旋风除尘器的关键技术与创新

小组成员：汪天博、朱猛、张栋杰、顾峰、蒋寒军主讲：汪天博旋风除尘器的除尘效率对除尘的产量以及成本有着至关重要的意义，因此提高旋风除尘器的除尘效率是当今社会共同面对的问题。目前，旋风除尘器的研究理论主要脱硫除尘有转圈理论、筛分理论、边界层理论、传介质理论等，各个理论都在一定的假设前提下建立了旋风除尘器性能计算模型。转圈理论是类比平流重力沉降分离理论最早发展起来的理论。在平流沉降室中距分离界面最高点h处的粉尘以重力沉降速度向下沉降，同时粉尘又以水平方向速度向前移动，只要沉降室有足够长度L,则粉尘脱硫招聘就能到达分离界面而被分离。在旋风除尘器内存在径向向外的离心沉降速度和旋转切向分速度，如果旋转圈数足够多，即展开后的长度相当于平流沉降室的长度L，则粉尘就能从内半径到达外边壁处的分离界面而被分离,这一理论的研究以Rosin、Rammler、Lnterman、First为代表。转圈理论对于旋风除尘器内的流场认识是不够全面的。气流进入旋风除尘器内，在上筒体内，旋转可以认为只有单一的旋涡流场，而到达锥体空间，径向的汇流或类汇流就将开始出现，因此旋风除尘招聘除尘器内除尘空间的流场，只见有涡，而不见有汇，显然是不够全面的。为了补救转圈理论的缺点,对于旋风除尘器内的流场即见有涡，也见到有汇，因此形成了筛分理论。筛分理论认为每一粉尘颗粒都同时受到方向相反的两种推移作用。由旋涡流场的惯性离心力使颗粒受到向外推移的作用，由于汇流场又使得颗粒受到向内漂移的作用。离心力的大小与粉尘颗粒的大小有关，颗粒越大离心力越大，因而必定有一临界粒径dc50，受离心力向外推移的作用正好与向内漂移的作用相等。凡粒径d＞dc者，向外推移作用大于向内漂移作用，结果被推移到旋风除尘器壁附近，粉尘浓度大到运载介质的极限负荷浓度时，则粉尘被分离出来。相反，凡d＜dc的粉尘颗粒，向内漂移的作用大于向外推移的作用而被带到上升的强制涡核心部分，随着外排气流而排离旋风除尘器。这一理论的研究以Lapple、Shepherd、Staimand、Barth、Muschelknautz等代表边界层理论认为在旋风除尘器任一截面上固相颗粒的浓度分布是均匀的，但流体在近壁面处的边界层内是层流流动，只要颗粒进入边界层内颗粒的运动由旋转转变为自由沉降扩散运动即视为被捕集分离，以D.Leith和W.Licht等的研究为代表。我国学者向晓东提出传介质理论。转圈理论只考虑旋涡在靠近旋风除尘器器壁处的离心分离作用，筛分理论则只考虑在假想筛分圆柱面上的离心分离作用，实际上，在旋风除尘器的整个分离空间内，旋转气流均有分离作用。针对这两点，传介质理论认为：若在分离空间内无粒子的凝聚与生长，那么，在整个分离空间内任取一六面微元体，单位时间内此微元体内粒子的总通量应为零，即质量和数量是守恒的。根据这一假设，推导旋风除尘器的相关性能计算公式。除尘器结构⑴进气口旋风除尘器的进气口是形成旋转气流的关键部件，是影响除尘效率和压力损失的主要因素。切向进气的进口面积对除尘器有很大的影响，进气口面积相对于筒体断面小时，进人除尘器的气流切线速度大，有利于粉尘的分离。圆筒体直径是构成旋风除尘器的最基本尺寸。旋转气流的切向速度对粉尘产生的离心力与圆筒体直径成反比，在相同的切线速度下，筒体直径D越小，气流的旋转半径越小，粒子受到的离心力越大，尘粒越容易被捕集排风管的直径和插入深度对旋风除尘器除尘效率影响较大。排风管直径必须选择一个合适的值，排风管直径减小，可减小内旋流的旋转范围，粉尘不易从排风管排出，有利提高除尘效率，但同时出风口速度增加，阻力损失增大；若增大排风管直径，虽阻力损失可明显减小。一般认为排风管直径为圆筒体直径的0．5～0．6倍为宜。排风管插入过浅，易造成进风口含尘气流直接进入排风管，影响除尘效率；排风管插入深，易增加气流与管壁的摩擦面，使其阻力损失增大，同时，使排风管与锥筒体底部距离缩短，增加灰尘二次返混排出的机会。排风管插入深度一般以略低于进风口底部的位置为宜。排灰口的大小与结构对除尘效率有直接的影响。增大排灰口直径可使除尘器高压力下降，对提高除尘效率效率有利，但排灰口直径太大会导致粉尘的重新扬起。通常采用排灰口直径Do＝(0．5－0．1)Dc。1流速旋风除尘器是利用离心力来除尘的，离心力愈大，除尘效果愈好。F＝mVTR在圆周运动(或曲线运动)中粉尘所受到的离心力为：F＝ma式中：F—离心力，Nm—粉尘的质量，kga—粉尘的离心加速度，m／s2。因为，a＝VT2R式中：VT—尘粒的切向速度，m／sR—气流的旋转半径，m。在旋风除尘器的结构固定(R不变)、粉尘相同(m稳定)的情况下，旋风除尘器入口的气流速度愈高，旋风除尘器的离心力就愈大。旋风除尘器的进口气量为：Q＝3600AVTQ—旋风除尘器的进口气量，m3／hA—旋风除尘器的进口截面积，m2所以，在结构固定(R不变，A不变)，粉尘相同(m稳定)的情况下，除尘器入口的气流速度与进口气量成正比，而旋风除尘器的进口气量是由引风机的进风量决定的。可见，提高进风口气流速度，可增大除尘器内气流的切向速度，使粉尘受到的离心力增加，有利提高其除尘效率，同时，也可提高处理含尘风量。但进风口气流速度提高紊流的影响增大。粉尘旋风除尘器都有一个临界进风口气流速度综合考虑旋风除尘器的除尘效果和经济性，进风口的气流速度控制在12～20m／s之间，最大不超过25m／s，一般选14m／s为宜。处于旋风除尘器外旋流的粉尘在径向同时受到两种力的作用。一是由旋转气流的切向速度所产生的离心力，使粉尘受到向外的推移作用。二是由旋转气流的径向速度所产生的向心力，使粉尘受到向内的推移作用。从理论上讲，粉尘应在交界面上不停地旋转。实际上由于气流处于紊流状态及各种随机因素的影响，处于这种状态的粉尘有50％的可能进入内旋流，有50％的可能向外壁移动，除尘效率应为50％。内、外旋流的交界面就象一张孔径为分割粒径的筛网，大于分割粒径的粉尘被筛网截留并捕集下来，小于分割粒径的粉尘，则通过筛网从排风管中排出。旋风除尘器捕集下来的粉尘粒径愈小，该除尘器的除尘效率愈高。离心力的大小与粉尘颗粒有关，颗粒愈大，受到离心力愈大。当粉尘的粒径和切向速度愈大，径向速度和排风管的直径愈小时，除尘效果愈好。除尘效率计算公式：η＝(1－So／Si)100％η—除尘效率So—出口处的粉尘的流入量，kg／hSi—进口处的粉尘的流入量，kg／h因为旋风除尘器的除尘效率不可能为100％，当进口粉尘流入量增加后，除尘效率虽有提高，排气管排出粉尘的绝对量也会大大增加。所以，要使排放口的粉尘浓度降低，则要降低入口粉尘浓度，可采取多个旋风除尘器串联使用的多级除尘方式，达到减少排放的目的。3运行的影响旋风除尘器下部的严密性是影响除尘效率的又一个重要因素。含尘气体进人旋风除尘器后，沿外壁自上而下作螺旋形旋转运动，这股向下旋转的气流到达锥体底部后，转而向上，沿轴心向上旋转。气流在筒内作圆周运动，外侧的压力高于内侧，而在外壁附近静压最高，轴心处静压最低。旋风除尘器在正压下运动时，轴心处也为负压，且一直延伸到排灰口处的负压最大，稍不严密，就会产生较大的漏风，已沉集下来的粉尘势必被上升气流带出排气管。要使除尘效率达到设计要求，就要保证排灰口的严密性，并在保证排灰口的严密性的情况下，及时清除除尘器锥体底部的粉尘，若不能连续及时地排出，高浓度粉尘就会在底部流转，导致锥体过度磨损。旋风分离器结构改进症结是消除“上灰环”，通过设置灰尘隔离室，即采用旁路式旋风除尘器，它主要是在普通旋风除尘器的基础上增加一个螺旋形的旁路分离室，在除尘器顶部形成的上涡旋粉尘环，从旁路分离室引至锥体部分。这样可使导致除尘效率降低的二次流变为能起粉尘聚集作用的上涡旋气流，提高除尘效率。除此之外，还可通过添加导向叶片、改变气流进口形状等措施来消除上灰环。为了解决边壁处的二次扬尘问题，可采用环缝气垫耐磨旋风除尘器，它是在普通旋风除尘器内侧设置环缝套圈，粉尘在旋转气流作用下向边壁靠近，然后利用靠近边壁处的下行气流将粉尘带入环缝。进口管下斜5°～10°，使气流在旋转的同时保证了向下的旋转，并且下倾角确保了尘粒反弹时绝对折射朝下。进口管采用了180°的半圈螺旋管代替了传统型的直吹进筒，从而进一步保证了气流的“下旋”。进口螺旋道截面递减，增大了气流旋转的离心力。含粉尘的气体在螺旋道中实现1．4倍加速，提高了尘粒的惯性，降低了尘粒沉降的时间。锥体长度加长并采用20°小锥角，增加了气流在分离器中的停留时间，有利于小颗粒的沉降完全，且使向下旋转的气体平缓地转变成折转向上的旋转，从而使除尘效率得以提高。出风管增长，直到螺旋轨道的底部，防止了内侧部分尘粒裹进出风管。进口、加速段、出口的截面积之比扩大为1：0．7：2，即出口风速是进口速度的一半；出口风速是内部加速段的1／3。除尘器下设缓冲料斗，有效改善废气在筒体内的流动工况，减少了灰斗的反混现象和下灰环可能产生的二次杨尘。进口处的改进在边壁的左右两边形成一个坡度，可以使其左右两端倾斜角度为45°，这样可以利用物料自身的重力使其下降，会使得其下降速度变得更快，从而提高其除尘效率。研究和分析影响旋风除尘器除尘效率的因素，是设计、选用、管理和维护旋风除尘器的基础，也是探求提高旋风除尘器除尘效率途径的必由之路。由于旋风除尘器内气流速度及粉尘微粒的运动等都较为复杂，影响其除尘效率的因素较多，需要我们进行全面分析，综合考虑，寻求最优设计方案和运行管理方法。当前，旋风除尘器许多理论还待研究和探讨，尽管如此，旋风除尘器仍以其结构简单、体积小、制造维修方便、除尘效率较为理想等优点，成为目前水泥企业主要除尘设备之一。随着对旋风除尘器认识的进一步的深入和完善，它必将在水泥行业除尘中发挥更大的作用。