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1、2.7 离心除尘技术含尘气体做旋转运动时，气流中的粉尘颗粒会因受离心力的作用从气 流中分离出来，这种除尘技术称离心除尘技术。利用离心除尘技术进行除 尘的设备称为旋风除尘器，亦称旋风收尘器、旋风分离器。旋风除尘器具有结构简单、制造容易、造价和运行费较低、对于大于 10“m的粉尘有较高的分离效率等优点,所以在工业部门有着广泛的应用。 对要求不高的场所，完全靠旋风除尘器除尘；对要求较高的场所，常把它 作为多级除尘系统的第一级。2.7.1 离心沉降速度粉尘颗粒在旋转气体中受到离心力和重力的共同作用。在垂直方向上 尘粒因受重力作用而沉降；在水平面上尘粒与旋转气流一起旋转,因而受 惯性离心力作用使得尘粒被
2、甩出；尘粒与气体发生相对运动的同时,还受 到气体对尘粒的阻力作用。尘粒的运动轨迹是上述作用力综合作用的结果。如果不考虑重力,则在水平面上尘粒受力分析如下。设尘粒粒径为d，密度为P ；气体密度为P。在半径为r处，气体旋 s转的角速度为，圆周速度为v，则尘粒在此处受到的剩余离心力为t兀V 2 兀F =d3(p p)f = d 3(p -p )rw2 ；气体对尘粒的阻力为c 6s r 6s兀 d2 Pv2dvp = 4 厂；尘粒在半径方向的运动方程为：F - P二。随dv着v增大，阻力P也增大，终于有F = P，即十=0，此时的v称离心rcdtr沉降速度。根据实践和理论分析知，阻力系数:是一个实验值
3、，它与雷诺准数Re和尘粒的形状有关。当尘粒的形状一定时，则匚f (Re)， Re = r ，用实验的方法可确定:与Re的关系。24当Re 1时，层流，:=，即斯托克斯定律；Re3024 318.51W Re W103时，过度流，二或二 + 或二Re0.625Re 16Re103 Re 1.5X105 （或2X105）时，高湍流，:沁0.1，在一般的颗粒沉当层流时，可得出阻力：降中不会遇到。P = 3和dv （也称斯托克斯力），而离心沉 r=d2（Ps_P）呦2。18卩d 2( P - P ) v 2 降速度：vr=而 r与重力沉降的沉降速度相比，v（或）、r可人为控制，离心沉降更t方便；设备体
4、积更小；v V或F gcmg ； n n离心重力2.7.2 旋风除尘器的结构及工作原理3圆锥筒4排尘阀5灰箱2外圆筒6测压孔旋风除尘器由带锥形底的外圆筒、内圆筒（排气管）、进气口、贮灰箱、排灰阀等组成。排气管插入外圆筒形成内圆筒，进气口与外圆筒相切，外 圆筒下部是圆锥筒，圆锥筒下部是贮灰箱。含尘气流以1224m/s的速度从进气口进入后，由于受到外圆筒及 其上盖和内圆筒壁的限制，迫使气流做自上而下的旋转运动，称为外旋流。 在气流旋转过程中形成很大的离心力，尘粒在离心力的作用下，被甩向外 圆筒壁，失去速度并在重力的作用下沿外筒壁面旋转下落，直至贮灰箱。 旋转下降的外旋流因受到锥体收缩的影响渐渐向中
5、心汇集，当下降到一定 程度时，开始返回上升，形成一股自下而上的旋转气流，称为内旋流。内 旋流不含大颗粒粉尘，比较干净，经内圆筒排出除尘器。由于内、外两旋转气流的互相干扰和渗透，容易把沉降于底部的粉尘 又带起，其中一部分细小的尘粒又被气流带走。除尘器内已经被捕集下来 的粉尘又被气体带走，这就是二次扬尘（二次飞扬）现象。为减少二次扬 尘，提高除尘效率，排灰口处设卸灰装置（锁风阀），有的旋风除尘器在圆 锥体下部还设置阻气排尘装置。其实，尘粒在旋风除尘器内的运动是很复杂的。它不仅有圆周运动、 径向运动和轴向运动，而且在尘粒沉降过程中还有线速度的变化和离心加 速度的变化，因此，不应把旋风除尘器的工作原理
6、看得过于简单。2.7.3 旋风除尘器内气体流动旋风除尘器内气体的流动情况可分解成切向速度v、径向速度v和轴 tr向速度 v 来讨论。z气体的切向速度v对粉尘的分离与捕集起主导作用，尘粒在v作用下tt 由内向外离心沉降。气体的平面旋转流动，可用旋流（旋涡）方程表示： v r n k 。t式中v 切向速度，m/s ；tr 旋转点的半径， m ；n 速度分布指数；k 常数。n=1,称自由旋流；n接近1,称准自由旋流；n =-1，称强制旋流。在排气管以下的空间，同一水平面各点的v由壁面向中心逐渐增大，t直到半径约等于 0.65倍排气管半径的圆周上，达到最大值，再向中心则急 剧减小。因此，根据v沿r的变
7、化规律可将圆筒内分为三个区域来讨论。ti区，即靠近除尘器壁面的区域，n二0 ,即v =常数。有人提出下式: tFv = 2.15v （ j ）0.5tj dDe0式中 v 除尘器进口风速；jF 除尘器进口面积；jd 排气管直径；eD 除尘器圆筒直径（即旋风除尘器的规格）。0ii区，即i区与最大切向速度面之间的空间，此处的气流为外旋流。n =0.50.9，属准自由旋流。粉尘主要在这一空间被分离捕集。iii区，即由排气管中心到最大切向速度面之间的空间，此处气流为排气管下部的中心气流，也称核心气流（内旋流）。n = -】，属强制旋流，此时k =0。随着r减小，v迅速减小；此外因该气流轴向速度很大且做
8、 t向上的旋转流动，不能分离捕集粉尘。径向速度v是影响分离性能的重要因素，气体的v使尘粒沿半径方向 rr由外向内被推至旋流中心，阻碍尘粒沉降，但通常v要比v小得多。rt轴向速度v的分布构成了除尘器内外层气体下行、内层气体上行的双 z层旋转流动结构。气体在旋风除尘器内除有外旋流、内旋流流动外， v 、 v 还会构成涡 rz流（旋涡），涡流对除尘效率影响较大。常见的涡流有以下几种。短路涡流、 纵向涡流、外旋流中的局部涡流、底部夹带气流。短路涡流。在除尘器顶盖、排气管与外圆筒内壁之间，因v、v的存rz在，将形成短路涡流，夹带着相当数量的尘粒向中心流动，并沿排气管外 表面下降，最后随内旋流排出除尘器，
9、使除尘效率下降。纵向涡流。它是以内、外旋流分界面为中心的器内气体再循环而形成 的纵向流动。由于排气管内的有效流通截面积小于排气管端部的有效流通 截面积，所以在排气管端部产生节流效应，使排气管附近的气流径向速度 大大提高，致使气体对大颗粒粉尘的“拽力”超过了尘粒的离心力，造成 短路，降低了除尘效率。外旋流中的局部涡流。由于器壁面的不光滑，如突起、焊缝等可产生 与外旋流方向垂直的涡流，使得器壁面附近的尘粒重新被甩到内旋流，降 低了除尘效率，这种涡流对5“m以下的尘粒尤为不利。底部夹带气流。外旋流在锥体底部向上返转时可产生局部涡流，将捕 集下来的粉尘重新卷起。这部分粉尘约占从排气管带出粉尘总量的20
10、% 30%。故合理的结构设计（排尘阀或称阻气排尘装置），减少底部夹带是提 高除尘效率的重要因素。对旋风除尘器内各点的压力测定结果表明，由于涡流的存在，气体沿 径向的压力分布曲线类似抛物线状。器壁附近的压力最高，仅稍低于进口 处的压力；往中心则逐渐降低，至核心气流（内旋流）处降至最低值。核 心气流处气体为负压，低压的核心气流一直延伸到最下面的排灰口。所以， 当除尘器底部有漏孔（漏风）或灰斗有漏孔时，外部空气会以高速进入除 尘器，造成二次扬尘，严重降低除尘效率。有资料指出，漏风1%则除尘效 率降低5%、漏风5%则降低50%、漏风15%时则除尘效率趋于0。因此，储 灰斗的密封及灰斗下设锁风阀尤为重要
11、。2.7.4 分离理论旋风除尘器能够捕集下来的最小粉尘粒径或排放出去的最大粉尘粒径 称为临界粒径。由于除尘器内的气流及颗粒运动十分复杂，对于颗粒的分 离捕集机理在作出许多简化假设后，形成各种不同的分离机理模型，主要 有转圈理论、平衡轨道理论及边界层分离理论等。提出不同分离理论的目 的是要确定临界粒径。2.7.4.1 转圈理论（沉降分离理论）转圈理论是由重力沉降室的沉降原理发展起来的。该理论认为，粉尘 颗粒受离心力作用，沉降到旋风除尘器壁面所需要的时间和气体在颗粒分 离区间的停留时间相平衡，从而计算出粉尘完全被分离的最小极限粒径 d100，即分离效率为100%的粉尘颗粒最小粒径。不同学者因出发点
12、不同，得出的结论也不同。如将进入旋风除尘器内气流假定为等速流（速度分布指数n = 0, v = v ）,即气体严格地按照螺tj 旋途径，始终保持与进入时相同的速度流动，而颗粒随气体以恒定的切向 速度（与位置变化无关），由内向外克服气流对它的阻力，穿过整个气流宽 度，流经一个最大的净水平距离，最后到达器壁被分离。这里不考虑尘粒 间的相互影响，忽略了边界层的效应。气体从进口到锥体流经的距离为2兀RN ,2兀RN 2兀RN其停留时间为p =vvtjr 一 rr + r式中R 气体的平均旋转半径，R = f e + re ;2 e 2N 气体旋转的圈数；r 旋风除尘器筒体半径；0r 排气管半径；eL尘
13、粒沉降到壁面的时间为P =一。vr式中L尘粒穿过的气体宽度，L二r-r。0e根据转圈理论有，。整理得，d二：-100 Y兀Nv （p -p）1j s如果假设 n=0.5 则得出不同的结论。该理论与实际情况有一定差异，其原因如下。只考虑离心力对尘粒的 作用忽略了其它力及气流对尘粒的作用；认为尘粒分离只在圆柱体段进行， 而实际上气体旋转延长到锥体，且锥体长度对粉尘分离也有影响；假设外 旋流的n=0，实际上nMO；从实际应用上来看，气体旋转的圈数N难以测 定。2.7.4.2平衡轨道理论（假想圆筒学说、平衡分离理论、筛分理论）一定直径d的粉尘颗粒，因旋转气流而产生的离心力F,将会在平衡 轨道上与向心气
14、流对它作用的阻力P达到平衡，而平衡轨道则是在排气管 下端由最大切向速度的各点连接起来的一个假想圆筒。这种处于平衡状态 的颗粒，由于种种原因，平衡将随时都会遭到破坏。有时离心力F大于阻 力P,有时则P大于F。两者出现的几率是相等的。因此，在假想圆筒上 的颗粒具有50的分离效率。工程应用中，常把此颗粒直径称为切割粒径 d50，d50表示粉尘有50%被捕集的几率，另外50%不被捕集的几率。根据 F 与 P 平衡时粉尘颗粒有 50的分离效率，则可导出：,18pv Rd2 =r2 2。50(p _p )v 20 t 2式中R2假设圆筒半径，m；v2半径R2处的径向速度，m/s；r2 2vt2半径R2处的
15、切向速度，m/s；d50切割粒径，m。2.7.5 阻力 旋风除尘器的阻力(压力损失)主要包括：进口管的摩擦损失；气体 进入除尘器内因膨胀或压缩而造成的能量损失；气体与筒壁的摩擦损失； 气体因旋转而引起的能量损失；排气管内的摩擦损失以及气体旋转时动能 转化为静压能的损失等。通常，旋风除尘器的阻力在5002000Pa。阻力用除尘器气体进、出口的全压差表示，但也可以用气体进口处动pv2压的倍数来表示，即：AP =匚寸。阻力系数匚可查阅有关手册。2.7.6 影响旋风除尘器性能的因素由于旋风除尘器内气流运动极为复杂，完全依靠数学计算式确定影响 其性能的因素相当困难，所以通过试验和实践应用考察影响因素就成为不 可缺少的手段。2.7.6.1 除尘器的结构对性能的影响 2.7.6.1.1除尘器的直径、高度及排灰口直径直径及高度对除尘器性能有直接影响。理论上讲，筒体越细，
