影響旋風(fēng)除塵器除塵效率的因素分析

       旋風(fēng)除塵器按氣流進(jìn)入方式分為切流轉(zhuǎn)式、軸流反轉(zhuǎn)式、直流式等。飼料行業(yè)除塵器所使用的主要是切流反轉(zhuǎn)式。其工作原理為：含塵氣體通過(guò)進(jìn)口起旋器產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)氣流，進(jìn)入旋風(fēng)除塵器后，沿外壁自上而下作螺旋形旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這股向下旋轉(zhuǎn)的氣流到達(dá)錐體底部后，轉(zhuǎn)而向上，沿軸心向上旋轉(zhuǎn)，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。氣流作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，塵粒在慣性離心力的作用下移向外壁，在氣流和重力共同作用下沿壁面落入灰斗，去除了粉塵的氣體匯向軸心區(qū)域由排氣芯管排出。
 

 

      旋風(fēng)除塵器的性能通常以其處理量、效率、阻力降3個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)來(lái)表示。處理量系指除塵器裝置在單位時(shí)間內(nèi)所能處理的含塵氣體量，它取決于裝置的型式和結(jié)構(gòu)尺寸；效率是除塵裝置除去的粉塵量與未經(jīng)除塵前含塵氣體中所含粉塵量的百分比；阻力降有時(shí)稱(chēng)壓力降，它代表含塵氣體經(jīng)過(guò)除塵裝置所消耗能量大小的一個(gè)主要指標(biāo)，壓力損失大的除塵裝置，在工作時(shí)能量消耗就大，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用高。

       旋風(fēng)除塵器的氣流是由切向、徑向及軸向構(gòu)成的復(fù)雜紊流狀態(tài)（見(jiàn)圖2）。①切向速度：切向速度在內(nèi)、外旋流中方向一致朝外。切向速度在內(nèi)旋流中隨筒體半徑的減小而減小，在外旋流中隨筒體半徑的減小而增加，在內(nèi)、外旋流的交界面處達(dá)到最大值。切向分速度使粉塵顆粒在徑向方向加速度的作用下產(chǎn)生由內(nèi)向外的離心沉降速度，從而把粉塵顆粒推到圓筒壁而被分離。②徑向速度：徑向速度在內(nèi)旋流中方向朝外，在外旋流中方向朝內(nèi)，在內(nèi)、外旋流的交界面處形成一個(gè)假想的圓柱面。徑向分速度使得粉塵顆粒在半徑方向由外向內(nèi)推到中心部渦核而隨上升氣流排離旋風(fēng)除塵器，形成了旋風(fēng)分離器的主流，使得旋風(fēng)除塵器中氣、固相物質(zhì)的較好的分離。徑向分速度的存在也導(dǎo)致了內(nèi)旋氣流在上長(zhǎng)過(guò)程中流動(dòng)狀態(tài)的極度混亂，湍動(dòng)劇烈形成大量旋渦，把在沉降段（圓筒部分）已與氣體分離的塵粒重新又?jǐn)嚢杵饋?lái)，造成部分塵粒被氣體一起排離旋風(fēng)除塵器的二次揚(yáng)塵現(xiàn)象，形成了旋風(fēng)分離器的次流，結(jié)果使旋風(fēng)分離器效率下降。旋風(fēng)器的邊壁處和錐體氣旋的交換處是二次揚(yáng)塵的主要區(qū)域。③軸向速度：軸向速度在筒體外壁附近方向朝下，靠近軸心部分方向朝上，且在軸心底部速度最大。當(dāng)氣流由錐筒體詢(xún)問(wèn)反轉(zhuǎn)上升時(shí)，軸向速度會(huì)將已除下的粉塵重新帶走，形成返混現(xiàn)象，影響除塵效率。
 

 

       此外，由于軸向分速度和徑向分速度的存在，使得旋風(fēng)除塵器在工作時(shí)經(jīng)常形成上灰環(huán)和下灰環(huán)，其中灰環(huán)對(duì)于粉塵顆粒捕集分離有一定的作用，而上灰環(huán)的存在使得原來(lái)已被捕集分離有一定的作用，而上灰環(huán)的存在使得原來(lái)已被捕集分離有一定的作用，而上灰環(huán)的存在使得原來(lái)已被捕集分離在圓柱體邊壁的粉塵先沿外筒壁向上移動(dòng)，然后沿頂蓋向內(nèi)移動(dòng)，又沿內(nèi)筒的外壁向下移，最后短路而排離旋風(fēng)器，降低除塵效率。由此可見(jiàn)，克服分離器分離效果不好的辦法，必須從三方面著手，一是消除“上灰環(huán)”避免塵粒走短路；二是盡量減少氣體分離段的湍流，降低二次揚(yáng)塵的機(jī)會(huì)；三是克服塵粒在分離段的負(fù)沉降運(yùn)動(dòng)（徑向運(yùn)動(dòng)）。
 

3.1  除塵器結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)其性能的影響

    旋風(fēng)除塵器的各個(gè)部件都有一定的尺寸比例，每一個(gè)比例關(guān)系的變動(dòng)，都能影響旋風(fēng)除塵器的效率和壓力損失。其中除塵器直徑、進(jìn)氣口尺寸、排氣管直徑為主要影響因素。它們的變化對(duì)除塵器性能的影響關(guān)系見(jiàn)表1。在使用時(shí)應(yīng)注意，表1中所示的尺寸只能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)超過(guò)某一界限時(shí)，有利因素也能轉(zhuǎn)化為不利因素。另外，有的因素對(duì)于提高除塵效率有利，但卻會(huì)增加壓力損失，因而對(duì)因素的調(diào)整必須兼顧。
 

3.1.1 進(jìn)氣口

        旋風(fēng)除塵器的進(jìn)氣口是形成旋轉(zhuǎn)氣流的關(guān)鍵部件，是影響除塵效率和壓力損失的主要因素。切向進(jìn)氣的進(jìn)口面積對(duì)除塵器有很大的影響，進(jìn)氣口面積相對(duì)于筒體斷面小時(shí)，進(jìn)入除塵器的氣流切線速度大，有利于粉塵的分離。
 

3.1.2 圓筒體直徑和高度

       圓筒體直徑是構(gòu)成旋風(fēng)除塵器的最基本尺寸。旋轉(zhuǎn)氣流的切向速度對(duì)粉塵產(chǎn)生的離心力與圓筒體直徑成反比，在相同的切線速度下，筒體直徑D越小，氣流的旋轉(zhuǎn)半徑越小，粒子受到的離心力越大，塵粒越容易被捕集。因此，應(yīng)適當(dāng)選擇較小的圓筒體直徑，但若筒體直徑選擇過(guò)小，器壁與排氣管太近，粒子又容易逃逸；筒體直徑太小還容易引起堵塞，尤其是對(duì)于粘性物料。當(dāng)處理風(fēng)量較大時(shí)，因筒體直徑小處理含塵風(fēng)量有限，可采用幾臺(tái)旋風(fēng)除塵器并聯(lián)運(yùn)行的方法解決。并聯(lián)運(yùn)行處理的風(fēng)量為各除塵器處理風(fēng)量之和，阻力僅為單個(gè)除塵器在處理它所承擔(dān)的那部分風(fēng)量的阻力。但并聯(lián)使用制造比較復(fù)雜，所需材料也較多，氣體易在進(jìn)口處被阻擋而增大阻力。因此，并聯(lián)使用時(shí)臺(tái)數(shù)不宜過(guò)多。筒體總高度是指除塵器圓筒體和錐筒體兩部分高度之和。增加筒體總高度，可增加氣流在除塵器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，使含塵氣流中的粉塵與氣流分離的機(jī)會(huì)增多，但筒體總高度增加，外旋流中向心力的徑向速度使部分細(xì)小粉塵進(jìn)入內(nèi)旋流的機(jī)會(huì)也隨之增加，從而又降低除塵效率。筒體總高度一般以4倍的圓筒體直徑為宜，錐筒體部分，由于其半徑不斷減小，氣流的切向速度不斷增加，粉塵到達(dá)外壁的距離也不斷減小，除塵效果比圓筒體部分好。因此，在筒體總高度一定的情況下，適當(dāng)增加錐筒體部分的高度，有利提高除塵效率。一般圓筒體部分的高度為其直徑的1.5倍，錐筒體高度為圓筒體直徑的2.5倍時(shí)，可獲得較為理想的除塵效率。
 

3.1.3 排風(fēng)管

        排風(fēng)管的直徑和插入深度對(duì)旋風(fēng)除塵器效率影響較大。排風(fēng)管直徑必須選擇一個(gè)合適的值，排風(fēng)管直徑減小，可減小內(nèi)旋流的旋轉(zhuǎn)范圍，粉塵不易從排風(fēng)管排出；有利于提高除塵效率，但同時(shí)出風(fēng)口速度增加，阻力損失增大。若增大排風(fēng)管直徑，雖阻力損失可明顯減小，但由于排風(fēng)管與圓筒體管壁太近，易形成內(nèi)、外旋流“短路”現(xiàn)象，使外旋流中部分未被清除的粉塵直接混入排風(fēng)管中排出，從而降低除塵效率。一般認(rèn)為排風(fēng)管直徑為圓筒體直徑的0.5~0.6倍為宜。排風(fēng)管插入過(guò)淺，易造成進(jìn)風(fēng)口含塵氣流直接進(jìn)入排風(fēng)管，影響除塵效率；排風(fēng)和插入深度一般以略低進(jìn)風(fēng)口底部的位置為宜。
 

3.1.4 排灰口

    排灰口的大小與結(jié)構(gòu)對(duì)除塵效率有直接的影響。增大排灰口直徑可使除塵器提高壓力除，對(duì)提高除塵效率有利，但排灰口直徑太大會(huì)導(dǎo)致粉塵的重新?lián)P起。通常采用排灰口直徑Do=(0.5-0.1)Dc。
 

3.2  操作工藝參數(shù)

    在旋風(fēng)除塵器尺寸和結(jié)構(gòu)定型的情況下，其除塵效率關(guān)鍵在于運(yùn)行因素的影響。
 

3.2.1 流速

    旋風(fēng)除塵器是利用離心力來(lái)除塵的，離心力愈大，除塵效果愈好。在圓周運(yùn)動(dòng)（或曲線運(yùn)動(dòng)）中粉塵所受到的離心力為：F=ma

式中：F——離心力，N；

           m——粉塵的質(zhì)量，kg；

            a——粉塵的離心加速度，m/s2 。

        因?yàn)?，a=VT2 /R

式中：VT——塵粒的切向速度，m/s；

            R——氣流的旋轉(zhuǎn)半徑，m。

         所以，F(xiàn)=mVT2 /R

       可見(jiàn)，在旋風(fēng)除塵器的結(jié)構(gòu)固定（R不變），粉塵相同（m穩(wěn)定）的情況下，增加旋風(fēng)除塵器入口的氣流速度，旋風(fēng)除塵器的離心力就愈大。而旋風(fēng)除塵器的進(jìn)口氣量為：Q=3600 AVT

式中：Q——旋風(fēng)除塵器的進(jìn)口氣量，m3/h；

           A——旋風(fēng)除塵器的進(jìn)口截面積，m2。
 

       所以，在結(jié)構(gòu)固定（R不變，A不變）、粉塵相同（m穩(wěn)定）的情況下，除塵器入口的氣流速度與進(jìn)口氣量成正比，而旋風(fēng)除塵器的進(jìn)口氣量是由引風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)量決定的。

       可見(jiàn)，提高進(jìn)風(fēng)口氣流速度，可增大除塵器內(nèi)氣流的切向速度，使粉塵受到的離心力增加，有利于提高其除塵效率，同時(shí)，也可提高處理含塵風(fēng)量。但進(jìn)風(fēng)口氣流速度提高，徑向和軸向速度也隨之增大，紊流的影響增大。對(duì)每一種特定的粉塵旋風(fēng)除塵器都有一個(gè)臨界進(jìn)風(fēng)口氣流速度，當(dāng)超過(guò)這個(gè)風(fēng)速后，紊流的影響比分離作用增加更快，使部分已分離的粉塵重新被帶走，影響除塵效果。另外，進(jìn)風(fēng)口氣流增加，除塵阻力也會(huì)急劇上升，壓損增大，電耗增加。綜合考慮旋風(fēng)除塵器的除塵效果和經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)風(fēng)口的氣流速度控制在12~20m/s之間，最大不超過(guò)25m/s，一般選14m/s為宜。
 

3.2.2 粉塵的狀況

       粉塵顆粒大小是影響出口濃度的關(guān)鍵因素。處于旋風(fēng)除塵器外旋流的粉塵，在徑向同時(shí)受到兩種力的作用，一是由旋轉(zhuǎn)氣流的切向速度所產(chǎn)生的離心力，使粉塵受到向外的推移作用；另一個(gè)是由旋轉(zhuǎn)氣流的徑向速度所產(chǎn)生的向心力，使粉塵受到向內(nèi)的推移作用。在內(nèi)、外旋流的交界面上，如果切向速度產(chǎn)生的離心力大于徑向速度產(chǎn)生的向心力，則粉塵在慣性離心力的推動(dòng)下向外壁移動(dòng)，從而被分離出來(lái)；如果切向速度產(chǎn)生的離心力大于徑向速度產(chǎn)生的向心力，則粉塵在向心力的推動(dòng)下進(jìn)入內(nèi)旋流，最后經(jīng)排風(fēng)管排出。如果切向速度產(chǎn)生的離心力等于徑向速度產(chǎn)生的向心力，即作用在粉塵顆粒上的外力等于零，從理論上講，粉塵應(yīng)在交界面上不停地旋轉(zhuǎn)。實(shí)際上由于氣流處于紊流狀態(tài)及各種隨機(jī)因素的影響，處于這種狀態(tài)的粉塵有50%的可能進(jìn)入內(nèi)旋流，有50%的可能向外壁移動(dòng)，除塵效率應(yīng)為50%。此時(shí)分離的臨界粉塵顆粒稱(chēng)為分割粒徑。這時(shí)，內(nèi)、外旋流的交界面就像一張孔徑為分割粒徑的篩網(wǎng)，大于分割粒徑的粉塵被篩網(wǎng)截留并捕集下來(lái)，小于分割粒徑的粉塵，則通過(guò)篩網(wǎng)人排風(fēng)管中排出。旋風(fēng)除塵器捕集下來(lái)的粉塵粒徑愈小，該除塵器的除塵效率愈高。離心力的大小與粉塵顆粒有關(guān)，顆粒愈大，受到離心力愈大。當(dāng)粉塵的粒徑和切向速度愈大，徑向速度和排風(fēng)管的直徑愈小時(shí)，除塵效果愈好。氣體中的灰分濃度也是影響出口濃度的關(guān)鍵因素。粉塵濃度增大時(shí)，粉塵易于凝聚，使較小的塵粒凝聚在一起而被捕集，同時(shí)，大顆粒向器壁移動(dòng)過(guò)程中也會(huì)將小顆粒挾帶至器壁或撞擊而被分離。但由于除塵器內(nèi)向下高速旋轉(zhuǎn)的氣流使其頂部的壓力下降，部分氣流也會(huì)挾帶細(xì)小的塵粒沿外壁旋轉(zhuǎn)向上到達(dá)頂部后，沿排氣管外壁旋轉(zhuǎn)向下由排氣管排出，導(dǎo)致旋風(fēng)除塵器的除塵效率不可能為100%。
 

       根據(jù)除塵效率計(jì)算公式：η=（1-So/Si）×100%

      式中：η——除塵效率；

               So——出口處的粉塵流出量，kg/h；

               Si——進(jìn)口處的粉塵流入量，kg/h。

        因?yàn)樾L(fēng)除塵器的除塵效率不可能為100%，當(dāng)進(jìn)口粉塵流入量增加后，除塵效率雖有提高，排風(fēng)管排出粉塵的絕對(duì)量也會(huì)大大增加。所以，要使排放口的粉塵濃度降低，則要降低入口粉塵濃度，可采取多個(gè)旋風(fēng)除塵器串聯(lián)使用的多級(jí)除塵方式，達(dá)到減少排放的目的。
 

3.2.3 運(yùn)行的影響

    旋風(fēng)除塵器下部的嚴(yán)密性是影響除塵效率的又一個(gè)重要因素。含塵氣體進(jìn)入旋風(fēng)除塵器后，沿外壁自上而下作螺旋形旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這股向下旋轉(zhuǎn)的氣流到達(dá)錐體底部后，轉(zhuǎn)而向上，沿軸心向上旋轉(zhuǎn)。旋風(fēng)除塵器內(nèi)的壓力分布，是軸向各斷面的壓力變化較小，徑向的壓力變化較大（主要指靜壓），這是由氣流的軸向速度和徑向速度的分布決定的。氣流在筒內(nèi)作圓周運(yùn)動(dòng)，外側(cè)的壓力高于內(nèi)側(cè)，而在外壁附近靜壓最高，軸心處?kù)o壓最低。即使旋風(fēng)除塵器在正壓下運(yùn)動(dòng)，軸心處也為負(fù)壓，且一直延伸到排灰口處的負(fù)壓最大，稍不嚴(yán)密，就會(huì)產(chǎn)生較大的漏風(fēng)，已沉集下來(lái)的粉塵勢(shì)必被上升氣流帶出排氣管。所以，要使除塵效率達(dá)到設(shè)計(jì)要求，就要保證排灰口的嚴(yán)密性，并在保證排灰口的嚴(yán)密性的情況下，及時(shí)清除除塵器錐體底部的粉塵，若不能連續(xù)及時(shí)地排出，高濃度粉塵就會(huì)在底部流轉(zhuǎn)，導(dǎo)致錐體過(guò)度磨損。
 

       在旋風(fēng)除塵器的眾多性能指標(biāo)中，壓力損失和分離效率是最為重要的參數(shù)，其癥結(jié)是消除“上灰環(huán)”。解決上灰環(huán)問(wèn)題的方法之一是通過(guò)設(shè)置灰塵隔離室，即采用旁路式旋風(fēng)除塵器，它主要是在普通旋風(fēng)除塵器的基礎(chǔ)上增加一個(gè)螺旋形的旁路分離室，在除塵器頂部形成的上渦旋粉塵環(huán)，從旁路分離室引至錐體部分。這樣可使導(dǎo)致除塵效率降低的二次流變?yōu)槟芷鸱蹓m聚集作用的上渦旋氣流，提高除塵效率。除此之外，還可通過(guò)添加導(dǎo)向葉片、改變氣流進(jìn)口形狀等措施來(lái)消除上灰環(huán)。為了解決邊壁處的二次揚(yáng)塵問(wèn)題，可采用環(huán)縫氣墊耐磨旋風(fēng)除塵器，它是在普通旋風(fēng)除塵器內(nèi)側(cè)設(shè)置環(huán)縫套圈，粉塵在旋轉(zhuǎn)氣流作用下向邊壁靠近，然后利用靠近邊壁處的下行氣流將粉塵融入環(huán)縫，由于環(huán)縫的存在，不僅要以減少二次揚(yáng)塵，而且使高速旋轉(zhuǎn)的上、下灰環(huán)消失，提高除塵效率。但這些方法實(shí)際使用效果并不是十分理想?，F(xiàn)在提出一種新的改進(jìn)方法使旋風(fēng)除塵器的分離性能得到極大提高。改進(jìn)后的新型旋風(fēng)除塵器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

 

       這種新型旋風(fēng)除塵器在結(jié)構(gòu)相主要改進(jìn)如下：①進(jìn)口管下斜5o-10o，使氣流在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)保證了向下的旋轉(zhuǎn)。并且下傾角確保了塵粒反彈時(shí)絕對(duì)折射朝下。向下旋轉(zhuǎn)，引起除塵器頂部倒空形成上渦旋氣流產(chǎn)生頂部灰環(huán)，灰環(huán)沿著排氣管道外表面旋轉(zhuǎn)向下時(shí)，會(huì)在排風(fēng)管入口處與已凈化廢氣的上旋氣流混合，而后經(jīng)排風(fēng)管排出除塵器。②進(jìn)口管采用180o的半圈螺進(jìn)筒后才旋轉(zhuǎn)，而改進(jìn)型則是確保塵氣調(diào)整旋轉(zhuǎn)起來(lái)后才進(jìn)筒。③進(jìn)口螺旋道截面遞減，增大了氣流旋轉(zhuǎn)起來(lái)后離心力。含粉塵的氣體在螺旋道中實(shí)現(xiàn)1.4倍加速。提高了塵粒的慣性，降低了塵粒沉降的時(shí)間。④錐體長(zhǎng)度加長(zhǎng)并采用200小錐角，增加了氣流在分離器中的停留時(shí)間，有利于小顆粒的沉降完全，且使向下旋轉(zhuǎn)的氣體平緩地轉(zhuǎn)變成折轉(zhuǎn)向上的旋轉(zhuǎn)，從而使除塵效率得以提高。⑤除塵器下設(shè)緩沖料斗，有效改善廢氣在筒體內(nèi)的流動(dòng)工況，減少了灰斗的反混現(xiàn)象和下灰環(huán)可能產(chǎn)生的二次揚(yáng)塵。⑥出風(fēng)管增長(zhǎng)，直到螺旋軌道的底部，防止了內(nèi)側(cè)部分塵粒裹進(jìn)出風(fēng)管。⑦進(jìn)口、加速段、出口的截面積之比擴(kuò)大為1：0.7：2，即出口網(wǎng)速是進(jìn)口速度的一半；出口風(fēng)速是內(nèi)部加速段的1/3。改進(jìn)型除塵器粒子的離心力比在傳統(tǒng)型除塵器中的離心力增大了1.4倍以上。而出口處，負(fù)壓對(duì)粒子的吸力比傳統(tǒng)型約小了1/4。因此，氣流進(jìn)筒后，塵粒因慣性大，使得稍小些的顆粒在氣流在旋風(fēng)除塵器中停留時(shí)間內(nèi)也能得到分離。出風(fēng)網(wǎng)速降低，也使得部分細(xì)小的顆粒能擺脫上升氣流的吸力而有機(jī)會(huì)沉降下來(lái)，從而使其分享。
 

5   小結(jié)
       如何提高旋風(fēng)除塵器效率是當(dāng)前飼料行業(yè)需要解決的一個(gè)重要課題。研究和分析影響旋風(fēng)除塵器除塵效率的因素，是設(shè)計(jì)、選用、管理和維護(hù)旋風(fēng)除塵器的前提，也是探求提高旋風(fēng)除塵器除塵效率途徑的必由之路。由于旋風(fēng)除塵器內(nèi)氣流速度及粉塵微粒的運(yùn)動(dòng)等都較為復(fù)雜，影響其除塵效率的因素較多，需要我們進(jìn)行全面分析，綜合考慮，尋求最優(yōu)設(shè)計(jì)方案和運(yùn)行管理方法。當(dāng)前，旋風(fēng)除塵器仍以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、制造維修方便、除塵效率較為理想等優(yōu)點(diǎn)，成為目前飼料企業(yè)主要除塵設(shè)備之一。隨著旋風(fēng)除塵器認(rèn)識(shí)的進(jìn)一步的深入和完善，它必將在飼料行業(yè)除塵中發(fā)揮更大的作用。