離心除塵技術(shù)

2.7離心除塵技術(shù)含塵氣體做旋轉(zhuǎn)運動時，氣流中的粉塵顆粒會因受離心力的作用從氣流中分離出來，這種除塵技術(shù)稱離心除塵技術(shù)。利用離心除塵技術(shù)進(jìn)行除塵的設(shè)備稱為旋風(fēng)除塵器，亦稱旋風(fēng)收塵器、旋風(fēng)分離器。旋風(fēng)除塵器具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、造價和運行費較低、對于大于10Mm的粉塵有較高的分離效率等優(yōu)點，所以在工業(yè)部門有著廣泛的應(yīng)用。對要求不高的場所，完全靠旋風(fēng)除塵器除塵；對要求較高的場所，常把它作為多級除塵系統(tǒng)的第一級。2.7.1離心沉降速度粉塵顆粒在旋轉(zhuǎn)氣體中受到離心力和重力的共同作用。在垂直方向上塵粒因受重力作用而沉降；在水平面上塵粒與旋轉(zhuǎn)氣流一起旋轉(zhuǎn)，因而受慣性離心力作用使得塵粒被甩出；塵粒與氣體發(fā)生相對運動的同時，還受到氣體對塵粒的阻力作用。塵粒的運動軌跡是上述作用力綜合作用的結(jié)果。如果不考慮重力，則在水平面上塵粒受力分析如下。設(shè)塵粒粒徑為d，密度為P,；氣體密度為P。在半徑為,處，氣體旋轉(zhuǎn)的角速度為①，圓周速度為七，則塵粒在此處受到的剩余離心力為TOC\o"1-5"\h\z兀 V2兀F=-d3(p-p)；=-d3(P"P”；氣體對塵粒的阻力為\o"CurrentDocument"〃兀d2Pv2 _ dvp=。丁孑；塵粒在半徑方向的運動方程為：F-P=m-^。隨著v增大，阻力P也增大，終于有F=P，即當(dāng)=0，此時的v稱離心r c dt r沉降速度。根據(jù)實踐和理論分析知，阻力系數(shù)匚是一個實驗值，它與雷諾準(zhǔn)數(shù)Re和塵粒的形狀有關(guān)。當(dāng)塵粒的形狀一定時，則匚=/(Re)，Re=———，P

用實驗的方法可確定匚與Re的關(guān)系?！?，-一24當(dāng)Re<1時，層流，八聲即斯托克斯定律；_ 30 24 3 18.5uRev。3時過度流，°-麗市或°=Re+苗或°^RT103<Re<1.5X105（或2X105）時，湍流，°=0.44，即牛頓定律;Re>1.5X105（或2X105）時，高湍流，°牝0.1，在一般的顆粒沉降中不會遇到。當(dāng)層流時，可得出阻力：P=3兀h叫（也稱斯托克斯力），而離心沉降速度：I"竺降速度：I"竺"￥d2（PT）沖2。18hmg；門離心>>n重力2.7.2旋風(fēng)除塵器的結(jié)構(gòu)及工作原理mg；門離心>>n重力2.7.2旋風(fēng)除塵器的結(jié)構(gòu)及工作原理圖2—9旋風(fēng)除塵器構(gòu)造1—內(nèi)圓筒2—外圓筒3一圓錐筒4—排塵閥5一灰箱6一測壓孔與重力沉降的沉降速度相比，v（或3）、r可人為控制，離心沉降更

t方便；設(shè)備體積更??；v>>V或F>>

r gc旋風(fēng)除塵器由帶錐形底的外圓筒、內(nèi)圓筒（排氣管）、進(jìn)氣口、貯灰箱、排灰閥等組成。排氣管插入外圓筒形成內(nèi)圓筒，進(jìn)氣口與外圓筒相切，外圓筒下部是圓錐筒，圓錐筒下部是貯灰箱。含塵氣流以12?24m/s的速度從進(jìn)氣口進(jìn)入后，由于受到外圓筒及其上蓋和內(nèi)圓筒壁的限制，迫使氣流做自上而下的旋轉(zhuǎn)運動，稱為外旋流。在氣流旋轉(zhuǎn)過程中形成很大的離心力，塵粒在離心力的作用下，被甩向外圓筒壁，失去速度并在重力的作用下沿外筒壁面旋轉(zhuǎn)下落，直至貯灰箱。旋轉(zhuǎn)下降的外旋流因受到錐體收縮的影響漸漸向中心匯集，當(dāng)下降到一定程度時，開始返回上升，形成一股自下而上的旋轉(zhuǎn)氣流，稱為內(nèi)旋流。內(nèi)旋流不含大顆粒粉塵，比較干凈，經(jīng)內(nèi)圓筒排出除塵器。由于內(nèi)、外兩旋轉(zhuǎn)氣流的互相干擾和滲透，容易把沉降于底部的粉塵又帶起，其中一部分細(xì)小的塵粒又被氣流帶走。除塵器內(nèi)已經(jīng)被捕集下來的粉塵又被氣體帶走，這就是二次揚塵（二次飛揚）現(xiàn)象。為減少二次揚塵，提高除塵效率，排灰口處設(shè)卸灰裝置（鎖風(fēng)閥），有的旋風(fēng)除塵器在圓錐體下部還設(shè)置阻氣排塵裝置。其實，塵粒在旋風(fēng)除塵器內(nèi)的運動是很復(fù)雜的。它不僅有圓周運動、徑向運動和軸向運動，而且在塵粒沉降過程中還有線速度的變化和離心加速度的變化，因此，不應(yīng)把旋風(fēng)除塵器的工作原理看得過于簡單。2.7.3旋風(fēng)除塵器內(nèi)氣體流動旋風(fēng)除塵器內(nèi)氣體的流動情況可分解成切向速度「徑向速度匕和軸向速度七來討論。氣體的切向速度匕對粉塵的分離與捕集起主導(dǎo)作用，塵粒在匕作用下由內(nèi)向外離心沉降。氣體的平面旋轉(zhuǎn)流動，可用旋流（旋渦）方程表示：vrnk。式中V一切向速度，m/s；r一旋轉(zhuǎn)點的半徑，m；n一速度分布指數(shù)；k一常數(shù)。n=1，稱自由旋流；n接近1，稱準(zhǔn)自由旋流；n=-1，稱強制旋流。在排氣管以下的空間，同一水平面各點的v由壁面向中心逐漸增大，直到半徑約等于0.65倍排氣管半徑的圓周上，達(dá)到最大值，再向中心則急劇減小。因此，根據(jù)匕沿尸的變化規(guī)律可將圓筒內(nèi)分為三個區(qū)域來討論。i區(qū)，即靠近除塵器壁面的區(qū)域，n=0，即v廣常數(shù)。有人提出下式:v=2.15v（-j）0.5tjdD0式中vj—除塵器進(jìn)口風(fēng)速；F一除塵器進(jìn)口面積；d一排氣管直徑；D0一除塵器圓筒直徑（即旋風(fēng)除塵器的規(guī)格）。ii區(qū)，即i區(qū)與最大切向速度面之間的空間，此處的氣流為外旋流。n=0.5?0.9，屬準(zhǔn)自由旋流。粉塵主要在這一空間被分離捕集。iii區(qū)，即由排氣管中心到最大切向速度面之間的空間，此處氣流為排氣管下部的中心氣流，也稱核心氣流（內(nèi)旋流）。n=-1，屬強制旋流，此時k=o。隨著尸減小，匕迅速減??；此外因該氣流軸向速度很大且做向上的旋轉(zhuǎn)流動，不能分離捕集粉塵。徑向速度匕是影響分離性能的重要因素，氣體的七使塵粒沿半徑方向由外向內(nèi)被推至旋流中心，阻礙塵粒沉降，但通常七要比匕小得多。軸向速度七的分布構(gòu)成了除塵器內(nèi)外層氣體下行、內(nèi)層氣體上行的雙層旋轉(zhuǎn)流動結(jié)構(gòu)。氣體在旋風(fēng)除塵器內(nèi)除有外旋流、內(nèi)旋流流動外，匕、七還會構(gòu)成渦流（旋渦），渦流對除塵效率影響較大。常見的渦流有以下幾種。短路渦流、縱向渦流、外旋流中的局部渦流、底部夾帶氣流。短路渦流。在除塵器頂蓋、排氣管與外圓筒內(nèi)壁之間，因v,、七的存在，將形成短路渦流，夾帶著相當(dāng)數(shù)量的塵粒向中心流動，并沿排氣管外表面下降，最后隨內(nèi)旋流排出除塵器，使除塵效率下降?？v向渦流。它是以內(nèi)、外旋流分界面為中心的器內(nèi)氣體再循環(huán)而形成的縱向流動。由于排氣管內(nèi)的有效流通截面積小于排氣管端部的有效流通截面積，所以在排氣管端部產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)，使排氣管附近的氣流徑向速度大大提高，致使氣體對大顆粒粉塵的“拽力”超過了塵粒的離心力，造成短路，降低了除塵效率。外旋流中的局部渦流。由于器壁面的不光滑，如突起、焊縫等可產(chǎn)生與外旋流方向垂直的渦流，使得器壁面附近的塵粒重新被甩到內(nèi)旋流，降低了除塵效率，這種渦流對5Mm以下的塵粒尤為不利。底部夾帶氣流。外旋流在錐體底部向上返轉(zhuǎn)時可產(chǎn)生局部渦流，將捕集下來的粉塵重新卷起。這部分粉塵約占從排氣管帶出粉塵總量的20%?30%。故合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計（排塵閥或稱阻氣排塵裝置），減少底部夾帶是提高除塵效率的重要因素。對旋風(fēng)除塵器內(nèi)各點的壓力測定結(jié)果表明，由于渦流的存在，氣體沿徑向的壓力分布曲線類似拋物線狀。器壁附近的壓力最高，僅稍低于進(jìn)口處的壓力；往中心則逐漸降低，至核心氣流（內(nèi)旋流）處降至最低值。核心氣流處氣體為負(fù)壓，低壓的核心氣流一直延伸到最下面的排灰口。所以，當(dāng)除塵器底部有漏孔（漏風(fēng)）或灰斗有漏孔時，外部空氣會以高速進(jìn)入除塵器，造成二次揚塵，嚴(yán)重降低除塵效率。有資料指出，漏風(fēng)1%則除塵效率降低5%、漏風(fēng)5%則降低50%、漏風(fēng)15%時則除塵效率趨于0。因此，儲灰斗的密封及灰斗下設(shè)鎖風(fēng)閥尤為重要。2.7.4分離理論旋風(fēng)除塵器能夠捕集下來的最小粉塵粒徑或排放出去的最大粉塵粒徑稱為臨界粒徑。由于除塵器內(nèi)的氣流及顆粒運動十分復(fù)雜，對于顆粒的分離捕集機理在作出許多簡化假設(shè)后，形成各種不同的分離機理模型，主要有轉(zhuǎn)圈理論、平衡軌道理論及邊界層分離理論等。提出不同分離理論的目的是要確定臨界粒徑。2.7.4.1轉(zhuǎn)圈理論（沉降分離理論）轉(zhuǎn)圈理論是由重力沉降室的沉降原理發(fā)展起來的。該理論認(rèn)為，粉塵顆粒受離心力作用，沉降到旋風(fēng)除塵器壁面所需要的時間和氣體在顆粒分離區(qū)間的停留時間相平衡，從而計算出粉塵完全被分離的最小極限粒徑d100，即分離效率為100%的粉塵顆粒最小粒徑。不同學(xué)者因出發(fā)點不同，得出的結(jié)論也不同。如將進(jìn)入旋風(fēng)除塵器內(nèi)氣流假定為等速流（速度分布指數(shù)n=0,u廣七），即氣體嚴(yán)格地按照螺旋途徑，始終保持與進(jìn)入時相同的速度流動，而顆粒隨氣體以恒定的切向速度（與位置變化無關(guān)），由內(nèi)向外克服氣流對它的阻力，穿過整個氣流寬度，流經(jīng)一個最大的凈水平距離，最后到達(dá)器壁被分離。這里不考慮塵粒間的相互影響，忽略了邊界層的效應(yīng)。氣體從進(jìn)口到錐體流經(jīng)的距離為2兀RN，2兀RN 2兀RN其停留時間為c=—vtr一rr+r式中r一氣體的平均旋轉(zhuǎn)半徑，r=—『+r=r『；N一氣體旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)；‘°一旋風(fēng)除塵器筒體半徑;r一排氣管半徑；塵粒沉降到壁面的時間為c‘=L。vr式中L一塵粒穿過的氣體寬度，L=r-^。根據(jù)轉(zhuǎn)圈理論有，c'=c。整理得，d=： ——-100 \'KNv（p-p）Yjs如果假設(shè)n=0.5則得出不同的結(jié)論。該理論與實際情況有一定差異，其原因如下。只考慮離心力對塵粒的作用忽略了其它力及氣流對塵粒的作用;認(rèn)為塵粒分離只在圓柱體段進(jìn)行，而實際上氣體旋轉(zhuǎn)延長到錐體，且錐體長度對粉塵分離也有影響；假設(shè)外旋流的n=0,實際上n/0；從實際應(yīng)用上來看，氣體旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)N難以測定。2.7.4.2平衡軌道理論（假想圓筒學(xué)說、平衡分離理論、篩分理論）一定直徑d的粉塵顆粒，因旋轉(zhuǎn)氣流而產(chǎn)生的離心力F，將會在平衡軌道上與向心氣流對它作用的阻力P達(dá)到平衡，而平衡軌道則是在排氣管下端由最大切向速度的各點連接起來的一個假想圓筒。這種處于平衡狀態(tài)的顆粒，由于種種原因，平衡將隨時都會遭到破壞。有時離心力F大于阻力P，有時則P大于F。兩者出現(xiàn)的幾率是相等的。因此，在假想圓筒上的顆粒具有50%的分離效率。工程應(yīng)用中，常把此顆粒直徑稱為切割粒徑d50，d50表示粉塵有50%被捕集的幾率，另外50%不被捕集的幾率。根據(jù)F與P平衡時粉塵顆粒有50%的分離效率，則可導(dǎo)出：d2=18叫2%。50 (P0-P)V22式中R2 假設(shè)圓筒半徑，m；vr2 半徑R2處的徑向速度，m/s；vt2 半徑R2處的切向速度，m/s；d50 切割粒徑，m。2.7.5阻力旋風(fēng)除塵器的阻力(壓力損失)主要包括：進(jìn)口管的摩擦損失；氣體進(jìn)入除塵器內(nèi)因膨脹或壓縮而造成的能量損失；氣體與筒壁的摩擦損失；氣體因旋轉(zhuǎn)而引起的能量損失；排氣管內(nèi)的摩擦損失以及氣體旋轉(zhuǎn)時動能轉(zhuǎn)化為靜壓能的損失等。通常，旋風(fēng)除塵器的阻力在500?2000Pa。阻力用除塵器氣體進(jìn)、出口的全壓差表示，但也可以用氣體進(jìn)口處動壓的倍數(shù)來表示，即：AP=匚與。阻力系數(shù)匚可查閱有關(guān)手冊。2.7.6影響旋風(fēng)除塵器性能的因素由于旋風(fēng)除塵器內(nèi)氣流運動極為復(fù)雜，完全依靠數(shù)學(xué)計算式確定影響其性能的因素相當(dāng)困難，所以通過試驗和實踐應(yīng)用考察影響因素就成為不可缺少的手段。2.7.6.1除塵器的結(jié)構(gòu)對性能的影響2.7.6.1.1除塵器的直徑、高度及排灰口直徑直徑及高度對除塵器性能有直接影響。理論上講，筒體越細(xì)，氣流運動給予粉塵粒子的離心力越大，能夠獲得的除塵效率越高，相應(yīng)的流體阻力也越大。筒體高度高，氣體停留時間長，有利于效率的提高。因此，外形細(xì)長的旋風(fēng)除塵器比短粗的除塵器效率高，且能夠捕集較細(xì)的塵粒，但流體阻力較大。筒體直徑過細(xì)，則器壁與排氣管太近，造成較大的塵粒有可能撞擊到筒壁反彈至內(nèi)旋流氣流中而被帶出除塵器，效率反而降低。此外，筒體直徑過細(xì)，容易引起粉塵在除塵器中堵塞，尤其是粘性粉塵。通常筒體直徑不小于100mm。筒體高度過高，占據(jù)空間過大，影響除塵器的布置。對于筒體高度的取值，一般認(rèn)為，性能較好的旋風(fēng)除塵器直筒部分的高度為其直徑的1?2倍。旋風(fēng)除塵器的錐體。錐體可在較短的軸向距離內(nèi)將外旋流轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)旋流，節(jié)約了空間和材料；在準(zhǔn)自由旋流區(qū)采用錐體結(jié)構(gòu)可使氣體旋轉(zhuǎn)半徑逐漸變小，切向速度逐漸增大，有利于提高除塵效率；錐體還可以使已分離出來的粉塵集中于除塵器中心，便于將其排入灰斗中。錐體高度與錐角及排灰口直徑有關(guān)。當(dāng)排灰口直徑一定時，錐角較大時則錐體高度較低，因氣流旋轉(zhuǎn)半徑很快變小，容易造成內(nèi)旋流（核心氣流）與器壁撞擊，將沿錐壁下落的塵粒帶入內(nèi)旋流，降低除塵效率。錐角較小則錐體高度過高，阻力較大。所以錐角不宜過大，通常為25°?40。，而錐體高度為筒體直徑的1?3倍。排灰口直徑。旋風(fēng)除塵器中準(zhǔn)自由旋流的軸線通常是偏心的。據(jù)實測，偏心距約為排氣管直徑的1/4。為防止內(nèi)旋流與錐壁接觸時造成二次揚塵，通常要求排灰口直徑不小于排氣管直徑的1/4。對于較大規(guī)格的旋風(fēng)除塵器以及在處理粉塵濃度較高的情況下，應(yīng)考慮使粉塵順利排出除塵器的可能，即排灰口直徑應(yīng)較大些。但過大則會有較多的氣體進(jìn)入灰斗，形成激烈的旋渦氣流，產(chǎn)生較嚴(yán)重的二次揚塵現(xiàn)象，降低除塵效率。通常取排灰口直徑為1/2?1/4倍的筒體直徑。2.7.6.1.2進(jìn)口和出口旋風(fēng)除塵器的進(jìn)口形式有4種：（1）最普通的入口形式，即氣流外緣與除塵器筒體相切；（2）入口外緣殼體為蝸殼形結(jié)構(gòu)（漸開線形或?qū)?shù)螺線形）；（3）入口外殼類似三角形，下部與筒體相切，上部為螺旋面形；（4）氣流從軸向進(jìn)入，在螺旋葉片作用下，旋轉(zhuǎn)進(jìn)入筒體。不同的進(jìn)口形式有著不同的性能、特點和用途。普通切向進(jìn)口。制造簡單，應(yīng)用較多且除塵器外形緊湊。蝸殼進(jìn)口。能減少進(jìn)口氣流對筒體內(nèi)氣流的撞擊和干擾。從蝸殼式進(jìn)口進(jìn)入的氣體，其寬度逐漸變窄，使塵粒向筒壁移動的距離減小，并且加大了進(jìn)氣口與排氣管的距離，減少了氣流短路的機會，因而除塵效率較高。此外與其它進(jìn)口形式相比，蝸殼式進(jìn)口處理氣體量大、阻力也較小。蝸殼式進(jìn)口有90°、180°、270°幾種，一般以180°、270°應(yīng)用較多。螺旋面進(jìn)口。有利于氣體向下做螺旋運動，也可避免相鄰兩螺旋圈的氣流相互干擾，還可克服短路渦流和改善上灰環(huán)問題。軸向進(jìn)口。進(jìn)口處設(shè)置一定形式葉片，使氣流沿軸向旋轉(zhuǎn)進(jìn)入除塵器。這種進(jìn)口形式能最大限度避免進(jìn)入氣體與旋轉(zhuǎn)氣體間的干擾，以提高效率。但由于氣體均布于進(jìn)口截面，使靠近中心處的分離效率較差。軸向進(jìn)口形式多用于多管式旋風(fēng)除塵器。進(jìn)口截面形狀可以制成矩形和圓形兩種。圓形進(jìn)口管使氣體與除塵器最外緣器壁只有一條線相切，而矩形進(jìn)口管使氣體在沿進(jìn)口管高度上均與

器壁相切，即面向切，接觸面積大，所以一般用矩形進(jìn)口管，即除塵器入口截面為矩形。除塵器入口斷面的寬高之比也很重要。一般認(rèn)為，寬高比越小，進(jìn)口氣流在徑向方向越薄，越有利于粉塵在圓筒內(nèi)分離和沉降，除塵效率就越高。因此，進(jìn)口斷面多采用矩形，高寬之比值為2左右。旋風(fēng)除塵器的排氣出口均為直筒形。排氣筒的直徑約為外筒體直徑的0.3?0.5倍。排氣筒的插入深度與除塵效率有直接關(guān)系。插入加深，效率提高，但阻力加大；插入變淺，效率降低，而阻力減小。這是因為短淺的排氣筒容易形成短路現(xiàn)象，造成一部分塵粒來不及分離便從排氣筒排走。故，一般旋風(fēng)除塵器排氣筒下端與進(jìn)氣管的下緣平齊或稍低。2.7.6.1.3卸灰裝置圖2—11B二級翻板閥1圖2—11B二級翻板閥1一卸灰管重錘翻板閥1—法蘭 2一卸灰管3一閥錐 4一鉸接軸5一重錘 6一灰斗7一卸灰口圖2—10葉輪給料機1—外殼；2一橡皮；3一轉(zhuǎn)子卸灰裝置兼有卸灰和密封兩種功能，是影響除塵器性能的關(guān)鍵部件之一。假如卸灰裝置處有漏氣現(xiàn)象，不但影響除塵器的正常排灰，而且嚴(yán)重影響除塵效率。因此，理想的卸灰裝置應(yīng)該具有結(jié)構(gòu)簡單、動作靈活、排灰及時和嚴(yán)密不漏風(fēng)等特點。圖2—10和圖2—11所示為兩種常見的卸灰裝置。2.7.6.2運行參數(shù)對性能的影響運行參數(shù)對性能的影響有以下幾方面。2.7.6.2.1氣體流量。除塵器入口氣體流量或者說氣體流速，對除塵器的阻力，除塵效率都有很大影響。從理論上來說，旋風(fēng)除塵器的阻力與入口風(fēng)速的平方成正比因而也和氣體流量的平方成正比。入口流速增加，能增加塵粒在運動中的離心力，塵粒易于分離，除塵效率提高。但是當(dāng)入口流速超過臨界值時，紊流（湍流）的影響就比分離作用增加得更快，若流速進(jìn)一