1 研究觀點的提出

1.1工業(yè)用除塵器簡介及性能比較

工業(yè)除塵所涉及的多相混合物稱為氣相懸浮系或氣溶膠。分散于其中的細小顆粒叫做塵�；蛭⒘�，而塵粒的堆集狀態(tài)叫做粉體。在工程設計中為了正確地設計和選擇除塵設備，必須掌握粉塵的主要物理和化學性質，用于描述粉塵性質的參數(shù)有：粒徑與分散度、密度與堆積密度、凝聚性、濕潤性、荷電與導電性、自然堆積角、爆炸性。

在日常工業(yè)上用于粉塵顆粒物分離的設備主要有：重力沉降式除塵器、慣性除塵器、電除塵器、濕式除塵器、過濾式除塵器、旋風除塵器，簡述如下[1,2,3]：

（1）重力除塵器   

重力除塵器是使含塵氣體中的粉塵借助重力作用自然沉降來達到凈化氣體的裝置。它的沉降速度太小，僅為離心沉降速度的幾十分之一。實際應用中，結構簡單，阻力小、但體積大、除塵效率低、設備維修周期長。

（2）慣性除塵器 
 
這是一種利用粉塵在運動中慣性力大于氣體慣性力的作用，將粉塵從含塵氣體中分離出來的除塵設備。這種除塵器結構簡單，阻力較小，但除塵效率較低，一般應用于一級除塵。

（3）電除塵器   

電除塵器中的含塵氣體在通過高壓電場電離時，塵粒荷電并在電場力作用下，塵粒沉積于電極上，從而使塵粒與含塵氣體相分離的一種除塵設備。它能有效地回收氣體中的粉塵，以凈化氣體。各種電除塵器由于具有效率高、阻力低、能適用于高溫和除去細微粉塵等優(yōu)點，獲得了比其他除塵器更快的發(fā)展，但投資大。關于減少電除塵器的耗電量，運用空調技術使高電阻含塵氣體也能獲得很好效果，使除塵器操作處于最佳條件和提高除塵效率等問題正在開展研究。

（4）濕式除塵器
  
這種除塵器是使含塵氣體與水或其它液體相接觸，利用水滴和塵粒的慣性碰撞及其它作用而把塵粒從氣流中分離出來。濕式除塵器以水為媒介物，因此它適用于非纖維性的、能受冷且與水不發(fā)生化學反應的含塵氣體，不適用于除去黏性粉塵。濕式除塵器具有投資低，操作簡單，占地面積小，能同時進行有害氣體的凈化、含塵氣體的冷卻和加濕等優(yōu)點。特別適用于處理高溫度高濕度和有爆炸性危險氣體的凈化，但由于采用了水為凈化物，會帶來了二次污染。

（5）袋式除塵器   

主要依靠編織的或氈織的慮布作為過濾材料來達到分離含塵氣體中粉塵的目的，由于粉塵通過濾布時產生的篩分、慣性、黏附、擴散和靜電作用而被捕集分離。袋式除塵器適應性比較強，不受粉塵比電阻的影響，也不存在水的污染問題。在選取適當?shù)闹鸀V劑條件下，能同時脫除氣體中的固、氣兩相污染物。但其存在過濾速度低、壓降大、占地面積大、換袋麻煩等缺點。

（6）旋風除塵器   
 
 旋風除塵器是利用旋轉的含塵氣體產生的慣性離心力，將粉塵從氣流中分離出來的一種干式氣-固分離裝置。這種除塵器主要優(yōu)點：結構簡單，本身無運動部件，不需要特殊的附屬設備，占地面積��；操作、維護簡便，壓力損失中等，動力消耗不大，運轉、維護費用較低；操作彈性較大，性能穩(wěn)定，不受含塵氣體的濃度、溫度限制，對于粉塵的物理性質無特殊要求。目前，旋風除塵器廣泛應用于化工、石油、冶金、建筑、礦山、機械、輕紡等工業(yè)部門。 

表 1 各類除塵器的使用范圍和概略性能

從表1中可以看出，旋風除塵器具有自身的優(yōu)點，但相對于袋式除塵器、濕式除塵器、電除塵器，旋風除塵器對于捕集分離5μm以下的粉塵顆粒收集效率不高，其它性能指標一定程度上都優(yōu)于上述除塵器。根據(jù)對粉塵顆粒危害健康的認識，懸浮于大氣中的粉塵顆粒除能起到觸媒作用，使大氣中若干原來無毒的氣態(tài)物質，以粉塵為凝聚核心，經粉塵的觸媒作用化合成為有害的物質外，顆粒大小本身對于人類呼吸系統(tǒng)危害也是關鍵。一般說大于8μm以上的顆粒，在呼吸過程中通過鼻腔的鼻毛及粘膜可以直接拒之于呼吸系統(tǒng)之外。而粒徑約小于0.3μm的通過肺器官可以經循環(huán)系統(tǒng)排出體外。粉塵顆粒從0.3μm到能沉積于肺部或者支氣管，成為對人體有致病的顆粒大小范圍[1]。從0.3μm到8μm，這一粒徑范圍的顆粒主要是由工礦企業(yè)如：煉油廠催化煙氣、工業(yè)生產中煤的燃燒、旋渦流化床廢氣、建筑水泥生產等所產生的，而目前旋風除塵器在這些行業(yè)中是經濟型必不可少的氣-固分離設備。

根據(jù)當前我國工業(yè)發(fā)展的情況，材料供應和動力供應情況，是不允許拋棄旋風除塵器，而全部使用昂貴材料多、運轉費用高、耗電量高的文氏管除塵器、袋式除塵器、電力除塵器，這就決定了干式旋風除塵器在環(huán)境保護或工業(yè)除塵中存在很大的需求量。此外，隨著除塵器應用場合特殊化（如高溫高壓的工況條件下）、結構微型化（如可吸入顆粒物的采樣、汽車進氣的預處理[4]）的發(fā)展，在奠定旋風除塵器特殊地位的同時，對其也提出了更高的性能要求。

1.2 旋風除塵器研究現(xiàn)狀

目前，旋風除塵器的研究狀況可以從以下兩個方面敘述：

（1）分離理論及計算模型

目前，旋風除塵器的研究理論主要有轉圈理論、篩分理論、邊界層理論、傳介質理論等，各個理論都在一定的假設前提下建立了旋風除塵器性能計算模型。其中轉圈理論是類比平流重力沉降分離理論最早發(fā)展起來的理論。在平流沉降室中距分離界面最高點h處的粉塵以重力沉降速度向下沉降，同時粉塵又以水平方向速度向前移動，只要沉降室有足夠長度L,則粉塵就能到達分離界面而被分離。在旋風除塵器內存在徑向向外的離心沉降速度和旋轉切向分速度，如果旋轉圈數(shù)足夠多，即展開后的長度相當于平流沉降室的長度L，則粉塵就能從內半徑到達外邊壁處的分離界面而被分離,這一理論的研究以Rosin、Rammler、 Lnterman、First為代表[1,5]。

轉圈理論對于旋風除塵器內的流場認識是不夠全面的。氣流進入旋風除塵器內，在上筒體內，旋轉可以認為只有單一的旋渦流場；而到達錐體空間，徑向的匯流或類匯流就將開始出現(xiàn)，因此旋風除塵器內除塵空間的流場，只見有渦，而不見有匯，顯然是不夠全面的。為了補救轉圈理論的缺點,對于旋風除塵器內的流場即見有渦，也見到有匯，因此形成了篩分理論。

篩分理論認為每一粉塵顆粒都同時受到方向相反的兩種推移作用。由旋渦流場的慣性離心力使顆粒受到向外推移的作用，由于匯流場又使得顆粒受到向內漂移的作用。離心力的大小與粉塵顆粒的大小有關，顆粒越大離心力越大，因而必定有一臨界粒徑dc50，受離心力向外推移的作用正好與向內漂移的作用相等。凡粒徑d＞dc者，向外推移作用大于向內漂移作用，結果被推移到旋風除塵器壁附近，粉塵濃度大到運載介質的極限負荷濃度時，則粉塵被分離出來。相反，凡 d＜dc的粉塵顆粒，向內漂移的作用大于向外推移的作用而被帶到上升的強制渦核心部分，隨著外排氣流而排離旋風除塵器。這一理論的研究以Lapple、 Shepherd、Staimand、Barth、Muschelknautz等代表[1,2,3]。

邊界層理論認為在旋風除塵器任一截面上固相顆粒的濃度分布是均勻的，但流體在近壁面處的邊界層內是層流流動，只要顆粒進入邊界層內顆粒的運動由旋轉轉變?yōu)樽杂沙两禂U散運動即視為被捕集分離，以D.Leith和W.Licht等的研究為代表[5，6]。

我國學者向曉東提出傳介質理論。轉圈理論只考慮旋渦在靠近旋風除塵器器壁處的離心分離作用，篩分理論則只考慮在假想篩分圓柱面上的離心分離作用，實際上，在旋風除塵器的整個分離空間內，旋轉氣流均有分離作用。針對這兩點，傳介質理論認為：若在分離空間內無粒子的凝聚與生長，那么，在整個分離空間內任取一六面微元體，單位時間內此微元體內粒子的總通量應為零，即質量和數(shù)量是守恒的。根據(jù)這一假設，推導旋風除塵器的相關性能計算公式[3,7]。

Sproull于1970年采用與電除塵器類似的方法，給出了旋風除塵器效率的分離計算公式[8]。D.Leith和W.Licht于1972 年考慮湍流擴散對固相顆粒分離的影響，基于邊界層分析理論，把氣流中懸浮顆粒的橫向混合理論與旋風除塵器內氣流的平均停留時間相結合，從理論上嚴格推導出了分級效率模型[6,9]。

張吉光等[10]于1991年根據(jù)旋風器內氣流的軸向速度分布規(guī)律確定塵粒在旋風器內的平均停留時間分析了旋風器內氣流的三維速度分布規(guī)律對固相顆粒分離的影響及旋風器各主要結構參數(shù)和運行參數(shù)的影響，并考慮筒體與錐體邊界層內顆粒的分離效應，建立了旋風除塵器的分級效率數(shù)學模型。

陳建義、時銘顯等[11]于1993年在對PV型旋風除塵器內部流場及濃度測定的基礎上，考慮了顆粒間的相互碰撞、反混等對分離性能的影響，建立了旋風除塵器分級效率的多區(qū)計算模型。

王廣軍、陳紅于[12]2001年考慮了徑向濃度梯度以及重力沉降和徑向加速過程對固相顆粒分離的影響，建立了鍋爐細粉分離分離效率的計算模型。沈恒根等[13]在假設：不考慮邊界層作用；忽略邊壁作用，塵粒到達外邊壁就被捕集；進入旋風除塵器前，塵粒濃度分布均勻；不考慮重力作用，提出了平衡塵粒模型。運用渦匯升降流三維氣流分析塵粒運動，提出平衡塵粒分布，給出了平衡塵粒計算公式。清華大學的王連澤、彥啟森認為：旋風除塵器內的流動主要受切向速度支配，旋風除塵器的性能，也主要與切向速度相關，同時，他們應用粘性流體力學理論，推導出了旋風除塵器內切向速度的計算公式。

張曉玲、亢燕銘、付海明等[14]通過對旋風除塵器內塵粒粒子的運動和捕集特性的分析，討論了無量綱準則數(shù)Reynolds和Stokes與粒子分離過程的關系，并在對經典文獻給出的試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析的基礎上，得到了一個有影響除塵效率的主要無量綱數(shù)表示的旋風除塵器分級效率半經驗計算式。

（2）結構改進

在理論繼續(xù)發(fā)展的同時，旋風除塵器不斷有新的改進措施提出，從而開發(fā)出許多新型高效的旋風除塵器。國內外研究者在旋風除塵器整體改進方面推出了新型旋風除塵器其中以PV型旋風除塵器和環(huán)流式旋風除塵器最為矚目。PV型旋風除塵器由石油大學、洛陽石油化工工程公司和原北京設計院聯(lián)合開發(fā),為中國石油化工集團公司專有技術,已幾乎在所有的催化裂化裝置中得到成功應用,而且又在化工及煤炭發(fā)電等領域中得到推廣應用,應該說是很成熟的一項先進技術。[15,16]新型環(huán)流式旋風除塵器(國家發(fā)明專利產品,專利號: ZL 92219769.5)。如圖1，環(huán)流式旋風除塵器的外型與常規(guī)型旋風除塵器相似,但器內增設了強化分離效率的內件。該除塵器具有壓降低、放大效應小、分離效率高、操作穩(wěn)定性好等特點[17,18,19]。

研究發(fā)現(xiàn)氣流運動性能、顆粒性能、幾何參數(shù)、材料表面摩擦系數(shù)等對旋風除塵器性能都有影響。因此，一些研究者針對旋風除塵器不同部分也做了成功的改進以提高旋風除塵器性能。Y.Zhu[20]提出如圖1.2所示的旋風除塵器結構,與Stairmand型旋風除塵器相比，最大的特點就是通過增加一個倒置的旋風除塵器筒壁,從而將整個旋風除塵器內部空間劃分為兩個顆粒分離環(huán)形區(qū)域,同時,排氣管被移到了下方,這種旋風除塵器相當于將兩個旋風子合到了一起。Y.Zhu型旋風除塵器除塵效率得到提高,壓力損失也有所降低。Plomp等[21,22]針對氣流出口提出了加裝二次分離附件，如圖1.3。二次分離附件設置在旋風除塵器頂部，稱之為POC。沈恒根[23,24,25,26]針對旋風器內氣流軸不對稱問題,將其進口由單進口改為雙進口，如圖 1.4。通過雙進口旋風器內流場實驗研究表明,雙進口旋風器比單進口旋風器更有利于提高除塵效率和降低設備阻力。

氣流在開始進入旋風除塵器時存在氣流壓縮問題，祝立萍[27]通過試驗的方法證實在氣流入口添加弧形導向板可以有效地解決這一問題同時還降低壓力損失，導向板如圖1.5。旋風除塵器的磨損問題在工業(yè)應用過程中是十分普遍的問題，向曉東在內壁添加耐磨設置環(huán)縫套圈[28,29]，可以有效地減少粉塵顆粒對旋風除塵器的磨損提高使用壽命。王連澤等[30]人以Stairmand型旋風除塵器為研究模型通過在旋風除塵器內安裝減阻桿，可以在保證分離效率的前提下降低流動阻力。同時工業(yè)應用表明，安裝減阻桿能提高旋風除塵器的處理風量，降低除塵系統(tǒng)動力消耗，從而達到減阻、節(jié)能與增產的效果。此外，將高壓靜電技術和旋風除塵器的結合技術[31,32]、添加穩(wěn)流桿等都是成功的改進方案。

傳統(tǒng)對旋風除塵器的研究主要通過試驗測定及理論推導來分析其除塵機理。隨著，CFD技術和計算機科學技術的發(fā)展，數(shù)值模擬技術應用與旋風除塵器的模擬分析已經變?yōu)楝F(xiàn)實，采用這一技術, 可有效地對旋風除塵器內部流場分析研究，有利于進一步提出更多新型高效的旋風除塵器[33,34,35]。

1.3 旋風除塵器存在問題

從旋風除塵器現(xiàn)階段的研究狀況看出，旋風除塵器的研究主要集中在兩個方向：理論上計算旋風除塵器性能公式模型的研究；針對旋風除塵器存在的問題提出相應的改進方案的研究。研究者在這兩個方面都取得了很大的成就，建立了許多計算模型同時也開發(fā)了許多新型旋風除塵器，但是，現(xiàn)階段旋風除塵器研究過程中仍然存在不少問題：

（1）沒有通用的數(shù)學模型

現(xiàn)有的各個公式模型的提出很大程度上都是經驗公式。每一個模型的提出都存在一定的假設，只是針對某一理想情況下的數(shù)學描述，這就限制了模型的使用范圍。各研究者基于不同理論，運用不同方法，從不同角度闡述了各自理論，或者在前人的研究上進行改進，使模型更趨于合理化。盡管各模型在描述旋風除塵器內氣固分離狀況都有一定的準確性，但是能描述結構相類似的旋風除塵器性能的數(shù)學模型并沒有，因此，有必要進一步分析旋風除塵器的分離機理綜合考慮提出實用性更廣的性能計算模型。

（2）忽略了粉塵顆粒性能影響   

在旋風除塵器內粉塵顆粒隨氣流做不規(guī)則的運動，在運動的過程中粉塵顆粒間會相互碰撞、凝聚從而改變顆粒原來的粒徑和分散度。這兩個參數(shù)對旋風除塵器性能的評價有重要影響。在旋風除塵器內，高速旋轉的粉塵顆粒相互之間一定存在碰撞，這種碰撞使得粉塵可能碎為小顆粒也可以凝聚為大顆粒，這就該變了粉塵原來的粒徑分布情況。此外，含塵氣流在進入旋風除塵器的一段時間內，氣流是處于壓縮狀態(tài)單位體積內的粉塵濃度增大，而隨著氣流空間的增大和粉塵顆粒的分離，粉塵在單位體積內的粉塵濃度必將減少，而在實際應用過程中，溫度也會影響含塵濃度。但各研究者在建立模型時都對粉塵粒徑和分散度即含塵濃度做相對的簡化分析，認為是一常數(shù)，這顯然與實際情況不相符合。

（3）局部問題的解決   

在實際使用過程中，一般旋風除塵器存在一些不可避免的問題如：上灰環(huán)、局部氣流的壓縮、除塵器的短路流、不同部位的二次揚塵、氣流間的相互摩擦干擾、粉塵堆積等，這些問題都會對旋風除塵器性能產生不可忽視的影響�，F(xiàn)有改進措施已經比較好的解決了一些問題，但仍存在一些問題如：錐體部分局部渦流所產生的二次揚塵、排氣管內壓力損失及本文新提出的軸向逸流問題等。旋風除塵器內是高速旋轉的氣流，微小的結構及尺寸的改變都會對氣流的運動狀況產生不可忽視的影響。氣流的運動情況直接關系到粉塵顆粒的分離情況，進而影響旋風除塵器的性能。因此，針對存在問題有必要設計合理的結構、確定更為合理的結構尺寸改善氣流運動情況從而實現(xiàn)較好的顆粒運動分離路徑，提高旋風除塵器的除塵效率。

1.4 本文觀點

在傳統(tǒng)型旋風除塵器不能滿足現(xiàn)代生產要求的前提下，研制新型高效的旋風除塵器受到工程界的日益重視。因此，如何在提高旋風除塵器分離效率的基礎上，最大限度地降低壓力損失，一直是人們關注和研究的重點。

本文在分析氣流在旋風除塵器中的流場分布及流程狀況的基礎上，提出勻流程的指導思想并對旋風除塵器進行結構改進，以改變旋風除塵器中流場的分布狀態(tài)和均勻化流體流程的目的。在結構上采取在旋風除塵器內添加倒圓錐和導向葉片，同時延長旋風除塵器的排氣管長度減少圓錐部分的長度可以有效地抑制旋風除塵器軸向逸流、底部的二次揚塵及排氣管內氣旋的旋轉運動，從而提高除塵效率和降低壓力損失。

2 主要任務和研究意義

2.1 主要任務

（1）總結分析旋風除塵器已有的研究成果，指出旋風除塵器現(xiàn)階段存在的問題，同時提出旋風除塵器的發(fā)展方向。

（2）針對旋風除塵器存在的底部二次揚塵、軸向逸流、排氣管內氣流旋轉三個主要問題做研究分析，同時，使用Fluent軟件對旋風除塵器的內部流場進行模擬，通過觀測內部流場了解旋風除塵器整體、底部、排氣管內的氣流運動狀態(tài)，為新分析思路和改進方案的提出做準備。

（3）提出新的改進分析思路——勻流程思想，對這一新思想作一詳細的相關分析。在這一思想的指導下針對三個主要問題規(guī)劃出具體的改進措施，改進型旋風除塵器的名稱為RC型高效旋風除塵器。

（4）設計制造RC型旋風除塵器和Stairmand型旋風除塵器。應用FLUENT軟件進行對比數(shù)值模擬，驗證改進方案的正確性。此外，提出對比試驗的流程方案，設計組裝一套試驗設備,盡可能通過試驗來驗證改進方案的可行性。

2.2 研究意義

（1）本文所提出的勻流程思想是一全新的旋風除塵器除塵機理分析思路，這一思路的提出為旋風除塵器機理分析理論的發(fā)展開辟了新的思維方向。

（2）在勻流程思想指導下設計制造的RC型旋風除塵器（專利產品）在保持旋風除塵器原有優(yōu)點的同時，進一步挖掘了旋風除塵器的潛能。

（3）旋風除塵器在工業(yè)上的應用是非常廣泛的。由于旋風除塵器的性能、尤其是除塵效率不能跟上現(xiàn)實的要求，一些工礦企業(yè)為了達到廢氣排放標準而不得不使用價格昂貴的袋式除塵器或其它除塵器，因此，最大限度地提高旋風除塵器的性能可以有效地降低工礦企業(yè)的經濟成本，給企業(yè)帶來經濟效益。

本章在分析對比各種工業(yè)用除塵器各性能參數(shù)的基礎上，明確指出旋風除塵器在工業(yè)上應用的優(yōu)缺點及所處的位置。此外，本章對旋風除塵器目前研究現(xiàn)狀作了總結分析，并且指出存在的主要問題，同時，提出本課題的研究內容、主要任務和研究意義。

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