旋風除塵器的結構設計

李小敏

（廣東工程職業技術學院 機電（電梯）工程學院，清遠 511520）

旋風除塵器是工業生產領域最常見的除塵設備，在多級除塵、退火爐以及規模較小的鍋爐中應用較多。它的主要工作原理是將含塵氣流通過旋轉的氣流，借助形成離心力來有效分離粉塵。與重力沉降室相比，旋風除塵器功能更優，使粉塵受到的離心力為重力的5～2 500倍[1]。因此，為了達到良好的除塵效果，可以選擇旋風除塵器，能對5～10 μm粒徑的粉塵進行分離。在風量固定的情況下，它還具有節省空間和結構緊密程度高的優點。

1 旋風除塵器的特點

電除塵器主要是基于高壓電場中對含有粉塵的氣流進行的電離，使塵粒產生電荷，利用電場在集塵板中對塵粒進行吸附來凈化氣體，從而有效分離塵粒和氣體。同其他除塵器相比，電除塵器能夠對粒子施加分離力，所以最明顯的優點是氣流阻力較小，不會出現耗能大的問題。電除塵器能夠減少能源消耗，處理的煙氣量較大，有效減少了壓力損失問題，捕集粉塵的效率較高，能夠適用在腐蝕性、溫度較高的環境中，但是成本費用大，對安裝有較高要求，且要求對比電阻后進行調整。

濕式除塵器將含有塵粒的氣相同液相接觸，在裝置作用下能夠使水滴和顆粒進行慣性碰撞，增大塵粒粒徑，達到凈化氣體的效果，具有便于開展維護管理、節約空間、成分費用低和結構簡便等優勢。它擁有較高的除塵效果，能夠處理濕度、溫度較高的氣流，有效降低了爆炸、著火等狀況的發生。濕式除塵器在運用過程中應避免發生污泥堵塞、管道腐蝕等狀況。

過濾式除塵器能夠在過濾材料通入氣體（含粉塵）時有效捕集和分離粉塵。空氣過濾器所選用的過濾填充材料主要是玻璃纖維、濾紙，在調節空氣、通風等方面發揮著重要作用。過濾式除塵器擁有大于99%的除塵效果，不僅性能可靠、較高效率，還便于操作和管理，但需要注意避免在結露狀況下運行。如果對含有較高濃度的氮氧化合物和含硫氧化物煙氣進行處理，會導致部分化纖合成纖維濾料出現腐蝕狀況，減少布袋的使用時間。此外，需避免在高溫情況下運用除塵器，若煙氣中水分含量大于25%，容易出現堵袋問題，增大了清理難度，易導致損壞[2]。

2 旋風除塵器的結構設計

2.1 旋風除塵器的工作原理

旋風除塵器主要由排灰管、進/排氣管、圓錐體以及筒體等組成，具體結構如圖1所示。

圖1 旋風除塵器結構和內部氣流示意圖

在運行狀態下，旋風除塵器的處理流程主要是在進氣口以高切向速度通入氣流（含粉塵），通常高切向速度在12～25 m·s-1。氣流進到圓筒結構后，直線運行的氣流會改變運動形式做圓周運動，同時順著內外圓筒二者之間的環路空間、椎體結構，呈從上到下的螺旋線運動，也可以稱為外旋流運動。

在旋風除塵器工作的過程中，氣流（含粉塵）在旋轉時會形成較大離心力。因為粉塵慣性比空氣大，所以粉塵會甩到器壁上。粉塵與除塵器的器壁接觸后，會受入口速度的動量和自身重力的雙重作用，順著器壁面不斷下落，同氣相分離，將圓錐體底部粉塵排到集灰箱，即完成除塵操作。在旋轉下降過程中，外旋流于圓錐結構中進行運動時，圓錐體在不斷收縮時也會使粉塵聚集到除塵器中心[1]。結合旋轉距不變的原則，在提升粉塵切向速度后，離心力也會增大。氣流到達特定圓錐體位置后會保持相同的旋轉方向，呈從下到上的螺旋線運動，這種運動即為內旋流運動。除塵器排氣管排出經過凈化的氣體后，其中也會夾雜一些沒有捕集的粉塵粒。

2.2 進氣口

在旋風除塵器內，主要依靠進氣口實現氣流的旋轉流動，直接關系著阻力大小和除塵器的運行效率，包括軸向、切向兩大進氣口形式，具體結構見圖2。

圖2 旋風除塵器結構設計圖

2.2.1 切向進氣口

旋風除塵器普遍采用切向進氣口，可以劃分為普通切向和蝸殼兩大進氣口類型。在普通進氣口形式下，除塵器中通入氣流后會出現雙重漩渦。位于上部分的漩渦能夠使粉塵運動到頂蓋周邊位置，在持續積累作用下出現上灰環，所以會導致粉塵進入內漩渦影響除塵效率。在消除氣流干擾性的過程中，經常會運用蝸殼形式的進氣口，能夠明顯降低除塵阻力，從而提升處理風量。對于蝸殼進氣口而言，通常漸開線角度會設置成45°、120°、180°或者270°，最佳效率對應的角度為180°。旋風除塵器運行效率同進口面積關系密切，若進口面積小于筒體斷面，則通入旋風除塵器的氣流切線速度較大，能夠更好地分理粉塵。相對斷面比K為旋風除塵器同體斷面面積和進氣口面積之比，能夠反映除塵效率。隨著K值的增大，除塵效率逐漸提升，能夠處理的風量逐漸減少。結合K值設計情況，能夠將旋風除塵器劃分為如下3種類型[3]：K為4～6時，普通旋風除塵器；K為6～13時，高效旋風除塵器；K在3以上時，大流量旋風除塵器。同旋風除塵器進氣管相連的風管角度的設置要小于15°，還要保障進氣管風速比風管風速要大。在應用普通切向進氣口時，一般都會運用較高的進氣口，使寬高比處于0.3～1.0。但是，蝸殼進氣口需要運用方形，寬高比為1。

2.2.2 軸向進氣口

旋風除塵器為軸向進氣時，氣流在進行旋轉運動的過程中，主要借助進氣口導流葉片的作用。在這種情況下，旋轉速度比切向進氣口要低，能夠進行并聯。單臺旋風除塵器能夠并聯100個，所以也會被稱為多管除塵器，在對較大風量粉塵進行處理方面具有重要作用。因為旋風除塵器的旋風器進行并聯的儲量較多，因此能夠利用控制除塵器直徑的途徑改善除塵效果。在風量固定的情況下，相對于切向進氣口而言，多管除塵器具有較高的除塵效率。因為設置結構相對緊湊，所以多管除塵器還具有空間占據量較小的優勢。對4 600 m3·h-1風量進行處理，若采用0.9 m直徑的高效旋風除塵器進行處理，高度在7.6 m左右，運用多管除塵器則只是2.4 m。對多管除塵器進行設計的過程中，通常會設置共用排氣和進氣口，還會利用礦渣填充不同旋風子間隙，借助隔板使進氣空間、排氣管相獨立，同時對排氣管、隔板進行氣體放泄處理。因為將較多旋風子設置在相同箱體中，能夠使不同旋風子獲得均勻分布的氣流，所以規定不同旋風子阻力、大小相一致，尤其是排灰口負壓必須要保持一致。在滿足以上標準的過程中，順氣流方向上的旋風子在10排以下。基于灰斗內間隔6列，要對獨立灰斗、隔板進行設置[4]。

2.3 圓錐體

旋風除塵器內的圓錐體的主要功能為轉變主氣流的流動方向，變成由上到下，便于向排灰口推送粉塵。基于圓錐體的差異，能夠將旋風除塵器劃分為不同的形式。

2.3.1 擴散式旋風除塵器

擴散式旋風除塵器指的是倒錐體除塵器，進氣管呈矩形狀，同圓筒體水平切向相通。該除塵器的圓筒體較短，下面同圓錐體相連接。倒圓錐體下面安設擋灰板，為漏斗形狀。短圓筒上方設有排氣管。擴散式旋風除塵器中通入含塵氣流后，旋轉流向為從上到下。至椎體下方后，受到擋灰板的影響，很多氣流會從排氣管排出。離筒壁相接近的較少氣流會順著聚集的粉塵順著圓錐體的下方邊沿同擋灰板之間的環縫，通到集塵斗內。在降低氣流流速后，能夠分離出粉塵。因為擋灰板中心位置存在透氣孔，能夠將粉塵從上方排出，同上升方向的內旋流進行混合，從而從排氣管中排出。粉塵性質的差異決定著擋灰板形狀。若粉塵濃度相對較大，應設置較寬的環縫，擋灰板傾角要保證在45°～60°，且要保證擋灰板表面光滑。透氣孔直徑是0.05～0.10倍的圓筒體直徑[5]。

2.3.2 長錐體旋風除塵器

在常規旋風除塵器內，椎體長度要比圓筒體大。通過增加椎體長度，能夠提升除塵效率，同時也會增大阻力。由于圓柱體半徑在減小的過程中會使切向速度不斷增大，能夠增大離心力，從而提高分離性能。長椎體對完成分離的粉塵進入到灰斗中也有很大幫助。長錐體旋風除塵器的圓柱體斜度要在60°以上。經過實驗證實：在旋風除塵器外徑固定的情況下，圓柱體長度增大2.5～3.2倍后，能夠增大除塵效率，且之后隨著長度的不斷增大，不會顯著影響除塵效率。

2.4 排氣管

氣流通過旋風除塵器后，經過旋轉達到錐底時，會向上運動形成內旋流，并從排氣管順利排出。除塵器中插的排氣管同圓筒內壁能夠構成環形通道。通道深度、大小的差異會影響旋風除塵器的阻力、除塵效果。環形通道越小，排氣管直徑、圓筒體直徑之比越減，能夠增大除塵效果，同樣也會增大阻力。然而，若排氣管直徑和圓筒體直徑之比為0.33～0.40的情況下，不會明顯增大除塵效果。通常會將旋風除塵器的排氣管直徑、圓筒體直徑之比設置為0.5。要想達到最佳除塵效率，應設置為0.4。

旋風除塵器的排氣管插入深度較小時，阻力也會減小。如果沒有真正插入，會使阻力降低到最小，大大降低除塵效果。上渦流中的粉塵會在氣流的流動影響下排出排氣管，所以在設計旋風除塵器時，插入排氣管時要比進氣口底部低，同樣不能離圓錐上沿過近。通常會將插入深度設置為排氣管直徑和0.1～0.2倍圓筒體直徑之和。

2.5 排塵口

除塵器最終對粉塵進行分離后，借助除塵器主體下方位置的排塵口排出粉塵。除塵器的運行效果同排塵口的結構、大小有著密切聯系。因為排塵口位置的負壓相對較大，能夠確保排塵口具有良好的封閉性，改善除塵效果。相關試驗表明，漏風程度為5%時，除塵效果會降低為50%。若漏風程度為10%～15%，會喪失除塵效果。要想提高排灰口的密封程度，設計過程中要發揮電動卸塵閥、閃動卸塵閥等不同鎖氣裝置的作用。

3 結語

設計旋風除塵器的過程中，為了確保設計的除塵設備滿足要求，符合凈化制定環境空氣的標準，迎合環保的發展趨勢，要盡量做到了有層次、有目的，結合圖文所示對設計內容進行細化，通過科學選取，明確除塵器的排灰口、進/排氣管、圓錐體以及筒體等各個結構，結合相關計算打造性能較優、滿足標準、方便后期維護的旋風除塵器，以保障除塵效率。