旋风分离器的新结构和新构件的研究进展

吴凯 段继海 张自生

摘 要：综述了近几年国内外学者对提高选分离器性能结构方面的研究进展，研究表明：多种新型旋风分离器的应用完全能够捕获1～5μm的微米和亚微米级颗粒，通过安装导流件等内构件措施能够降低湍动耗散能，降低能耗，降低旋风分离器的压降。新型旋风结构和内构件是提高传统分离器性能的重要手段。

关 键 词：旋风分离器；结构优化；研究进展

中图分类号：TQ 052 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）10-2355-02

Research Progress of New Structure Improvement in Cyclon Separators

WU Kai1，DUAN Ji Hai 1，2，ZHANG Zi-sheng1，2

（1. Department of Chemical Engineering， Qingdao University of Science and Technology， Shandong Qingdao 266000， China；

2. State Key Laboratory Base of Eco-chemical Engineering， Shandong Qingdao 266000， China）

Abstract： The research progress of improving the performance of cyclone separators at home and abroad was reviewed. The new experimental results show that： a variety of new cyclone separators can fully capture 1～5μm micron and sub micron particles， to install diversion parts and other inner components in cyclone separators can reduce the turbulent dissipation energy and energy consumption. The new structure of cyclone and inner component is an important means to improve the performance of traditional separators.

Key words： Cyclon； New sructure； Research progress

旋风分离器是一种常见的气固分离设备，由于其结构简单，操作方便，被广泛应用于煤粉流态化燃烧、石油催化裂化催化剂回收等装置中。含尘气体切向进入筒体，内旋流的涡核类似于刚体旋转的涡核，外旋流则是准自由涡，也就是所谓的兰金组合涡[1，2]。由于内旋流的不稳定流动，在下锥体容易扰动起壁面沉积的灰尘，从而影响分离效率。涡核尾端存在大量的颗粒返混和夹带，抑制涡尾末端的“摆尾”象有利于提高分离器性能[3-5]。对于旋风分离器增设改良结构、增设内构件，改良流场、抑制摆尾对于提高分离器的研究具有重要的意义。已出现的螺旋型、蜗旋型CLT型旋风分离器、D型旋风分离器、电除尘器等各种旋风分离器层出不尽，粉尘捕集能力不断提高[6]。对于微米以及亚微米颗粒的旋风分离在工业生产中需要达到的分离要求和节能标准也越来越高。所以，本文从结构方面介绍近几年来旋风分离器 的研究进展。

1 旋风除尘器分离机理

1.1 普通旋风除尘器的除尘原理

传统的旋风分离器示意图，由进气口，分离区圆筒，圆锥下锥体，排气管，排灰口等几部分组成。旋风分离器是利用离心力将气固两相中的固体颗粒甩到壁面，将固体颗粒分离的设备。其分离过程如下：气固两相气流沿切向进口进入旋风分离器内，气流在筒体和圆锥体内做圆周运动，沿筒体和下锥体壁面螺旋运动最终到达下灰口附近形成自上而下的外旋流。外旋流到达下锥体底部后旋转向上转化为内旋流，最终由出气管排出。在此过程中，含尘气流中较大颗粒受流场离心力的作用，甩向壁面最终进入灰斗。较小颗粒由于受到离心力较小，伴随气流通过出气口排出。

1.2 旋风除尘器结构的研究进展

压降的耗散和颗粒的分离效率一直是评价旋风分离器性能的重要指标。如何在提高粉尘捕集能力的同时降低压力损失是国内外研究者长期以来研究的重点。现在提高旋风分离器的性能大都是通过开发新结构、增加新型导流件、优化旋风分离器尺寸等办法[7，8]，来消除旋风分离器的不利影响。以下将从降压减阻方面和提高旋风分离器分离效率方面，总结近几年来国内外现有旋风除尘器中几种比较典型的案例，为新型旋风除尘器的研究提供了有价值的信息。

1.2.1 进口处结构处减阻措施

改进旋风分离器的进口的结构形式是旋风分离器技术改良的可行措施，赵兵涛等人提出优化改进旋风分离器的进口结构形式，采用双进口进气，由于进气口是水平相对用以增强流场的的对称强度，减少筒体上部的上灰环和短路流。涡流紊乱受轴对称性影响得以降低，从而达到湍动能耗散降低的目的。Seville 等[9，10 ]通过在入口处增设静电除尘装置，含尘气流中小颗粒收静电作用向大颗粒聚集，增大了颗粒粒径使颗粒团聚，进入离心流场后能够快速分离。 Gautam和Moore等[11]进行了大量实验表明双进口旋风在烟尘分离方面有特殊的效果，分离效率提高7%～10%左右。

1.2.2 安装导流板提高分离性能

传统旋风分离器一般采用切向进口，切向入口的气体会偏向旋风分离器的筒壁，造成入口处短路流现象，也就是所谓的“上灰环”。为了抑制这种现象可以安装导流板，从而改善旋风除尘器入口处的流场湍动状态，并且能够降低阻力损失。导流板技术安装简便对传统分离器的改造、提高其性能有着重要的意义。李利[12]等针对旋风分离器“上灰环”现象，在旋风分离器入口增设导流板并对不同尺寸的导流板进行试验测试。试验表明：使用合适尺寸的导流板能够提高旋风分离器的分离效率和压降。祝立萍[13]在对导流板进行大量的实验后，证明导流板对涡流起到了导流、引流的作用，导流板能够规整流场的涡流状况。2007年赵峰[14]等在入口处增设不同形式的导流板，并对它们对比试验研究。研究表明在旋风分离器入口安装导流板扇叶有效提高了旋风分离的性能，并能够降低压降的阻尼系数。

1.2.3 安装减阻器

王连泽和彦启森[15-17]对旋风分离器增设减阻杆后，发现分离器性能提高，其基本原理是在旋风分离器特定位置安装特定形状的刚性减阻杆，减阻杆改变了原来流场的涡流结构，降低了流体流动的压降损失从而达到提高分离器性能的目的。刘成文[18]等利用激光多普勒测速仪（LDV）工具，对比测试了传统分离器的流场与安装减阻杆后旋风分离器的流场变化规律。实验表明减阻杆消除了中心内旋流涡流紊乱现象，减阻杆使时均切向速度及其速度梯度大幅度降低，降低了紊乱涡流湍动耗散情况，降低压降损失。同时不同尺寸、不同材质的的减阻杆对旋风分离器的性能影响不同。

1.2.4 旋风抽气系统

首次提出灰斗抽气措施的C.J.Stairmand[19]， 早在1951年进行了的测试。随后P.W.Sage和M.A.

Wright通过实验表明灰斗抽气可以减少出口气体中粉尘浓度40% 以上，降低了上升内旋流的气量，有利于减少内旋流带出灰仓内的灰尘，减少排气口处短路流，从而达到提高分离效率的作用。基于此邵国兴[ 20]提出一种新型抽气灰斗抽气系统，对于相同的压降操作条件下，分离效率优于三级串联旋风分离器的分离作用。

1.2.5 排气管新构造进展

由于排气管出去旋风分离器分离区上部，进入排气管的内旋流依然具有不小的旋转强度，同时在排气管底端还存在“短路流”，影响了细颗粒的分离。因此，改进排气管结构能降低旋风分离器的压力阻，并且能提高分离效率。大多数实验结果表明排气管处安装的旋转翅片能够使得静压能降低，但是对于微米和亚微米的分离效率也受到影响。原因是旋转翅片降低了切向气流的旋转强度减少了流场的离心力。

1.2.6 增强旋风分离器离心力的结构改进措施

动态旋风分离器与传统分离器相比，是利用机械旋转部件高速旋转获得强制离心力场，使流场里的颗粒获得更大的离心力，达到快速分离的目的。动态旋风分离器可分离5μm以下超细颗粒。波兰ChmielniakT和Bryczkowski A[21，22]在一定的转子转速下，对于5μm以上的颗粒具有较好的分离效率。

2 结 论

综上所述，在分离微米亚微米颗粒时，采用多种手段相结合的方式可减阻降耗提高分离效率。压力损失和细粉捕集效率一直为旋风除尘器研究者所关注，鉴于此人们已做了相当多的努力，研究出多种结构形式的旋风除尘器，但是要真正达到低阻高效的目的，满足各种工业要求还需要进行更加深入的研究。

参考文献：

[1]蔡平等.经济发展与生态建设间的矛盾[J].开发研究，2003（3）：33-34.

[2]金国淼等.除尘设设计[M].北京：化学工业出版社，2002：1-300.

[3]化工设备设计全书编辑委员会.除尘设备设计[M].上海：上海科学技术出版社，1985：17-37；44-155.

[4]Weiwen Wang， Pan Zhang，et al. Structure and performance of the circumfluent cyclone[J]. Power Technology， 2010， 200： 158-163.

[5]Wang weiwen，Ding li， Li jianlong. Study on Pressure Distribution and Pressure Drop of Circumfluent Cyclone[J]. Journal of Qingdao Institute of Chemical Technology， 2002，23（4）：57-59.

[6]GU Xin-chun， WANG Weiwen， WANG Lixin.Numerical simulation of flow field in circumfluent cyclone separator [J].Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities，2007， 2l（3）：411-416.

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