引射式旋風分離器設計及實驗研究

鄭淵博 宋濤 李欣雨 倪龍

1 哈爾濱工業大學建筑學院

2 寒地城鄉人居環境科學與技術工業和信息化部重點實驗室

3 中國建筑西北設計研究院有限公司

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對空氣質量的要求也越來越高。由2018 年全球環境績效指數報告[1]分析可得，中國在空氣質量等領域較為滯后。根據我國2016 年1 月1 日開始全國正式實施的《環境空氣質量標準》（GB 3095-2012），參與空氣質量評價主要有六項指標，分別為細顆粒物（PM2.5）、可吸入顆粒物（PM10）、二氧化硫、二氧化氮、臭氧和一氧化碳。其中顆粒物（如PM10，PM2.5）是造成空氣質量較差的主要因素之一。此外，流行病學研究顯示PM2.5 會導致呼吸系統疾病急劇增加。其主要原因是PM2.5 中重金屬和有機污染物含量豐富[2]，人體吸入后，會引起支氣管上皮細胞[3]和肺部上皮細胞[4]壞死或發生病變。長期暴露在被顆粒物污染的空氣中是造成加速大腦衰老的一個風險因素[5]，更有研究顯示，老年人和小孩長期暴露在這種環境中會造成認知能力下降[6-7]。人們一天（或一生）中大約有80～90%時間在室內度過[8]，因此過濾掉空氣中的顆粒物，為室內提供干凈空氣勢在必行。

過濾是除去空氣中的細微顆粒物最常用的方法，即讓氣體通過編織的或壓制的纖維網狀過濾材料來實現氣體和顆粒物分離。這種通過濾筒或濾袋的除塵方法優點是分離效率高。但由于顆粒物會填充濾料的部分孔隙而在濾料表面形成粉料層，隨著粉料層的建立，氣體通過濾料的壓降增加，并且濾料易磨損，因此需要及時處理和更換報廢的濾筒和濾袋。除過濾外，離心分離是另一種常用的分離方法。旋風分離器是典型代表，含塵氣體進入分離器后，在旋風分離器內部做旋轉流動，其中密度大的顆粒物隨外旋渦向下旋轉流動，最終被帶至旋風分離器底部灰斗而分離。而密度小的空氣隨內旋渦向上旋轉流動，最終干凈空氣從溢流管排出。旋風分離器具有結構緊湊、處氣量大、制造成本低、便于維護和操作等優點，現已被廣泛應用于各個領域，如工藝生產[9]、顆粒物篩選[10]、PM2.5 和PM10 檢測[11]、生物取樣[12]等。盡管旋風分離器有上述諸多優點，但旋風分離器內部流動處于湍流狀態，流場十分復雜。例如流場中存在的短路流和灰斗區域內部循環流會加劇顆粒物溢流跑粗而減小分離效率。此外，諸多研究顯示傳統旋風分離器分割粒徑較大，對于粒徑較小的顆粒物分離效率較低。為了提高旋風分離器的性能，學者們從不同角度做了大量研究，主要是為了提高旋風分離器的分離效率和降低旋風分離器的壓降。一些學者試圖通過改變旋風分離器的結構尺寸來提高旋風分離器的性能，例如優化溢流管的長度[13]和直徑[14]，改變進氣管尺寸[15]和入口收縮角度[16]等。這些研究使得旋風分離器的性能在一定程度上得到了提高，但旋風分離器底部灰斗中顆粒物累積需定時清除，其間歇除塵的運行機制還是沒有改變，無法達到連續分離顆粒物的效果。

為此，本研究提出了帶有引射裝置的新型旋風分離器，即利用引流機使得一部分氣流從底流管排除，進而有效抑制灰斗口顆粒物的二次返混現象，使得細小顆粒物的分離效率得以提升。同時，引流的存在也使得旋風分離器實現了連續排污，不需要定期處理灰斗內的顆粒沉積。因此，引射式旋風分離器對于改進旋風分離器結構，增強細小顆粒物去除以及室內空氣品質提升具有重要的意義。

1 實驗裝置和實驗方法及原理

1.1 引射式旋風分離器結構尺寸

經學者研究，增長旋風分離器圓柱段與圓錐段的長度可以在一定程度上提高分離細小顆粒物的效率[17]。另外旋風分離器錐角過大會增大顆粒物被夾帶進內旋渦流的可能性，故旋風分離器的錐角不宜大于20°。本文的帶引射裝置的旋風分離器結構尺寸如表1所示，設計圖與實物圖如圖1 所示。為方便顆粒物排出，排污管與引流管呈45°角。為降低顆粒物在拐角處沉積的可能性，底流管與排污管用40°半徑為5 mm 的圓弧連接。入口管徑取為DN15 可保證實驗流量不至于過低。此外，引射式旋風分離器所用材質為高硼硅，壁厚為3.3 mm。

表1 帶引流功能的新型旋風分離器的結構尺寸

圖1 引射式旋風分離器樣機

1.2 實驗方法及原理

為研究各操作參數對引射式旋風分離器性能的影響，搭建了如圖2 原理所示的實驗臺。為降低室內空氣原有顆粒物對實驗精度的干擾，首先用初效和中效過濾器過濾掉空氣中原有的顆粒物，被過濾的室內空氣再與由微型螺旋給料機送入的顆粒物混合。然后由入口離心風機加壓后切向送入引射式旋風分離器，在旋風分離器內形成內外兩個旋渦流，內旋渦的干凈氣流經溢流管流出，部分氣體裹挾著顆粒物沿底流管進入排氣管，再經過引流離心風機排入灰斗中進行水浴處理，以免顆粒物擴散至室內空氣中造成污染。本實驗選取實驗顆粒物時充分考慮了大氣中實際顆粒物的情況，大氣中的顆粒物的產生主要包括工業尾氣的排放、路邊的揚塵[17]等幾個因素。二氧化硅是自然界較為常見的材料，具有化學性質穩定等特點，其顆粒物形狀近似球狀，與實際空氣中的顆粒物有較高的相似性。故本實驗的顆粒物選用10 μm 二氧化硅顆粒物。

圖2 引射式旋風分離器實驗臺原理圖

引射式旋風分離器的分離效率由式（1）計算：

式中：E 為分離效率，%；mu為底流口顆粒物的質量，μg；mi為入口顆粒物的質量，μg；Ci為入口顆粒物的質量濃度，μg/m3；Co為溢流口顆粒物的質量濃度，μg/m3；Qi為入口流體的體積流量，m3/h；Qo為溢流口流體的體積流量，m3/h。

入口及溢流口顆粒物的質量濃度可由TSI-9306激光粒子計數器測出，入口及溢流口流體的體積流量由渦街流量計測得，代入式（1）即可求得分離效率E。

引射式旋風分離器由于引射裝置的存在，使得進入引射式旋風分離器的氣體并不是都從溢流管排出，部分氣體會攜帶著顆粒物從底流管排出，故引入分流比的這一參數，分流比是指底流流體的體積流量與進流流體的體積流量的比值，通過入口、溢流口的渦街流量計可測得入口、溢流口處流體的體積流量，而底流流量即為入口流量與溢流口流量的差值，從而可求得分流比F。

式中：F 為分流比，%；Qu為底流口流體的體積流量，m3/h；Qo為溢流口流體的體積流量，m3/h；Qi為入口流體的體積流量，m3/h。

2 實驗結果分析與討論

引射式旋風分離器的入口流量對分離效率和分流比的影響如圖3 所示，分離效率隨著入口流量的增加而增加。當入口流量達到11.01 m3/h 時，分離效率開始慢慢降低。同時分流比隨著入口流量的增加而減小，但減小的幅度逐漸變緩，這是因為當引射式旋風分離器的入口流量增大時，氣體進入引射式旋風分離器的切向速度就會變大，從而減小了顆粒物在引射式旋風分離器內的停留時間，且切向速度的增大會使得引射式旋風分離器的內旋渦不穩定，造成溢流管處的短路流現象越發嚴重，從而破壞了引射式旋風分離器內部原本較為穩定的流動狀態，使得引射式旋風分離器的分離效率降低。另外入口流量對壓降的影響由圖4可知，引射式旋風分離器的壓降也會隨著入口流量的增大呈現上升趨勢。引射式旋風分離器的入口壓力對分離效率、分流比和壓降的影響如圖5 和圖6 所示，入口壓力對引射式旋風分離器分離效率，分流比和壓降的影響非常小，由此可見引射式旋風分離器內部流場幾乎不受入口壓力影響。

圖3 入口流量對分離效率、分流比的影響

圖4 入口流量對能量損失的影響

圖5 入口壓力對分離效率、分流比的影響

圖6 入口壓力對能量損失的影響

引射式旋風分離器的入口濃度對分離效率、分流比和壓降的影響由圖7 和圖8 可得，隨著入口濃度的增加，引射式旋風分離器的分離效率先增加。當入口濃度達到9812.75 μg/m3后，分離效率為88%。當入口濃度繼續增加時，分離效率漸漸趨于穩定。而分流比幾乎不隨入口濃度的變化而變化，由此可見顆粒物的濃度對引射式旋風分離器的內部流場影響不大。另外，顆粒物濃度的增加使得氣流的摩擦損失增大，所以入口濃度的增加使得引射式旋風分離器的壓降呈現出增大的趨勢。入口濃度的持續增加并不能使得分離效率持續增加，且會造成壓降的持續增大（如圖8 所示），因此較為合適的入口濃度為8796.58 μg/m3。

圖7 入口濃度對分離效率、分流比的影響

圖8 入口濃度對能量損失的影響

圖9 反映了引流流量對引射式旋風分離器分離效率和分流比的影響。由于入口流量不變，引流流量的增加使得分流比持續增加。當引流流量不高于5.2 m3/h時，分離效率隨引流流量的增加而增大的較為明顯。當引流流量高于5.2 m3/h，分離效率隨引流流量的增長而增長緩慢。引流流量的增大使得從底流管流出的氣體越多，從而能夠帶走更多在底流口附近循環的顆粒物，減少了顆粒物被二次夾帶返回內旋渦中從而進入溢流管的可能性。入口流量維持在12.2 m3/h 不變，入口顆粒物濃度一定，隨著引流流量的增加，溢流口流量減小，而隨著顆粒物二次返混現象的減緩，溢流口顆粒物濃度也隨之降低，最終使得引射式旋風分離器的分離效率呈現上升的趨勢。但當引流流量超過5.2 m3/h 時，顆粒物由于受到底流的拖拽力影響而容易直接進入不利于顆粒物分離的內旋渦，這反而促進了短路流的發生，從而使得引射式旋風分離器的分離效率不在上升，而是趨于穩定。引射式旋風分離器的壓降隨著引流流量的變化如圖10 所示，隨著引流流量的增加引射式旋風分離器的壓降逐漸減小，但當引流流量較大時，引流所造成的壓降損失便不可忽略。所以綜合考慮引射式旋風分離器的分離效率和能耗，引流流量不宜過大，對本系統而言，合理的引流流量為5.2 m3/h，此時引射式旋風分離器的分流比為42.7%，分離效率為87.7%。

圖9 引流流量對分離效率、分流比的影響

圖10 引流流量對能量損失的影響

為了比較各操作參數對引射式旋風分離器性能指標的影響大小，定義一個敏感性指標S 來進行衡量，敏感性指標S 的定義由式（3）可得：

式中：A 為分離性能指標（分離效率、分流比、溢流口濃度、壓降）；B 為操作參數歸一化處理值；n 則為實驗的次數。

為了使各操作參數處于同一數量級，具有可比性，此處對各操作參數進行歸一化處理，歸一化處理值B 可由式（4）得出：

式中：B 為操作參數歸一化處理值；xi為操作參數某次實驗工況的測量值；xmin為操作參數實驗工況中最小測量值；xmax為操作參數實驗工況中最大測量值。

通過式（3）和式（4）即可計算出各操作參數對引射式旋風分離器各性能參數的敏感性指標，計算結果如表2 所示：

表2 操作參數對分離性能敏感性指標對比表

通過表2 可以看出，就本實驗系統所設計的實驗工況而言，引流流量的改變對引射式旋風分離器分離效率所產生的影響最大，其次是入口流量，然后是入口濃度，而入口壓力對分離效率的影響最小。對于分流比，引流流量的變化所產生影響最大，其次是入口流量，而入口濃度和入口壓力的改變對分流比均影響較小。改變入口流量對溢流口濃度產生的影響最大，其次是引流流量，然后是入口濃度，對溢流口濃度影響最小的是入口壓力。對于能量損失，改變引流流量對其產生的影響最大，其次是入口濃度，然后是入口流量，而改變入口壓力對其產生的影響最小。

3 結論

1）與傳統的旋風分離器相比，引射式旋風分離器實現了可連續分離并且消除了由底部集污槽所引起的二次返混現象。

2）增大引流流量可有效提高分離效率，綜合考慮各性能指標，對本系統而言，最優的引流流量為5.2 m3/h，此時分離效率可達87.7%。

3）引流流量在入口流量、入口壓力、入口濃度、引流流量四個參數中對引射式旋風分離器的分離效率、分流比和能量損失的影響最大，而入口壓力對分離效率、分流比和能量損失幾乎沒有影響。