內構件技術在旋風分離器內的應用進展

高助威， 王 娟， 王江云， 馬卓越， 毛 羽， 魏耀東

(1.中國石油大學 重質油國家重點實驗室， 北京 102249； 2.過程流體過濾與分離技術北京市重點實驗室， 北京 102249)

旋風分離器是利用離心力作用，進行氣-固分離的工業設備。由于其結構簡單、操作方便、處理量大等優點，被廣泛應用于工業除塵、石油化工、煤炭發電等領域。分離效率和壓力損失是衡量其性能優劣的兩大指標，兩者往往成正相關性[1-2]，“隨之增大”或“與之減小”。隨著化工過程的發展，工藝上要求在保持較高分離效率的同時，能夠降低壓降，從而降低能耗。

國內外眾多學者提出了各種減阻增效的方法和措施[3-6]，主要集中在三個方面——結構優化、安裝內構件和其他措施。包括校直排氣管中的旋轉氣流，如安裝導流葉片、消旋器等；改善入口結構，安裝導流板，減少顆粒聚集；改變內部流場，提高其流動的穩定性，如安裝穩渦器，減阻桿等；進行結構優化，開發新型高效旋風分離器，如無上排氣管結構[7]等。但是，在工業實際應用過程中，若采用更換旋風分離器的方式，將會增加生產成本和擴大工程量。因此，在不改變分離器原有尺寸的情況下，通過添加內構件來提高分離性能，成為學者們研究的熱點。

目前，在旋風分離器的工業應用中，通過內構件來減阻增效是一種行之有效的方法。然而，關于旋風分離器內構件的系統性分類，以及內構件技術的發展方向，研究報道尚很少見。筆者在概述旋風分離器工作原理的基礎上，通過對內部流場的分析，闡述減阻增效的機理，并系統介紹減阻桿、導流葉片、穩渦器等幾類內構件的工作原理和使用效果，以及內構件技術的研究進展，并展望旋風分離器內減阻增效內構件的發展趨勢，以期為旋風分離器的性能改進提供參考。

1 旋風分離器的工作原理

旋風分離器結構形式復雜多樣。根據進氣形式來分，常用的旋風分離器有兩類，切流反轉式和軸流反轉式，如圖1所示。含有固體顆粒的氣流由入口沿直線進入旋風分離器，受圓筒形壁面的約束，轉變為繞壁旋轉的圓周運動，沿著壁面螺旋向下，形成“外旋流”。受旋轉產生的離心力作用，密度較大的固體顆粒被甩向壁面。顆粒一旦與壁面接觸，便依靠入口速度產生的動量和重力的沉降作用，沿壁面下落，最終進入灰斗。外旋流向下到達圓錐體部位后，壁面的收縮使轉速顯著提高，并且隨著直徑的減小，外壁壓力不斷增加，在錐體的中間區域形成低壓區。在高壓區的作用下，氣流向中心靠攏，并在底部由下向上返轉，繼續做螺旋運動，直至經排氣管排出，此即為“內旋流”。部分在下行流區域未被分離的顆粒會被甩向外旋流區重新進行分離，另一部分未被捕集的細小顆粒則從排氣管逃逸。

圖1 旋風分離器的結構示意圖Fig.1 Structure of cyclone separator(a) Tangential flow reversal cyclone separator;(b) Axial flow reversal cyclone separator

2 旋風分離器減阻增效的機理

雖然旋風分離器結構簡單，但其內部流場卻為復雜的湍流流場。其中，外旋流對顆粒的捕集起到積極的作用，而內旋流對顆粒的捕集不起作用，屬于消耗性能量[8]。除內旋流和外旋流外，還存在若干干擾渦流。這些干擾渦流在不同程度上影響分離效率和壓力損失。其中，環形空間的縱向環流使顆粒聚集形成“頂灰環”，排氣管下口附近的短路流使顆粒逃逸，錐體下部排塵口附近的偏心環流使顆粒返混，對分離效率影響較大。據此，旋風分離器內減阻增效的機理可以總結為：提高外旋流區的旋轉強度，抑制內旋流區的發展，降低干擾渦流的能量損失，從而提高分離效率。

3 旋風分離器內構件的分類及研究現狀

在工業實際應用中，若采用新的旋風分離器替代原有分離器，會使成本和工程量變大。在不改變旋風分離器結構尺寸的情況下，采用添加內構件的方法是一個節約、簡單的方案。根據結構形式和解決的工業問題分類，筆者主要介紹減阻桿、導向板、減阻框、中置物和導流葉片等幾類內構件的工作原理和使用效果，并概述其工程應用研究現狀。

3.1 減阻桿

減阻桿，通常是一根特定形狀的剛性桿件，安裝在旋風分離器內適當位置，起到降低壓力損失，穩定渦流的作用。減阻桿形狀不同，所形成的繞流尾渦形態不同，對流場的影響也不同。減阻幅度與減阻桿的迎風面積、背風面曲率半徑以及插入深度有關，安裝示意圖如圖2所示。安裝減阻桿，可以形成繞流尾渦與原流場中的渦流相互作用，能夠抑制內旋流的旋轉強度，降低湍流脈動，使內旋流的湍流能量耗散大幅減低。Wang等[9]、Gong等[10-11]在旋風分離器內添加減阻桿，發現能夠大幅減低旋風分離器內的阻力，引發了國內外專家對減阻桿的機理和優化的研究[12]。Liu等[13-14]利用激光多普勒測速儀(Laser doppler velocimetry，LDV)，對比測試了安裝減阻桿與否對旋風分離器內流場的影響，結果表明，安裝減阻桿會使速度梯度減低，湍動耗散減弱，壓力損失減小。敖龍等[15]、王政威等[16]對直徑為150 mm螺旋形旋風分離器進行實驗，發現減阻桿直徑為30 mm時減阻幅度最大可達26.68%；減阻桿直徑大于80 mm時，不僅不能減阻，壓降反而增加。總的來說，安裝適宜的減阻桿能夠降低內旋流的能量耗散，穩定渦流，從而達到減阻、節能與增產的效果。

3.2 導向板

導向板，通常安裝在入口處，抑制壓縮現象的發生，改善入口處的流動。壓縮現象是指含有固體顆粒的氣流沿切線方向進入旋風分離器，因環形空間軸向作用產生的上行曳力較大，部分氣流在旋轉1周后斜向吹到隨后進入的氣流上，導致入口進氣偏向筒壁，產生擠壓，形成壓縮作用。壓縮現象不僅使壁面處顆粒的流速增大，增大了壁面摩擦力，形成沖蝕作用，而且嚴重時會造成顆粒聚集，形成“頂灰環”，導致壓力損失增大，分離效率降低。安裝導向板，可以使旋轉1周后的氣流呈小曲率半徑旋轉向下，抑制了壓縮現象，從而有效地提高分離效率。導向板的安裝技術簡單方便，對傳統分離器的改造以及提高其分離性能具有重要的意義。

圖2 旋風分離器減阻桿的安裝示意圖Fig.2 Schematic diagram of pressure drop mitigationstick in the cyclone separator

圖3 壓縮現象及導向板安裝位置示意圖Fig.3 Compression phenomenon and location of guide blade

圖3為壓縮現象及導向板安裝位置示意圖。李利等[17]對不同尺寸的導向板進行研究，發現適宜的導向板能夠減少“頂灰環”現象，證明了導向板可以降低壓力損失，提高分離效率。祝立萍等[18]研究表明，導向板能夠規整旋風分離器內部的渦流狀況，對渦流有導流、引流的作用，可以降低10%～40%的阻力損失。Silvac等[19]、劉文歡等[20]在入口處增設不同形式的導向板并進行對比分析，發現相對于方形導向板，弧形導向板的綜合效果更佳。導向板的形狀和尺寸大小[21-23]不同，對分離效率和壓力損失影響不同。只有適當的形狀和尺寸，才能既降低壓力損失又提高分離效率。

3.3 中心體結構

中心體結構，又稱內筒、芯筒，通常放置在中心軸處，分離內外旋流，有效地消除內外旋流相互交叉、摻混、碰撞摩擦產生的能量損失[24-25]。中心體結構形式多樣，對壓力損失和分離效率的影響各有不同，中心體結構及分流型芯管的結構示意圖如圖4所示。趙萍等[26]提出具有內外雙筒結構的分離器能夠降低壓降，更有利于顆粒的分離。Griffiths等[27]發現，中心體結構的直徑為筒體直徑的0.6倍時，能夠最大程度地降低壓降。中心體結構不僅能夠保證外旋流的旋轉強度，減弱氣流旋進渦核(Precession vortex core，PVC)運動，減少內旋流的能量損失，而且可以有效降低排氣管內氣流的旋轉強度，提高分離效率。

圖4 中心體結構及分流型芯管的結構示意圖Fig.4 Structure of central body and split coretube in the cyclone(a) Structure of central body; (b) Structure of split core tube

目前，毛羽等[28]、陳建義等[29]開發的“分流型芯管”在工業上得到廣泛應用，結構如圖4(b)所示，將其安裝在排氣管下端，既可防止粗顆粒因彈跳而被帶出，又能有效地提高細粉的捕集效率。Li等[30]、金有海等[31-32]在PSC旋風管內添加分流型芯管，發現可以有效地抑制排氣管下口的“短路流”，降低顆粒在排氣管下口被“短路流”夾帶的概率。Xiong等[33]、王建軍等[34]對分流型芯管不同開縫位置(如圖5所示)進行研究，發現開縫能夠使壓降在不同程度上降低，上部開縫時壓降最低，下部開縫能提高分離效率。在旋風分離器內安裝中心體結構，可以減弱內旋流的旋轉強度，降低旋進渦核運動，達到減阻效果。如果優化中心體結構和安裝導流葉片，分離效果更佳。

圖5 開縫位置示意圖Fig.5 Location of open seam(a) No seam; (b) Global seam; (c) Top seam; (d) Bottom seam

3.4 減阻框

減阻框，多用于軸流式旋風管[35]，通常安裝在排氣管下部，用于降低排氣管內氣流的旋轉強度，減弱“滯流”、“倒流”、逆壓梯度等耗能流動。安裝減阻框，對分離空間內的氣流流動影響較小，能夠保證分離效率。常見減阻框型式有柵格減阻框、直桿減阻框和錐形減阻框3種，如圖6所示。楊建國等[36]用由4根圓桿(直徑為8 mm，桿長200 mm)組成的直桿減阻框進行實驗，將其安裝在排氣管內。結果表明，安裝減阻框后，排氣管內氣流脈動減弱，阻力特性曲線明顯向下偏移，相同流量下壓降降低。后經大量實驗表明，平均減阻幅度可達9%。馬慶磊等[37-40]對比分析了3種減阻框結構，發現安裝柵格減阻框、直桿減阻框均能不同程度降低壓降，減阻幅度大小不同，直桿減阻框減阻幅度最大為26.56%，而柵格最大可減阻7.28%；但是安裝錐形減阻框，壓力損失反而會有一定程度的升高。隨后，金有海等[31,40]對減阻效果明顯的直桿減阻框展開流動分析，發現直桿減阻框能減小氣流的切向速度峰值，使氣流旋轉強度降低，從而使排氣管內能量耗散減少；改善了軸向上的壓力梯度，降低了壓力損失；對下行流影響不大，能夠削弱排氣管中心區域的滯流與回流。這些因素都有利于旋風管內顆粒的分離，能夠提高其分離效率。

圖6 減阻框及其安裝位置示意圖Fig.6 Structure and location of reducing pressure drop frame

3.5 中置物

中置物，形式復雜多樣，如圖7所示。安置中置物，能夠填堵軸心區域的高負壓區，改變壓力梯度分布。此外，中置物一般只對內旋流區起作用，對外旋流影響較小。這樣就保證了對分離起決定作用的外旋流的旋轉強度，因此對分離效率幾乎沒有影響[41]。然而，中置物形狀和尺寸不同，對流場的影響不一。若中置物選擇不當，不僅不能減阻增效，反而會增阻減效，所以選取合適形狀和尺寸的中置物是非常關鍵的。劉金紅等[42]在旋風分離器軸心及出口區域放置各種形狀的減阻物，分別測量了分離器內三維速度及壓力分布，分析分離器內各部分的壓力分配情況，結果顯示，導彈形減阻器效果最佳，可使分離器壓降降低27.9%，效率提高28.2%。Ogawa等[43-44]發現將中置物設計成橢球體，能夠防止邊界層分離，若其后設計成錐形，類似“子彈頭”，則形成簡單擴壓器，能夠將動能轉化為壓力能。能夠解決工業問題的中置物才是合適的，中置物的結構形式與安裝與否應根據分離器的具體結構和實際工業應用而定。

圖7 不同形狀中置物及其安裝位置示意圖Fig.7 Different shapes and installationpositions of middle objects(a) Installation positions of middle objects;(b) Different shapes of middle objects;(c) Position and shape of vane

3.6 導流葉片

導流葉片，又稱整流葉片，通常安裝在排氣管入口處，校直排氣管內旋轉氣流[45]。導流葉片的形式不同，效果也不同。常見的導流葉片類型包括直螺旋葉片、圓弧葉片[46]以及傾斜平板式葉片，如圖8 所示。Prandtl等[47]首先提出導流葉片的概念；Sheperd等[48-49]將導流葉片安裝在排氣管下方，發現導流葉片能夠在保證效率的同時降低壓降。陳秉林等[50]設計了一種酷似風扇葉片的導流葉片，用于CX型旋風分離器，減阻可達22.8%。Browne等[51]設計了更完善的消旋器，其結構與圖7(c)所示較為類似，中心為橢球體，葉片數為8，使阻力下降了22%。Lim等[52]、李礦林等[53]針對直葉片、大圓弧葉片、小圓弧葉片等形狀的導流葉片進行實驗研究。結果表明，壓降均有不同程度的減小，其中大圓弧導流葉片最高可減阻23%；但其沒有說明分離效率的變化情況。蔣明虎等[54]、趙立新等[55]分析了葉片的結構參數對分離器內部速度場和壓力場的影響。結果表明，在一定范圍內，壓力隨角度增大而降低，適當增大角度可以減小壓降和能耗。總的來說，適宜的導流葉片能夠減弱排氣管內氣流的旋轉，減少能量耗散，降低壓力損失。

圖8 導流葉片結構示意圖Fig.8 Schematic diagram of guide vane structure(a) Straight spiral vane; (b) Circular arc vane;(c) Inclined plate vane

3.7 穩渦器

穩渦器，如防返混錐、穩渦罩等，安裝在分離空間尾部或者料腿頂部(如圖9所示)，能夠抑制料腿上方的顆粒返混，使顆粒更好地被捕集。吳小林等[56]在旋風分離器灰斗上方添加防返混錐，發現防返混錐能夠大幅降低旋進渦核的強度，縮小其范圍，而且能夠較好地抑制已分離顆粒的返混。Dorfeshan等[57]、孫國剛等[58]研究結果表明，加防返混錐能使錐體下端切向速度有所提高，利于顆粒分離。Rafiee等[59]、吳冉[60]、吳凱等[61-62]研究發現，防返混錐雖然能夠抑制旋進渦核和顆粒返混，提高分離效率，但也會增大設備的壓降。Wasilewski等[63]對15種不同角度的防返混錐進行分析，發現混錐角度為85°時能最大程度抑制顆粒返混，提高分離效率；混錐角度大于100°時壓降會增大。因此，安裝穩渦器，能夠改善錐體下部的流動狀況，減弱料腿上部的偏心環流，降低內旋流的旋轉強度。

圖9 穩渦器及其安裝位置示意圖Fig.9 Structure of the vortex stabilizing device and its location(a) No device; (b) Conical type; (c) Elliptical type; (d) Frustum of cone

3.8 防渦器

防渦器，與穩渦器不同，通常是一塊剛性板或者一個交叉的“十字形”或“米字形”剛性板，安裝在料腿上部，主要用來抑制渦流的形成，消除因氣流旋轉對料腿產生的沖蝕，阻止其旋轉。但是，防渦器會造成料腿上方產生較強的擾動，使旋轉氣流的切向速度大幅降低，導致分離性能下降。Arkadiusz等[64]對防渦器進行實驗，結果表明，防渦器能夠降低料腿內顆粒的旋轉，但是也會產生繞流，導致分離效率下降。為此，除一些特定場合外，不推薦使用防渦器。

圖10 防渦器及其安裝位置示意圖Fig.10 Anti-vortex device and its installation position(a) No device; (b) Anti-vortex device of Phill; (c) Anti-vortex device of Pozi

4 旋風分離器內構件技術的研究進展

4.1 內構件的組合使用

在工業運用中，內構件有時并不單一使用，而是采用多種方式結合的方法進行減阻降耗，提高分離效率。孫化鵬等[65]對子彈頭減阻器進行了實驗研究，發現子彈頭減阻器上安裝適宜的葉片，如圖7(c)所示，比單一使用子彈頭減阻器，更能提高旋風分離器的效率，減小總壓降。Shi等[66]在入口處添加傾斜平板式導流葉片的基礎上，運用分流型芯管的形式分離油-水混合物，可使油-水分離設備分離效率提高20.1%。Kosaki等[67]在添加穩渦桿的基礎上，添加防返混錐，發現這種組合形式不僅能減少顆粒返混，而且提高了流體流動的穩定性。Dorfeshan等[57]發現，在筒體中心添加旋流葉片的基礎上，在筒體尾端添加約140°的防返混錐，不僅能夠減少顆粒返混，而且能夠最大程度提高分離效率。所以，內構件的組合使用可大大提升旋風分離器內部流動空間的利用率，使分離效率在單一內構件的基礎上再次得到提升，是未來旋風分離器內構件的發展趨勢之一。

4.2 新型減阻增效內構件的開發

隨著化工科技的發展，在工程運用過程中，還會出現各種各樣的新型內構件。Luan等[68]提出，在導流葉片的出口可以連接過濾器，能夠進行更加精細的分離。Sibanda等[69]在旋風分離器內安裝了錯流過濾原件，有效地促進了細顆粒的捕集效率。宋承明等[70]對內置渦核破碎翼旋風分離器進行顆粒分析，發現葉片形狀和布置方式對流場影響較大，安裝合理時既能維持較高效率又能極大程度減低壓力損失。未來，伴隨著新型內構件的開發與應用，旋風分離器的分離效率會進一步地提高，不僅能夠降低其阻力，而且可以漸漸滿足各種環保及工藝要求。

4.3 新材料的開發與內構件的使用壽命

旋風分離器內部流場為氣-固兩相流動，顆粒的運動會造成內構件的磨損，降低內構件的使用效果。對內構件使用新材料，使其耐磨抗損，能夠大大增強內構件的使用壽命，在另一種意義上保證了旋風分離器的高效氣-固分離。何祥義等[71]對CFB旋風分離器研究發現，含SiO2材質的耐火磚抗壓強度高，在高溫下有一定的韌性，材料的耐磨性好。李洪杰等[72]在旋風筒上運用組合陶瓷片，發現組合陶瓷片能夠提高設備使用壽命，降低停機更換成本。因此，新材料的開發能夠提高內構件的使用壽命，是未來內構件的發展趨勢之一。

5 旋風分離器內構件技術的發展方向

目前，針對旋風分離器內構件的研究取得了一定的成果。但是，部分內構件很少被用于工業生產，因為內構件的應用不僅要考慮其減阻效果，還要考慮其對分離器效率的影響大小、安裝難易程度、實施維修費用、使用壽命等因素。許多內構件的應用，在減阻和增效兩方面有可能是矛盾的，阻力降低了，效率可能也隨之下降。

21世紀是各種自然科學高度綜合、相互交叉、彼此滲透的時代，在未來旋風分離器內構件的研究發展中，會更傾向于多元化、細致化、精確化、簡約化。在宏觀上，結構形式會趨于多樣化，但以簡約為主，而且將會采取多種方式相結合的方法，減阻降耗提高分離效率。在微觀上，內構件的使用將使旋風分離器分離更加細微的顆粒，解決目前5 μm以下粒徑顆粒分離效率低的難題。此外，環保及工藝要求會越來越高，旋風分離器內構件的研究發展想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，才能為工業的發展和創新提供更可靠、更靈活、更高效、更經濟的技術系統。

6 結 語

隨著化工過程的不斷發展，環保及工藝要求越來越高，工業上要求保證旋風分離器分離效率的同時能夠減小壓降。目前的研究主要集中在結構優化、安裝內構件和其他措施3個方面。但是，在工業實際應用中，若是采用更換分離器的方式，會大大提高生產成本和工程量，此時添加內構件不失為一個經濟、簡便的方法。根據內構件的結構形式和工作原理，內構件可大致分為減阻桿、導向板、導流葉片等八類。由于旋風分離器的結構不同，不同內構件亦有不同程度的減阻效果。但是內構件的使用對分離效率的影響不一，部分內構件在減阻和增效兩方面可能是矛盾的，阻力降低了，效率也隨之下降。此外，工業上內構件的使用并不單一，多數情況下組合使用效果更佳。總的來說，在不改變旋風分離器結構尺寸的情況下，安裝內構件能夠改善旋風分離器內的干擾渦流，提高內部流動的穩定性，從而有效地實現分離器的減阻增效。