大气污染控制工程-旋风除尘器探究

旋风除尘器是利用旋转气流的离心力使尘粒从气流中分离的装置，又称离心式除尘器。它结构简单，体积小，不需要特殊的附属设备，因而造价低，适应粉尘负荷变化性能好，无运动部件，运行管理简便，广泛用于各工业部门。它通常用于分离粒径大于10μm的尘粒。普通旋风除尘器的效率一般在90%左右，当要求很高效率时，需与其他除尘器配合使用。

1.工作原理

（1）旋风器内气流与尘粒的运动

如图4-13（a）所示，普通旋风除尘器是由进气管、筒体、锥体和排气管组成的。含尘气流从切线进口进入除尘器后，沿筒体内壁由上向下做旋转运动，大部分含尘气流到达锥体底部附近时折转向上，在中心区边旋转边上升，最后经排气管排出。一般将旋转向下的外圈气流称为外旋流，它同时有向心的径向运动；将旋转向上的内圈气流称为内旋流，它同时有离心的径向运动。外、内旋流的旋转方向相同。外旋流转为内旋流的顶锥附近区域称为回流区。尘粒在外旋流离心力的作用下移向外壁，并在气流轴向推力和重力的共同作用下，沿壁面落入灰斗。

图4-13　旋风除尘器内的流场

气流从除尘器顶部向下高速旋转时，顶部压力下降，致使一部分气流会带着细小的尘粒沿筒体内壁旋转向上，到达顶盖后再沿排气管外壁旋转向下，最后到达排气管下端附近，被上升的内旋流带走。通常将这股气流称为上旋流。细小尘粒在上旋流及其向上的轴向分速的作用下在顶盖处形成上灰环。上灰环造成的细尘逃逸和锥底回流区造成的细尘二次返混，都影响除尘效率的提高，因而是旋风除尘器结构设计时应注意的问题。

（2）旋风器内的速度场和压力分布

旋风除尘器内的速度场是一个三元流场，通常把内、外旋流的全速度分解成为三个速度分量：切向速度υθ、径向速度υr和轴向速度υz。

①切向速度。旋风除尘器内气流的切向速度分布如图4-13b上部曲线所示。器内某断面上切向速度分量υθ沿半径r的分布可概括为

式中，n——由流型决定的常数，n=-1～1，通过实验确定。

当n=+l时，为理想流体的有势的自由涡旋；当n=0.5～0.9时，υθ随半径r的减小而增加，为外旋流的实际流动，即准自由涡旋（由于实际气体具有黏性，旋转气流与尘粒之间存在着摩擦损失，故外旋流不是理想流体的自由涡旋，而是所谓的准自由涡旋）；n=0时，υθ=常数，即处于内外旋流交界面[大约d0=（0.6～0.65）d，d为排气管直径]上，υθ到达最大值；当n=-1时，流体的旋转类同于刚体的转动，是内旋流的强制涡旋，并有υθ=rω（ω为旋转角速度）。

②径向速度。旋风除尘器内的径向速度分量υr在中心部（内旋流）区域是由里向外的流动，与源流（在平面流中，从中心点径向向外的流动称为源流）类似，称为类源流；在外层（外旋流）区域则是由外向心的流动，称为类汇流（见图4-13c）。前者对分离粉尘有利，后者对分离粉尘不利，使有些细小粉尘在类汇流的作用下，进入内旋流而被带走。

③轴向速度。外旋流的轴向速度分量υz是向下的，内旋流的轴向速度υz是向上的（见图4-13b），因而在内、外旋流之间必然存在一个轴向速度为零的交界面。在内旋流中，随着气流的逐渐上升，轴向速度不断增大，在排气管底部达到最大值。

向下的外旋流轴向分速产生下灰环，它推动已分离在筒体内壁的粉尘向下移动，最后进入灰斗，对除尘有利。正因为有下灰环的存在，可以使旋风器卧装。

以上流场分析是做了许多简化假设的，实际的流场要复杂得多。

④旋风器内的压力分布。旋风器内的压力分布如图4-13b下部曲线所示，全压和静压沿径向变化较大，由外壁向轴心逐渐降低，内旋流区域静压为负值，并且一直延伸至灰斗。气流压力沿径向的这种变化，不是因摩擦而主要是由离心力引起的。

2.压力损失

一般认为，旋风除尘器的压力损失Δp（Pa）与进口气速υi（m/s）的平方成正比，即

式中，ξ——旋风器的阻力系数，无因次。

在缺乏实验数据时，ξ值可用并伊谷冈一提出的公式估计

式中，K——常数，20～40，可近似取30；

b、h——进口管的宽度和高度（m）；

D、L——简体的直径和长度（m）：

d——排气管直径（m）；

H——锥体长度（m）。

另外，当气体温度、湿度和压力变化较大时，将引起气体密度的较大变化，此时须对旋风器的压力损失按下式进行修正

不同温度、压力和湿度下的气体密度ρ须按有关公式进行计算。当为干气体（湿度为0）时，Δp的修正公式为

式中，ρ、p、T——气体密度（m3/kg）、压力（Pa）和热力学温度（K），下标N表示标准状况，无下标的量表示实际状况。

根据以上理论分析和实验研究，影响旋风器压力损失的主要因素如下。

a.同一结构形式旋风除尘器的相似放大或缩小，ξ值相同。若进口气速υi相同，压力损失基本不变。

b.因，故处理气量Q增大时，Δp随之增大。

c.由式（4-68）知，Δp随进口断面A=hb的增大和排气管直径d的减少而增大，随同体长L和锥体长H的增加而减少。

d.Δp随气体密度的增大而增大，即随气体温度的降低或压力的增高而增大。

e.除尘器内部有叶片、突起和支持物等障碍物时，使气体旋转速度降低，离心力减少，从而使压损降低；但除尘器内壁粗糙会使Δp增大。

f.由于气体与尘粒间的摩擦作用可使气流的旋转速度降低，因而Δp随进口气体含尘浓度Ci增大而降低。

3.除尘效率

旋风除尘器能捕集分离到的具有50%或100%分级效率的最小粒径称为临界粒径或分割粒径，分别记为dc50和dc100。有多种计算旋风除尘器临界粒径的理论和方法。

（1）转圈理论

在重力沉降室中，粒子一边以重力沉降速度沉降，一边随气流做水平运动。只要沉降室足够长，则粒子就能被分离捕集。旋风除尘器内有径向向外的离心沉降速度υr，也有切向分速度υθ，如果旋转圈数足够，即展开后的长度相当于沉降室的长度L，则粒子就能达到筒体边壁而被分离捕集。

如图4-14所示，若旋风除尘器的进口断面A=hb，筒体高度为L，筒体半径为rw，排气管半径为rn，进口气速为υi，假设外旋流的旋转速度υ0=υi，外旋流在旋风器内旋转N圈，采用推导式（4-56）的方法，可导出dc100积分式

图4-14　转圈理论推导

式中，n、k——式（4-66）中的指数和常数。

不同学者假定的n值不同，积分上式的结果也不完全相同。罗辛-拉姆勒-英特曼（Rosin-Rammler-Intelmann）假设进口断面速度分布均匀，切向速度υθ=常数=k，即n=0，得

拉泊尔（Lapple）根据他的假设，提出一个广为人们接受的捕集效率为50%的临界粒径dc50的计算式

式中，Ne——外旋流的有效旋转圈数，对标准旋风除尘器为5～10圈。

若无足够的资料，可近似取

转圈理论没有考虑汇流场的影响，显然是不够全面的。

（2）假想圆简理论

如图4-13b所示，在内外旋流的交界面附近，气流的切向速度υθ最大，尘粒在此处所受离心力也最大，其位置在排气管下面以虚线表示的半径为r2的假想圆筒侧面上（见图4-13a）。在该处，尘粒受到方向相反的两个力——离心力Fc和阻力Fd的作用。当Fc=Fa时，尘粒受力平衡，理论上尘粒将在半径为r2的圆周上不停地旋转。实际上由于气流处于紊流状态，尘粒受力有时Fc＞Fd，有时Fc＜Fd。若将该过程看成一个随机过程，作为时间的平均值有Fc=Fd。因而从概率统计观点可以认为，粒径为dc的粒子有50%可能进入中心随气流带走，有50%可能移向壁面沉降分离。因此，在Fc=Fd时，粒径为dc的粒子群的分级效率为50%，此dc即为临界粒径dc50。

一般认为，进入旋风器的气体流量Q的80%（外旋流）是通过高度为hi、半径为r2的假想圆筒界面进入内旋流的；假想圆筒的直径d0（d0=2r2）约等于出气管径d的60%～70%。在这些假定下，根据式（4-66）、Fc=Fd及木村典夫提出的计算rw处的切向速度υθw的经验式

可以导出旋风除尘器临界粒径dc50的计算式为

式中，n——速度指数，可用亚历山大（Alexander.R.M ck）推荐的公式计算

式中，T——旋风器内含尘气体的平均温度（K）。

池森龟鹤取υθw=υi，n=0.5，导出得

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（3）除尘效率的计算

水田一和木村典夫根据许多实验结果归纳出由dc50计算旋风器分级效率的经验式为

由上述公式算出dc50后，根据已知的粉尘粒径分布得到含尘气流中某一实际的粉尘粒径dp（或某一粒径范围内的平均粒径dp），可计算出dp/dc50之比值，则可依此比值按式（4-27）计算出或在图4-15上查出旋风器对粒径为dp的尘粒（或某一粒径范围内平均粒径dp的尘粒）的分级效率ηd，最后可算出总除尘效率。

图4-15　分级效率与dp/dc50的关系

（4）影响旋风除尘器除尘效率的因素

①入口风速。由临界粒径计算式可见，入口风速υi增大，dc50降低，因而除尘效率提高。但风速过大时，器内气流过于强烈，会把已分离下来的部分粉尘重新带走，影响效率的提高。实验证明，入口速度超过12m/s以后，效率变化不大，而阻力却增加很多因此，实用的入口风速一般为12～20m/s，不宜低于10m/s，以防入口管道积灰。

②除尘器的结构尺寸。在其他条件相同时，筒体直径愈小，尘粒所受离心力愈大，除尘效率愈高。筒体高度的变化，对除尘效率影响不明显；适当增大锥体长度，有利于提高除尘效率。减小排气管直径，对提高效率有利。若将旋风除尘器各部分的尺寸进行几何相似放大时，除尘效率会有降低。

③粉尘粒径与密度。因为，所以大粒子受离心力Fc大，捕集效率高。又由于dc50∞（1/ρp）1/2，所以ρp愈小，愈难分离。

④气体温度。温度会引起气体密度和黏度的变化。气体密度变化对除尘效率的影响可忽略不计，但温度增加时，气体黏度增大，而dc50∞μ1/2，故温度升高，dc50增大，除尘效率降低。

⑤灰斗的气密性。由图4-13b可知，除尘器内部静压是从筒体壁向中心逐渐降低的，即使除尘器在正压下工作，锥体底部也可能处于负压状态。若除尘器下部密封不严，漏入空气，会把已经落入灰斗的粉尘重新带走，使效率直线下降。实验证明，当漏气量达到除尘器处理气量的15%时，效率几乎为零。因此旋风除尘器应在不漏气的情况下进行正常排灰。

4.旋风除尘器的结构形式

（1）种类和入口形式

旋风除尘器的种类繁多，按结构外形分为长锥体、长筒体、扩散式、旁通式等；按安装方式可分为立式、卧式与倒装式；按组合情况又分为单筒与多筒等。工业上更多的是按含尘气流的导入方式分为切向进入与轴向进入两类（见图4-16）。

切向进入式又分为直入形和蜗壳形，前者是入口管外壁与筒体相切，后者则是入口管内壁与筒体相切，入口管外壁采用渐开线形式，渐开角有180°（见图4-16b）、270°及360°等。直入形进口设计与制造方便，且性能稳定。蜗壳形入口增大进口面积增大，并因入口有一环状空间，使入口气流距筒体外壁更近。这样，既缩短了尘粒向筒壁的沉降距离，又可减少入口气流与内旋流间的相互干扰，对提高除尘效率有利，却使除尘器体积有所增大。切向进入的压力约1000Pa左右，其中蜗壳形比直入形要小一些。

图4-16　旋风除尘器的几种形式

轴向进入式是利用固定的导流叶轮使气流旋转的，导流叶轮有花瓣式、螺旋式等各种形式。与切向进入式相比，在相同阻力下，能处理约3倍的气体量，且气流分配均匀。因此主要用于组成多管旋风除尘器，并用于处理大气量的场合。按气流出口不同，轴向进入式又分为逆转形和正交形。前者压损为800～1000Pa，效率与切向进入式无显著差别；后者为400～500Pa，效率较低。正交形组成多管除尘器时安装面积小，容易配置，但应注意积灰问题和内部压力不平衡而引起效率降低的问题。

（2）各部分尺寸比例

①筒体直径D。D愈小，愈能分离细小尘粒，但过小易引起粉尘堵塞。为避免这一点，有人用进气速度的平方υ2与筒体半径R表示的旋转气流离心加速度（υ2/R）＜500m/s2加以限制。D一般不宜小于250mm，但不宜大于1100mm。当处理气量大时，可将几个旋风器并联使用，或采用多管式旋风除尘器。

②入口尺寸。旋风器的入口多采用矩形。设矩形入口宽度为b，高度为h，面积为A，则可用旋风除尘器类型系数K表示入口特征，K=A/D2=hb/D2，K值范围一般为0.07～0.30。蜗壳形入口的K值较大，筒体直径D较小，处理气体能力较大。比值h/b一般为2.0～4.0，即入口断面多为狭长形。

③排气管。排气管多为圆管，与筒体同心。一般取d=（0.4～0.6）D。排气管插入深度与除尘器结构形式有关。一般切向进入式旋风器，排气管插入筒体愈短，压损愈小，但效率也愈低。实验证明，排气管插入筒体的最佳长度大约等于排气管直径，或稍低于入口管底部为宜。

④筒体与锥体长度。在一定范围内增大锥体高度H，有利于降低压损和提高效率。一般取H=（1～3）D，多为2D左右。要将锥体高度H与简体长度L综合考虑，多取L+H=（3～4）D，不超过5D，并认为L=1.5D，H=2.5D左右为宜。

⑤圆锥角ξ。ξ应与H结合考虑。ξ过小时，将使H增加；而ξ过大时，气流旋转半径很快变小，切线速度急剧增加，导致锥体内壁磨损加快，并使已分离至锥体壁面上的尘粒难以下落，所以，ξ一般取200～300为宜。

⑥排尘口d′。d′一般为（1/3～1/2）D。d′过小时，粉尘易堵塞；d′过大时，灰斗中的粉尘易被进入灰斗的旋转气流卷走。一般d′≥70mm。

上述旋风器各部分的尺寸比例，仅对一般常见结构形式而言，对少数结构特殊的旋风器，有的尺寸比例往往差别很大。

（3）几种常用旋风器的结构特点

通常，国内多是根据旋风除尘器的结构特点用拼音字母对其命名。如XLP/B—4.2（CLP/B—4.2）型旋风除尘器，X（或C）表示除尘器，L表示离心式，P表示旁路式，B表示该型除尘器中的B类，4.2是以分米数（dm）表示的筒体直径。还根据在系统中安排的位置不同分为两种形式：X形为吸入式，Y形为压出式。另外，又考虑使用时连接上的方便，在X形和Y形中各设有S形和N形两种型式。从除尘器顶部看，进入气流按顺时针旋转者为S形，逆时针旋转者为N形。生产中使用的旋风除尘器类型很多，有100多种。常见的有XLT/A、XLP/A、XLP/B、XLK、XZT等多种形式。

①XLT/A形。结构形式如图4-17a，所示，图中b=0.26D，Re=（D+b）/2。其特点是具有螺旋下倾顶盖的直入式进口，类型系数，K=0.172，螺旋下倾角15°，筒体和锥体均较长。下倾螺旋进口不仅减少了入口阻力，而且有助于消除上灰环的带灰问题，加上较长的筒体和锥体，效率高，阻力小。入口速度12～18 m/s。阻力系数：X形（带有出口蜗壳）ξ=6.5，Y形ξ=5.5，适用于干的非纤维性粉尘和烟尘等的净化，除尘效率80%～90%。国家标准图中有从XLT/A—1.5到XLT/A—8.0形的14种规格，还有双筒、四筒及六筒等并联组合形式。

②XLP/B形。结构形式如图4-17 b所示，图中L=0.28 D+0.3h，h=（2 A）1/2，b=（A/2）1/2，Re=（D/2+δ）cos35°+b/2（δ为钢板厚度），b=0.3 D。特点是进气管上缘距顶盖有一定距离，180°蜗壳入口，K=0.175。排气管插入深度距进口上缘1/3处，筒体上带有半螺旋或整螺旋线形的粉尘旁路分离室，上旋流产生的上灰环在筒体上部特设的缝口经旁路分离室引至锥体部分，以除掉这部分较细的尘粒。效率比XLT/A稍高。阻力系数：X形（带有出口蜗壳）为5.8，Y形为4.8（国标T504）。共有从XLP—3.0到XLP—10.6形的7种规格，进口气速12～17 m/s。

图4-17　几种常用旋风除尘器

③XLK扩散式。结构形式如图4-17c所示，图中h=（3.85 A）1/2，b=（A/13.85）1/2，Re=（D+b）/2。其特点是180°蜗壳入口，K=0.26，锥体倒置，锥体下部有一圆锥形反射屏以减少二次返混。外旋流大部分在圆锥屏上部转变为内旋流，少量下旋气体和分离下来的粉尘经屏周边与器壁的环隙进入尘斗，分离尘粒后的气体从屏中心孔排出。屏的挡灰作用使粉尘沉降很好，因而效率略高于XLT/A和XLP形，对气体量变化的适应性也好些。由于锥体向下渐扩，磨损较轻。共有从XLK—1.5到、XLK—7.0型10种规格，进口气速10～16m/s。

④XZT形。结构形式如图4-17d所示，图中h=（3.8 A）1/2，b=（A/3.8）1/2，Re=（D+b）/2。特点是180°蜗壳入口，K=0.184，锥体较长，约为2.85 D，故称为长锥体旋风除尘器。筒体较短，为0.7 D。阻力与XLK形接近，ξ=10.7。效率比XLP形和XLK形都高约6%。进口气速10～16m/s，以l3～14m/s为好。共有从XZT—3.9到XZT—9.0形的6种规格。

⑤组合式多管旋风除尘器

a.串联式组合。图4-18是同直径不同锥体长度的三级串联式旋风除尘器组。第一级锥体较短，净化粗尘，第二、三级锥体逐次加长，净化较细的粉尘，因而总效率比单级旋风器的高。处理气量决定于第一级的处理气量；总阻力等于各除尘器及连接件的阻力之和，再乘以系数1.1～1.2。旋风除尘器串联组合使用的情况不多。

b.并联式组合。并联式旋风除尘器组合可增加处理气体量，但在处理气量相同的情况下，以小直径的旋风器代替大直径的旋风器，可以提高净化效率。为了便于组合且均匀分配气量，通常采用同直径的旋风除尘器并联。组合方式有双筒并联、单支多筒、双支多筒（见图4-19）和多筒环形组合等几种。并联除尘器的压损为单体压损的1.1倍，气体量为各单体气量之和。

图4-18　三级串联式旋风除尘器

图4-19　并联式旋风除尘器

除了单体并联使用外，还可将许多小型旋风器（称旋风子）组合在一个壳体内并联使用，称多管除尘器。多管除尘器布置紧凑、外形体积小、效率高、处理气量大，但金属耗量大，制造较难，所以仅在效率要求高和处理气体量大时才选用。

5.旋风除尘器的卸灰装置

旋风除尘器一般都装有卸灰装置，其作用是保证已分离粉尘的顺利下卸及除尘器运行中卸灰时锥底的气密性。

旋风除尘器多采用干式卸灰装置，该装置主要依靠灰柱进行密封，其灰柱高度H可按下式进行计算

式中，H——灰柱高度（m）；.

ρb——粉尘的堆积密度（kg/m3）；

Δp——卸灰装置密封口两侧流体静压差（Pa）。

目前常用的连续卸灰装置主要有以下几种。

（1）翻板式卸灰阀。翻板式卸灰阀是利用加在平衡杆上的重锤及作用在翻板上灰柱的重力形成的力矩平衡关系来进行密封以及卸灰的。当灰柱形成的力矩大于重锤及压差形成的力矩时，翻板阀打开，粉尘下卸。反之，翻板阀处于密封状态。灰柱高度可根据调节重锤力矩来实现，以适应不同压差的情况。图4-20a为双层翻板式卸灰阀，由于工作时上下层翻板交替动作，故较单层翻板阀具有更好的密封性能。

与翻板阀工作原理类似的卸灰装置还有圆锥式卸灰阀等。

图4-20　旋风除尘器的卸灰装置口

（2）回转式卸灰阀。回转式卸灰阀是依靠旋转的刚性分格轮来实现除尘器的卸灰和密封的。如图4-20b所示，刚性分格轮由电动机带动旋转，粉尘充满由刮板组成的扇形空间后连续排出，电动机适宜转速由卸灰量的大小来确定。其主要缺点是刮板密封胶条易磨损，造成锥底漏风，故工作时应注意控制电动机转速，保持卸灰阀上部具有一定灰封高度。

回转式卸灰阀的排灰量G（kg/h）可按下式进行计算

式中，V——卸灰阀有效储灰容积（m3）；

n——刚性分格轮转子转速，一般n=（10～60）r/min；

K——系数，一般K=40～50。

（3）螺旋卸灰机。如图4-20c所示，螺旋卸灰机主要由焊有螺旋叶片的螺旋轴、卧置筒体（两者组成螺旋体）及电动驱动装置等组成，多用于排灰量较大的除尘器。工作中螺旋体内应充满一定量的粉尘，以防止漏风。卸灰量用调节电动机转速来控制，可连续排灰也可间断排灰。该卸灰机密封性能较好，但螺旋体有一定磨损。螺旋卸灰机的排灰量G（t/h）可按下式计算

式中，D——螺旋叶片直径（m）；

S—螺旋叶片的螺距（m），一般取S=0.8 D；

n——螺旋轮转速（r/min）；

K——充填系数，一般K=7。