（化学工程专业论文）多效旋风分离器的性能研究.pdf

青岛科技大学研究生学位论文 1 i ii iii fi ii flri i i iiij 17 4 0 6 6 7 多效旋风分离器的性能研究 摘要 多效旋风分离器是一种全新的旋风分离器，它通过采用两级螺旋管预分离含 尘气体、螺旋形顶盖板导流、筒体中心稳流锥稳流和吸气回流系统防止粉尘返混 等措施，提高了微米级及亚微米级颗粒的分离效率。 本文使用大型商用c f d 软件f l u e n t 6 2 对直径为2 5 0m i l l 的多效旋风分离器 进行了流场和颗粒运动轨迹的模拟，气相流场的模拟选用r s m 模型，颗粒运动轨 迹的模拟采用随机轨道模型。连续相模拟结果表明：多效旋风分离器分离器的流 场分布具有良好的对称性，切向速度分布左右对称，呈现m 形分布，没有出现 l a p p l e 型旋风分离器气心左右摇摆的情况。离散相模拟结果表明：大颗粒较快地 落入分离器下部而被分离；一部分小颗粒跟随气流在分离器内作旋转运动，直到 最后被气流带出分离器而逃逸。 本文还通过实验研究了直径2 5 0 姗的多效旋风分离器的分离性能和阻力性 能。研究分离性能的实验结果表明，在1 0 1 4m s 进口风速范围内，直径为2 5 0n u l l 的多效旋风分离器对粒径0 1 3 岬颗粒的分离效率大于9 0 ，对大于5 岬颗粒 的分离效率大于9 7 0 5 ，压降在5 0 0 11 0 0p a 之间。风速大于1 6m s 时，对粒径 0 1 1 岬颗粒的分离效率大于7 5 。实验将多效旋风分离器分成三部分分别研究 其阻力性能，结果表明进口风速为5 3 0m s 时：直径2 5 0 咖的多效旋风分离器 总阻力系数为7 2 9 ，其中一级和二级预分离螺旋管的阻力系数分别为1 0 4 和 1 7 3 ，主体的阻力系数为4 5 2 ；直径为2 5 0 衄的l a p p l e 型旋风分离器的阻力系 数为7 2 l 。 关键词：- 旋风分离器；超细颗粒；除尘；压降 多效旋风分离器的性能研究 青岛科技大学研究生学位论文 s t u d yo np e i 江o r m a n c eo f 卫v n t i e f f e c tc y c l o 哐s e p ara t o r a b s t r a c t m u l t i e f f e c tc y c l o n es e p a r a t o ri sab r a n d - n e wc y c l o n es e p a r a t o r b ym e a n so f t w os t a g e so fh e l i c a lp i p e ，h e l i c a lt o pc o v e r , s t a b i l i z i n gc o n ea n ds u c t i o nt u b es y s t e m ， i ti n c r e a s e st h ec o l l e c t i o ne f f i c i e c yo fm i c r o na n ds u b - m i c r o np a r t i c l e s i nt h i sp a p e r , l a r g e s c a l ec o m m e r c i a lc f ds o f t w a r ef l u e n t 6 2w a su s e di nt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fi t sf l o wf i e l da n dp a r t i c l et r a j e c t o r y r s mm o d e lw a su s e di n t h es i m u l a t i o no fc o n t i n u o u sp h a s ea n ds t o c h a s t i ct r a j e c t o r ym o d e lw a su s e di nt h e s i m u l a t i o no f p a r t i c l et r a j e c t o r y t h er e s u l t so f s i m u l a t i o no fc o n t i n u o u sp h a s es h o w e d t h a tf l o wf i e l dd i s t r i b u t i o nw a ss y m m e t r y t a n g e n t i a lv e l o c i t yd i s t r i b u t i o nw a s b i l a t e r a ls y m m e t r y i t sd i s t r i b u t i o nm a pw a sl i k em c e n t r a lg a sd i dn o tf l a p ，w h i c h w a sn o tl i k el a p p l ec y c l o n es e p a r a t o r ，n l er e s u l t so fs i m u l a t i o no fp a r t i c l et r a j e c t o r y s h o w e dt h a tl a r g ep a r t i c l e sq u i c k l yf e l li n t ot h el o w e rp a r to fs e p a r a t o ra n dw e r e s e p a r a t e d ap a r to ft h es m a l lp a r t i c l e sf o l l o w e dt h ea i r f l o wi nt h es e g i a r a t o ru n t i lf l e w o u ta n de s c a p e d s e p a r a t i o np e r f o r m a n c ea n dd r a gp e r f o r m a n c ew e r es m d i e db ye x p e r i m e n t n e r e s u l t so fs t u d y i n go ns e p a r a t i o np e r f o r m a n c es h o w e dt h a tt h ec o l l e c t i o ne f f i c i e n c yo f p a r t i c l e s0 1 3l x mw a sm o r et h a n9 0 ，a n dc o l l e c t i o ne f f i c i e n c yo fp a r t i c l e sm o r e t h a n5p mw a sm o r et h a n9 7 a n dt h ep r e s s u r ed r o pw a s5 0 0 110 0 p aw h i l ei r d e tg a s v e l o c i t yw a s1 0 1 4r n sf o r t h et e s te q u i p m e n tw i t hd i a m e t e r o f 0 2 5m w h e ni n l e tg a s v e l o c i t yw a so v e r16 m s t h ec o l l e c t i o ne f f i c i e n c yi sm o r et h a n7 5 f o rp a r t i c l e s0 1 1 蛐m m u l t i e f f e c tc y c l o n es e p a r a t o rw a ss e p a r a t e di n t ot h r e ep a r t st os t u d yi t sd r a g p e r f o r m a n c e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tw i t h 试5 3 0m si n l e tg a sv e l o c i t yt h ed r a g c o e f f i c i e n tw a s7 2 9f o rm u l t i e f f e c tc y c l o n es e p a r a t o rw i t hd i a m e t e ro f0 2 5m ，1 0 4 f o rt h ef i r s ts t a g eo fh e l i c a lp i p e , 1 7 3f o rt h es e c o n ds t a g e , a n d4 5 2f o rt h ec y l i n d e r t h ed r a gc o e 伍c i e n to fl a p p l ec y c l o n ew i t hd i a m e t e ro f0 2 5m w a s7 21 k e yw o r d s ：c y c l o n es e p a r a t o r ；s u p e r - f i n ep a r t i c l e s ；d u s ts e p a r a t i o n ； p r e s s u r ed r o p i i i 多效旋风分离器的性能研究 青岛科技大学研究生学位论文 目录 j l l j 一 日 i吾l 1 文献综述3 1 1 选题背景3 1 2 除尘技术概况：6 1 3f l u e n t 模拟软件简介1 l 1 4 旋风分离器分离理论16 1 5 本课题研究的内容和意义1 6 2l a p p l e 型旋风分离器气固两相流的数值模拟1 7 2 1 旋风分离器的数值模拟方法一1 7 2 2 湍流模型1 7 2 3 物理模型1 9 2 4 结果与讨论：2 0 2 5 本章小结2 4 3 多效旋风分离器气固两相流的数值模拟2 5 3 1 结构和工作原理2 5 3 2 流场的数值模拟2 6 3 3 颗粒运动轨迹的数值模拟3 6 3 4 本章小结3 9 4 分离性能的实验研究4 1 4 1 实验流程4 1 4 2 加料装置4 l 4 3 粒径分析4 5 4 4 原料选取：二4 6 4 5 实验装置4 7 4 6 实验步骤。4 8 4 7 实验过程中应注意的问题4 9 4 8 实验结果4 9 4 9 本章小结：一5 5 5 阻力性能的实验研究5 7 5 1 风速测量5 7 v 多效旋风分离器的性能研究 5 2 实验装置6 0 5 3 实验流程6 0 5 4 实验步骤6 1 5 5 计算方法6 l 5 6 实验结果。6 l 5 7 本章小结6 4 结论6 5 参考文献6 7 附录l 旋风分离器边界层分离理论7 0 附录2 实验原料粒径分布7 2 附录3 实验风速5 9 m s 所用原料和上布袋物料粒径分布7 3 附录4 实验风速1 4 m s 所用原料和上布袋物料粒径分布7 4 附录5 实验风速21 m s 所用原料和上布袋物料粒径分布7 5 致谢7 6 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录7 7 独创性声明7 8 关于论文使用授权的说明7 8 v i 青岛科技大学研究生学位论文 英文字母 f ，尼 昂 b 最 g h i r r e ，r e m a x 凡 r t s o t l ，t 2 s i u ，u m a x 符号说明 进气1 ：3 面积；m 2 入口高度；m 入口宽度；m c a n n i n g h a m 修正系数 入口气流中颗粒的个数密度；个m 3 颗粒阻力系数 管道内径；m 颗粒直径；m 圆筒直径；m 排灰口直径；m 排气管直径；m 水力直径；m 离心力；n 阻力；n 升力；n 颗粒流动能量传递的驰豫时间系数 重力加速度；朋s 2 简体高度；m 气流的旋转半径；m 雷诺准数 筒体半径；m 排气管半径；m 出口处的粉尘的流人量；k g h 停留时间；s 进口处的粉尘的流人量；k g h 流体流速；m s v a a b e龟d吒d耽珧硼 多效旋风分离器的性能研究 蚱 “| p v p w p “， 。圩 v 饬 、 l 希腊字母 a t 1 毛 k p | ，p p 流体在测量点出的局部流速；m s 颗粒瞬时轴向，径向，切向速度；m s 气体3 个方向上的脉动速度；m s 尘粒的切向速度；m s 进口平均气速；m s 壁面处颗粒的切向速度分量；m s 进气速度；m s 旋风分离器进口区域的体积：m 3 圆锥角 湍动能耗散率 分离效率； 阻力系数 湍动能 气体粘性系数 空气密度；k g m 3 v i 青岛科技大学研究生学位论文 上- - 刖声 粉尘污染一直受到社会的关注，并且一直没有得到解决。粉尘是人体健康的 大敌，尤其是粒径在0 5 5 岬之间的飘尘，对人体危害最大。大于5p m 的尘粒， 由于惯性作用可被鼻毛与呼吸道黏膜液排除；小于0 5p x n 的尘粒，也可因气体的 扩散作用被粘附在上呼吸道表面而随痰排出；惟独0 5 。5 岬的飘尘则可通过呼吸 道直接到达肺部而沉积，危害人体。据分析，有些飘尘微粒表面还附有致癌性很 强的芳香族碳氢化合物，尤其是煤的粉尘。所以世界各国都十分重视大气中粉尘 的防护。一些国家的政府部门已经采取措施，更加严格地限制加工工业的粉尘的 排放。 旋风除尘器是利用含尘气体旋转所产生的离心力，将粉尘从气流中分离出来 的一种于式气固分离装置。旋风分离器具有结构简单、设备紧凑、造价低、维修 方便等优点，适于高温、高压和腐蚀性环境，被普遍应用于化学、炼油、冶金、 煤炭、电力等工业部门。普通型旋风除尘器对粒径5 哪以上的粉尘捕集效率较高， 但对5l a n 以下粉尘的捕集效率较低，使其应用受到了很大的限制，尤其在处理锅 炉烟气时，因其中2p m 以下的粉尘含量占3 0 以上，这些亚微米粉尘对环境和人 体健康危害极大，用普通型旋风除尘器难以除去。 目前工业上对lp m 以下粉尘的分离只能借助布袋除尘器或静电除尘器，但它 们都有其自身不能克服的缺点，如布袋除尘器在潮湿条件下容易发生糊袋现象， 需经常更换布袋，其维修量大，操作费用高；电除尘器一次性投资大，且受气体 介质、粉尘性质、工艺条件及电极耐腐蚀性等条件的制约。因此，开发出一种新 型高效节能的旋风分离器具有重要意义。 多效旋风分离器采用两级螺旋管压缩，简体顶盖处设置螺旋板进行导流，筒 体内部增设稳流锥，对锥体和灰仓的接口结构进行了特殊设计，利用吸气回流管 将下行气与上行气分隔，下行的气体进入了扩大的空间，气速减小，避免了“下 灰环 与颗粒返混，提高了对微米级及亚微米级粉尘的分离效率。本文利用计算 流体力学( c f d ) 软件f l u e n t 对多效旋风分离器气相流场和颗粒运动轨迹进行 了模拟，还对多效旋风分离器的分离性能和阻力性能进行了实验研究。该旋风分 离器在l o 一1 4m s 进口风速范围内，对粒径0 1 3 岬颗粒的分离效率大于9 0 ，对 大于5 岬颗粒的分离效率为9 7 ，压降和l a p p l e 型旋风分离器相差不大。 多效旋风分离器的性能研究 2 青岛科技大学研究生学位论文 1 文献综述 大气中0 5 5p m 的飘尘可通过呼吸道直接到达肺部而沉积，危害人体。普通 型旋风除尘器对粒径5p m 以上的粉尘捕集效率较高，但对5p m 以下粉尘的捕集效 率较低【i 】。多效旋风分离器( m u l t i e f f e c tc y c l o n es e p a r a t o r ，简称m e c s ) 是一种全 新的旋风分离器【2 j ，它通过采用两级螺旋管预分离含尘气体、螺旋形顶盖板导流、 筒体中心稳流锥稳流和吸气回流系统防止粉尘返混等措施，提高了微米级及亚微 米级颗粒的分离效率。 1 1 选题背景 在很多城市中，可吸入颗粒( 主要来自焚烧废弃物和其各种燃料) 的年平均 值超过7 0p g m 3 。粉尘污染一直受到社会的关注，并且一直没有得到解决。粉尘 是人体健康的大敌，尤其是粒径在0 5 5 岬之间的飘尘，对人体危害最大。大于5 p m 的尘粒，由于惯性作用可被鼻毛与呼吸道黏膜液排除；小于0 5p m 的尘粒，也 可因气体的扩散作用被粘附在上呼吸道表面而随痰排出；惟独0 5 5h m 的飘尘则 可通过呼吸道直接到达肺部而沉积，危害人体。据分析，有些飘尘微粒表面还附 有致癌性很强的芳香族碳氢化合物，尤其是煤的粉尘，所以世界各国都十分重视 大气中粉尘的防护【i 】。因此一些国家的政府部门已经采取措施，更加严格地限制 加工工业的粉尘的排放，目的就是通过可靠有效的技术以最低的成本达到排放要 求，同时尽可能地将颗粒物料转化为有用产品，减少排放量，取得最好的经济效 益【3 1 。 1 1 1 可吸入颗粒物的危害 可吸入颗粒物被人吸入后，会累积在呼吸系统中，引发许多疾病。对粗颗粒 物的暴露可侵害呼吸系统，诱发哮喘病。细颗粒物可能引发心脏病、肺病、呼吸 道疾病，降低肺功能等。另外，空气中的颗粒物还是降低能见度的主要原因，并 会损坏建筑物表面。可吸入颗粒物是以颗粒形式分散在气流和大气中的污染物 质，是指总悬浮颗粒物中能用鼻和嘴吸入的那部分颗粒物。人们在吸入空气时直 径为1 5 1 0 0p a n 的大颗粒通常被阻止在鼻孔和咽喉( 鼻咽区) 处，而5 1 0p r n 的 颗粒则能达到肺的上部，气管与支气管区域，直径小于2 5 岬的颗粒可以进入细 支气管( 呼吸支气管) 和肺泡区。由于细颗粒一般多为燃烧的产物，其化学成份 通常比来自土壤粘土的较粗的颗粒物对人体危害更大。近年来人们认识到，是细 3 多效旋风分离器的性能研究 颗粒的浓度而不是悬浮颗粒物的总量导致了城市人口患病率和死亡率的增加。细 颗粒是导致心血管和呼吸疾病的主要原因，对人体健康产生严重危害【l 】。 1 1 2 可吸入颗粒物的来源 颗粒物的组成复杂，其中粗颗粒主要是由风沙、灰土及机械粉碎的水泥、石 灰等自然因素形成的；细颗粒是人为活动的产物，如燃料未完全燃烧形成的碳粒、 污染物在空气中由于光化学反应形成的二次污染物气溶胶( 如硫酸盐、硝酸盐、 铵盐等) 1 3 】。一些颗粒物来自污染源的直接排放，比如烟囱与车辆；另一些则是 由环境空气中硫的氧化物、氮氧化物、挥发性有机化合物及其它化合物互相作用 形成的细小颗粒物，它们酌化学和物理组成依地点、气候、一年中的季节不同而 变化很大。可吸入颗粒物通常来自在未铺沥青、水泥的路面上行使的机动车、材 料的破碎碾磨处理过程以及被风扬起的尘土。城市及矿区扬尘污染主要原因有： ( 1 ) 工业生产排放的烟( 粉) 尘； ( 2 ) 建筑施工扬尘； ( 3 ) 交通运输的二次扬尘。 1 1 3 可吸入颗粒物排放的相关法律法规 为能准确地认识和评价空气质量状况和对环境空气污染进行必要的监督管 理，我国陆续制定和颁布了有关环境空气质量标准和空气污染物排放标准。我国 的环境空气质量标准是根据中华人民共和国环境保护法和中华人民共和国 大气污染防治法的制定的。目的是为了改善空气质量，防止生态破坏，创造清 洁适宜的环境，保护人体健康。以下是中华人民共和国环境空气质量标准有 关p m i o 的规定： 总悬浮颗粒物是指漂浮在空气中的固态和液态颗粒物的总称，其粒径范围约 为0 1 1 0 0l a i n 。有些颗粒物因粒径大或颜色黑可以为肉眼所见，比如烟尘。有些 则小到使用电子显微镜才可观察到。通常把粒径在1 0i n n 以下的颗粒物称为 p m i o ，又称为可吸入颗粒物或飘尘。可吸入颗粒物，( p m l o ) 在环境空气中持续 的时间很长，对人体健康和大气能见度影响都很大1 4 j 。 国际上也制定和颁布了有关环境空气质量标准和空气污染物排放标准。 世界卫生组织2 0 0 7 年世界卫生组织( w h o ) 公布了最新的空气质量标准， 并呼吁各国政府努力改进城市的空气质量，保护人类的健康。新的空气质量标 准第一次涵盖了全球所有区域并提供了统一的空气质量标准。世界卫生组织指 出，把可吸入颗粒含量从每立方米7 0 昭减少到2 0 甥，就可以使受污染城市每年 的相关死亡人数减少1 5 。 4 青岛科技大学研究生学位论文 美国美国环保局雇员一份关于空气质量的报告中指出，为了更好的保障公 共健康以及改善能见度，应该加强对粒径为2 5g m ( p m 2 5 ) 和1 0i t m ( p m i o ) 的颗粒物浓度标准的制定和管理。美国的清洁空气法案要求美国环保局定期对空 气质量标准进行考核以确保公众的健康和良好的环境，必要时可以提高标准。 2 0 0 4 年1 2 月，美国环保局以及州政府首次提出了p m 2 5 的浓度标准，并在部分 要求更高标准的地区执行。最新的科学、健康和技术信息也支持目前基于p m 2 5 的健康标准。美国环保局的这份报告建议在原先对p m i o 监测的基础上要对其排 放标准进行修改，使其更有益于健康。并且，对于粒径在2 5 1 0l x r n 之间的极易 被深度吸入的颗粒物要进行监测并制定浓度标准。在关注健康的同时，这份报告 也呼吁重新审视影响能见度的微小颗粒物的浓度标准。这份报告中的内容、建议 以及结论均由环保局中雇员所提出，这并不代表环保局的决定。但是环保局对此 份报告持赞同的态度，环保局已经要求在2 0 0 5 年1 2 月2 0 日之前提出一份关于 颗粒物排放标准的建议报告，最终标准于2 0 0 6 年9 月2 7 日出台。 欧洲在巴黎及慕尼黑召开的欧洲呼吸协会年会上，空气污染研究及呼吸科 专家共同提出了“欧洲清洁空气”计划。计划主要针对燃煤电厂、工厂、废煤窑 及车辆尾气所排放的颗粒物，同时包括森林火灾及火山喷发等自然灾害所产生的 颗粒物。这些可吸入颗粒物可在空气中漂浮几个小时甚至几天的时间，然后进入 人们的喉咙和肺部，引发哮喘、支气管炎、肺气肿及心脏疾病。欧盟2 5 个成员 国把每立方米空气中可吸入颗粒物p m i o ( 微尘直径不超过1 0i n n 的颗粒) 限于 3 0l , t g ，同时将第一次建议把可吸入颗粒物p m 2 5 ( 微尘直径不超过2 5 岬的颗粒) 限于每立方米2 5 飕。 中国2 0 0 7 年世界卫生组织更新了可吸入颗粒物的指导值，针对发展中国家 的实际，给出发展中国家的指导值为日均浓度1 5 0i _ t g m 3 ，这与中国现行的标准一 致。2 0 0 8 年北京奥运会，这一具有跨世纪意义的盛会标志着我国在世界上的地位 及形象的提升，“绿色奥运 已经成为了奥运期间的主要话题。早在2 0 0 0 年7 月 北京申奥时，中国政府曾对北京奥运期间空气质量承诺：北京环境质量全面改善， 奥运会期间四项污染物指标达到国家标准和世界卫生组织的指导值，即保障北京 奥运会期间空气质量优良。据环保部最新发布数据显示，4 项污染物中，一氧化 碳、二氧化硫、二氧化氮三项污染物指标已经达标，可吸入颗粒物这项指标有明 显下降，但还没有达标。其中国家环境保护局环境空气质量标准中规定的可 吸入颗粒物p m l o 的浓度限值如表1 所示。 综上所述，全世界许多国家都十分重视可吸入颗粒污染物的排放，并以法律 及技术措施控制可吸入颗粒污染物的污染。就可吸入颗粒污染物排放标准而言， 美国最严，美国标准限于每立方米1 5 岭，欧盟各国紧随其后p m i o 限于2 5 州 5 多效旋风分离器的性能研究 群：世晃卫生组织建议各国p m l 0 低于2 0l i g m 3 ；目前发展中国家还远远达不到 这个标准。我国现行标准为1 5 0l i g m 3 ，可以预计，随着我国科技的发展和新的 环境法律法规的颁布与实施，可吸入颗粒污染物排放标准将趋于严格，而排放标 准的严格也将促进防尘科技的进步。ji一f o ：一，：。j ：。j 一主 为了控制可吸入颗粒污染物的排放，降低对人类和环境的危害，满足日益严 格的排放标准，各国纷纷研究开发了各种除尘技术。 表1 1 环境空气质量各项污染物的标准中浓度限值 t a b l e i - 1a m b i e n ta i rq u a l i t ya b o u ts t a n d a r dc o n c e n w a t i o nl i m i t so f v a r i o u sp o l l u t a n t s 1 2 除尘技术概况 目前主要应用于工业生产的除尘技术有沉降室与惯性除尘器，袋式除尘器， 电除尘器，湿式除尘器和旋风除尘器。其中用于除去p m l 0 的主要是后4 种。 1 2 1 各种除尘设备简介 1 2 1 1 沉降室与惯性除尘器 重力沉降室是通过重力使尘粒从气流中分离的设备。含尘气流进入重力沉降 室后，流速迅速下降，在层流或接近层流的状态下运动，其中的尘粒在重力作用 下缓慢向灰斗沉降。这种装置结构简单，阻力小，但体积大，除尘效率低，一般 只用于一级粗净化场合。而且由于实际含尘气体在沉降室内流动时，气流的湍流 和其他因素会干扰正常的沉降，尤其是对小直径的颗粒，除尘效率会更低【5 】。 为了改善重力沉降室的除尘效果，可在其中设置各种形式挡板，使气流方向 发生急剧转变，利用尘粒的惯性或使其和挡板发生碰撞而捕集，这种除尘器称为 惯性除尘器。这种除尘器结构简单，阻力小，但是除尘效率低，一般用于一级除 尘。这类除尘器分离临界粒径为2 0 3 0 “m 【1 1 。 1 2 1 2 袋式除尘器 袋式除尘器是一种干式的高效除尘器，它利用纤维织物的过滤作用进行除 尘，对1 0 岬的粉尘，效率高达9 8 - - - 9 9 。滤袋通常做成圆柱形( 直径为1 2 5 5 0 0 m m ) ，有时也做成扁长方形，滤袋长度一般为2 m 左右。近年来，由于高温滤料 和清灰技术的发展，袋式除尘器在冶金、水泥、化学、陶瓷、食品等不同的工业 6 青岛科技大学研究生学位论文 部门得到广泛应用。袋式除尘器的除尘效率高，而且比较稳定，但是不适宜用于 黏性的，含水的物料。浓度太高或者粒径大于2 0 0t a m 的粉尘必须先经过旋风除 尘器除尘l i j 。 1 2 1 3 湿式除尘器 湿式除尘器f 3 】是以水为介质分离和捕集空气中粉尘的装置，俗称“水除尘器 ， 是利用高压离心风机的吸力，把含尘气体压到装有一定高度水的水槽中，水浴会 把一部分灰尘吸附在水中。经均布分流后，气体从下往上流动，而高压喷头则由 上向下喷洒水雾，捕集剩余部分的尘粒，其过滤效率可达8 5 以上。湿式除尘器 制造成本相对较低，但对于化工、喷漆、喷釉、颜料等行业产生的带有水分、粘 性和刺激性气味的灰尘是最理想的除尘方式，因为湿式除尘器不仅可除去灰尘， 还可利用水除去一部分异味，如果是有害性气体( 如少量的二氧化硫、盐酸雾等) ， 可在洗涤液中配制吸收剂吸收。缺点：有洗涤污泥，要解决污泥和污水问题； 设备需要选择耐腐蚀材质；动方消耗较大；北方或者寒冷地区需要考虑设 备防冻；要求物料不能与水有强烈反应。 1 2 1 4 静电除尘器 静电除尘器【l 】的工作原理是利用高压电场使烟气发生电离，气流中的粉尘荷 电在电场作用下与气流分离。负极由不同断面形状的金属导线制成，叫放电电极； 正极由不同几何形状的金属板制成，叫集尘电极。 静电除尘器的电源由控制箱、升压变压器和整流器组成。电源输出的电压高 低对除尘效率也有很大影响。因此，静电除尘器运行电压需保持4 0 7 5k v 乃至 1 0 0k v 以上。 静电除尘器与其他除尘设备相比，耗能少，除尘效率高，适用于除去烟气中 0 0 1 5 0 岬的粉尘，而且可用于烟气温度高、压力大的场合。实践表明，处理的 烟气量越大，使用静电除尘器的投资和运行费用越经济。 静电除尘器一次性投资大，且受气体介质、粉尘性质、工艺条件及电极耐腐 蚀性等条件的制约。 1 2 1 5 旋风除尘器 旋风除尘器是除尘装置的一类，也叫旋风分离器。除尘机理是使含尘气流作 旋转运动，借助于离心力将尘粒从气流中分离并捕集于器壁，再借助重力作用使 尘粒落入灰斗【5 】。旋风除尘器于1 8 8 5 年开始使用，已发展成为多种型式。按气流 进入方式，可分为切向进入式和轴向进入式两类。在相同压力损失下，后者能处 理的气体约为前者的3 倍，且气流分布均匀。普通旋风除尘器由简体、锥体和进、 7 多效旋风分离器的性能研究 排气管等组成。旋风除尘器结构简单，易于制造、安装和维护管理，设备投资和 操作费用都较低，已广泛用来从气流中分离固体和液体粒子，或从液体中分离固 体粒子。在普通操作条件下，作用于粒子上的离心力是重力的5 2 5 0 0 倍，所以 旋风除尘器的效率显著高于重力沉降室。大多用来去除5p a n 以上的粒子，并联 的多管旋风除尘器装置对5l x r n 的粒子也具有9 0 9 9 的除尘效率。选用耐高温、 耐磨蚀和腐蚀的特种金属或陶瓷材料构造的旋风除尘器，可在温度高达1 0 0 0 ( 2 ， 压力高达5 2 5 0 0p a 的条件下操作。从技术和经济等方面考虑旋风除尘器压力损 失，。控制范围一般为5 0 0 。2 0 0 0p a 。 综上所述，沉降室与惯性除尘器对小颗粒分离效率低，不能满足环保要求。 湿式和静电除尘器受成本，和物料特性的影响，使用范围不广。布袋除尘器在潮 湿条件下容易发生糊袋现象，需经常更换布袋，其维修量大，操作费用高。旋风 除尘器具有结构简单、设备紧凑、造价低、维修方便等优点，适于高温、高压和 腐蚀性环境，被普遍应用于化学、炼油、冶金、煤炭、电力等工业部门。普通型 旋风除尘器对粒径5 - - - 1 0l a i n 的粉尘捕集效率较高，但对5l u n 以下粉尘的捕集效 率很低，使其应用受到了很大的限制。尤其在处理锅炉烟气时，因其中2p a n 以 下的粉尘含量占3 0 以上，这些亚微米粉尘对环境及人体健康危害极大，用普通 型旋风除尘难以除去。但是可以通过改进传统旋风分离器的结构，提高其对5 “ m 以下粉尘的捕集效率。 1 2 2 传统旋风分离器简介 1 2 2 1 传统旋风分离器的结构及工作原理 图1 - 1 旋风分离器结构示意图 f i g 1 - 1s c h a m eo fc y c l o n es e p a r a t o r 8 青岛科技大学研究生学位论文 旋风分离器的基本结构见图1 1 ，旋风分离器的主体的上部为圆筒形，下部 为圆锥形，主要由进气管、简体、锥体及排气管等部件构成【3 1 。 当含尘气体由圆筒上部的进气管切向进入时，气流将由直线运动变为圆周运 动，由于受器壁的约束，气流的绝大部分将沿器壁向下做螺旋运动，向锥体流动。 含尘气体在旋转过程中产生离心力，将重量大于气体的尘粉甩向器壁而与气流分 离，尘粒一旦沿壁面下落进入排灰口，旋转下降的气流在到达锥体时，因锥体形 成的收缩而向分离器中心靠拢。根据“旋转矩不变原理，其切向速度不断提高。 当气流到达锥体下端某一位置时，即以同样的旋转方向从旋风分离器中部由下反 转而上，此为内旋气流，继续作螺旋流动。最后净化气体经排气管排出界外，一 部分未被捕集的尘粒也由此逃逸【l 】。 进入旋风分离器内的另- d , 部分气体，则向顶盖流动，并沿排气管外侧向下， 当到达排气管下端时，即反转向上随上升的中心气流一同从排气管排出，分散在 这一部分上旋气流中的尘粒也被带走【5 j 。 1 2 2 2 几种构型的传统旋风分离器 传统旋风分离器经过改进形成了各种构型的旋风分离器，现在将介绍几种常 见的旋风分离器l l 】： ( 1 ) c l t 型旋风分离器 c l t 型旋风分离器是应用最早的旋风分离器，各种类型的旋风分离器都是由 它改进而来。它结构简单，制造容易，压力损失小，处理气量大，有一定的分离 效率，适用于捕集重度和颗粒较大的，干燥的非纤维性粉尘。c l t a 型旋风分离 器是c l t 型的一种改进，它具有向下倾斜的螺旋切线气体进口，顶板为螺旋型的 导向板，气体切向进入，又有导向板，减少了动能损耗，提高分离效率。它的另 一特点是筒体细长和锥体较长，锥角较小，能提高分离效率，但压力损失也较高 【l 】 o ( 2 ) d 型旋风分离器 依靠圆顶部的螺旋型顶盖，使从进口管切向进入旋风环行空间的气流呈近 1 0 0 。的倾斜角强制向下作螺旋运动，消除了“上灰环，提高了分离效率。 ( 3 ) 旁路式旋风分离器 为了消除“上灰环一对分离效率的不利影响，将浓集在器壁处的颗粒及时移 走，旁路式旋风分离器在筒体外增设一条螺旋状排尘通道，国外称为v a n t o h g e r e n 行，国内称为x l p 行，其特点是入口离顶板有一段距离，使“上灰环 中的颗粒 更便于在顶部浓集，并从外旁路引出。它的压力损失较小，特别对5 岬以上的粉 尘有较高的分离效率。 9 多效旋风分离器的性能研究 ( 4 ) 扩散式旋风分离器 扩散式旋风分离器与一般分离器的最大区别是：具有呈倒锥体形状的锥体， 并在锥体的底部具有反射屏，它可以使进入灰仓的气量较少，从而减少灰仓返回 气的颗粒夹带，减少对锥体下部的磨损，国内型号为c l k 型。它具有分离效率 高，结构简单，加工制造容易，投资低和压力损失适中等优点。适用于捕集干燥 的、非纤维性的颗粒粉尘，特别适用于捕集5 l o 呻以下的颗粒。 ( 5 ) 锥体旋风分离器 锥体旋风分离器的特点是锥体较长，直筒段较短，其国内型号为c z t 型和 x c x 型，具有体积小，用料省，分离效率高的特点，适用于捕集非粘性的金属矿 物纤维性粉尘，刨花和木屑，特别对纤维性的棉尘分离效率为1 0 0 ，一般情况 下的分离效率约9 0 。 ( 6 ) 旋流式分离器 旋流式分离器是联邦德国西门子公司在六十年代开发应用于工业上的，国内 称其为“龙卷风型，处理气态非均相从下部中间引入，经导向叶片转变成高速 旋转的气流，向上流动时颗粒甩向器壁，上部再用一定的方式引入旋转向下的二 次风，此二次风的旋转与中间含尘气体的旋转方向是一致的，二次风可加强内部 含尘气流的强度，使颗粒更快地甩向器壁，并被二次风带下，经排尘环隙排入灰 仓，中心是净化气向上排出。 ( 7 ) 多管式旋风分离器 多管式旋风分离器有许多小直径旋风分离器并联运行，为简化进出口管路连 接，是设备紧凑，往往采用共用的进、排气室及灰斗，它处理气量大，且有较高 的分离效率。 ( 8 ) 排气管改进型旋风分离器 为使径向速度分布更加均匀，排气管改进型旋风分离器将排气管延伸，并在 其上开上筛孔或裂缝，也可将这一部分改进为渐开线性的裂缝排气管，据发明者 p s c h m i d t 称，这样的改进降低了2 5 5 0 的压降。 ( 9 ) 轴向挡板型旋风分离器 轴向挡板型分离器出口向下，流体从顶部切向进入旋转向下运动，固体颗粒 被甩向器壁，一部分气体沿锥型挡板进入灰仓，进入灰仓的气体沿出口的裂缝通 向分离区，与洁净气体汇合，洁净气体直接从排气管排出，也可将锥形挡板改为 旋流板，将这种分离器的中心管向上延伸，并将旋流板上的中心管设置开口，易 将洁净气体导入排气管。 但是传统的各型普通、高效旋风除尘器普遍存在排气口短路流和“下灰环 夹带等问题，而且放大效应显著。随着分离器尺寸的增加，压降急剧增大，分离 1 0 青岛科技大学研究生学位论文 效率下降明显。对3i t m 以下的颗粒分离效率低，即便是3 1 0i x m 范围内的颗粒 也不能保证1 0 0 除去。在严格的环保要求下，不能满足终端除尘的要求。另外， 已有的各种旋风分离器器内流场中存在着各种二次流，流型不够稳定，设备的磨 损较大，使用寿命也较短1 2 】。因此开发出一种新型高效节能的旋风分离器具有重 要意义。 1 2 3 旋风分离器结构改进 在旋风分离器的性能指标中，压力损失和分离效率最为重要。“上灰环 为 主要问题，解决“上灰环问题的方法之一是通过设置灰尘隔离室。即采用旁路 式旋风分离器，它主要是在普通旋风除尘器的基础上增加一个螺旋形的旁路分离 室，从旁路分离室引至锥体部分。这样可使二次流变为能起粉尘聚集作用的上涡 旋气流，提高除尘效率。另外还可通过添加导向叶片、改变气流进口形状等措施 来消除“上灰环 。对于二次扬尘，可采用带环缝气垫耐磨旋风分离器，它在普 通旋风分离器内侧焊接环缝套圈，粉尘在旋转气流作用下向边壁靠近，然后利用 靠近边壁处的下行气流将粉尘带入环缝，由于环缝的存在，不仅可以减少二次扬 尘。而且使高速旋转的“上灰环 、“下灰环消失，提高了除尘效率【6 】。但这些 方法实际使用效果并不理想。 青岛科技大学化工学院提出一种新的改进方法，提高了对p m l 0 的捕集效率。 这种新型旋风除尘器在结构上主要改进如下：进口加料处设置螺旋板进行导流， 避免进料与回旋的气体碰撞引起的紊乱，使流场更加稳定，同时也消除了“上灰 环 ，下部增设内锥，迫使外旋气流下去，内旋气流上去，避免了“二次扬尘； 对料斗进行了改进，采用扩大式并加抽气装置，减少了灰斗的反混现象和“下灰 环可能产生的二次扬尘。这种旋风分离器就是多效旋风分离器【2 j 。 本文使用c f d 模拟软件f l u e n t 对多效旋风分离器气相流场和颗粒运动轨迹 进行了数值模拟，因此有必要介绍一下f l u e n t 软件。 1 3f l u e n t 模拟软件简介 对旋风分离器中流场，压降和分离效率的预测，可以借助计算流体力学软件 来实现。在c f d 软件中，f l u e n t 软件是目前国内外使用最多、最流行的商业软 件之一，1 9 8 3 年，美国的流体技术服务公司c r e a t e 公司的c f d 软件部( f l u e n t 公司的前身) ，推出了其第一个商用c f d 软件包f l u e n t 。自f l u e n t 软件面世 以来，以其丰富的物理模型、先进的数值方法及技术人员高质量的技术支持和服 务，很快成为c f d 市场的领先者。1 9 8 8 年f l u e n t 公司正式成立，1 9 9 5 年，f l u e n t 公司并入了在数字和能源电子等领域具有主导地位的a a v i dt h e r m a lt e c h n o l o g i e s 多效旋风分离器的性能研究 公司。同年，f l u e n t 公司收购了其最大的竞争对手f d i ( f l m dd y n a m i c s 慨a t i o n a l ) 公司。f d i 拥有著名的c f d 软件f i d a p 。1 9 9 7 年，以粘弹性和聚合 物流动模拟方面为优势的p o l y f l o ws a 公司成为f l u e n t 公司的一个子公司。上 述兼并、联合进一步巩固了f l u e n t 公司在c f d 商用软件市场的领导地位。 由于囊括了f l u td y n a m i c f li n t e m a t i o n a l ( 比利时) p o l y f l o w 和f l u e n t d y n a m i c a li i l _ t 唧a l i o n a l ( f d ) 的全部技术力量( 前者是公认的在黏弹性和聚合物 流动模拟方面占领先地位的公司，后者是基于有限元方法c f d 软件方面领先的公 司) ，因此f l u e n t 软件具有如下优点： ( 1 ) 功能强，适用面广，包括各种优化物理模型。如：计算流体流动和热 传导模型( 包括自然对流、定常和非定常流动，层流，湍流，紊流，不可压缩和 可压缩流动，周期流，旋转流及时间相关流等) ，辐射模型，相变模型，离散相 变模型，多相流模型及化学组分输运和反应流模型等。对每一种