改進(jìn)旋風(fēng)器結(jié)構(gòu)提高除塵效率的新方法
簡介：討論改變旋風(fēng)器整體結(jié)構(gòu)、增加附件、改進(jìn)原有旋風(fēng)器構(gòu)件的幾種改進(jìn)結(jié)構(gòu)新做法，分析這些做法提高除塵效率的合理性。
一 概述
工業(yè)生產(chǎn)過程產(chǎn)生的粉塵大多為破碎、粉碎、輸送、清理過程。這一過程產(chǎn)生的粉塵與燃燒過程產(chǎn)生的煙塵相比要偏粗，可以用Rosin-Rammler函數(shù)表示粒徑分布。因此，旋風(fēng)器(雙稱旋風(fēng)除塵器、旋風(fēng)收塵器、旋風(fēng)分離器等，本文簡稱旋風(fēng)器)成為工業(yè)通風(fēng)常除塵設(shè)備。
旋風(fēng)器突出的優(yōu)點(diǎn)是它的經(jīng)濟(jì)性以及結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)較為簡單。由于沒有運(yùn)動(dòng)部件所需的維修和保養(yǎng)相對(duì)較少，選用合適的材料和結(jié)構(gòu)形式，對(duì)一些特殊操作應(yīng)用條件(如高溫，高壓，腐蝕性氣體環(huán)境等)也可以使用。
旋風(fēng)器中用的最多的是切向進(jìn)口形成的旋風(fēng)器(如圖1)，這種旋風(fēng)器通常可以用以筒體直徑D為比值的結(jié)構(gòu)參數(shù)(無因次結(jié)構(gòu)參數(shù))來設(shè)計(jì)。由于Stairmand型(高效型)研究數(shù)據(jù)比較完整和應(yīng)用中的有效性，許多研究者把自己改進(jìn)旋風(fēng)器與其作性能對(duì)比［1］。
作為旋風(fēng)器研究途徑大致為：研究旋風(fēng)器空氣動(dòng)力場，通過氣流場判定其中顆粒物的運(yùn)動(dòng)與分離：進(jìn)行性能參數(shù)實(shí)測判定旋風(fēng)器的性能優(yōu)劣。由于旋風(fēng)器是依靠離心力來收集粉塵，對(duì)于如何提高微細(xì)粉塵(Fine Dust or Fine Particle Matter)除塵效率的技術(shù)措施最后都?xì)w結(jié)為對(duì)旋風(fēng)器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，創(chuàng)造和利用更適合氣固(塵)兩相分離的流場構(gòu)造。
二 旋風(fēng)器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)
1 整體結(jié)構(gòu)的改變
在旋風(fēng)器內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)氣流中，顆粒物受離心力作用作徑向向外(朝向筒錐壁)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度可由顆粒物所受的離心力及氣流阻力的運(yùn)動(dòng)方程求得。顯然旋風(fēng)器分離的目的就是使顆粒物盡快到達(dá)筒錐體邊壁。因此，延長顆粒物在旋風(fēng)器中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，在氣流作用下提高顆粒物與筒錐體壁相撞的概率，可以提高旋風(fēng)器除塵效率。
 圖1 傳統(tǒng)旋風(fēng)器 |
 圖2 加內(nèi)筒壁的旋風(fēng)器 |
 圖3 POC旋風(fēng)器 |
Y.Zhu(2001年)［2］提出的旋風(fēng)器結(jié)構(gòu)如圖2所示，在普通旋風(fēng)器中增加一個(gè)筒壁，這一筒壁將旋風(fēng)器內(nèi)部空間劃分為兩個(gè)環(huán)形區(qū)域，同時(shí)，排氣芯管被移到了下方，排氣芯管中的上升氣流也變成了下降氣流，顆粒物在內(nèi)外兩個(gè)外環(huán)形區(qū)域內(nèi)都得到了分離，事實(shí)上，這種旋風(fēng)分離器相當(dāng)于將兩個(gè)旋風(fēng)子合到了一起。從理論上講，這種改進(jìn)提高了顆粒物被收集的概率。Y.Zhu型旋風(fēng)器試驗(yàn)結(jié)果(氣流流量范圍為10L/min～40L/min，對(duì)粒徑范圍為 0.6μm～8.8μm顆粒物)與Stairmand旋風(fēng)器的進(jìn)行了比較有：改進(jìn)后的旋風(fēng)器，除塵效率得到提高，并且隨氣流流量的增大而增大；同時(shí)，對(duì)于相同無因次尺寸的旋風(fēng)器來說，前者的阻力也小于后者。Y.Zhu考慮各方面因素給出相應(yīng)優(yōu)化綜合指標(biāo)得出改進(jìn)旋風(fēng)器性能優(yōu)于傳統(tǒng)的旋風(fēng)器。這種改動(dòng)后的旋風(fēng)器較原有傳統(tǒng)旋風(fēng)器結(jié)構(gòu)稍為復(fù)雜。
2 在原有旋風(fēng)器結(jié)構(gòu)上增加附加件
實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)都比較龐大，采用新的旋風(fēng)器替代原有旋風(fēng)器，勢必導(dǎo)致工程量和成本比較大。基于這一想法，很多研究者尋找不改變?cè)行L(fēng)器結(jié)構(gòu)，而通過增加附加部件為提高旋風(fēng)性能。
由于旋風(fēng)器對(duì)微細(xì)顆粒物效率較低，尤其對(duì)PM10(粉塵粒徑小于10μm的顆粒物)的除塵效率隨著顆粒直徑減小逐漸降低。也就是說，在旋風(fēng)器的運(yùn)行過程中，絕大部分微細(xì)粉塵穿透了分離區(qū)域，導(dǎo)致對(duì)微細(xì)粉塵效率下降。A.Plomp等[3]（1996年）提出了加裝二次分離附件的一種旋風(fēng)器，見圖3示意圖。二次分離附件設(shè)置在旋風(fēng)器本體頂部，稱之為POC (post cyclone)。
POC二次分離作用是利用排氣芯管強(qiáng)旋流作用使微細(xì)粉塵受離心力作用向邊壁運(yùn)動(dòng)，并與擋板相撞后，通過縫隙1掉入擋板下部的殼體中，另一部分即使在一開始沒有與邊壁相撞，但由于始終受到離心力的作用，在到達(dá)POC頂部時(shí)，其中也有很大一部分通過縫隙2處而進(jìn)入擋板與殼體之間的空間，隨后由于 POC中主氣流的約10%通過縫隙形成滲透流，在滲透推動(dòng)下，顆粒物被吹出殼體。
為了使該種旋風(fēng)器得到更好的應(yīng)用和使POC在已有旋風(fēng)分離器上加裝設(shè)計(jì)最優(yōu)化，Youngmin Jo［4］考慮到紊流擴(kuò)散等因素對(duì)POC的影響，對(duì)一些變量在不同參數(shù)范圍內(nèi)給出了兩種不同旋風(fēng)器(Stairmand旋風(fēng)器，非Stairmand旋風(fēng)器)加POC組合的一些試驗(yàn)結(jié)果，并對(duì)POC模型利用CFD進(jìn)行了計(jì)算，所有試驗(yàn)均在實(shí)際生產(chǎn)中投入運(yùn)行的除塵系統(tǒng)中進(jìn)行。
研究結(jié)果得知，在特定結(jié)構(gòu)尺寸和運(yùn)行條件下總效率比改進(jìn)前提高了2%～20%；POC的阻力約為旋風(fēng)器本體10%，該阻力與滲透氣流量無關(guān)(在所給參數(shù)范圍內(nèi))；對(duì)于直徑較大的旋風(fēng)器，尤其在原旋風(fēng)器性能不是很高的情況下，加裝POC的辦法對(duì)于提高旋風(fēng)分離的性能很有效。POC裝置對(duì)3μm以上粉塵分離很有效，對(duì)3μm以下的粉塵效果不顯著；滲透流量及POC裝置的離心力對(duì)POC的性能影響顯著；采用穿孔 (較小)內(nèi)擋板可提高分離效率。
這種改進(jìn)方法特點(diǎn)在于增加的能耗；保養(yǎng)及維修簡單；對(duì)于已投入使用的分離系統(tǒng)工程改造方便；成本較低。
3 局部結(jié)構(gòu)改進(jìn)
許多研究者通過旋風(fēng)器內(nèi)部氣流流動(dòng)研究認(rèn)為：旋風(fēng)器氣流速度分布在徑向上呈軸不對(duì)稱或出現(xiàn)偏心。尤其在錐體下部靠近排塵口附近，有明顯的"偏心"；排氣管下口附近，徑向氣流速度較大，有"短路"現(xiàn)象。氣流偏心或短路不利于粉塵分離。
(1)改變進(jìn)口結(jié)構(gòu)
沈恒根［5］針對(duì)旋風(fēng)器內(nèi)氣流軸不對(duì)稱問題，將其進(jìn)口由單進(jìn)口改為雙進(jìn)口(如圖4)，通過雙進(jìn)口旋風(fēng)器內(nèi)流場實(shí)驗(yàn)研究表明，雙進(jìn)口旋風(fēng)器流場的軸對(duì)稱性優(yōu)于單進(jìn)口旋風(fēng)除塵器，雙進(jìn)口旋風(fēng)器渦核變形；雙進(jìn)口旋風(fēng)器內(nèi)切向速度高于單進(jìn)口約6%，在準(zhǔn)自由渦區(qū)衰減也慢；雙進(jìn)口旋風(fēng)器排氣芯管短路流少于單進(jìn)口。雙進(jìn)口旋風(fēng)器比單進(jìn)口旋風(fēng)器更有利于提高除塵效率和降低設(shè)備阻力。
針對(duì)短路流攜塵降低除塵效率的問題，沈恒根等［6］在進(jìn)口結(jié)構(gòu)中采用了回轉(zhuǎn)通道(見圖5)，以此降低進(jìn)入旋風(fēng)器空間的向心含塵濃度梯度，并對(duì)等截面和變截面兩種通道形式的氣固兩相分離進(jìn)行了分析。指出采用合理回轉(zhuǎn)角度的進(jìn)口回轉(zhuǎn)通道，可提高旋風(fēng)除塵器的除塵效率。這種做法從結(jié)構(gòu)上把旋風(fēng)器的筒體、錐體兩段分離變成進(jìn)口通道、筒體、錐體三段分離。
 圖4 單雙進(jìn)口回轉(zhuǎn)通道 |
 圖5 進(jìn)口回轉(zhuǎn)通道 |
(2)錐體結(jié)構(gòu)改變
Rongbiao Xiang等［7］研究了錐體尺寸對(duì)用于大氣采樣的小型旋風(fēng)器的影響情況，以顆粒大小和氣流流速為變化參數(shù)，對(duì)3個(gè)具有不同下部直徑錐體的旋風(fēng)器測出了效率。測定結(jié)果表明：錐體下部直徑大小對(duì)旋風(fēng)分離采樣器的效率影響顯著，但是并不顯著影響不同粒徑顆粒物效率之間的變化程度。當(dāng)錐體下部開口部分直徑大于排氣芯管直徑時(shí)，該錐體參數(shù)的減小，再不明顯增加阻力的前提下，采樣效率會(huì)隨之提高；但是，由阻力測試結(jié)果還可看出錐體武器部分直徑不宜小于排氣芯管直徑。從理論上講，錐體下部直徑減小能引起切向速度的提高，從而離心力增大；對(duì)于具有相同筒體直徑的旋風(fēng)器，若錐體開口小，則最大切向速度靠近錐壁，這使得顆粒能夠更好的分離，同時(shí)，如果錐體開口較小，渦流將觸及錐壁，使顆粒又有可能重新進(jìn)入出氣氣流，但是由于后者與前者相比對(duì)旋風(fēng)采樣器影響較小？傊m當(dāng)減小錐體下部直徑有利于效率的提高。為了便于新型旋風(fēng)采樣器的設(shè)計(jì)，還指出對(duì)高效型Stairmand旋風(fēng)器效率有較好預(yù)測作用的Barth理論及 Leith-Licht理論，對(duì)錐體改變旋風(fēng)采樣器的收集效率了也有良好的預(yù)測作用。
三 結(jié)語
選用合適的方法對(duì)旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行改進(jìn)，可以提高旋風(fēng)器的技術(shù)性能。對(duì)于改進(jìn)旋風(fēng)器應(yīng)用于工業(yè)通風(fēng)除塵，還需要做到設(shè)計(jì)方法明確、應(yīng)用前通過試驗(yàn)驗(yàn)證和應(yīng)用中的配套技術(shù)完善。
參考文獻(xiàn)
1．John Dirgo, David Leith. Cyclone Collection Efficiency: Comparison of Experimental Results with Theoretical Predictions. Aerosol Science and Technology. 1985 Vol 4, pp401-415.
2．Y. Zhu, M.C.Kim, K.W.Lee, Y.O.Park, and M.R.Kuhlman. Design and Performance Evaluation of a Nove1 Double Cyclone. Aerosol Science and Technology, 2001 Vol 34, pp373-380.
3．A.PLOMP, M.I.L BEUMER, A.HOFFMANN. POST CYCLONE (POC) AN APPROACH TO A BETTER EFFICIENCY OF DUSTCYCLONE. J.Aerosool Sci. 1996, Vol.27,Supp1.1, PP. S631-S632.
4．Youngmin Jo, Chi Tien, Madhumita B.Ray. Development of a post cyclone to improve the efficiency of reverse flow cyclones. POWDER TECHNOLOGY. 2000 Vol 113, PP99-108.
5．沈恒根黨義榮刁永發(fā)等.雙進(jìn)口旋風(fēng)器內(nèi)流場的實(shí)驗(yàn)研究.西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，29(3)275-277.
6．沈恒根張瑋.旋風(fēng)分離器進(jìn)口回轉(zhuǎn)通道氣塵分離模型.西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，30(1)44-46.
7．Rongbiao Xiang, S.H.Park, K.W.Lee. Effects of cone dimension on cyclone performance. J.Aerosol Sci. 2001Vol.32, PP549-561.
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