旋风除尘器除尘效率的影响因素探讨

尹云波， 常坦祥， 孙宏敏

（安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601）

旋风除尘器是根据含有粉尘颗粒气体由进气口流入离心筒中旋转所产生的离心力，使粉尘颗粒从旋转气流中离散出并捕集起来的干式气固分离装置。由于其具有构造简单、使用简便、成本低廉、维护方便和除尘效果明显等优点，开始越来越多被广泛用于石油、化工、冶金、矿业、建材等领域。它对于捕捉粉尘颗粒粒径大于4～9μm的粉尘效果尤为明显，能够使得除尘效率高达百分之八十以上，但对于颗粒粒径较小的粉尘其除尘效率一般，对于控制粉尘浓度要求较高的生产场地，经常把它用作多级除尘中的一级使用。含尘气流由进气管进入筒体的方式有很多种，在实际生产中常见的进气种类有三种：轴流反转式、直流式和切流反转式。在矿业除尘领域最为常见的是切流反转式。在工程实践过程，很多时候旋风除尘器除尘效果、排放目标未能够达到实际设定的要求，研究如何能够提升旋风除尘效率将具有明显的现实价值。

1 工作原理

旋风除尘器作为常用的除尘设备其构造如图1所示。

当携带粉尘颗粒气流由入口流入筒体内时，含尘气流由原先的直线运动开始转变为旋转运动，绝大部分旋转气流会沿着器壁和圆筒体向下成螺旋状朝向锥体运动，通常会称此为外旋流。大量的粉尘颗粒随着气流运动而产生离心力，在离心力作用下部分重度比较大的粉尘颗粒被抛向筒体壁，一旦颗粒与筒壁相遇，自身的惯性力便消失，粉尘颗粒将会依靠进入筒体的速度分量和自身重力向筒体底部运动，从而流入排灰管中。外旋气流随着筒体旋转逐渐在抵达锥筒体底部，由于圆锥形筒体底部的变小并向除尘器中心方向靠近，其切向速度在不断增大。按照“旋转矩不变原理”，旋转气流运动到筒体底部某一定位置时，气流将会从底部开始回旋上升继续做旋转运动，通常称向上运动气流为内旋流。含尘气流被净化后，由除尘器的排气管排出，部分未被捕获的粉尘颗粒也会随之排出筒体外。

图1 旋风除尘器构造

2 旋风除尘器的流体流动状态的分析

旋风除尘器内气固两相流动非常复杂，其流动状态会受到很多因素的影响，气体的主流型为三维两层强旋湍流。可以从以下几个方面考虑降低除尘效率的因素：

（1）排气口四周容易形成短路流，该处容易产生比较大的向心速度，会携带部分粉尘颗粒进入排气口，降低除尘效率。

（2）当外旋气流到达锥底反转上升时，会使得已经沉积下来的粉尘再度扬起带走，造成返混现象，降低除尘效率。

（3）除尘器器壁凹凸不平或者圆筒体不圆，会使得粉尘气流产生局部小涡流，造成部分富集在器壁的粉尘从新分离，影响分离效率。

旋风除尘器中的粉尘颗粒运动过程中受到向心力、离心力、重力等作用，还会受到颗粒间团聚和分散以及颗粒间和颗粒与器壁之间的碰撞作用的影响，这些影响往往是通过统计规律进行分析但是由于复杂很难有很好的预测结果。

3 影响旋风除尘效率的因素

3.1 除尘器的结构

除尘器上面的任何一个部件都有其特定的尺寸大小，改变任何一个部件的尺寸都会造成除尘器的效率和压力损失的变化。进气管截面面积、排气管截面面积以及圆筒体横截面积和高度的改变对除尘效果的影响尤为显著。在使用过程中，有些部件尺寸只能在某一范围内做适当的调整，当部件尺寸变化超出一定限定时，有利条件就有可能转变为不利条件，使得除尘效率变低。此外，尽管有时调整尺寸会提高除尘效率，但同时会增大压力损失，因而要全面考虑综合因素的作用，寻找最佳部件尺寸。

3.1.1 进气口

影响含尘气流旋转运动最为重要构件之一为进气口。进气口直径发生变化将会直接影响到除尘效果和压力损失的变化。含尘气流沿着进气口进入除尘器的切向速度与进气口面积有着一定关系。当进气口横截面积变小时，进入筒体的气流切线速度将会增大，将会有更多的粉尘颗粒与器壁碰撞，粉尘颗粒被捕获的概率将会加大。

3.1.2 排气管

旋风除尘器排气管的横截面积和插入筒体深度的变化也会对除尘效率有很大的影响。当排气管插入圆筒体中太深会造成与筒体底部距离太近使得灰尘二次返混排出，同时也会加大含尘气流与管壁的接触面积，造成压力损失变大；当排气管插入过浅时，由进气口进入的气流会直接进去排气管，影响除尘效率。在实际生产过程中，会按照设计要求将排风管底端低于入气管底部适当位置。排气管直径对除尘效率影响也非常大，通常需要在一定的范围里选择合理的排气管的直径，适当地降低排风管直径，使得内旋流的旋转面积变小，粉尘颗粒就不易从排风管排出，从而提升旋风除尘器的效率，同时也会因为出口风速的加大，阻力损失也会增加。若加大排气管直径，阻力损失会明显降低，同时由于排气管外壁与圆筒管壁靠近会容易造成外旋流与内旋流的 “短路”现象，使得部分粉尘颗粒会随着内旋流从排气管中排出，从而降低除尘效率。在多次实践下表明排气管直径一般取圆筒体直径的0.5～0.6倍除尘效果最好。

3.1.3 圆筒直径D和高度H

在所有构件中，圆筒体是旋风除尘器最为重要构件之一，其直径D和高度H 的大小将会决定除尘效率的高低。当旋转气流的切线速度一定时，D越小，气流的旋转半径就会越小，粉尘颗粒受到离心力将会变大，粉尘颗粒也就易被捕获，除尘率也将会提高。因此，当旋风气流切线速度一定时，选择适当小的圆筒直径，有利于除尘。实践经验表明，圆筒体的直径通常应小于900mm，同时如果圆筒体直径过小会使得其管壁与排气管接近，容易使得粉尘颗粒从排气管中流失，降低除尘效率，也会引起一定的堵塞。圆筒直径过小不宜处理风量较大的含尘气流，在实际工作中，通常会使用多台旋风除尘器并联使用，这样不仅可以很大程度上提高需要处理的风量，而且整体承担的阻力和单个除尘器受到的阻力相同，这样将大大提高除尘效率。在实际操作过程中，多个除尘器并联运行较为繁琐，所需要的部件也十分多，气流入口处也会经常堵塞。因此，通常规定并联台数不易超过8台。圆筒总高度包含了圆筒体、锥筒体的高度。圆筒体总高度增大会使得外旋含尘气流与器壁碰撞的几率变大，粉尘更容易被捕获，同时总高度过大也容易造成粉尘颗粒随着内旋流由排气管排走。因此，在实际操作工程中规定圆筒体总高度为其直径的五倍时，除尘效果最佳。在实际使用过程中，也会通过在总高度保持不变的情况下适当加大锥筒体高度来改善除尘效率。

3.1.4 排灰口

排灰口的构造和横截面积的大小的改变也会影响除尘器的除尘效率。增大排灰口直径可以提高除尘效率，同时直径过大也容易造成粉尘重新扬起。在实际操作过程中由于各种因素的综合考虑，排灰口直径一般取0.1～0.5倍排气管的直径。

除了以上因素外，入风口的样式、灰斗的种类和形状等因素也将会影响到旋风除尘器的工作效率。

3.2 操作工艺参数

在旋风除尘器选定的情况下，各个部件尺寸将会固定而不发生改变，运行方面的因素将会决定旋风除尘器除尘效率。

3.2.1 流速

旋风除尘器主要通过含尘气流进入筒体旋转所受到的离心力来分离粉尘颗粒从而净化空气的，粉尘颗粒受到的离心力越大，除尘效果越明显。旋转气流中的粉尘在旋转运动中受到的离心力为

式中：ρ－尘粒的密度，kg／m3，d－尘粒直径，m，v－尘粒的切向速度，m／s，D－圆筒半径，m。

从式（1）可以看出，当旋风除尘器结构固定，粉尘颗粒相同时，流入筒体气流的速度越大，颗粒受到的离心力作用就会更加明显，除尘效果也就越好。

当含有粉尘颗粒的气流由入气口进入筒体，进口气量通常会用下面的公式进行计算：

式中：Q－旋风除尘器进口气量，m3／h，A－除尘器进气口截面面积。

由式（2）可知，当除尘器构造不变，粉尘颗粒一样时，流入除尘器中的气流运动速度越大，进口气量也越大。

可见，增大旋风除尘器进气口风流速度，一方面可以使得粉尘颗粒受到的离心力变大，有利用提高除尘效率，另一方面也提高旋风除尘器处理含尘风量。但是由于进口风流速度提高会使得径向速度和轴向速度加大，紊流的影响也会变大。对于每一个选定的除尘器，含尘气流的速度都会在一定的范围内，当超过这个速度范围，紊流的作用将会明显增强，部分之前被分离的粉尘颗粒又被重新带起，除尘效率降低。综合以上情况，在实际工程中考虑除尘器的除尘的实际价值和除尘效率，进风口气流的速度一般限制在10～18m／s，通常选取14m／s认为效果最佳。

3.2.2 粉尘状况

含尘气流中的粉尘颗粒粒径的大小通常也是影响排气管处净化气流粉尘浓度的重要因素。当含尘气流由入口进入筒体中将会受到由气流切线速度产生的离心力和径向速度产生的向心力的两种力的作用。粉尘颗粒在离心力的作用下将会向器壁方向运动，在向心力的作用下向内运动。在内外旋流的交界面处，如果粉尘颗粒的离心力大于其向心力，则粉尘会在离心力的作用下向外壁移动，从而被分离出来；如果粉尘颗粒受到的向心力大于其离心力，则粉尘颗粒在向心力的作用下进入内旋流中，从而从排气管中排出；如果粉尘颗粒受到的离心力等于其向心力，则此时粉尘颗粒受到的外力为零。从理论上可以认为粉尘颗粒在内外旋流交界面上会不停的旋转。在实践过程中，由于各种各样不确定的因素的影响，粉尘颗粒在内外交界面上运动到内旋流和外旋流的概率各占一半，从而使得旋风除尘器的除尘效率仅为50%。因此，粉尘颗粒的大小直接决定其受到的离心力的大小，粉尘颗粒越大，其受到的离心力也就越大。通常情况下，旋转气流的切向速度与粉尘颗粒粒径增大，排气管直径以及径向速度减小，除尘器的除尘效率就会明显提高。

当粉尘颗粒浓度变大时，粉尘颗粒碰撞的几率加大，细小的粉尘颗粒很容易富集起来而被捕获。此外，大的粉尘颗粒也会裹挟着细小的粉尘移动到器壁。含尘气流由入口进入除尘器内部不断旋转向下运动造成顶部压力降低，一些细小的粉尘颗粒很容易随着上升的气流从排气管中排出，因而在实际生产操作过程中，除尘器的效率并不能达到百分之百。

由于除尘效率η的计算公式：

式中：s0为除尘器出口处粉尘流入量，kg／h，s1为入口处粉尘流入量，kg／h。

由于旋风除尘器的工作效率不能达到百分之百，增加气流入口处粉尘流入量，由上面公式可以知道除尘效率会提高但是也会造成排气管口粉尘浓度变大。因此，要使得排出口粉尘浓度降低，就需要降低入口处粉尘浓度或者采取多个除尘器串联使用，多级处理，达到降低出口处粉尘浓度。

3.3 运行的影响

当含有粉尘颗粒的气流由进气管流入除尘器中时，含尘气流开始沿着外壁由上到下做旋转运动，气流运动到锥筒体底部时，转而开始向上顺着轴心方向运动。气流在运动过程中，速度可以分解为切向速度、轴向速度和径向速度，其中轴向速度和径向速度的分布对除尘器内部压力的影响最为重要。实验表明，除尘器内部径向压力变化十分明显而轴向变化不是很显著，气流运动过程中外侧压力明显大于内侧，筒壁附近静压达到最大，轴心处静压降为最低。轴心处于负压状态且排灰口处负压达到最大值。如果除尘器底部有漏洞很容易造成已经沉淀下的粉尘颗粒再度扬起，跟随气流排出去。因而，在实际工作中要使得除尘器达到预定的要求，就必须在确保排灰口的严密性，及时地处理掉锥筒体中粉尘，沉积在筒底的粉尘容易造成底部部件的磨损。

4 结 论

随着煤炭的迅猛发展，机械化水平的不断提高，对控制粉尘浓度要求越来越严格的情况下，提升旋风除尘器的工作效率是煤炭行业目前面临一个重要课题，越来越多的科研工作者开始投入其研究。研究与探讨影响除尘器工作效率的各种影响因素，是制造、协调、改进与保护除尘器的基础，也是探寻提高工作效率的基本方法。除尘器内部粉尘颗粒与气流运动十分复杂，影响除尘效率的因素也非常多，因而需要全面分析，统筹考虑，探求最优的设计方案和最佳的运行管理方法。目前，风流在除尘器中运动的许多理论还不够完善，要有待于继续深入的研究，尽管许多问题暂时还没能解决，但除尘器由于本身体积小、构造单一、使用简单、维护方便和除尘效率高等许多优点，目前已成为粉尘处理主要设备之一。随着对旋风除尘理论的探索和完善，它将会在煤炭行业发挥出更大的作用。

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