新版粉体工程课程设计除尘器模板

旋风除尘器的关键技术与创新

研究人: 汪天博、朱猛、张栋杰、顾峰、蒋寒军

研究背景及目的

旋风除尘器旋转气流的绝大部分沿器壁自圆筒体呈螺旋状自上而下向圆锥体底部运动, 形成下降的外旋含尘气流, 在强烈旋转过程中所产生的离心力将密度远远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产生的动量和自身的重力沿壁面下落进入集料斗。旋转下降的气流在到达圆锥体底后, 沿除尘器的轴心部位转而向上, 形成上升的内旋气流, 并由除尘器的排气管排出。自进气口流入的另一小部分气流, 则向旋风除尘器顶盖处流动, 然后沿排风管外侧向下流动, 当达到排风管下端时, 即反转向上随上升的中心气流一同从排风管排出, 分散在其中的尘粒也随同被带走。旋风除尘器的除尘效率对除尘的产量以及成本有着至关重要的意义, 因此提高旋风除尘器的除尘效率是当今社会共同面正确问题。

国内外研究现状

当前, 旋风除尘器的研究状况能够从以下两个方面叙述:

( 1) 分离理论及计算模型

理论、边界层理论、传介质理论等, 各个理论都在一定的假设前提下建立了旋风除尘器性能计算模型。其中转圈理论是类比平流重力沉降分离理论最早发展起来的理论。在平流沉降室中距分离界面

最高点h处的粉尘以重力沉降速度向下沉降, 同时粉尘又以水平方

达分离界面而被分离。在旋风除尘器内存在径向向外的离心沉降速度和旋转切向分速度, 如果旋转圈数足够多, 即展开后的长度相当于平流沉降室的长度L, 则粉尘就能从内半径到达外边壁处的分离界面而被分离,这一理论的研究以Rosin、Rammler、Lnterman、First为代表[1,5]。

转圈理论对于旋风除尘器内的流场认识是不够全面的。气流进入旋风除尘器内, 在上筒体内, 旋转能够认为只有单一的旋涡流场;

不够全面的。为了补救转圈理论的缺点,对于旋风除尘器内的流场即见有涡, 也见到有汇, 因此形成了筛分理论。

筛分理论认为每一粉尘颗粒都同时受到方向相反的两种推移作用。由旋涡流场的惯性离心力使颗粒受到向外推移的作用, 由于汇流场又使得颗粒受到向内漂移的作用。离心力的大小与粉尘颗粒的大小有关, 颗粒越大离心力越大, 因而必定有一临界粒径dc50, 受离心力向外推移的作用正好与向内漂移的作用相等。凡粒径d＞dc者, 向外推移作用大于向内漂移作用, 结果被推移到旋风除尘器壁附近, 粉尘浓度大到运载介质的极限负荷浓度时, 则粉尘被分离出来。相反, 凡d＜dc的粉尘颗粒, 向内漂移的作用大于向外推移的作用而被带到上升的强制涡核心部分, 随着外排气流而排离旋

风除尘器。这一理论的研究以Lapple、Shepherd、Staimand、Barth、Muschelknautz等代表[1,2,3]。

边界层理论认为在旋风除尘器任一截面上固相颗粒的浓度分

布是均匀的, 但流体在近壁面处的边界层内是层流流动, 只要颗粒进入边界层内颗粒的运动由旋转转变为自由沉降扩散运动即视为

被捕集分离, 以D.Leith和W.Licht等的研究为代表[5, 6]。

中国学者向晓东提出传介质理论。转圈理论只考虑旋涡在靠近旋风除尘器器壁处的离心分离作用, 筛分理论则只考虑在假想筛

分圆柱面上的离心分离作用, 实际上, 在旋风除尘器的整个分离空间内, 旋转气流均有分离作用。针对这两点, 传介质理论认为: 若在分离空间内无粒子的凝聚与生长, 那么, 在整个分离空间内任取一六面微元体, 单位时间内此微元体内粒子的总通量应为零, 即质量和数量是守恒的。根据这一假设, 推导旋风除尘器的相关性能计算公式[3,7]。

Sproull于1970年采用与电除尘器类似的方法, 给出了旋风除尘器效率的分离计算公式[8]。D.Leith和W.Licht于1972年考虑湍流扩散对固相颗粒分离的影响, 基于边界层分析理论, 把气流中悬浮颗粒的横向混合理论与旋风除尘器内气流的平均停留时间相结合, 从理论上严格推导出了分级效率模型[6,9]。

张吉光等[10]于1991年根据旋风器内气流的轴向速度分布规律确定尘粒在旋风器内的平均停留时间分析了旋风器内气流的三

维速度分布规律对固相颗粒分离的影响及旋风器各主要结构参数

和运行参数的影响, 并考虑筒体与锥体边界层内颗粒的分离效应, 建立了旋风除尘器的分级效率数学模型。

陈建义、时铭显等[11]于1993年在对PV型旋风除尘器内部流场及浓度测定的基础上, 考虑了颗粒间的相互碰撞、反混等对分离性能的影响, 建立了旋风除尘器分级效率的多区计算模型。

王广军、陈红于[12] 考虑了径向浓度梯度以及重力沉降和径向加速过程对固相颗粒分离的影响, 建立了锅炉细粉分离分离效率的计算模型。沈恒根等[13]在假设: 不考虑边界层作用; 忽略边壁作用, 尘粒到达外边壁就被捕集; 进入旋风除尘器前, 尘粒浓度分布均匀; 不考虑重力作用, 提出了平衡尘粒模型。运用涡汇升降流三维气流分析尘粒运动, 提出平衡尘粒分布, 给出了平衡尘粒计算公式。清华大学的王连泽、彦启森认为: 旋风除尘器内的流动主要受切向速度支配, 旋风除尘器的性能, 也主要与切向速度相关, 同时, 她们应用粘性流体力学理论, 推导出了旋风除尘器内切向速度的计算公式。

张晓玲、亢燕铭、付海明等[14]经过对旋风除尘器内尘粒粒子的运动和捕集特性的分析, 讨论了无量纲准则数Reynolds和Stokes与粒子分离过程的关系, 并在对经典文献给出的试验数据进行回归分析的基础上, 得到了一个有影响除尘效率的主要无量纲数表示的旋风除尘器分级效率半经验计算式。

( 2) 结构改进

在理论继续发展的同时, 旋风除尘器不断有新的改进措施提

出, 从而开发出许多新型高效的旋风除尘器。国内外研究者在旋风除尘器整体改进方面推出了新型旋风除尘器其中以PV型旋风除尘器和环流式旋风除尘器最为瞩目。PV型旋风除尘器由石油大学、洛阳石油化工工程公司和原北京设计院联合开发,为中国石油化工集团公司专有技术,已几乎在所有的催化裂化装置中得到成功应用,而且又在化工及煤炭发电等领域中得到推广应用,应该说是很成熟的一项先进技术。[15,16]新型环流式旋风除尘器(国家创造专利产品,专利号: ZL 92219769.5)。如图1.1, 环流式旋风除尘器的外型与常规型旋风除尘器相似,但器内增设了强化分离效率的内件。该除尘器具有压降低、放大效应小、分离效率高、操作稳定性好等特点[17,18,19]。

研究发现气流运动性能、颗粒性能、几何参数、材料表面摩擦系数等对旋风除尘器性能都有影响。因此, 一些研究者针对旋风除尘器不同部分也做了成功的改进以提高旋风除尘器性能。Y.Zhu[20]提出如图1.2所示的旋风除尘器结构,与Stairmand型旋风除尘器相比, 最大的特点就是经过增加一个倒置的旋风除尘器筒壁,从而将整个旋风除尘器内部空间划分为两个颗粒分离环形区域,同时,排气管被移到了下方,这种旋风除尘器相当于将两个旋风子合到了一起。Y.Zhu型旋风除尘器除尘效率得到提高,压力损失也有所降低。Plomp等[21,22]针对气流出口提出了加装二次分离附件, 如图1.3。二次分离附件设置在旋风除尘器顶部, 称之为POC。沈恒根[23,24,25,26]针对旋风器内气流轴不对称问题,将其进口由单进

口改为双进口, 如图1.4。经过双进口旋风器内流场实验研究表明,双进口旋风器比单进口旋风器更有利于提高除尘效率和降低设备阻力。

气流在开始进入旋风除尘器时存在气流压缩问题, 祝立萍[27]经过试验的方法证实在气流入口添加弧形导向板能够有效地解决这一问题同时还降低压力损失, 导向板如图1.5。旋风除尘器的磨损问题在工业应用过程中是十分普遍的问题, 向晓东在内壁添加耐磨设置环缝套圈[28,29], 能够有效地减少粉尘颗粒对旋风除尘器的磨损提高使用寿命。王连泽等[30]人以Stairmand型旋风除尘器为研究模型经过在旋风除尘器内安装减阻杆, 能够在保证分离效率的前提下降低流动阻力。同时工业应用表明, 安装减阻杆能提高旋风除尘器的处理风量, 降低除尘系统动力消耗, 从而达到减阻、节能与增产的效果。另外, 将高压静电技术和旋风除尘器的结合技术[31,32]、添加稳流杆等都是成功的改进方案。

传统对旋风除尘器的研究主要经过试验测定及理论推导来分析其除尘机理。随着, CFD技术和计算机科学技术的发展, 数值模拟技术应用与旋风除尘器的模拟分析已经变为现实, 采用这一技术, 可有效地对旋风除尘器内部流场分析研究, 有利于进一步提出更多新型高效的旋风除尘器。

影响旋风除尘器的除尘效率的因素

旋风除尘器的除尘效率受到很多因素的影响, 其中主要包括除尘器的结构, 操作工艺参数

等。

1、除尘器结构

1．1．1 进气口

旋风除尘器的进气口是形成旋转气流的关键部件, 是影响除尘效率和压力损失的主要因素。切向进气的进口面积对除尘器有很大的影响, 进气口面积相对于筒体断面小时, 进人除尘器的气流切线速度大, 有利于粉尘的分离。

1．1．2 圆筒体直径和高度

圆筒体直径是构成旋风除尘器的最基本尺寸。旋转气流的切向速度对粉尘产生的离心力与圆筒体直径成反比, 在相同的切线速度下, 筒体直径D 越小, 气流的旋转半径越小, 粒子受到的离心力越大, 尘粒越容易被捕集。因此, 应适当选择较小的圆筒体直径, 但若筒体直径选择过小, 器壁与排气管太近, 粒子又容易逃逸;

筒体直径太小还容易引起堵塞, 特别是对于粘性物料。当处理风量较大时, 因筒体直径小处理含尘风量有限, 可采用几台旋风除尘器并联运行的方法解决。并联运行处理的风量为各除尘器处理风量之和, 阻力仅为单个除尘器在处理其所承担的那部分风量的阻力。但并联使用制造比较复杂, 所需材料也较多, 气体易在进口处被阻挡而增大阻力。因此, 使用时台数不宜过多。筒体总高度是指除尘器圆筒体和锥筒体两部分高度之和。增加筒体总高度, 可增加气流在除尘器内的旋转圈数, 使含尘气流中的粉尘与气流分离的机会增多, 但筒体总高度增加, 外旋流中向心力的径向速度使部分细小粉