旋風除塵器去除細顆粒物的改進設計探索

任曉珍，許志超，趙 歡，曹 熙

（1.沈陽科技學院，遼寧 沈陽 110167；2.沈陽森騰環保科技有限公司，遼寧 沈陽 110167）

引言

目前，在電力、化工等行業中已經較多地采用了旋風除塵器[1-2]。我國新的《環境空氣質量標準》（GB 3095-2012）對一類二類環境空氣功能區PM2.5年平均濃度限值分別為15 μg/m3和35 μg/m3，并對多種空氣污染物的濃度限值做了新的修訂[3]。隨著國家對工業排放治理力度持續加大，人們對環境保護和職業健康也愈發重視，政府、企業、科研機構不斷投身到綠色發展和污染治理中，使我國的大氣污染治理取得了長足的進步[4]。而由于細顆粒粉塵在空氣中停留時間長且能夠遠距離傳播，從源頭上控制粉塵排放成為最有效和經濟的方法[5]。國內外學者一直關注如何提高旋風除塵器的除塵效率，目前的研究主要集中在通過模擬改進旋風除塵器的結構，從而實現對細顆粒物進行有效地捕獲。但是，除塵器的結構復雜，應用難度較大。因此，相關人員有必要對細顆粒物去除技術開展研究，提升旋風除塵器的應用性能。

1 旋風除塵器的特點

旋風除塵器包括灰斗、進氣管、筒體等，依賴于各個部分的配合來實現整體的除塵功能。通常情況下，粒子受到的離心力可以達到重力的5～2 500倍，所以，相對于重力沉降室，旋風除塵器可以達到更高的效率，而且對于去除非黏性及非纖維性粉塵具有較好的效果，尤其是在顆粒尺寸超過5 μm時，可以達到更佳的效果。

2 設計思路

針對旋風除塵器對微細顆粒（5 μm以下）分離性能差的問題，本文通過將離心力與靜電力組合的形式，在結構上對旋風除塵器進行優化，在普通旋風除塵器的高效捕捉大顆粒的基礎性上，通過靜電力捕捉微細顆粒，有助于提升除塵效率。很多研究者很早開始研究靜電旋風復合除塵器設備。關于電旋風除塵設備的研究起源美國，是在普通旋風除塵器的內部安裝電暈極，產生高壓電場來使粉塵電離，從而防止粉塵隨空氣逃逸[6]。龔光彩等人[7]在旋風除塵器的對數螺旋筒內設置內渦式芒刺電極，得出在該結構形式下除塵效率與氣流速度、工作電壓、入口濃度的基本關系。史鐘璋等人[8]在對加設外渦型電極的電旋風除塵器的研究中發現，在特定的入口氣速和電壓范圍內電旋風效率有“峰值”規律。ChiJen Chen 團隊[9]研究靜電旋風除塵器在不同進風速度和粉塵顆粒下，靜電力對除塵分級效率的影響，以及離心力對粉塵顆粒沉降速度對除塵分級效率的影響。

綜合上述專家研究成果，設計出具有優異的除塵效率、經濟性良好、適應場合廣泛的靜電旋風復合除塵器設備，并有效解決現有旋風除塵器對微小顆粒除塵效率低的問題，具有重要的理論意義和學術價值。其可以降低企業在處理粉塵問題的資金投入，提高微小顆粒除塵效率和經濟性，改善工人工作環境和保護周邊環境，提高企業核心競爭力等。

根據國家廢氣排放標準的要求，以市場上目前現有的除塵器的產品專利等作為基礎，對產品結構功能原理進行分析，開展靜電旋風復合除塵器方案創新設計研究，從而實現技術上的創新與突破。本次研究針對靜電旋風復合除塵器進行了設計，具體實現的功能如下所示：含有灰塵的廢氣被吸入筒體，通過電暈裝置產生高壓電場使得灰塵電離，再通過旋風筒產生離心力，塵氣被凈化，粉塵沉降，干凈的空氣排除，清灰裝置定期開啟，清掃筒壁。該靜電旋風復合除塵器的設計方依據以下原則進行篩選。

（1）可靠性。靜電旋風復合除塵器功能原理方案選擇機械結構簡單、產品零部件可維護性高，運行安全可靠的方案。

（2）經濟性。在設計產品時需要考量產品的經濟效能，在滿足功能的基礎上，優先選擇生產成本小、加工制作方便的方案。

（3）配合性。不同功能元之間應互相兼容，去除含有相互干涉、矛盾的功能元方案。

（4）可行性。在選擇除塵方案的過程中，要求現有科學技術水平可以滿足方案的功能需求，可以使用新技術促使產品更新迭代。

（5）功能性。不同功能元之間組合會產生整體效果大于各部件功能之和的效果，通過方案組合探索新功能的產生，也是方案優選的要點，如擴散式旋風筒與雙區式靜電除塵組合的除塵效率遠大于單一除塵的效率。

（6）設備體積不能太大，結構要求緊湊。

3 設計成果

本文所設計除塵裝置名為雙區擴散式旋風除塵器，雙區式的優點在于荷電腔與集塵腔可以分離，含塵氣體荷電區發生電離，在集塵腔被捕獲。靜電力與離心力的結合能夠有效提高微細顆粒的除塵效率，其處理氣量大，運行成本低，阻力小。集塵腔采用的倒錐形的擴散式除塵器，有利于對微細顆粒的捕捉，下部設有圓錐形反射屏，灰塵可沿筒壁與反射屏間的環隙向下沉降進入集塵箱，防止二次回流，同時集塵腔內部裝有清潔灰塵使用的雙螺旋毛刷，增大清潔面積，能夠更好的清潔集塵壁的灰塵。具體設計模塊如下。

3.1 擴散式旋風筒

不同于一般的旋風筒，擴散式旋風筒（如圖1）包括有灰斗、圓錐形反射屏、倒錐形筒體。一般擴散式旋風除塵器比常規旋風除塵器分離效率高，其優勢主要與其特殊的結構有關：其一，倒錐形筒體的作用在于降低了排氣管口位置氣體所形成的短路氣流，有助于提升分離的效率；其二，通過圓錐形反射屏可有效地抑制氣體對于煙塵的影響，降低了下部器壁受到粉塵的影響，改善了分離的性能[10]。

圖1 擴散式旋風筒

此外，擴散式旋風筒也用作靜電集塵腔，其優點在于加工簡單、壓損適中、分離高效、能夠捕獲微細顆粒等。該擴散式靜電集塵腔在結構有獨特的特征，集塵腔筒體采用向下擴散的倒錐形，該形狀適合捕獲細微顆粒，降低在排氣口處附近短路氣流的可能。在擴散式集塵腔底部安裝反射屏，抑制上升的凈化氣體重新把細微顆粒卷起帶走，防止二次污染，提高分離效率。

3.2 雙區式靜電除塵

從結構上來看，電除塵器主要劃分為單區、雙區。其中，前者需要同步執行顆粒的荷電、捕集過程；后者則獨立執行兩個過程，分別對應著荷電區、收塵區兩個區域，如圖2所示。總體來看，前者在企業尾氣處理中獲得了較多的應用，不僅處理的流量較高，而且效率快，成本低，但卻無法滿足對小粒徑顆粒捕集的要求，并且存在較大的臭氧發生率[11]。采用雙區 ESP則可以有效地解決上述問題，且適合室內空氣處理，可以滿足凈化的要求[12-13]。

圖2 雙區電除塵

靜電除塵器按其結構型式可分為板式和管式。其中，板式靜電除塵器主要用于處理大氣量廢氣凈化，布置形式單一，布置場地有嚴格的要求，而管式靜電除塵器加工簡單，可以處理小氣量廢氣，應用場景多樣，可以不受場地制約，布置形式多樣。本設計采用單電場除塵效率更高，故選擇管式靜電除塵器（即荷電室為圓柱形，集塵極為倒圓錐形）。

3.3 放電極選取

放電極需要滿足一定的要求，如果可以達到較高的放電強度及擊穿電壓，且操作電壓區間較大，則可以認為放電極的質量較高。在不同的環境條件下，應選擇合適的放電極，如在高溫條件下，擊穿電壓減小，一般需要采用桿型放電極方可滿足性能的要求。Xu X等人[14]重點分析了除塵性能和放電極類型之間的關系，以三種類型進行了對比研究，結果顯示，在溫度達到300 K、電壓一致的情況下，放電性能最高的是鋸齒狀電極，可以達到較高的除塵效率（99.8%）；在溫度增大時，則效率發生了變化，在達到700～900 K范圍時，圓線型電極則達到了更高的除塵效率。Zheng C等人[15]結合研究的結果發現，在溫度為700 K的情況下，芒刺型電極對PM1、PM2.5均達到了較高的去除效率，分別是95.9%、95.7%，合理改進對芒刺型電極結構之后，相對于圓線型在去除效率上均具有一定更多優勢，對于PM1-PM10均達到了95%以上。放電極的性能會受到諸多因素的影響，包括溫度、材料等，所以需要結合設備強度、使用壽命及去除效率等方面選擇合適的放電極。綜合考慮，本研究除塵器選擇四齒芒刺型電極。在本文研究方案設計中，選擇使用RS型電芒刺線，電離室中電芒刺線為芒刺陰極線，兩根電芒刺線之間的間距為400 mm，為寬間距靜電除塵器，其優點在于在電場強度一定的情況下，能夠有效提高除塵效率，節約加工材料。

3.4 清灰方式的選擇

清灰是否良好對除塵器的除塵效率的大小有著較為顯著的影響，如果不能完全去除電極中的積灰，就會使供電功率降低，影響到除塵效率[16]。擴散靜電集塵腔作為靜電旋風復合除塵器的集塵極，位于直筒導流腔下方，之間通過法蘭連接，擴散靜電集塵腔內部固定有反射屏，并且雙螺旋刷位于擴散靜電集塵腔內部。通過螺旋刷支架進行加固，保證其在清灰狀況下不變形。整個雙螺旋刷由反射屏下方的電機提供動力。

經以上改進，靜電旋風復合除塵器由氣流均勻布置裝置、靜電腔體、直筒導流腔、擴散靜電集塵腔、落灰段、集灰箱、支架等組成。氣流均勻腔體、靜電腔體及直筒導流腔焊接相連，氣流經直筒導流腔螺旋加速后進入擴散靜電集塵強，直筒導流腔與擴散靜電集塵段與法蘭連接，在穩固連接的基礎上加強了氣密性。擴散靜電集塵腔內置反射屏，反射屏下方通過法蘭與落灰段連接，清灰的同時防止下方揚灰。旋風除塵器與可靜電除塵器通過連接管路組合為一體。此方案有效解決了目前除塵器不能有效去除細微顆粒、除塵效率低的問題，同時可以定時清潔筒壁灰塵，增大清灰效率。

微細粉塵經過靜電旋風復合除塵器得到凈化，實現廢氣處理。設備具有除塵效率高、加工制造費用低、機械結構簡單等優點，在滿足除塵基本需求外，還兼顧整體造型設計，具有整體協調性與美觀性。

4 總結與展望

（1）與單一類型除塵器相比效率大大提升。本研究所設計的方案，其創新點在于除塵器內部結構的合理化設計，即采用擴散式旋風靜電耦合除塵裝置將小顆粒粉塵凝聚，由離心力去除，大大提高了凈化效果。并且，擴散靜電集塵腔處設有雙螺旋刷，能夠及時清除內壁凝聚的粉塵，被刷落的灰塵從反射屏與擴散靜電集塵腔內壁間的環隙處掉落到集灰桶，防止二次污染。

（2）靜電腔采用大筒徑設計，能夠降低進入筒體的風速，方便電暈裝置的安裝，可以將靜電下支架焊接在靜電腔底部；組裝電芒刺，尼龍棒與電芒刺線通過銷聯接。

（3）在后續的外形設計中，可以采用機械設備常用造型，如采用曲直結合，即主體部位靜電腔和擴散靜電集塵腔采用全封閉式一體化的曲面設計，以直線為主支架，線型簡潔大方，具有強烈的機械感，且在視覺上給人以穩定的感覺。色彩上采用灰、黑、紅配色，主色調使用灰色，表達出機械產品的嚴謹與認真；黑色用于支撐架，增加產品的穩重感；紅色為中國色，符合大國形象。整體采用鈑金件焊接，降低產品生產制造成本。

（4）隨著各行各業的快速發展，國家廢氣排放標準提高，因此，在微細粉塵的去除方面仍需要創新的解決方案，本方案能解決此類問題，并將針對不同類型的粉塵持續改進。

綜上所述，本文所述靜電旋風復合除塵器在技術、經濟、社會和審美等方面均能達到比較高的要求。當然，該設計中也在許多不足，需要進一步研究和探討，如總體設計缺乏有效論證，后續需要通過仿真模擬、中試實驗等方式驗證該設計成果的可靠性；結構有待細化，各功能模塊設計的具體參數還需要進一步確定。