旋风除尘器的应用现状及研究

张玉星 郑丰蕾 荣 彦

1 引言

旋风除尘器是一种气固两相分离装置，它利用气流在旋转过程中作用在尘粒上的惯性离心力达到分离的目的。相较于其他除尘器，旋风除尘器适用于高温高压环境。例如，若要处理高温气流，就必须对气流进行降温处理。显然，这样做会降低经济效益。而旋风除尘器对气流温度要求不高，有些特殊材料制成的旋风除尘器甚至只要求含尘气体温度低于1100℃[1]。可见，在某些特别行业里，不可避免处理高温含尘气流时，旋风除尘器就变成了首要选择。压力损失和分离效率是旋风除尘器的两项重要性能指标。长期以来，如何在低阻高效之间寻求一个合适的平衡点，一直是一个焦点问题。近年来，PM2.5严重威胁着我们的健康，国民环境保护意识与安全健康生活需求有所提高。因此，寻求一种高效便捷的除尘器尤为重要。

2 除尘机理

当含尘气流进入旋风除尘器筒体时，气流作沿外壁向下的螺旋形旋转运动。通常我们把这股而下旋转的气流叫做外涡旋[2]。含尘气流在筒体中旋转运动的过程中，产生的离心力使尘粒到达外壁，之后在气流与重力的共同作用下掉落，进入集尘斗。外涡旋到达锥体时，由于椎体母线汇集于一点而使气流向中心靠拢，当气流接触到椎体底部时将由下反转而上，继续作沿轴心向上的螺旋形流动。通常称此为内涡旋。最后，内涡旋气流向上排出旋风除尘器，并在该过程中携带部分细小尘粒。

3 旋风除尘器的发展及应用现状

自1885年Moiss获得世界上第一台旋风除尘器设计专利以来，已有130多年的历史了。随着社会的发展与进步，旋风除尘器应用在生产生活中的各个领域。下面，本文将介绍两种典型的旋风除尘器。

3.1 多管除尘器

筒体直径与尘粒受到的离心作用力成反比。因此，我们可以通过减小筒体直径来提高分离效率。也就是说，可以并联使用多个小直径旋风子[3]。多管除尘器的优点是处理含尘气体量大的同时保证除尘效率较高。然而，由于旋风子直径较小，多管除尘器不适合用于粘性大颗粒物。

3.2 旁路式旋风除尘器

由于上涡旋不受进口气流干扰，细小的尘粒会在顶部聚积，形成灰环，称为“上灰环”。为了消除上灰环，可以设置一个外旁室，让积聚在顶部的尘粒通过旁室进入除尘器底部。这种带有一个外旁室的除尘器成为旁路式除尘器。

4 问题及改进措施

4.1 二次扬尘

在椎体底部，气流雷诺准数较高，旋转气流中心产生负压。如果除尘器稍有漏气便会使外界气体进入除尘器造成二次夹带，降低除尘效率。因此，在安装设计中，排灰装置是重中之重。对于收尘量较小、无需连续排灰的除尘器，可以在除尘器下部设置固定的排灰装置，如集尘斗。而对于收尘量大的除尘器，可以采用翻板式锁气器。为了减少二次扬尘，还可以采用环缝气垫耐磨旋风除尘器[4]。这种除尘器是在普通旋风除尘器的基础上增设环缝，它不但能够解决二次扬尘问题，还能够抑制上灰环的形成，提高除尘效率。

4.2 上灰环

上灰环主要是由于上涡旋不受进口气流干扰而形成的[5]。上涡旋使得本已被捕集的尘粒沿着筒体外壁向上运动，在除尘器顶部聚积形成上灰环，最终降低除尘效率。如前所述，上灰环可以通过设置旁路而避免。事实上，旁路式旋风除尘器的诞生正是为了消除上灰环。

4.3 压力损失

式中：ζ——局部阻力系数；

u——进口速度，m/s；

ρ——气体的密度，kg/m3

由上式可知，进口速度对压力损失有着显著地影响。此外，旋风除尘器内的气流是湍流且存在多种涡流。这些流场均会对除尘效率与压力损失造成影响。例如，短路流构成的上部涡旋会导致进气口进气时偏向筒体外壁从而产生压缩现象。压缩现象会增加壁面的流速，由上式可知，压力损失与进气口流速的平方成正比。因此，可以采取措施抑制压缩现象来提高分离效率。例如，方形导板可以通过减少一周旋转后小曲率半径的旋转压缩现象来减小吸尘器的阻力。另外，还可以安装减阻杆降低压力损失[6]。

5 总结

总之，经过长期的发展，旋风除尘器低阻高效的研究已取得一定的进展，但是距离完全实现低阻高效的目的还有一定的距离，尚需要更加深入的探索与完善其各项功能。

[1]宋凤敏.袋式除尘器和旋风除尘器的性能及其应用的比较[J].环境科学与管理，2012，37（8）：90～92.

[2]田玮.脉冲喷吹袋式除尘器清灰的研究[D].西安建筑科技大学，2005：11～12.

[3]郑 负.多管除尘器.中国专利（CN86204956U），1986，2.

[4]舒 帆.旋风除尘器除尘效率的影响因素分析[J].水泥技术，2009，29（2）：89～92.

[5]陈明绍，吴光兴，张大中，等.除尘技术的基本理论与应用.北京：中国建筑工业出版社，1981.

[6]王连泽，彦启森，王建军，等.旋风除尘器减阻节能技术的研究与应用[J].硫酸工业，2005：（2）：22～26.