旋風分離器的新結構和新構件的研究進展

吳 凱，段繼海,2，張自生,2

（1. 青島科技大學 化工學院， 山東 青島 266000； 2. 生態化工國家重點實驗室， 山東 青島 266000）

旋風分離器的新結構和新構件的研究進展

吳 凱1，段繼海1,2，張自生1,2

（1. 青島科技大學 化工學院， 山東 青島 266000； 2. 生態化工國家重點實驗室， 山東 青島 266000）

綜述了近幾年國內外學者對提高選分離器性能結構方面的研究進展，研究表明：多種新型旋風分離器的應用完全能夠捕獲1～5μm的微米和亞微米級顆粒，通過安裝導流件等內構件措施能夠降低湍動耗散能，降低能耗，降低旋風分離器的壓降。新型旋風結構和內構件是提高傳統分離器性能的重要手段。

旋風分離器；結構優化；研究進展

旋風分離器是一種常見的氣固分離設備，由于其結構簡單，操作方便，被廣泛應用于煤粉流態化燃燒、石油催化裂化催化劑回收等裝置中。含塵氣體切向進入筒體，內旋流的渦核類似于剛體旋轉的渦核，外旋流則是準自由渦，也就是所謂的蘭金組合渦[1,2]。由于內旋流的不穩定流動，在下錐體容易擾動起壁面沉積的灰塵，從而影響分離效率。渦核尾端存在大量的顆粒返混和夾帶，抑制渦尾末端的“擺尾”象有利于提高分離器性能[3-5]。對于旋風分離器增設改良結構、增設內構件，改良流場、抑制擺尾對于提高分離器的研究具有重要的意義。已出現的螺旋型、蝸旋型CLT型旋風分離器、D型旋風分離器、電除塵器等各種旋風分離器層出不盡，粉塵捕集能力不斷提高[6]。對于微米以及亞微米顆粒的旋風分離在工業生產中需要達到的分離要求和節能標準也越來越高。所以，本文從結構方面介紹近幾年來旋風分離器 的研究進展。

1 旋風除塵器分離機理

1.1 普通旋風除塵器的除塵原理

傳統的旋風分離器示意圖，由進氣口，分離區圓筒，圓錐下錐體，排氣管，排灰口等幾部分組成。旋風分離器是利用離心力將氣固兩相中的固體顆粒甩到壁面，將固體顆粒分離的設備。其分離過程如下：氣固兩相氣流沿切向進口進入旋風分離器內，氣流在筒體和圓錐體內做圓周運動，沿筒體和下錐體壁面螺旋運動最終到達下灰口附近形成自上而下的外旋流。外旋流到達下錐體底部后旋轉向上轉化為內旋流，最終由出氣管排出。在此過程中，含塵氣流中較大顆粒受流場離心力的作用，甩向壁面最終進入灰斗。較小顆粒由于受到離心力較小，伴隨氣流通過出氣口排出。

1.2 旋風除塵器結構的研究進展

壓降的耗散和顆粒的分離效率一直是評價旋風分離器性能的重要指標。如何在提高粉塵捕集能力的同時降低壓力損失是國內外研究者長期以來研究的重點?，F在提高旋風分離器的性能大都是通過開發新結構、增加新型導流件、優化旋風分離器尺寸等辦法[7,8]，來消除旋風分離器的不利影響。以下將從降壓減阻方面和提高旋風分離器分離效率方面，總結近幾年來國內外現有旋風除塵器中幾種比較典型的案例，為新型旋風除塵器的研究提供了有價值的信息。

1.2.1 進口處結構處減阻措施

改進旋風分離器的進口的結構形式是旋風分離器技術改良的可行措施，趙兵濤等人提出優化改進旋風分離器的進口結構形式,采用雙進口進氣,由于進氣口是水平相對用以增強流場的的對稱強度，減少筒體上部的上灰環和短路流。渦流紊亂受軸對稱性影響得以降低，從而達到湍動能耗散降低的目的。Seville 等[9,10]通過在入口處增設靜電除塵裝置，含塵氣流中小顆粒收靜電作用向大顆粒聚集，增大了顆粒粒徑使顆粒團聚，進入離心流場后能夠快速分離。Gautam和Moore等[11]進行了大量實驗表明雙進口旋風在煙塵分離方面有特殊的效果，分離效率提高7%～10%左右。

1.2.2 安裝導流板提高分離性能

傳統旋風分離器一般采用切向進口，切向入口的氣體會偏向旋風分離器的筒壁，造成入口處短路流現象，也就是所謂的“上灰環”。為了抑制這種現象可以安裝導流板，從而改善旋風除塵器入口處的流場湍動狀態，并且能夠降低阻力損失。導流板技術安裝簡便對傳統分離器的改造、提高其性能有著重要的意義。李利[12]等針對旋風分離器“上灰環”現象，在旋風分離器入口增設導流板并對不同尺寸的導流板進行試驗測試。試驗表明：使用合適尺寸的導流板能夠提高旋風分離器的分離效率和壓降。祝立萍[13]在對導流板進行大量的實驗后，證明導流板對渦流起到了導流、引流的作用，導流板能夠規整流場的渦流狀況。2007年趙峰[14]等在入口處增設不同形式的導流板，并對它們對比試驗研究。研究表明在旋風分離器入口安裝導流板扇葉有效提高了旋風分離的性能，并能夠降低壓降的阻尼系數。

1.2.3 安裝減阻器

王連澤和彥啟森[15-17]對旋風分離器增設減阻桿后，發現分離器性能提高，其基本原理是在旋風分離器特定位置安裝特定形狀的剛性減阻桿，減阻桿改變了原來流場的渦流結構，降低了流體流動的壓降損失從而達到提高分離器性能的目的。劉成文[18]等利用激光多普勒測速儀(LDV)工具，對比測試了傳統分離器的流場與安裝減阻桿后旋風分離器的流場變化規律。實驗表明減阻桿消除了中心內旋流渦流紊亂現象，減阻桿使時均切向速度及其速度梯度大幅度降低，降低了紊亂渦流湍動耗散情況，降低壓降損失。同時不同尺寸、不同材質的的減阻桿對旋風分離器的性能影響不同。

1.2.4 旋風抽氣系統

首次提出灰斗抽氣措施的C.J.Stairmand[19]， 早在1951年進行了的測試。隨后P.W.Sage和M.A. Wright通過實驗表明灰斗抽氣可以減少出口氣體中粉塵濃度40% 以上，降低了上升內旋流的氣量，有利于減少內旋流帶出灰倉內的灰塵，減少排氣口處短路流，從而達到提高分離效率的作用?；诖松蹏d[20]提出一種新型抽氣灰斗抽氣系統，對于相同的壓降操作條件下，分離效率優于三級串聯旋風分離器的分離作用。

1.2.5 排氣管新構造進展

由于排氣管出去旋風分離器分離區上部，進入排氣管的內旋流依然具有不小的旋轉強度，同時在排氣管底端還存在“短路流”，影響了細顆粒的分離。因此，改進排氣管結構能降低旋風分離器的壓力阻，并且能提高分離效率。大多數實驗結果表明排氣管處安裝的旋轉翅片能夠使得靜壓能降低，但是對于微米和亞微米的分離效率也受到影響。原因是旋轉翅片降低了切向氣流的旋轉強度減少了流場的離心力。

1.2.6 增強旋風分離器離心力的結構改進措施

動態旋風分離器與傳統分離器相比，是利用機械旋轉部件高速旋轉獲得強制離心力場，使流場里的顆粒獲得更大的離心力，達到快速分離的目的。動態旋風分離器可分離5μm以下超細顆粒。波蘭ChmielniakT和Bryczkowski A[21,22]在一定的轉子轉速下，對于5μm以上的顆粒具有較好的分離效率。

2 結 論

綜上所述，在分離微米亞微米顆粒時，采用多種手段相結合的方式可減阻降耗提高分離效率。壓力損失和細粉捕集效率一直為旋風除塵器研究者所關注，鑒于此人們已做了相當多的努力，研究出多種結構形式的旋風除塵器，但是要真正達到低阻高效的目的，滿足各種工業要求還需要進行更加深入的研究。

［1］蔡平等.經濟發展與生態建設間的矛盾[J].開發研究，2003(3):33-34.

［2］金國淼等.除塵設設計[M].北京:化學工業出版社，2002:1-300.

［3］化工設備設計全書編輯委員會.除塵設備設計[M].上海:上海科學技術出版社，1985:17-37；44-155.

［4］Weiwen Wang, Pan Zhang,et al. Structure and performance of the circumfluent cyclone[J]. Power Technology, 2010, 200: 158-163.

［5］Wang weiwen,Ding li, Li jianlong. Study on Pressure Distribution and Pressure Drop of Circumfluent Cyclone[J]. Journal of Qingdao Institute of Chemical Technology, 2002,23(4):57-59.

［6］GU Xin-chun, WANG Weiwen, WANG Lixin．Numerical simulation of flow field in circumfluent cyclone separator [J]．Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities，2007, 2l(3):411-416.

［7］稽敬文,除塵器[M]. 北京:中國建筑工業出版社，1981.

［8］姜江，金晶，屈星星，江鴻，劉瑞.傳統旋風除塵器的阻力影響分析與改進措施[J].發電廠節能減排，2 0 0 8(3):1-12.

［9］GautamM,Streenath A ．Performance of a respirable multi-inlet cyclone sampler[J]．Journal of Aerosol Science，1997，28(7)：1265-1281．

［10］孫國剛，時銘顯．提高旋風分離器捕集細粉效率的技術研究進展[J]．現代化工，2008，28(7)：64-69．

［11］趙萍，等．旋風除塵器的壓力損失及減阻措施[J]．工業安全與環保，2003(1)：11-12．

［12］李利，熊萬榮，等.導流板在旋風除塵器中的應用研究[J].武漢工業大學學報，1992(2):21-23.

［13］祝立萍. 旋風除塵器弧形導向板技術實驗研究[J]. 冶金動力,2003(3): 46-49.

［14］趙峰，陳延信，劉文歡，徐德龍.不同形式導流板對旋風器性能影響的試驗研究[J].硅酸鹽通報，2007，26(2):242-246.

［15］zhouLX．Soo S L．G -solidflow and collection solid in a cycloneP separator rowder Technology,1990,63：45-53.

［16］王連澤，彥啟森.旋風分離器減阻桿對流場的影響[J].粉體技術,1996，2(4):11-17.

［17］龔安龍，王連澤.旋風分離器減阻的PIV實驗研究[J].工程力學，2006,23(I):160-164.

［18］劉成文，王連澤，王建軍，劉秋生.減阻桿對旋風分離器流場特性影響[J].清華大學學報，2007,47(2):293-296.

［19］STAIRMAND C J．The design and performance of eyclone separ ators[J]．Trans Inst Chem Eng，1951，29：356-383．

［20］邵國興. R-S型旋風分離器的開發及在干燥過程中的應用[J].化工裝備技術, 1998, 19(5): 13-15.

［21］倪文龍. 顯著提高細粉捕集效率專利技術的研究與應用[J]. 化工礦物與加工, 2006(11): 29-32.

［22］孫國剛,時銘顯.提高旋風分離器捕集細粉效率的技術研究進展[A].2007年全國粉體工業技術大會論文集[C].2007.

Research Progress of New Structure Improvement in Cyclon Separators

WU Kai1，DUAN Ji Hai1,2，ZHANG Zi-sheng1,2
（1. Department of Chemical Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Shandong Qingdao 266000, China; 2. State Key Laboratory Base of Eco-chemical Engineering, Shandong Qingdao 266000, China）

The research progress of improving the performance of cyclone separators at home and abroad was reviewed. The new experimental results show that: a variety of new cyclone separators can fully capture 1～5μm micron and sub micron particles, to install diversion parts and other inner components in cyclone separators can reduce the turbulent dissipation energy and energy consumption. The new structure of cyclone and inner component is an important means to improve the performance of traditional separators.

Cyclon; New sructure; Research progress

TQ 052

： A

： 1671-0460（2015）10-2355-02

2015-03-23

吳凱（1988-）男，山東濰坊人，碩士研究生，研究方向：多相流體的流動與分離。E-mail：496726236@qq.com。

張自生（1961-）男，教授，博士生導師，研究方向：化學工程。E-mail: ZZSLunWen@126.com。