浅谈旋风除尘器设计制作陶瓷行业.docx
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浅谈旋风除尘器设计制作陶瓷行业
浅谈旋风除尘器设计、制作
生产中我们把气体与粉尘微粒的多相混合物的分离操作称为除尘，旋风除尘器是利用旋转气流所产生的离心力将尘粒从含尘气流中分离出来的除尘装置。
它具有结构简单，体积较小，不需特殊的附属设备，造价较低，阻力中等，器内无运动部件，操作维修方便等优点。
作为除尘对象的颗粒直径一般在0.01~100μm之间，100μm以上颗粒由于重力作用很快会降落殆尽，旋风除尘器一般用于捕集5-15微米以上的颗粒。
除尘效率可达80％以上，近年来经改进后的特制旋风除尘器，其除尘效率可达85％以上。
旋风除尘器的缺点是捕集微粒小于5微米的效率不高，一般作预除尘用。
陶瓷行业喷雾干燥塔制粉颗粒普遍在20-100目（150-800μm），中间夹杂100μm以下颗粒，旋风除尘器便作为预除尘使用，捕捉下来的颗粒可以再投入生产循环使用，给企业降低成本。
图1：
陶瓷行业喷雾干燥塔旋风除尘器使用
随着现在环保要求，很多陶瓷企业将窑炉、干燥塔烟气合并治理，干燥塔烟气在旋风除尘器之后不再单独设置布袋除尘，而是将窑炉与干燥塔合并的烟气在脱硫后集中除尘，这样脱硫后的烟气因含有脱硫副产品，无法直接再投入生产循环使用，所以提高旋风除尘器除尘效率应当引起企业重视。
表1：
目数与微米对照表
1、旋风除尘器构造及原理
旋风除尘器的结构如图2所示，当含尘气体由进气管进入旋风除尘器时，气流将由直线运动转变为圆周运动，旋转气流的绝大部分延器壁呈螺旋形向下，朝椎体流动。
通常称为外旋气流，含尘气体在旋转过程中产生离心力，将重量大于气体的尘粒甩向器壁。
尘粒一旦与器壁接触，便失去惯性力而靠入口速度的动量和向下的重力延壁面下落，进入排灰管。
旋转下降的外旋气流在到达椎体时，因椎体形状的收缩而向除尘器中心靠拢。
根据“旋转矩”不变原理，其切向速度不断增加。
当气流到达椎体下端某一位置时，即以同样的旋转方向从旋风除尘器中部，由下反转而上，继续做螺旋运动，即内旋气流。
最后净化气体经排气管排除旋风除尘器外，一部分未被捕集的尘粒也由此带出。
通常将旋转向下的外圈气流称为外涡旋，旋转向上的中心气流称为内涡流，注意两者的旋转方向是相同的。
1—排气管2—顶盖3—排灰管4—圆锥体
5—圆筒体6—进气管7—外旋涡8—内旋涡
图2：
旋风除尘器结构
二、旋风除尘器内的流场分析
旋风除尘器内的流场是一个复杂的三维流场，气体在旋风器内作旋转运动时，任一点的速度均可分解为切向速度Vt、轴向速度Vz和径向速度Vr。
2.1旋风除尘器的各向速度
①切向速度Vt
切向速度对于粉尘颗粒的捕集与分离起着主导作用，含尘气体在切向速度的作用下，由里向外离心沉降，排气管以下任一截面上的切向速度Vt沿半径的变化规律为：
在旋风除尘器中心部分的旋转气流（即“内涡旋”气流），其切向速度Vt随着半径的增大而增大；而“外涡旋”其切向速度Vt则随着半径的增加而减少。
在内外涡旋的交界面上，切向速度达到最大值。
各种不同结构的旋风除尘器，其切向速度分布规律基本相同。
表达通式为:
Vtrn=常数
式中r为气流质点的旋转半径，n为速度分布指数一般为0.5~0.9之间。
若忽略旋风除尘器内气流所存在的内摩擦力，根据能量守恒定律，在理想情况下n=1，此时，Vtr=常数，称为自由旋流。
因此，n和1的差值就是旋流和自由旋流的差异，该n值可由下式计算
式中D—旋风除尘器的直径（m）；
T—热力学温度（K）；
n—速度分布指数。
最大切向速度的位置rm称为强制旋流的半径，实验证明
rm=2/3re
式中re—出口管半径
图2:
旋风除尘器内的流场分布
②径向速度Vr
径向速度Vr是影响旋风除尘器分离性能的重要因素，因为它可以使尘粒沿半径由外向内推向漩涡中心，阻碍尘粒的沉降。
但是该径向速度和切向速度之比较小，通常Vr在±1~5m/s范围内。
③轴向速度Vz
轴向速度Vz分布构成了旋风除尘器的外层下行、内层上行的气体双层旋转流动结构。
实验表明，有一个零轴向速度面始终和器壁平行，即使在椎体部分，也能保持外层气流厚度不变。
除了上述三种流速外还由于轴向流速和径向流速的作用引起涡流,他们都将引起除尘效率的降低。
2.2旋风除尘器的涡流
旋风除尘器内，除了主旋转气流外，还存在着由轴向速度和径向速度相互作用而形成的涡流。
涡流对旋风除尘器的分离效率和压力损失影响较大。
常见的涡流有以下几种:
①短路流
即旋风除尘器顶盖、排气管外面与筒体内壁之间，由于径向速度与轴向速度的存在，将形成局部涡流（上涡流），夹带着相当数量未经过旋转的尘粒向中心流动，并沿排气管外表面下降，最后随中心上升气流逸出排气管，影响了除尘效率。
因此,在旋风除尘器的研究与设计中非常关键的一点就是尽量避免产生短路流。
②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通流截面小于排气管管端以下内旋流的有效通流截面，因此在排气管管端处产生节流效应，从而使气体对大颗粒的甩力超过颗粒所受的离心力，而造成“短路”，影响了分离性能。
③外层涡流中的局部涡流
由于旋风除尘器壁面不光滑，如突起、焊缝等等，可产生与主流方向垂直的涡流，其量虽只约为主流的五分之一，但这种流动会使壁面附近，或者己被分离到壁面的粒子重新甩到内层旋流，使较大的尘粒在净化气中出现，降低了旋风除尘器的分离能力。
这种湍流对分离5μm以下的颗粒尤为不利。
④底部夹带
外层旋流在锥体顶部向上返转时可产生局部涡流，将粉尘重新卷起，假使旋流一直延伸到灰斗，也同样会把灰斗中粉尘，特别是细粉尘搅起，被上升气流带走。
底部夹带的粉尘量占从排气管带出粉尘总量的20~30%。
因此，合理的结构设计，减少底部夹带也是改善旋风除尘器捕集效率的重要方面。
2.3旋风除尘器内的压力分布
一般旋风除尘器内的压力分布依然如图2所示。
依据对旋风除尘器的工作原理、结构形式、尺寸以及气体的温度、湿度和压力等分析和试验测试，其压力损失的主要影响因素可归纳如下：
（1）结构形式的影响
旋风除尘器的构造形式相同或几何图形相似，则旋风除尘器的阻力系数ζ相同。
若进口的流速相同，压力损失基本不变。
（2）进口风量的影响
压力损失与进口速度的平方成正比，因而进口风量较大时，压力损失随之增大。
（3）除尘器尺寸的影响
除尘器的尺寸对压力损失影响较大，表现为进口面积增大，排气管直径减小，而压力损失随之增大，随圆筒与椎体部分长度的增加而减小。
（4）气体密度变化的影响
压力损失随气体密度增大而增大。
由于气体密度变化与T、P有关，换句话说，压力损失随气体温度或压力的增大而增大。
（5）含尘气体浓度的大小的影响
试验表明，含尘气体浓度增高时，压力损失随之下降，这是由于旋转气流与尘粒之间的摩擦作用使旋转速度降低所致。
（6）除尘器内部障碍物的影响
旋风除尘器内部的叶片、突起、和支撑物等障碍物能使气流旋转速度降低。
但是，除尘器内部粗糙却使压力损失很大。
三、旋风除尘器的性能及其影响因素
3.1旋风除尘器的技术性能
（1）处理气体流量Q
处理气体流量Q是通过除尘设备的含尘气体流量，除尘器流量为给定值，一般以体积流量表示。
高温气体和不是一个大气压情况时必须把流量换算到标准状态，其体积m3/h或m3/min表示。
（2）压力损失
旋风除尘器的压力损失△p是指含尘气体通过除尘器的阻力，是进出口静压之差，是除尘器的重要性能之一。
其值当然越小越好，因风机的功率几乎与它成正比。
除尘器的压力损失和管道、风罩等压力损失以及除尘器的气体流量为选择风机的依据。
压力损失包含以下几个方面：
①进气管内摩擦损失；
②气体进入旋风除尘器内，因膨胀或压缩而造成的能量损失；
③与容器壁摩擦所造成能量损失；
④气体因旋转而产生的能量消耗；
⑤排气管内摩擦损失，以及由旋转气体转为直线气体造成的能量损失；
⑥排气管内气体旋转时的动能转换为静压能所造成的损失等。
（3）除尘效率
一般指额定负压的总效率和分级效率，但由于工业设备常常是在负荷下运行，有些场合把70%负荷下的除尘总效率和分级效率作为判别除尘性能的一项指标。
从额定负荷下的总效率与70%负荷下总效率对比中，可以看出除尘器负荷适应性。
分级效率是说明除尘器分离能力的一个比较确切的指标。
对同一灰尘粒径的分级效率越高，除尘效果越好。
在工业测试中，一般把3μm、5μm和10μm灰尘的分级效率作为衡量旋风除尘器分离能力的一个依据。
（4）耗钢量
旋风除尘器的耗钢量是每小时处理1000m3气体除尘器本身所需要的钢材数量。
在除尘效率接近或相等时，耗钢量越小越好。
（5）使用寿命
使用寿命与旋风除尘器本身结构特点、耐磨损措施以及操作条件有关。
延长使用寿命的积极措施是：
合理组织除尘器内部气流并在内部设抗磨内衬。
3.2影响旋风除尘器性能的主要因素
（1）旋风除尘器几何尺寸的影响
高效旋风除尘器的各个部件都有一定的比例尺寸，这些比例是基于广泛调查研究的结果。
某个比例关系的变动，能影响旋风除尘器的效率和压力损失。
例如在相同的切向速度下筒体直径D愈小，粒子受到的惯性离心力愈大，除尘效率愈高，但若筒体直径过小，粒子容易逃逸，使效率下降。
另外，锥体适当加长，对提高除尘效率有利。
除尘器分割直径的推导过程表明，排出管直径愈少分割直径愈小，即除尘效率愈高。
但排出管直径太小会导致压力降的增加，一般取排出管直径de=（0.4-0.65）D。
在旋风除尘器的几何尺寸中，以旋风除尘器的直径、气体进口以及排气管形状与大小为最主要的影响因素。
①一般旋风除尘器的直径越小，粉尘所受的离心力越大，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，筒体太小对于粘性物料。
因容易引起堵塞。
因此，一般筒体直径不宜小，大型化以后己出现筒径大于20O0mm的大型旋风除尘器。
②较高除尘效率的旋风除尘器都有合适的长度比例。
它不但使进入筒体的尘粒停留时间增长，有利于分离，且能使尚未到达排气管的颗粒，有更多的机会从旋流核心中分离出来，减少二次夹带，以提高除尘效率。
足够长的旋风除尘器，还可避免旋转气流对灰斗顶部的磨损。
但是过长的旋风除尘器，会占据较大的空间，即从排气管下端至旋风除尘器自然旋转底端的距离。
可用下式计算:
式中
—旋风除尘器筒体长度，m;D—旋风除尘器筒体直径，m;
b—除尘器入口宽度，m;de—除尘器出口直径，m。
一般常取旋风除尘器的圆筒段高度H=（l.5~2.0）D。
旋风除尘器排出管以下部分的长度应当接近或等于l，筒体和锥体的总高度以不大于5倍的筒体直径为宜。
旋风除尘器的圆锥体可以在较短的轴向距离内将外旋流转变为内旋流，因而节约了空间和材料。
除尘器圆锥体的作用是将已分离出来的粉尘微粒集中于旋风除尘器中心，以便将其排入灰斗中。
当锥体高度一定，而锥体角度较大时，由于气流旋流半径很快变小，很容易造成核心气流与器壁撞击，使沿锥壁旋转而下的尘粒被内旋流所带走，影响除尘效率。
所以，半锥角a不宜过大，设计时常取a为13°~15°。
③旋风除尘器的进口有两种主要的进口形式：
轴向进口和切向进口。
切向进口为最普通的一种进口形式，制造简单，用的比较多。
这种形式进口的旋风除尘器外形尺寸紧凑。
渐开线（蜗壳形）进口进入筒体的气流宽度逐渐变窄，可以减少气流对筒体内气流的撞击和干扰，是颗粒向壁移动的距离减小，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，因而提高除尘效率。
这种进口处理气量大，压力损失小，是比较理想的一种进口形式。
轴向进口是最理想的一种进口形式，它可以最大限度的避免进口气体与旋转气流之间的干扰，以提高除尘效率。
但因气体均匀分布的关键是叶片形状和数量，否则靠近中心处分离效果很差。
轴向进口常用于多管式旋风除尘器和平置式旋风除尘器。
进口管可以制成矩形和圆形两种形式。
由于圆形进口管与旋风除尘器器壁只有一点相切，而矩形进口管整个高度均与向壁相切，故一般多采用后者。
矩形宽度和高度的比例要适当，因为宽度越小，除尘效率越高，但过长而窄的进口也是不利的，一般矩形进口管高与宽之比为2~4。
④排气管常风的排气管有两种形式：
一种是下端收缩式；另一种是直筒式。
在设计分离较细粉尘的旋风除尘器时，可考虑设计为排气管下端收缩式。
排气管直径越小，则旋风除尘器的效率越高，压力损失也越大；反之，除尘器效率越低，压力损失也越小。
在旋风除尘器设计时，需控制排气管与筒径之比在一定范围内。
⑤灰斗是旋风除尘器设计中不可忽视的部分，因为在除尘器的锥度处气流处于湍流状态，而粉尘也由此排除容易出现二次夹带的机会，如果设计不当，造成灰斗漏气，就会使粉尘的二次夹带飞扬加剧，影响除尘效率。
（2）气体参数对除尘器性能的影响
气体运行参数对性能的影响有以下几个方面：
①气体流量的影响
气体流量或者说除尘器入口气体流速对除尘器性能的压力损失、除尘效率都有很大的影响。
从理论上来说，旋风除尘器的压力损失与气体流量的平方成正比，因而也和入口风速的平方成正比（与实际有一定偏差）。
入口流速增加，能增加尘粒在运动中的离心力，尘粒易于分离，除尘效率提高。
除尘效率随入口流速平方根而变化，但是当入口速度超过临界值时，紊流的影响就比分离作用增加的更快，以致除尘效率随入口风速增加的指数小于1；若流速进一步增加，除尘效率反而降低。
因此，旋风除尘器入口的风速宜选18~23m/s。
②气体含尘浓度的影响
气体的含尘浓度对旋风除尘器的除尘效率和压力损失都有影响。
试验结果表明，压力损失随含尘负荷增加而减小，这是因为颈向运动的大量尘粒拖拽了大量空气，粉尘从速度较高的气流智能向外运动到速度较低的气流中时，把能量传递给涡旋气流的外层，较少其需要的压力，从而降低压力降。
由于含尘浓度的提高，粉尘的凝集与团聚性能提高，因而除尘效率有明显提高，但是提高的速度比含尘浓度增加的速度要慢得多，因此，排出气体的含尘浓度总是随着入口处的粉尘浓度增加而增加。
③气体含湿量的影响
气体的含湿量对旋风除尘器工况有很大影响。
例如，分速度很高而黏着性很小的粉尘（小于10μm的颗粒含量为30%~40%，含湿量为1%）气体在旋风除尘器中净化不好；若细颗粒量不变，含湿量增至5%~10%时，那么颗粒在旋风除尘器内互相粘结成比较大的颗粒，这些颗粒被猛烈冲击在器壁上，气体净化将大有改善。
④气体的密度、粘度压力、温度对旋风除尘器性能的影响
气体的密度越大，除尘效率下降，但是，气体的密度和固体的密度相比几乎可以忽略。
所以，其对除尘效率的影响较之固体密度来说，也是可以忽略不计。
通常温度越高，旋风除尘器压力损失越小；气体粘度的影响在考虑旋风除尘器压力损失时常忽略不计。
但从临界粒径的计算公式中知道，临界粒径与粘度的平方根成正比。
所以，除尘效率时随着气体粘度的增加而降低。
由于温度升高，气体粘度增加，当进气口气速等条件保持不变时，除尘效率略有降低。
（3）粉尘的物理性质对除尘器的影响
①粒径对除尘性能的影响及较大粒径的颗粒在旋风除尘器内会产生较大的离心力，有利于分离。
所以大颗粒所占有的百分数越大，总除尘效率越高。
②粉尘密度对除尘器性能的影响及粉尘密度
粉尘密度对除尘效率有着重要的影响。
临界粒径
和
颗粒密度的平方根成反比，密度越大，
和
越小，除尘效率也越高。
但粉尘密度对压力损失影响很小，设计计算中可以忽略不计。
影响旋风除尘器性能的主要因素，除上述外，除尘器内部粗糙度也会影响旋风除尘器的性能。
浓缩在壁面附近的粉尘微粒，会因粗糙的表面引起旋流，使一些粉尘微粒被抛入上升的气流，进入排气管，降低了除尘效率。
所以，在旋风除尘器的设计中应避免有没有打光的焊缝、粗糙的法兰连接点等。
旋风除尘器性能与各影响因素的关系表2所列
表2:
旋风除尘器性能与各影响因素的关系
变化因素
性能趋向
投资趋向
流体阻力
除尘效率
烟尘性质
烟尘密度增大
几乎不变
提高
（磨损）增加
烟尘密度增大
几乎不变
提高
（磨损）增加
烟气含尘浓度增加
几乎不变
略提高
（磨损）增加
烟气温度增高
减少
提高
增加
结构尺寸
圆筒体直径增大
降低
降低
增加
圆筒体加长
稍降低
提高
增加
圆锥体加长
降低
提高
增加
入口面积增大
降低
降低
排气管直径增加
降低
降低
排气管插入长度增加
增大
提高
增加
运行状况
入口气流速度增大
增大
提高
减少
灰斗气密性降低
稍增大
大大降低
内壁粗糙度增加
增大
降低
四、旋风除尘器设计、选型原则
设计、选型原则有以下几个方面：
1、为防止粒子短路漏到出口管，h≤s，其中s为排气管插人深度；
2、为避免过高的压力损失，b≤（D－de）/2；
3、为保持涡流的终端在锥体内部，（H+L）≥3D；
4、为利于粉尘易于滑动，锥角＝7o～8o；
5、为获得最大的除尘效率，de/D≈0.4～0.5，（H+L）/de≈8～10；s/de≈1；
6、选择适当的规格，可保证获得高的效率和适宜的阻力。
7、所选规格与需要处理的风量相适应，不要采取大马拉小车的办法，即用大除尘器处理小风量。
因为旋风除尘器是离心力愈大，除尘效果愈好。
8、同一台除尘器，处理风量愈大，除尘效果就愈好。
但是，入口风速愈高，必然造成旋风除尘器的空气阻力增大。
所以选择适当的规格是保证除尘效率和适当的空气阻力是极为重要的。
应该注意：
当两个旋风除尘器串联使用时，它所能处理的风量即为单个旋风除尘器所能处理的风量，而阻力则为两个旋风除尘器阻力之和，但它的除尘效率一般提高不多，所以两个旋风除尘器串联起来使用需要尽量避免。
9、旋风除尘器入口风速要保持18~23m/s，低于18m/s时，其除尘效率降低；高于23m/s时，除尘效率提高不明显，但压力损失增加，耗电量增高很多。
10、选择除尘器时，要根据工况考虑阻力损失及结构形式，尽可能使之动力消耗减少且便于制造维护。
11、旋风除尘器能捕集到的最小尘粒应等于或稍小于被处理气体的粉尘密度。
12、当含尘气体温度很高时，要注意保温，避免水分在除尘器内凝结。
假如粉尘不吸收水分、露点为30~50℃时，除尘器得到温度最少应高出30℃左右；假如粉尘吸水性较强（如水泥、石膏和含碱粉尘等）、露点为20~50℃时，除尘器的温度应高出露点温度40~50℃.
13、旋风除尘器结构的密闭要好，确保不漏风。
尤其是负压操作，更应注意卸料锁风装置的可能性。
14、易燃易爆粉尘（如煤粉）应设有防爆装置。
防爆装置的通常做法是在入口管道上加一个安全防爆阀门。
15、当粉尘浓度减小时，最大允许含尘质量浓度与旋风筒直径有关，即直径越大其允许含尘质量浓度也越大。
具体的关系如表3所列
表3:
直径与允许含尘质量浓度关系
旋风除尘器直径/mm
800
600
400
200
100
60
40
允许含尘质量浓度（g/m3）
400
300
200
150
60
40
20
五、旋风除尘器的设计
旋风除尘器各部分尺寸的确定：
图3：
各尺寸的标示
图4：
正在制作中的旋风除尘器
确定进口风速，根据推荐一般取Vj=18~223m/s
确定旋风除尘器的尺寸
（1）进气口面积Aj的确定
进气口截面一般为长方形，尺寸为a和b，
根据处理气量Q和进气速度Vj可得:
Aj=ab=Q/3600Vj
（2）筒体尺寸的确定
一般旋风除尘器的直径越小，气流的旋转半径越小，粉尘颗粒所受的离心力越大，除尘效率越高。
但是过小的筒体直径，和排气管太近，可能造成大直径颗粒反弹至中心被气流带走，使除尘效率降低，另外还可能引起筒体内堵塞。
一般取b=0.2D，筒体长度h=2D。
（3）旋风除尘器高度的确定
较高效率的旋风除尘器都有较大的长度比，它不仅使进入筒体的尘粒停留时间长，有利于分离，且能使尚未到达排气管的颗粒有更多的机会从旋流中心分离出来。
减少二次夹带，以提高除尘效率。
但是过长的旋风除尘器会占据较大的空间，尤其对于内旋风除尘器来说，更受到设备内部空间的限制，因此，旋风除尘器自然长度L即从排气管下端至旋风除尘器自然旋转顶端的距离，由《现代机械设备设计手册》.非标准机械设备设计③式23.1-75确定
设计中，旋风除尘器的高度h应保证有足够的自然长度，一般取圆筒部分高度h=（1.5~2）D。
旋风除尘器圆锥部分可以较短的距离内将外旋流转变为内旋流，因而节约了空间和材料，同时在自由旋流区采用圆锥形结构，旋转半径逐渐减小，使切向速度不断增高，离心力随之增大，提高除尘效率。
圆锥体的另一作用是将沉降的颗粒集中到灰斗中去。
圆锥体高度和半椎体角α和下端排灰口直径D2有关。
半椎体角取决于粉尘颗粒的性质，其值要保证尘粒有效的克服内摩擦角而顺利的延椎体下滑至灰斗内，但是又不能太大，太大了气流旋流半径变化太快，引起核心气流和器壁撞击，使已沉降的颗粒再次扬起，因而降低除尘效率。
通常规定α≦30°，设计时常取α=13°~15°。
在旋风除尘器气流中，自由旋流的轴线是偏的，偏心度大约为de／4，因此，为了防止核心旋流与锥壁接触时将分离下来的粉尘重新卷入核心旋流，而造成二次夹带，要求排灰口直径Dc不得小于
／4，圆锥高度h=（2~2.5）D
（4）排气管尺寸的确定
4.1排气管直径的确定
在一定范围内，排气管直径越小，则除尘效率越高，但压力损失越大，反之，则除尘效率越低，压力损失小。
D∕
=2.5~3时，除尘效率达到最高点,如果再增加D∕
，除尘器效率增加缓慢，而压力损失急剧增加。
通常取
=（0.3~0.5）D
4.2排气管插入深度的确定
排气管插入深度s也直接影响除尘器性能。
s太深，减少气体的旋转圈数N，同时增加了二次夹带的机会，增加表面摩擦，提高压力损失，太浅或不插入，会造成正常旋流核心的弯曲，甚至破坏，使其处于不稳定状态，同时亦造成气体流短路而降低效率，一般去插入深度s=0.8a
排气管的插入深度也会影响除尘器性能，插入深度宜超过进口管下边缘，但不能接近锥体上边缘。
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