旋风除尘器的工作原理和分离理论

1.工作原理

图1为旋风除尘器的一般结构形式，它由进气口、圆筒体、圆锥体、顶盖、排气管及排灰口等组成。含尘气流由进气管进入除尘器后，绝大部分沿器壁以较高的速度(15～20m/s)自圆筒体呈螺旋形向下运动，同时有少量气体沿径向运动到中心区域，向下的旋转气流称为外旋流(或外涡旋)。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，便失去其惯性而靠入口速度的动量和向下的重力沿壁面下滑，直至从排灰口排出。外旋气流在到达锥体时，因圆锥形的收缩而向除尘器中心靠拢，根据“旋转矩”不变原理，其切向速度不断提高；当气流达到锥体下端某一位置时，即以同样的旋转方向折转沿除尘器的中心轴线由下向上继续作螺旋运动，形成内旋流(或内涡旋)，最后净化气经排气管排出除尘器外；这股气流在作向上旋转运动的同时，也同时进行着径向的离心运动。由外旋流转变为内旋流的锥底附近区域称为回流区。

图1 旋风除尘器的一般结构组成示意图

1-进气管；2-排气管；3-顶盖；4-圆柱体；5-圆锥体；6-上旋流；7-下旋流

内外旋流式旋风除尘器除主体气流之外还存在着上旋流、下旋流等局部旋流。上旋流是在旋风除尘器顶盖下、排气管插入部分的外侧与筒体内壁的局部旋流。当气流从除尘器顶部向下旋转时，顶部压力发生下降，致使一部分气流带着微细尘粒沿筒体内壁旋转向上，到达顶盖后再沿管外壁旋转向下，最后达到排出管下端附近，被上升的内旋流带走，并从排出管排出，这股旋转气流即上旋流。下旋流是外旋流在运动到锥体下部向上折转时产生的局部旋流。下旋流一直延伸到灰斗，会把灰斗中的粉尘，特别是细粉尘搅起，被上升气流带走。

上旋流造成的细尘逃逸问题与下旋流造成的二次返混问题，都会影响除尘效率，因而是旋风除尘器结构设计时应预以注意。

2.旋风除尘器内的速度场和压力场

了解旋风除尘器内的速度分布和压力分布，有助于分析除尘器的性能和解释分离机理。旋风除尘器内气流和尘粒的运动状态非常复杂，1949年Ter. Linden通过实验对气流运动时的切向、径向和轴向速度，以及全压和静压分布提出了一种比较有代表性的理论；也有许多研究者分别研究了三维速度对旋风分离器捕集、分离等性能所起的作用。

(1)切向速度

切向速度是决定气流速度大小的主要速度分量，对于粉尘尘粒的捕集与分离起着主导作用，在作用下使含尘气体中的尘粒由里向外离心沉降。锥体部分的切向速度要比筒体部分大，所以锥体部分的除尘效率要比筒体部分好。图2中，排气管下任一截面上沿半径的变化规律可分为三个区域：靠近壁面=常数的I区、由分离器中心到“最大切向速度面”的内涡旋区(或强制旋流区)III、I区与III区之间的外涡旋区(半自由旋流区)II。

根据“涡流”定律，外涡旋区的切向速度反比于旋转半径r的n次方，即，

常数             (1)

其中，n为涡流指数，一般n=0.5～0.8；实验表明其值可由下式进行估算，

     (2)

式中  D —— 旋风除尘器筒体的直径，mm；

T —— 气体的热力学温度，K。

内涡旋区的切向速度正比于旋转半径r，比例常数等于气流的旋转角速度，即，

                                (3)

因此，在内、外涡旋交界圆柱面上，气流的切向速度最大。实验测量表明，“最大切向速度面”所对应的圆柱面直径(为排出管的直径)。

(2)径向速度

旋转气流的径向速度因内、外旋流性质不同，其矢量方向不同：外涡旋的径向速度向内，而内涡旋的径向速度向外；外涡旋的径向速度沿除尘器高度的分布不均匀，上部断面较大，下部断面较小。根据Ter.Linden的测试结果，的绝对量值远比小得多，其值越大，旋风除尘器的分离能力越差。可以近似认为外涡旋气流均匀地经过内、外涡旋交界圆柱面进入内涡旋，即近似认为气流通过这个圆柱面时的平均速度就是涡旋气流的平均径向速度，即，

                                   (4)

式中  Q —— 旋风除尘器处理气量，m3/s；

—— 内、外涡旋交界面的半径，m；

—— 内、外涡旋交界面的高度，m。

(3)轴向速度

如图2所示，轴向速度与径向速度类似，视内、外涡旋而定。外涡旋的轴向速度向下，内涡旋的轴向速度向上。在内涡旋，随着气流逐渐上升，轴向速度不断增大，在排出管底部达到最大值。当气流由锥体底部上升时，易将一部分已除下来的微细粉尘重新扬起，产生返混现象。

(4)压力分布

如图2所示，旋风除尘器内的全压和静压的径向变化非常显著，由外壁向轴心逐渐降低，轴心处静压为负值，负压一直延伸到锥体底部后达到负压最大值(-300Pa)。图2是除尘器在正压(900Pa)条件下得到的，如果除尘器在负压下工作，其底部的负压值会更大。所以，旋风除尘器底部一定要保持严密，如果不严密就会从底部吸入大量外部空气，形成一股上升气流，将已分离出来的一部分粉尘重新带出除尘器，使除尘效率大幅度降低。

3.临界粒径与分离理论

旋风除尘器从1885年由摩尔斯(Morse)申请发明专利投入工业应用至今已有100多年的历史。一直以来，人们对旋风除尘器的分离机理进行过大量的理论与实验研究，概括起来主要可分为沉降分离理论(转圈理论)、筛分理论、边界层分离理论、紊流扩散理论和传质理论等5种，其中沉降分离理论(转圈理论)是国外20世纪30年代通过类比平流重力沉降室的沉降原理而发展起来的，该理论认为尘粒在离心力作用下，沉降到除尘器壁面所需要的时间和尘粒在分离区间气体停留时间相平衡。20世纪50年代，斯台尔曼(Stairmand)等人根据对旋风除尘器流场的测试结果，在分析内部流动规律的基础上，提出了平衡分离理论，又称假想圆筒学说或筛分理论。1972年，雷思(Leith)和李希特(Licht)类比电除尘器的分离机理，提出了紊流连续径向混合的分离理论。这里主要介绍筛分理论的要点及其推论。

筛分理论的要点是：在旋风除尘器内存在涡流场、汇流场，处于外涡旋内的粉尘在径向上同时受到两种力的作用，一是由涡旋流场产生的离心力，它将使粉尘向外移动；二是由汇流场(即向心径向流动)产生的径向阻力，它会使粉尘向内飘移。离心力的大小与粉尘粒径的大小有关，因而必定有一临界粒径使得粉尘所受两种力的大小正好相等。由于，而径向阻力，就有：凡粒径者，向外推移作用大于向内飘移作用，粉尘将被推移到除尘器外壁进而得以分离；相反，粒径者，向外推移作用小于向内飘移作用，从而把粉尘带入上升的内涡旋中，排出除尘器。可以设想有一张无形的筛网，其孔径为，凡粒径者被截留在筛网的一面，而者则通过筛网排出除尘器。由于内外涡旋交接面处的切向速度最大，粉尘在该处受到的离心力也最大，因此筛网的位置就在此交接面处。对于粒径为的粉尘，因，而将在交接面上不停地旋转。因为存在各种随机因素的影响，从概率统计的观点可以认为，处于此状态的粉尘有50％的可能被分离出去，同时又有50％的可能进入内涡旋而被排出除尘器，即这种粒径的粉尘的分离效率是50％。通常，当除尘器的分级效率等于50％时的粒径被称为分割粒径，用表示。

粉尘在旋风除尘器内所受到的离心力为，

                                  （5)

设向心径向流动处于层流状态，则径向阻力可用Stokes公式表示为，

                                    (6)

在内、外涡旋的交接面上，即当时，有，

                                (7)

所以分割粒径的表达式为，

                                    (8)

式中  —— 气体的动力粘度，Pa·s；

—— 交界面上气流的径向速度，m/s；

—— 交界面半径，m；

—— 尘粒的密度，kg/m3；

—— 交界面上气流的切向速度，m/s；

分割粒径是反映除尘器除尘性能的一项重要指标，越小，说明除尘效率越高，性能越好。从式(8)可以看出，随和的减小而减小，随和的增加而减小。亦即，旋风除尘器的除尘效率随切向速度和粉尘密度的增加、径向速度和排出管直径的减小而增加，其中起主要作用的是切向速度。

按式(8)计算时，必须先分别求得和。当分割粒径确定后，可以根据下式计算其他粒子的分级效率。

                       (6-2-9)

其中，n为涡流指数，可按前面的相关公式求得。

通常，可以按下式近似得到旋风除尘器的分级效率，即

                        (10)

但由于粉尘在旋风除尘器内的分离过程很复杂，很难用一个公式确切表达。例如，在理论上不能捕集的细小粉尘，由于凝并或被大颗粒粉尘裹带至器壁而可以被捕集分离出来；相反，由于局部涡流及返混的影响，有些理论上应该除去的大粉尘却因进入内涡旋而未能被捕集到。因此旋风除尘器的效率经常仍通过实测确定。