着工业装置生产规模的提高，各项粉体工业的发展对大气环境的污染也越来越多，同时人们对大气环境的保护洁净意识也越来越强，对大气环境有着更高的要求。因此无论是大气环境保护，还是粉体工程都要求不断提高旋风除尘器的性能。一方面要求旋风除尘器有更强的捕集细粉的能力；另一方面要求旋风除尘器的压降进一步减少，以降低能耗。所以，迫切需要研究出高效能且低能耗的新型旋风除尘器。近年来，国内外已有许多学者基于这两方面对旋风除尘器做了大量试验研究，也提出了很多可行的措施和设计方案并已应用于实际工程中。在此，对近几年国内外有关提高旋风除尘器捕集细粉能力和降压力损失改进措施的研究进展进行综述。1 旋风除尘器的结构及工作原理
是一种典型的旋风除尘器的结构示意图，由切向人口、圆筒、圆锥、排气管、排灰口等几部分组成。含尘气流从直筒段下部以切向方式进人内筒，做旋转上升运动，含尘气流中所含较大的固体颗粒在重力作用下直接沉人锥体。中等直径的固体颗粒随气流旋转上升时，由于离心作用而被甩向内简壁，然后沿内筒壁沉降进人锥体，一次分离后的大部分纯净气体直接从顶部排气管排出。而较小的固体颗粒随流体旋出内筒上端后，被甩向内外筒体间的环隙，连同部分气体环流而下进入锥体，在锥体内得到二次分离，被分离后的纯净气体沿轴向返回内筒，亦由排气管排出，最终固体颗粒在锥筒体底部富集，并由底部排灰口排出，从而使气固两相得到分离。
收集的粉尘 图1 旋风除尘器结构示意降低阻力方法的研究进展
旋风除尘器的流动阻力主要包括进气管的流动损失；气体在筒体内和桶壁摩擦造成的能量损失；气体进入旋风除尘器内，因流通截面突变造成膨胀或者压缩，旋转而造成的能量损失；排气芯管内的损失。这些损失里面有些是对捕集分离粉尘起有效作用的，可以称之为有效能；而有些是对捕集分离粉尘不起作用的，可以称之为消耗能。旋风分离器降低阻力的目标就是要增大有效能在总的能量损失中所占比例，减少消耗能所占比例。而对于旋风分离器的减阻研究，国内外已有很多研究人员做了相关工作，提出了很多减阻措施。以下介绍常见的减阻方式及其研究进展。
2．1 进口处结构改进
针对单进口旋风器内流场的轴不对称性问题，沈恒根等从结构上改单进口为双进口，通过双进口旋风器内流场实验研究表明，短路气流量比单进口少30％，双进口旋风器比单进口旋风器更有利于提高除尘效率，降低设备阻力。Lim等通过实验方法也对双进口结构旋风器的分离性能进行研究．结果表明双进口旋风器的分离效率比单进口结构高5％～15％。Gautam 和Moore等还对多进口旋风器进行了研究，结果表明多进口结构也能起到降阻增效的作用。
2．2 排尘口减阻方法
为了降低排气管内的漩涡程度，不改变排气管形状，而在排气管内部或后部附加减阻装置以便回收能量。常见的排气管处减阻方式有以卜几种：改变排气管结构、将排气管偏置或在排气管内部安装整流叶片可使阻力减少22．8％；在排气管口装设渐开线蜗壳可使阻力降低5％～1O％；在排气管出口加设圆锥形扩散器，若扩散角选取合适，可使阻力降低10％ ～33％；在排气管弯头后水平安装双锥圆筒减阻器等，若采用优化尺寸的双锥圆筒，可使阻力减少7％～25％。
2．3 安装导流板
为了抑制入门进气偏向筒壁而产生的压缩现象，可以安装导板，从而改善旋风除尘器入门处的流场状态，减少阻力损失，而且导流板技术实施非常方便对老设备改造有着极其重大的意义。李利等人通过对旋风除尘器入口处流场状况的分析，揭示了导流板对改善旋风除尘塞入口流状况的作用机理。同时给出了在不同尺寸导流板存在下测得的旋内除尘器的阻力损失和除尘效率等数据，得出用恰当尺寸的导流板能够在不降低除尘效率的前提下降低阻力损失。华东冶金学院的祝立萍在这方面做了大量的实验研究，证明采用安装导向板的方法，确实可以降低除尘器的阻力，并且对弧形导向板和方形导向板进行了比较，发现弧形导向板的综合效果更好一些。2007年赵峰等对加设不同形式导流板的旋风分离器进行了试验研究，研究表明试验所安装导流板不同程度地降低了分离器的阻力，同时也对分离效率产生了影响。不同形式的导流板适用于不同的应用场合。
2．4 安装减阻器
旋风除尘器减阻杆减阻就是在旋风除尘器内适当位置安装一根特定形状的刚性杆件减阻杆形成尾涡与原流场中的涡旋相互作用改变流场结构来降低流动压力损失。随着该项技术在工业上应用范围的不断扩大，国内外研究者对该技术的研究也在不断的深入。
1996年王连泽和彦启森研究了减阻杆埘流场的影响，发现了减阻杆对流场结构改变的规律，为分析减阻杆的减阻机理提供了依据；同时他们还发现旋风分离器入口附近有近24％的短路流量，设法减小这郡分的短路流量是提高分离效率的一个研究方向。
2004年卫国强等首次利用数值模拟方法对旋风分离器进行了减阻杆减阻的研究。通过对比流场计算结果和试验数据，证明文中所采用的网格划分方法、RSM 湍流模型和边界条件是可靠的，为数值设计高效率的减阻杆提供了简便可靠的办法。
2005年王连泽等分别采用五孔形球形探针、激光多普勒测速仪和粒子图像测速仪对旋风除尘器内安装减阻杆前后的时均流场与湍流场进行了测量。结果发现减阻杆降低了流场中对粉尘分离无益的内旋流切向速度，削弱了中心区域的湍流强度，使湍流耗散减弱，从而实现了减阻。
2005年王建军等利用激光多普勒测速仪对装有减阻杆的旋风分离器内流场进行了详细的测量。结果表明减阻杆改变了旋风分离器内的流场结构，减阻杆后存在明显的扰流尾涡区。相同形状的减阻杆，迎风宽度越大，在杆后形成的绕流尾涡影响区的范围和强度越大。减阻杆后形成的绕流尾涡对旋风分离器内流场的影响是实现减阻的原因之一。
2006年龚安龙等利用Plv技术对stair-mand型旋风分离器中安装减阻杆前后的强湍流场进行了测量。结果表明安装减阻杆大幅降低了中心区域的湍流脉动和Reynolds应力，使湍流能量耗散大幅降低，从而降低了分离器的压力损失。
2007年张建等利用雷诺应力模型分别计算了在旋风分离器排气芯管下口安装双进口螺旋减阻装置前后旋风分离器压力损失和流场。通过对比数值模拟计算结果和试验数据，可以发现旋风分离器数值模拟结果与试验数据吻合较好；减阻装置使切向速度在上行流大幅度降低，使分离空间内的平均轴向速度下降，中心区域的切向速度梯度和轴向速度梯度明显降低；压降损失降低35％以上，并且分离效率没有受到不利影响。
2007年刘成文 等利用激光多普勒测速仪(LDV)测量了安装减阻杆前后的旋风分离器的流场，得到了时均速度、均方根速度、雷诺应力等参数分布。结果表明减阻杆使时均切向速度及其速度梯度大幅度降低，减弱或消除了中心滞流现象。除在减阻杆后局部区域外，大尺寸减阻杆对切向速度及其速度梯度的降低作用最明显，同时消除滞留的效果好。减阻杆的截面尺寸对旋风分离器的湍流强度有影响，小尺寸减阻杆使大部分区域湍流降低，而大尺寸减阻杆使大部分区域的湍流增强，两种尺寸的减阻杆都使杆后尾迹区的湍流得到增强。
2．5 采用下排气结构
采用此结构类型的除尘器取消了上排气芯管，采用下排气芯管，简体结构采用上部直径小，下部简体直径大，中间用以扩散锥体作为过渡段。其工作过程是含尘气体切向进人除尘器后，在稳流体与筒壁之间的环形区域做旋转运动，这股气流受到随后气流的挤压向下旋转，在这过程中尘粒在离心力作用下被甩向简体壁面，在气流推动和重力作用下下滑，当趋于洁净的气流旋至下排气芯管人口时，直接进入排气芯管排出少量气体继续下旋至锥体底，再折转向上最后经排气芯管排出.从其结构特点和工作过程看，由于它消除了内旋涡旋，外旋气流与洁净气流同向以及独特的筒体形状，使除尘器在保持高除尘效率的基础上，压力损失也大大降低。赵旭东等对该类型除尘器研制的理论依据、技术关键、结构特点、工作原理、试验台系统的设计以及主要性能的测试结果做了介绍。证明取消旋风除尘器的上排气芯管是降低除尘器阻力损失提高效率的有效途径。提高细粉捕集能力方法的研究进展
随着对旋风除尘器的广泛研究和应用开发，旋风除尘器的新结构层出不穷，应用范围也在不断的扩大。细粉的捕集能力也在不断的提高，已经突破了旋风除尘器不能用于5微米以下微细粉分离的传统知识，下面就近几年有关国内外提高旋风除尘器细粉捕集效率的研究进展进行简要综述。
3．1 在旋风除尘器中抽出部分气体
早在l951年，C．J．StairmandL就认为灰斗抽气能提高旋风分离器分离效率，但一直没有受到重视.随后P．W．Sage和M．A．Wright 通过实验认灰斗抽气比排气管抽气更有效，灰斗抽气可以减少出口气体中粉尘浓度40％以上。H．Yoshida ,李敏等人也通过实验表明旋风除尘器的分离效率随着抽气率的提高而明显增大。吴淑虹，张建等人研究结果都表明灰斗抽气可以提高锥体内旋转气流切向速度，轴向速度，减少能够降低气流携带颗粒返混能力，并减小排气芯管下口短路流，提高旋风分离器分离效率，并且对于给定的旋风除尘器，抽气率应有一最优值。但是进一步的研究还发现，灰斗抽气对效率提高的幅度与分离器入口的颗粒浓度密切相关，人口颗粒浓度越高，灰斗抽气的影响越显著；当入口颗粒质量浓度低于5 g／m3 时，灰斗抽气几乎没有影响。因此，若入口颗粒浓度较高，仅采用灰斗抽气往往不能使尾气达标排放；且从灰斗抽气对于尾气排放控制则显得更为直接，抽出的尘量大,处理费用也会相应的增加。基于此邵国兴提出一种称为R—s型旋风分离器的排气管抽气分离系统，此结构在压降相近的条件下，处理气量大于两级串联，分离效率优于两级旋风分离器串联；与三级串联旋风除尘器的分离效率相近，而压降仅为三级串联的60％。
3．2 在排气管下口增设分离元件
在旋风除尘器中，由于内旋流进入排气管时仍处于旋转状态，同时在排气管底端还存在“短路流”，影响了细颗粒的分离。因此，改进排气管结构对于旋风器消旋减阻和分离效率的提高具有实际意义。部分研究者在排气管内加装各种挡板、翼片等构件，实验结果往往是压降降低，效率也降低，主要原因是降低了旋涡旋转强度。但在排气管下适当位置增设圆盘和导流翼片等构件，以及将分离器的排气管下端封闭，并在边上开槽(或孔)，这些结构不仅防止上旋气流携带细颗粒进入排气管，提高了分离效率，还能降低阻力损失。倪文龙设计了双出风口旋风分离器，用于替代水泥生产过程中的选粉机，与单排气口的旋风分离器相比，阻力损失减小15％～4l％，除尘效率增加2.6％～l1．3％，获得了明显的降阻提效效果；中国石油大学(北京)近年开发出了一种排气管末端分离结构——塔式排气管，研究结果表明其分离效率比PV型高效旋风分离器同比提高2％左右，同时压降还可降低13％以上，使细粉的捕集效率明显提高。
3．3 在旋风分离内部加入机械旋转部件
作为静态设备的普通旋风除尘器，如果在其内部加入机械旋转部件，利用其高速旋转获得人为可控、比气流自然旋转更强的强制离心力场，则可显著提高分离效率，可分离5µm及以下超细颗粒，为超细粉尘的气固分离提供另一个新方法，这便是动态旋风分离器.机械回转机构是动态旋风分离器的关键部件，现已试验过多种结构方案。陈海焱将旋风分离器的排气管改为旋转涡轮，用电机带动涡轮旋转，做成一种最简单的动态旋风分离器。实验结果显示涡轮除尘器可以满足高湿高粘附性微细粉尘的收集要求，对含有d小于4µm微细粉，含尘质量浓度达l2g／m3 的气固流，通过涡轮除尘器后，出口的含尘质量浓度可控制为36mg／m3，收集效率达99．7％。在运转过程中，收集系统可以保持稳定、可靠地运行。除尘涡轮叶片及筒壁无明显粘附现象。波兰ChmielniakT和Bryczkowski A也设计了类似的叶片涡轮旋转结构，他们的排气管从分离器下部引出。在试验室内将这神带旋转结构的分离器和同直径的Stairmand高效旋分器进行性能试验对比。结果收尘效率随叶轮转速增加而增加；对试验的中位粒径10µm的白云石粉，分离效率为94．O％一96．1％，位粒径8m的粉料，分离效率为90．O％～95．2％；对应的Stairmand高效旋分器的效率则是84．2％与83．0％。分离器压降总体上差别不大，高气量时还略低Stairmand型。
动态旋风分离器的缺点也很明显，它结构复杂，机械回转机构难以用于高温等苛刻工况；离心力场和层流耦合的结构还存在设备单位体积的处理气量较小等问题，还需要不断深人研究。结论
综上所述，在旋风除尘器的众多性能指标中，压力损失和细粉捕集效率一直为旋风除尘器研究者所关注。鉴于此人们已做了相当多的努力，研究出多种结构形式的旋风除尘器，但是要真正达到低阻高效的目的，满足各种工业要求还需要进行更加深入的研究。另外，随着计算机数值模拟等现代技术的发展，应用汁算流体动力学技术优化旋风除尘器的结构来降低研究成本是很有必要的.参考文献
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