旋風除塵器的應用現狀及研究

張玉星 鄭豐蕾 榮 彥

1 引言

旋風除塵器是一種氣固兩相分離裝置，它利用氣流在旋轉過程中作用在塵粒上的慣性離心力達到分離的目的。相較于其他除塵器，旋風除塵器適用于高溫高壓環境。例如，若要處理高溫氣流，就必須對氣流進行降溫處理。顯然，這樣做會降低經濟效益。而旋風除塵器對氣流溫度要求不高，有些特殊材料制成的旋風除塵器甚至只要求含塵氣體溫度低于1100℃[1]。可見，在某些特別行業里，不可避免處理高溫含塵氣流時，旋風除塵器就變成了首要選擇。壓力損失和分離效率是旋風除塵器的兩項重要性能指標。長期以來，如何在低阻高效之間尋求一個合適的平衡點，一直是一個焦點問題。近年來，PM2.5嚴重威脅著我們的健康，國民環境保護意識與安全健康生活需求有所提高。因此，尋求一種高效便捷的除塵器尤為重要。

2 除塵機理

當含塵氣流進入旋風除塵器筒體時，氣流作沿外壁向下的螺旋形旋轉運動。通常我們把這股而下旋轉的氣流叫做外渦旋[2]。含塵氣流在筒體中旋轉運動的過程中，產生的離心力使塵粒到達外壁，之后在氣流與重力的共同作用下掉落，進入集塵斗。外渦旋到達錐體時，由于椎體母線匯集于一點而使氣流向中心靠攏，當氣流接觸到椎體底部時將由下反轉而上，繼續作沿軸心向上的螺旋形流動。通常稱此為內渦旋。最后，內渦旋氣流向上排出旋風除塵器，并在該過程中攜帶部分細小塵粒。

3 旋風除塵器的發展及應用現狀

自1885年Moiss獲得世界上第一臺旋風除塵器設計專利以來，已有130多年的歷史了。隨著社會的發展與進步，旋風除塵器應用在生產生活中的各個領域。下面，本文將介紹兩種典型的旋風除塵器。

3.1 多管除塵器

筒體直徑與塵粒受到的離心作用力成反比。因此，我們可以通過減小筒體直徑來提高分離效率。也就是說，可以并聯使用多個小直徑旋風子[3]。多管除塵器的優點是處理含塵氣體量大的同時保證除塵效率較高。然而，由于旋風子直徑較小，多管除塵器不適合用于粘性大顆粒物。

3.2 旁路式旋風除塵器

由于上渦旋不受進口氣流干擾，細小的塵粒會在頂部聚積，形成灰環，稱為“上灰環”。為了消除上灰環，可以設置一個外旁室，讓積聚在頂部的塵粒通過旁室進入除塵器底部。這種帶有一個外旁室的除塵器成為旁路式除塵器。

4 問題及改進措施

4.1 二次揚塵

在椎體底部，氣流雷諾準數較高，旋轉氣流中心產生負壓。如果除塵器稍有漏氣便會使外界氣體進入除塵器造成二次夾帶，降低除塵效率。因此，在安裝設計中，排灰裝置是重中之重。對于收塵量較小、無需連續排灰的除塵器，可以在除塵器下部設置固定的排灰裝置，如集塵斗。而對于收塵量大的除塵器，可以采用翻板式鎖氣器。為了減少二次揚塵，還可以采用環縫氣墊耐磨旋風除塵器[4]。這種除塵器是在普通旋風除塵器的基礎上增設環縫，它不但能夠解決二次揚塵問題，還能夠抑制上灰環的形成，提高除塵效率。

4.2 上灰環

上灰環主要是由于上渦旋不受進口氣流干擾而形成的[5]。上渦旋使得本已被捕集的塵粒沿著筒體外壁向上運動，在除塵器頂部聚積形成上灰環，最終降低除塵效率。如前所述，上灰環可以通過設置旁路而避免。事實上，旁路式旋風除塵器的誕生正是為了消除上灰環。

4.3 壓力損失

式中：ζ——局部阻力系數；

u——進口速度，m/s；

ρ——氣體的密度，kg/m3

由上式可知，進口速度對壓力損失有著顯著地影響。此外，旋風除塵器內的氣流是湍流且存在多種渦流。這些流場均會對除塵效率與壓力損失造成影響。例如，短路流構成的上部渦旋會導致進氣口進氣時偏向筒體外壁從而產生壓縮現象。壓縮現象會增加壁面的流速，由上式可知，壓力損失與進氣口流速的平方成正比。因此，可以采取措施抑制壓縮現象來提高分離效率。例如，方形導板可以通過減少一周旋轉后小曲率半徑的旋轉壓縮現象來減小吸塵器的阻力。另外，還可以安裝減阻桿降低壓力損失[6]。

5 總結

總之，經過長期的發展，旋風除塵器低阻高效的研究已取得一定的進展，但是距離完全實現低阻高效的目的還有一定的距離，尚需要更加深入的探索與完善其各項功能。

[1]宋鳳敏.袋式除塵器和旋風除塵器的性能及其應用的比較[J].環境科學與管理，2012，37（8）：90～92.

[2]田瑋.脈沖噴吹袋式除塵器清灰的研究[D].西安建筑科技大學，2005：11～12.

[3]鄭 負.多管除塵器.中國專利（CN86204956U），1986，2.

[4]舒 帆.旋風除塵器除塵效率的影響因素分析[J].水泥技術，2009，29（2）：89～92.

[5]陳明紹，吳光興，張大中，等.除塵技術的基本理論與應用.北京：中國建筑工業出版社，1981.

[6]王連澤，彥啟森，王建軍，等.旋風除塵器減阻節能技術的研究與應用[J].硫酸工業，2005：（2）：22～26.