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1、毕业设计答辩装备10901班论文题目：螺旋型旋风分离器设计前言一项最新研究表明，过去一个世纪里大气中的粉尘与以前相比增加了两倍以上。这种显著变化影响了全球的气候以及生态系统，因此除尘已经迫在眉睫，并且当前,我国的经济建设高速发展,社会对环境保护的要求也越来越高，除尘设备面临巨大的发展机遇。随着环境保护事业的发展,仅用各种除尘器治理烟尘污染显然是不够的。因此需要开发新型的，高效的除尘器。在常见的除尘器中旋风除尘器由于有维护使用方便,结构简单,耐高温,对高浓度粉尘适应性比较好等优点而被广泛应用,是治理小型锅炉烟尘污染的主要设备,亦常用于高浓度含尘气体的初级净化,或在生产中用来作为粉料气体的运输设备
2、。但是其缺点又严重制约其发展1。本文所要讨论的是旋风除尘器。文中将主要从旋风除尘器在国内外的的发展现状和主要发趋势趋势；旋风除尘器的结构设计理论；旋风除尘器内部流场模拟以及旋风除尘器性能分析几个方面展开论述。在设计的过程中引用和参考了大量相关文献。由于本人水平有限，设计中难免有不妥之处，敬请指正，以便及时修改，谢谢！1选题背景当前,我国的经济建设高速发展,人民的生活水平不断提高,社会对环境保护的要求也越来越高,作为控制固定污染源中颗粒物对大气污染的主要设备除尘设备面临巨大的发展机遇.除尘设备性能综述除尘设备是用来控制污染源排放的颗粒物对大气的污染,保护大气环境的设备。这些粉尘在空气中依靠自身的
3、重力几乎不沉降,能较长时间悬浮在大气中,影响城市的空气质量；它们常常吸附着其它有害气体,被吸人人体内后对人体呼吸系统危害进一步加大；当大气温度下降的时候,它们又成为水蒸气的凝结核,使城市中浓雾增加。随着环境保护事业的发展,仅用各种除尘器治理烟尘污染显然是不够的。因此需要开发新型的，高效的除尘器。旋风除尘器维护使用简单,方便,耐高温,对高浓度粉尘适应性比较好,是治理小型锅炉烟尘污染的主要设备,亦常用于高浓度含尘气体的初级净化,或在生产中用来作为粉料气体的运输设备。1.1国内发展情况目前我国使用旋风除尘器主要用于解决燃煤炉窑的烟尘净化，但仍然在研究和开发高效旋风除尘器。现在多与含碱水溶液并用组成多
4、种形式的脱硫除尘器,成为我国环保科技界研究提高脱硫除尘效率的主攻方向之一。目前开发的主要新品种有：带二次风的旋风除尘器、切向射流旋风除尘器、中心带转动叶片的旋风除尘器。我国对旋风除尘器进行了大量研究。近几年的主要成果有：（1）多进口旋风除尘器，分割粒径小于1.0m，在燃媒电厂锅炉、水泥回转窑、轧钢加热炉上应用，取得很好的效果。（2）旋流除尘器减阻杆，可保证在原除尘效率不降低的前程下，减少阻力约30%。在除尘效率降低小于3%时，减少阻力约70%，（3）陶瓷多管旋风除尘器。（4）带有二次风的旋风分离器。1.2国外发展情况国外的旋风除尘器主要是用于气固两相流的分离。并有很多人进行相关的研究并提出相关
5、理论，为旋风除尘器的发展做出突出贡献。Muschelknautz（1970）提出了临界载荷的概念，开发了一个分析模型来解释这一现象的改善。在这个模型中，通过分析得到：随着质量负荷的增加效率也提高12。Hoffmann(1992)提出旋风分离器器壁上的静压等于横截面上的静压加上旋转流中的动压，使CFD计算结果和实际测量的结果之间的误差减小4。Obermair-Staudinger(2001)研究了排料口的气体流动，压降和分离效率得出不同结构的排风口的分离效率和压降数值171.3.1旋风除尘器的优点(1)旋风除尘器内部没有运动部件。维护方便。(2)制作、管理十分方便。(3)处理相同风量的情况下体积
6、小，结构简单，价格便宜。(4)作为预除尘器使用时，可以立式安装，使用方便。(5)处理大风量时便于多台并联使用，效率阻力不受影响。(6)可耐400高温，如采用特殊的耐高温材料，还可以耐受更高的温度。(7)除尘器内设耐磨内衬后，可用以净化含高磨蚀性粉尘的烟气。(8)可以干法清灰，有利于回收有价值的粉尘。1.3.2旋风除尘器的缺点（1）卸灰阀如果漏损会严重影响除尘效率。(2)磨损严重，特别是处理高浓度或磨损性大的粉尘时，入口处和锥体部位都容易磨坏。(3)除尘效率不高(对捕集粒径小于5um的微细粉尘和尘粒密度小的粉尘，效率较低)，单独使用有时满足不了含尘气体排放浓度的要求。(4)由于除尘效率随筒体直径
7、增加而降低，因而单个除尘器的处理风量受到一定限制。2.1旋风除尘器的除尘原理旋风除尘器由筒体、锥体、进气口、排气管、和卸灰口等组成，如图1。旋风除尘器的工作过程是当含尘气体由切向进气口进入旋风除尘器时，气流将由直线运动变为圆周运动。旋转气流的绝大部分沿器壁自圆筒体呈旋转形向下、朝锥体流动，形成外旋气流。含尘气体在旋转过程中产生离心力，将密度大于气体的尘粒甩向器壁。尘粒一旦与器壁接触，便失去径向惯性力而靠向下的动量和向下的重力沿壁面下落，进入排灰管。旋转下降的外旋气体到达锥体时，因圆锥形的收缩而向中心靠拢。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达到锥体下端时，
8、即以同样的旋转方向从旋风除尘器中部，由下反转向上，继续做螺旋流动，即内旋气流。最后净化气体经排器气管排出管转矩”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。当气流达到锥体下端时，即以同样的旋转方向从旋风除尘器中部，由下反转向上，继续做螺旋流动，即内旋气流。最后净化气体经排器气管排出管外。图1旋风除尘器分离原理图2.2螺旋型旋风分离器结构及特点螺旋型旋风分离器是一种新型的旋风分离器,其结构如图1所示。这种旋风分离器的筒体由若干圈螺旋形通道组成,含尘气体在螺旋通道中做旋转运动,颗粒受离心力作用到达边壁被捕集。实验已经证实,与普通旋风分离器相比,螺旋型旋风分离器具有体积小、阻力低、收尘效
9、率高、处理气体量大等优点.螺旋型旋风分离器结构示意图3.1旋风除尘器的基本尺寸设计旋风除尘器的设计一般用计算法或经验法。由于旋风除尘器目前的设计都是用经验公式或者半经验。因此，我们采用经验法来选型在旋风除尘器结构尺寸中，以旋风筒直径、气体入口及排气管尺寸对除尘器性能影响最为明显。筒体直径，旋风除尘器筒体直径越小，粉尘所受的离心力越大，其除尘效率也就越高。但筒径过小，易引起堵塞及已分离粉尘的二次飞扬等问题。工程上使用的旋风筒直径一般不小于150mm。为保证除尘效率不致降低过多，筒径一般不宜大于1000mm。若处理气量大，则应考虑采用并联组合式或多管式旋风除尘器。由于处理量为4800m3/h，处理
10、量比较大，因此采取几个旋风除尘器的并联使用，通过粗略计算，采用2个旋风除尘器并联原始数据：介质温度()工作压力（atm）密度(kg/m3)颗粒直径（微米）空气203.011.20 无烟煤颗粒203.0 1550 30处理量 4800m3/h。3.1.1筒体直径的计算其中Vp除尘器筒体净空横截面平均流速（2.54m/s）,此处取Vp=4，代入数据Q=1.333m3/s，计算得D=0.653m,取整得D=672mm。3.1.2其他结构尺寸的计算1.入口尺寸旋风除尘器入口断面多为矩形。设宽度为，高度为，面积为，则旋风除尘器类型系数A/D2ab/D2，值一般范围是0.070.30。对小型除尘器而言，K
11、值可取较小值，以降低阻力损失，提高收尘效率，但除尘器体积相应增大；对大型除尘器而言，由于其一般多用于预收尘，从减小除尘器体积考虑，K值则应取大值。入口高宽比a/b一般为14。2.排气管直径de排气管直径是影响除尘器阻力损失的最显著因子，对分离效率是次显著因子。增大排气管直径，可大幅降低阻力损失，但也会降低其收尘效率。一般排气管直径与旋风筒直径之比在0.40.7左右。3.排气管插入深度hc排气管插入深度是影响除尘器分离效率的最显著因子，对阻力损失则是不显著因子。插入深度过短，入口粉尘会直接逸流；插入深度过长，径向汇流又会增大，同样对分离效率不利。一般认为：排气管插入深度以略低于入口下沿较为适当。
12、4.筒体高度h和锥体高度H-h适当增加筒体高度，对提高分离效率有利。通常取h（0.7）D为宜。与圆锥角有关。增大锥体高度，对降低阻力提高效率都有好处，但应与筒体高度综合考虑。一般取h+H-h=(34)D比较合适。圆锥角一般取2030为宜。过小，锥体高度过大，过大，对卸料不利，锥体内壁磨损也会增加。旋风分离器的基本尺寸根据所查资料确定其他结构与筒体直径的比例关系，从而确定其尺寸。筒体直径D672升气管直径de336排灰口直径D2200筒体长度h1008锥体长度H-h1680 升气管长度s1328入口高度a296入口宽度b148排气管插入深度hc2683.2旋风除尘器的基本参数计算3.2.1入口速
13、度的计算旋风除尘器入口风速的使用范围在（1026）m/s之间，一般取（1220）m/s。风速过小，分离效率较低，入口管会造成积尘和堵塞；风速过大，阻力相应较大，同时已分离的粉尘的返混、反弹等现象加剧，分离效率也会下降。在实用中，小型除尘器多用较低的风速，大型除尘器则用较高的风速。（3）带入数据得vi=15.217m/s3.2.2计算漩涡指数n和计算流体粘度代入D=0.672m，T=293K得n=0.744505158代入数据t=20，T=293得=1.82e10-5pa.s3.2.4计算分割粒径d50修正系数：代入数据得m=9.6084d50=9.56784x10-6m=9.568m要求处理的
14、无烟煤粒径为30m，因此计算合理3.2.5压力损失的计算旋风除尘器阻力损失主要包括进口损失、出口损失及旋涡流场损失，其中排气管中的损失占较大分量。旋风除尘器阻力损失一般用下式表示：其中-阻力系数，由于选用的是螺旋型旋风除尘器，查螺旋型旋风分离器两相流场的数值模拟易林,王灿星(浙江大学机械与能源工程学院,杭州310027)得=5。-气体密度，11.20kg/m3。带入数据计算得Pa3.2.6分级除尘效率的计算leith-licht公式为常用的分级效率与粒径d的经验关联式，此式计算较复杂，但与实际比较接近。（9）旋风除尘器形状几何参数的函数；修正后的惯性参数，见下式（10）（11）l除尘器旋风自然
15、折返长度，带入相应数据得C=37.37=0.128x=94.3075%要求设计的分离效率为85%，故上述设计满足要求。3.3旋风除尘器的其他附件的设计及选用3.3.1风机的选型根据处理量Q=4800m3/h，含尘量L=35g/l，计算的压降426.076pa。因此选用以下风机机号15.5C转速（r/min）800流量（m3/h）48568全压（pa）1667内效率78.2内功率（kw）26.82所需功率（kw）32.47电机型号Y2255-4电机功率（kw）373.3.2法兰的计算选用与校核1.法兰选型法兰的技术要求应符合GB/T9119-2000的规定。钢制平面法兰材料选用Q235。2.法兰
16、强度的校核根据GB/T17186-1997对法兰进行校核。（具体见论文P12-P16）3.3.3灰斗的设计1.灰斗容积的计算旋风除尘器每小时集尘量其中L为含尘量（g/m3）Q处理量(m3/s)为除尘效率带入数据得：m=158.4365556kg即得每小时集尘的体积V=m/p=0.0582444m3其中L为含尘量（g/m3）Q处理量(m3/s)为除尘效率带入数据得：m=158.4365556kg即得每小时集尘的体积V=m/p=0.0582444m3从结构图可知灰斗的容积为上半部圆筒和下半部锥体（将下半部近视为圆锥）的体积，即锥底部分是旋风除尘器压力最低的地方，杜绝锥底漏风是保证旋风筒分离效率的重
17、要措施。旋风除尘器一般都装有卸灰装置，其作用是保证已分离粉尘的顺利下卸及除尘器运行中卸灰时锥底的气密性。卸灰装置分干式和湿式两种，旋风除尘器多采用干式卸灰装置。回转式卸灰阀是依靠旋转的刚性分格轮来实现除尘器的卸灰和密封的。刚性分格轮由电机带动旋转，粉尘充满由刮板组成的扇形空间后连续排出，电机适宜转速由卸灰量的大小来确定。在这里我们选择星形卸灰阀。3.4旋风除尘器的安装形式通过前面的计算分析，旋风除尘器采用两筒并联，并联除尘器数目不多时（一般不超过8个）可以采用单管并联，这时，每个除尘器有其自己的进气管和排气管，各自与近期干管和排气干管相连，或者各自单独向大气排气；每个除尘器可以有单独的灰斗，也
18、可以合用一个灰斗。3.4.1进气管并联方式单个旋风除尘器并联，进气几乎都是切向的。进气管和排气管不同并联方式如下。图12（a）是最简单的入口并联方式，在进气管中气体和灰尘的流动是堆成的，两个除尘器中的工作情况相同，效率和阻力相同的。图12（b）所示的连接，难使所有支管入口压力相同，但安装比较方便。图12（c）是另一种连接方式，每经过一个除尘器的入口以后，主管道就会缩小一些，进入并联的除尘器气流可以自我补偿，达到气流基本平衡；这是因为最大的气流产生的最大压力降，从而使流量减少。通过对比，本设计选用第1种进口方式。3.4.2排气管并联方式并联除尘器与排气干管连接时，往往为了回收压力而采用蜗卷式出口
19、。因为这种出口的方式可以随意安排，故可根据具体情况采用不同的连接方式，图13是几个例子，其中，图13（a）为对称并联，图13（b）、（c）、（d）、（e）为不对称并联。由于排气管设计比较自由，因此采用常规设计。3.4.3排灰口并联方式并联的旋风除尘器共用一个灰斗比各自有一个灰斗的优点是可以减轻清除积灰时的麻烦。缺点是一旦漏风将严重破除尘器正常工作。图4是共用灰斗示意。灰尘从旋风除尘器C1和C2经过孔口E1和E2进入灰斗D。如果两个除尘器相同，则它们从入口到出口的压力降是一样的，灰斗D中的气体是静止的。如果由于某种原因，例如其中一个除尘器被灰尘堵塞，气流受到限制，以致在E1点的压力大于E2点的，
20、则气体就从E1带着一些灰尘经过D流道E2，而从除尘器C2的排气管流出去。因此，必须控制压力和流动状况。把旋风除尘器做的完全一样，并且注意这个问题使并联的除尘器的差异尽量减少，也防止各个除尘器中的流动状况变的不同。针对这一情况在工程应用中应按组合除尘器数量将灰斗分格如图14所示。因此，灰斗的设计采用分格设计。3.5焊接工艺3.5.1筒体焊接结构设计1.筒体与筒体以及筒体与上灰环焊缝焊接接头型式和尺寸选用GB/T9119-2000。2.根据GB/T518-95选用焊丝的牌号H10Mn，根据GB12470-70选用焊剂的牌号HJ431型号HJ401-H08A。3.焊接采用埋弧焊，对焊缝进行100%的
21、射线探伤检测，要求GB3325-87中的II级为合格。4.灰斗的焊接也按上述标准施行。3.5.2接管与筒体焊接结构设计1.筒体与接管的焊接接头型式和尺寸选用GB/T9119-2000。2.根据GB/T518-95低合金钢电焊条选用焊条牌号J502，型号E5003。3.焊接采用手工电弧焊，对焊缝进行100%的射线探伤检测，要求GB3325-87中的II级为合格。3.5.3板式平焊法兰与接管焊接结构设计1.板式平焊法兰与接管焊接接头尺寸选用GB/T9119-2000选用。2.根据GB/T518-95低合金钢电焊条选用焊条牌号J507型号E5015。3.焊后对焊缝进行100%的射线探伤检测，要求GB
22、3325-87中的II级为合格。旋风分离器设计中应该注意的问题旋风分离器被广泛的使用已经有一百多年的历史。它是利用旋转气流产生的离心力将尘粒从气流中分离出来。旋风分离器结构简单，没有转动部分。但人们还是对旋风分离器有一些误解。主要是认为它效率不高。还有一个误解就是认为所有的旋风分离器造出来都是一样的，那就是把一个直筒和一个锥筒组合起来，它就可以工作。旋风分离器经常被当作粗分离器使用，比如被当做造价更高的布袋除尘器和湿式除尘器之前的预分离器。事实上，需要对旋风分离器进行详细的计算和科学的设计，让它符合各种工艺条件的要求，从而获得最优的分离效率。例如，当在设定的使用范围内，一个精心设计的旋风分离器
23、可以达到超过99.9%的分离效率。和布袋除尘器和湿式除尘器相比，旋风分离器有明显的优点。比如，爆炸和着火始终威胁着布袋除尘器的使用，但旋风分离器要安全的多。旋风分离器可以在1093摄氏度和500ATM的工艺条件下使用。另外旋风分离器的维护费用很低，它没有布袋需要更换，也不会因为喷水而造成被收集粉尘的二次处理。在实践中，旋风分离器可以在产品回收和污染控制上被高效地使用，甚至做为污染控制的终端除尘器。在对旋风分离器进行计算和设计时，必须考虑到尘粒受到的各种力的相互作用。基于这些作用，人们归纳总结出了很多公式指导旋风分离器的设计。通常，这些公式对具有一致的空气动力学形状的大粒径尘粒应用的很好。在最近
24、的二十年中，高效的旋风分离器技术有了很大的发展。这种技术可以对粒径小到5微米，比重小于1.0的粒子达到超过99%的分离效率。这种高效旋风分离器的设计和使用很大程度上是由被处理气体和尘粒的特性以及旋风分离器的形状决定的。同时，对进入和离开旋风分离器的管道和粉尘排放系统都必须进行正确的设计。工艺过程中气体和尘粒的特性的变化也必须在收集过程中被考虑。当然，使用过程中的维护也是不能忽略的。1、进入旋风分离器的气体必须确保用于计算和设计的气体特性是从进入旋风分离器的气体中测量得到的，这包括它的密度，粘度，温度，压力，腐蚀性，和实际的气体流量。我们知道气体的这些特性会随着工艺压力，地理位置，湿度，和温度的
25、变化而变化。2、进入旋风分离器的尘粒和气体特性一样，我们也必须确保尘粒的特性参数就是从进入旋风分离器的尘粒中测量获得的。很多时候，在想用高效旋风分离器更换低效旋风分离器时，人们习惯测量排放气流中的尘粒或已收集的尘粒。这种做法值得商榷，有时候是不对的。获得正确的尘粒信息的过程应该是这样的。首先从进入旋风分离器的气流中获得尘粒样品，送到专业实验室决定它的空气动力学粒径分布。有了这个粒径分布就可以计算旋风分离器总的分离效率。实际生产中，进入旋风分离器的尘粒不是单一品种。不同种类的尘粒比重和物理粒径分布都不相同。但空气动力学粒径分布实验有机地将它们统一到空气动力学粒径分布中。3、另外影响旋风分离器的设
26、计的因素包括场地限制和允许的压降。例如，效率和场地限制可能会决定是否选用并联旋风分离器，或是否需要加大压降，或两者同时采用。4、旋风分离器的形状旋风分离器的形状是影响分离效率的重要因素。例如，如果入口尺寸，锥体尺寸，排气管，以及排放口不一样，两个相同筒径的旋风分离器会有相当大的效率差别。在图1中，分离器A的设计形式会造成一些问题：入口设计可能不能提供充分的入口速度和想要的速度分布。切线式入口可能造成排气管的磨损和因为排气管的干扰造成入口气流紊乱。还有就是可能会造成入口气流和排出气流的短路，夹带尘粒而出造成分离效率下降。考虑不周的内部设计会造成气流紊乱。这种情况下就会把本来应被收集的尘粒裹挟到向
27、上的排出气流中而逃出分离器。急速的锥体直径变化，会造成筒体和锥体连接处的磨损。它也阻止了收集到的尘粒平滑地从筒体到锥体的运动。这样的锥体下部很容易被磨损。很明显，在分离器和卸灰阀之间没有用以帮助分离的灰斗。5、入口管道的设计不合适的管道设计是最常见的造成进入旋风分离器流量不足的重要原因。事实上，有一个普遍现象，那就是配置的风机不能满足系统的流量要求。因为整个系统的压降超过了风机能满足的压头，这样风机就自动移到高压降，低流量的状态工作。另外，很多设计人员因为一些原因会在分离器入口前放一个弯头（如图2）。实际上，为了达到好的分离效果，气体应该通过直管进入分离器，直管的长度约为6-8倍入口管直径（有
28、资料上说4-10倍的）。这样做主要是为了防止尘粒浓聚在弯头外侧再进入分离器，气体中的尘粒在气流中分配不均。图2分离器入口前放一个弯头6、尘粒排出设计不恰当的卸灰设计能造成粉尘的二次夹带。比如许多人认为风机设在分离器上游时，分离器进行正压运行，此时不必设灰斗或卸灰阀。这是不对的。事实上，旋风分离器内部向上的旋流不管是由正压或负压产生的，都具有夹带粉尘的能力。在任何情况下，灰斗和卸灰阀都必须纳入设计考虑之中（图3）。设计和运行中应特别注意防止旋风分离器底部漏风，因为旋风分离器通常是负压运行。实践证明，旋风分离器漏风5%，效率降低50%，旋风分离器漏风15%，效率接近于零。因而，必须采用气密性好的卸灰阀。图3灰斗和卸灰阀7、分离过程中气体和尘粒特性的改变在实际分离过程中，气体和尘粒特性的变化会造成很严重的问题。比如在一个没有没有保温的分离器中可能会碰到结露的问题。因为通过分离器时，气体损失了热量，气温下降到露点温度或以下所致。这时可以看到本应干的尘粒变成了湿的。分离器内壁也有尘粒结层现象。因为气流旋转摩擦，尘粒也会荷电，导致物料架桥现象出现，不易被排到灰斗或堵塞排料口造成卸灰阀排料不畅。在有的情况下，还可能导致爆炸和着火。所以在分离器设计中，接地是必须的。
