除尘器

旋风除尘器的结构探讨

作者:广州新瑞环保    来源:www.xinruiep.com    发布时间:2019-01-15 16:13:28

在棉花加工过程中会产生一定的工业性粉尘,主要是极短的棉纤维和棉花本身携带的泥土、破碎的干枯棉叶等。目前我国棉花加工工艺中除尘方式主要有一级除尘和二级除尘两种,一级除尘方式中主要是旋风分离器(沙克龙除尘器),二级除尘方式中主要有沙克龙+布袋、定网预分离器+布袋、定网+转网等多种形式的除尘组合。

随着工业技术的发展和环保要求的提高,加工企业对旋风除尘器性能的要求也在不断提高。一方面要求旋风除尘器具有更强地捕集细粉尘的能力;另一方面要求进一步减小旋风除尘器的压力损失,以降低能耗。由于旋风除尘器的分离捕集过程是一种极为复杂的三维、气固湍流运动,给理论与试验研究造成很大困难,因此在除尘过程中往往会因结构设计不当、尺寸匹配不合理、能耗较高等问题影响旋风除尘器的除尘效果。

结合当前旋风除尘器设计过程中存在的经验主义浓厚、通用性差和分离机理认识上的不深人性等问题,笔者从旋风除尘器的结构尺寸优化进行探讨,希望能为今后在旋风除尘器的优化设计和分离特性研究等方面提供一些有意义的参考。

一、旋风除尘器的工作原理

旋风除尘器主要由筒体、圆锥体、进气管、排气管和排灰管等五部分组成,如图1所示。旋风除尘器的工作过程:当含尘气流从进气口以较高的切向速度(一般为12~25m/s)进入旋风除尘器圆筒部分后,气流将由直线运动变为圆周运动,并沿内外圆筒间的环路空间和锥体部位做自上而下的螺旋线运动,称外旋流。

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含尘气流在旋转过程中产生很大的离心力,由于尘粒的惯性远大于空气,因此将密度大于空气的尘粒甩向器壁。尘粒一旦与器壁接触便失去惯性,而靠入口速度的动量和向下的重力沿壁面下落,与气体分离,最后经锥体底部排入集灰箱内。旋转下降的外旋流在圆锥部分运动时,随圆锥形体的收缩向除尘器中心靠拢。根据“旋转矩”不变原理,其切向速度不断提高,尘粒所受离心力也不断加强。当气流到达圆锥体某一位置时,便以同样的旋转方向形成一股由下转上的螺旋线运动,称内旋流。最后净化的气体经排气管排出,一部分未被捕集的尘粒也由此逃逸。

二、旋风除尘器内部的旋流

根据旋风除尘器的工作原理,可把除尘器内部的气体流动看成一个较大的旋涡运动,其内部的气固两相流运动是非常复杂的。旋风除尘器内的实际气流运动很复杂,除了切向和轴向运动外,还有径向运动。如在外旋流有少量气体沿径向运动到中心区域,在内旋流也存在着离心的径向运动。旋流中也产生不少我们不需要的涡流,它们对旋风除尘器的除尘效率和压力损失影响较大,主要有以下几种。

1.短路涡流

排气管外壁与筒体内壁之间,由于径向速度与轴向速度的存在,因此形成局部上涡流,夹带着相当数量的粉尘颗粒向中心流动并沿着排气管外表面下降,最后随上升流逃逸出排气管,从而降低除尘效率。

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2.外旋流中的局部涡流

由于除尘器壁面的不光滑,如突起、焊缝等,可产生与主流方向垂直的涡流。尽管强度较小,但这种涡流会使已被甩到壁面的颗粒重新卷到内旋流中去,甚至可使较大的尘粒也被带出排气管,降低了旋风除尘器的分离能力和除尘效率。

3.纵向旋涡流

纵向旋涡流是以旋风除尘器内、外旋流分界面为中心的器内再循环而形成的纵向流动。由于排气管内的有效流通横截面积小于排气管下端口的有效横截面积,因此在排气管下端口处产生“节流”效应,从而使气体对大颗粒的拖曳力超过颗粒所受的离心力,造成“短路”,进而影响分离性能。

4.底部夹带涡流

旋流在锥体底部向上返转时,也可以产生局部涡流将粉尘颗粒重新卷起,形成二次夹带。底部夹带的粉尘量占从排气管带出粉尘总量的20%~30%,应采用合理的结构设计,以此来减少底部夹带是改善旋风除尘器除尘效率的重要手段。

三、优化设计约束条件的确定

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1.防止气流短路

为了防止刚刚进入旋风除尘器的气流在没有形成螺旋气流时造成“短路”,流入排风管,降低除尘效率,且保证旋风除尘器形状特性系数C的计算公式成立和减少钢耗,须满足:

a/D0≤L/D0≤2a/D0    (1)

同时,为了保证含尘气流在低阻力下进入除尘器,有利于气固分离,须满足:

b/D0≤1/2(1-Dc/D0)    (2)

2.旋风除尘器的总高度

实践证明,旋风除尘器的总高度越大,其除尘效率越高。原因有以下三个方面。其一,含尘气流从排气管底部向下延伸,形成一个假象的圆筒,气体从这个假象的圆筒外面流向里面再进入排气管,经过假象的圆筒表面向内流动的气体平均速度随其长度的增加而降低,而这种向内流动的气体速度则会阻碍粉尘颗粒向外运动;其二,总高度增加后,可使含尘气体在旋风除尘器内作更多圈数的旋转,延长了气流在筒内的逗留时间,有利于气固分离;其三,总高度日增加,能使尚未达到排气管的粉尘颗粒有更多的机会从旋流中心中分离出来,以此减少气流的二次夹带,提高除尘效率。然而,旋风除尘器总高度圳增加,使得耗钢量也同时增加,投资成本加大,况且有时安装空间有限,特别是在采用立式安装时,旋风除尘器高度就要根据实际情况来确定。经过实践研究,旋风除尘器的总高度日和筒体高度肌以应满足下列条件:

3.0≤H/D0≤4.5    (3)

1.5≤Dc/D0≤2.0   (4)

旋风除尘器的结构探讨5.JPG

3.排气管口直径D

排气管是影响旋风除尘器性能的一个关键部件。在一定变化范围内,排气管直径越小,分割粒径越小,除尘效率越高;但若排气管直径过小则会导致压力损失增加,故须保证:

0.4≤Dc/D0≤0.65   (5)

4.排灰口直径D

排灰口直径D对旋风除尘器性能也有影响。对于较大的旋风除尘器及在处理粉尘浓度较高的情况下,应考虑能使粉尘不发生堵塞而顺利地排出,这就需要设计较大的排灰口直径。但排灰口直径过大,则会有较多的气体进入集尘箱,形成激烈的旋涡气流,容易将已捕集到的粉尘重新卷起,产生二次扬尘,从而影响除尘效率,为此,排灰口直径D的范围一般取:

0.33≤Dd/D0≤0.375   (6)

5.除尘器的入口型式与尺寸a、b

普通切向入口的型式有两种:一种是入口导管外壁与除尘器外筒体相切,称直入式;另外一种是入口导管外壁延伸为蜗壳形与外筒体相切,称为蜗壳形入口式(又称渐开线入口)。如图3所示。

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从蜗壳形入口进入筒体的气流宽度逐渐变窄,可以减少进口气流对筒体内气流的撞击和干扰,使颗粒向筒壁移动的距离减小,而且加大了进口气体和排气管的距离,减少气流的短路机会,有利于提高除尘效率。这种入口处理气量大,压力损失小,是比较理想的一种入口型式。进口管可以制成矩形和圆形两种型式。由于圆形进口与旋风除尘器外筒壁只有一点相切,而矩形进口管的整个高度边均与外筒壁相切,这样可保证进口管与外筒壁有更大的接触面,故工程设计中多采用矩形型式。矩形口的高度a与宽度b比例要适当,通常长而窄的进口管与筒壁接触面较大。宽度b越小,临界粒径越小,除尘效率越高,但过长而窄的进口也是不利的。因为进口高a越大,为了保持一定的气流旋转圈数,就必须加长筒体高度H,否则除尘效率就会降低。一般矩形进口管的高与宽的范围是:

0.4≤a/D0≤0.5   (7)

0.2≤b/D0≤0.25   (8)

6.排气管插入深度L

L/D0=H/D0-2.3·Dc/D0(D0/ab)1/3   (9)

7.旋风除尘器筒体直径

一般来说,旋风除尘器直径越小,则气流旋转半径越小,尘粒所受的离心力越大,旋风除尘器的除尘效率也就越高。但过小的筒体直径会造成较大直径颗粒有可能反弹至中心气流而被带走,使除尘效率降低。另外,筒体直径太小,容易引起黏性粉尘颗粒堵塞。

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在满足现场要求的前提下,要进行旋风除尘器结构尺寸的最优化设计,必须首先根据已知处理的气体性质及处理风量Q,然后在设计者选择的除尘器筒体直径下进行。实际上D0、Q二者之间是有一定关系的,但目前还没有它们之间直接的设计关系式。因此,在这里引入一个假想的旋风除尘器筒体气流上升平均风速来确定与Q之间的关系:

Q=πD02Vs/4   (10)

依据目前各种现已定型的旋风除尘器所用的筒体直径和处理风量,可取:

1.3≤Vs≤5.2   (11)

由上述两式可得旋风除尘器筒体直径D0的取值范围为:

2(Q/5.2π)1/2≤D0≤2(Q/1.3π)1/2  (12)

四、实践验证

在剥绒工艺中使用1台4-72NO8C动力18.5kW的风机,1个旋风除尘器,排向大气中的粉尘浓度达到GB/T18353标准要求。

有关更多旋风除尘器的结构探讨的信息,请联系广州新瑞环保的工程师13322814846。