旋风分离器发展及工作原理

旋风分离器发展及工作原理

摘要：综述了旋风分离器的发展概况，并从气体、粉尘运动的工作原理以及分类等方面介绍了。

一、旋风分离器的发展

旋风分离器的应用已有近百年的历史，因其结构简单，造价低廉，没有活动部件，可用多种材料制造，操作条件范围宽广，分离效牢较高，所以至今仍是化工、采矿、冶金、机械、轻工等工业部门里最常用的一种除尘、分离设备。随着工业发展的需要，为使旋风分离器达到高效低阻的目的，自1886年Morse的第一台圆锥形旋风分离器问世以来百余年里，由于分离器的结构、尺寸、流场特性的不同，出现了许多不同用途的旋风分离器，现从两个方面来进行概述。

1.气体、粉尘运动的研究

旋风分离器内颗粒流体的流动属于稀浓度颗粒流体力学，故可先分析纯气体流场，再计及颗粒在其中的运动。

在1949年，TerLinden研究得出切向速度轴对称分布，在同一断面随其与轴心的距离减小而增大，达到最大值后又逐渐减小；径向速度在中心区方向朝外，在外围区方向朝内，形成源汇流；轴向速度在外部区域气流向下，在轴心区域气流向上；压力分布是壁面处大于中心处。1962年，Lewellen把不可压缩流体的连续性方程和Navier-stokes方程在圆柱坐标系和轴对称定常流动下进行了简化，通过引入流函数和环量，得到了强旋转简化层流模型。1975年Bloor、Ingham运用普朗特提出的混合长理论确定湍流表观粘度，并对水力旋流器流场进行了分析，建立了适合于工程应用的初级湍流模型。1982年Boysan等人利用Rodi推得的关于雷诺应力的近似代数关系式，得到了高级湍流模型。用这些模型计算得到的切向速度数值解与实验测定结果较吻合。

2.旋风分离器内气固流况的剖析

通过对旋风分离器内气固流况的剖析，针对影响旋风分离器效率的顶部上涡流和下部的二次带尘，影响动力消耗的进口膨胀损失和出口旋转摩擦等因素，人们进行改进。为了消除因上涡流而引起粉尘从出口管短路逃逸的现象，Cardiff 大学的Biffin等人研制的新型带集涡室的旋风分离器、德国西门子公司顶端带导向叶片的旋流分离器、日本专利多头切向进口的多管分离器，以及国内的倾斜螺旋形进口的CLT/A、CLG、DⅠ型等也都是为了削弱上涡流的带尘。

在改善锥体、锥底的气固流况所作的改进方面，最突出的是扩散式分离器。由于它的倒锥体及锥体下部的反射屏，减少了粉尘返混和灰斗上部的卷吸夹带，使扩散式的分离效率达90%～95%，但这种分离器的主要缺点是压降较高。再有反射型龙卷风分离器，同样也是利用了反射板的作用，减少了底部粉尘的扬吸。

1968年研制了一种具有反向碗及水滴体的直筒型旋风子，由于反向碗的屏挡作用，加上水滴体利用了内旋流的二次分离作用，从而增强了抗返混能力。通过对导叶式直筒旋风子进行了一系列的研究，为了改善底部气固流况，提出了分离性能较好的排尘底板结构。

二、旋风分离器的工作原理

旋风分离器是利用惯性离心力的作用从气流中分离出尘粒的设备。主体的上部为圆筒形，下部为圆锥形。各部件的尺寸比例均标注于图中。含尘气体由圆筒上部的进气管切向进入，受器壁的约束而向下作螺旋运动。在惯性离心力作用下，颗粒被抛向器壁而与气流分离，再沿壁面落至锥底的排灰口。净化后的气体在中心轴附近由下而上作螺旋运动，最后由顶部排气管排出。通常，把下行的螺旋形气流称为外旋流，上行的螺旋形气流称为内旋流（又称气芯）。内、外旋流气体的旋转方向相同。外旋流的上部是主要除尘区。旋风分离器内的静压强在器壁附近最高，仅稍低于气体进口处的压强，往中心逐渐降低，在气芯处可降至气体出口压强以下。旋风分离器内的低压气芯由排气管入口一至延伸到底部出灰口。因此，如果出灰口或集尘室密封不良，便易漏入气体，把已收集在锥形底部的粉尘重新卷起，严重降低分离效果。

旋风分离器一般用来除去气流中直径在5μm以上的尘粒。对颗粒含量高于200g/m3的气体，由于颗粒聚结作用，它甚至能除去3μm以下的颗粒。旋风分离器还可以从气流中分离出雾沫。对于直径在200μm以上的粗大颗粒，最好先用重力沉降法除去，以减少颗粒对分离器器壁的磨损，对于直径在5μm以下的颗粒，一般旋风分离器的扑集效率已不高，需用袋滤器或湿法扑集。旋风分离器不适用于处理粘性粉尘、含湿量高的粉尘及腐蚀性粉尘。此外，气量的波动对除尘效果及设备阻力影响较大

三、旋风分离器的种类

1. 旋风分离器的种类

目前旋风分离器的种类比较多，按使用条件的不同，分离器可分为三大类：高温分离器、中温分离器、低温分离器。而高温旋风分离器又可分为绝热材料制成的高温旋风分离器和水冷、汽冷高温旋风分离器。

绝热材料制成的高温旋风分离器，分离器内部有防磨层和绝热层。此类型的分离装置占了已运行的和正在建造的循环流化床分离装置的绝大部分。此类型的分离器在小型流化床锅炉中运用的较多，运行情况相对稳定，但此旋风分离器体积较大，受旋风分离器最大尺寸的限制，且旋风分离器工作温度较高，需用的耐火和保温材料较厚，启动时间长，而且相对而言散热损失也大，如果燃烧组织不良，还会在旋风分离器内产生二次燃烧。水冷、汽冷高温旋风分离器，整个分离器设置在一个水冷或汽冷腔室内，此只类型的旋风分离器是由Foster Wheeler 公司提出的，采用这种旋风分离器不需要很厚的隔热层。目前容量较大的流化床锅炉已广泛采用此类分离器。

2.流化床锅炉汽冷式旋风分离器的肘部结构

流化床锅炉在炉膛出口与后部烟道之间布置有两台汽旋风分离器，旋风分离器上半部分为圆柱形，下半部分为锥形。烟气出口为圆筒形钢板件，形成一个端部敞开的圆柱体，长度几乎伸至旋风分离器圆柱体一半位置。细颗粒和烟气先旋转下流至圆柱体的底部，而后向上流动离开旋风分离器，粗颗粒落入直接与旋风分离器相连接J阀回料器立管。

旋风分离器为膜式包墙过热器结构。其顶部与底部均与环形联箱相连，墙壁管子在顶部向内弯曲，使在旋风分离器管子和烟气出口圆筒之间形成密封结构。其内部流动的冷却介质为经过旋风分离器进口烟道受热面加热过的过热蒸汽，过热蒸汽先由分离器进口烟道的受热面的出口联箱经导汽管引至旋风分离器下部环形联箱，后经包覆在分离器四周的200根Φ42的管子，受热后引至上部环形联箱，后经导汽管进入侧包墙过热器，旋风分离器的上、下环形联箱均为Φ273。

旋风分离器的内表面敷设有防磨材料，其厚度距管子外表面25mm。中间部分为绝热耐火层，最外层是钢制外壳。

旋风分离器的中心筒由高温、高强度、抗腐蚀、耐磨损的RA-253mA钢板卷制而成。

3. 汽冷式旋风分离器相比较其它形式的分离器，具有耐火材料的用量大大减少，厚底由钢板式内斑纹形式旋风分离器的300～400mm降至25mm，不仅能缩短启停时间和承担一定的热负荷，而且大大降低了耐火材料量，也降低了维护检修的费用。耐火材料用高密度销钉固定，不易脱落，运行安全可靠。锅炉启动速度不受耐火材料升温速度的限制，负荷调节快捷，启动迅速，同时旋风分离器的蓄热量也大为降低，锅炉启动时节省燃料。旋风分离器中心筒采用耐高温、耐腐蚀的奥氏体钢，可靠性较高。与炉膛之间胀差小，结构简单，具有更可靠的密封性。汽冷式旋风分离器外壁温度较低，锅炉散热损失减小，可提高锅炉效率，降低运行成本等优点。

汽冷式旋风分离器的缺点是结构复杂，工艺要求高，成本高，价格贵。

四、结语

本文对旋风分离器百余年的发展作了一简单的回顾，随着石油化工特别是其中流态化技术的发展，以及环境保护问题的日益重要，为节省能耗、回收有用粉尘，仍有必要继续对这种无运动部件、能适应高温高压下使用的分离器作进一步深入的研究和改进。