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旋风除尘器是除尘装置的一类。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。旋风除尘器的各个部件都有一定的尺寸比例,每一个比例关系的变动,都能影响旋风除尘器的效率和压力损失,其中除尘器直径、进气口尺寸、排气管直径为主要影响因素。在使用时应注意,当超过某一界限时,有利因素也能转化为不利因素。另外,有的因素对于提高除尘效率有利,但却会增加压力损失,因而对各因素的调整必须兼顾。
旋风除尘器是由进气管、排气管、圆筒体、圆锥体和灰斗组成。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,已广泛用于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5~2500倍,所以旋风除尘器的效率显著高于重力沉降室。利用这一个原理基础成功研究出了一款除尘效率为百分之九十以上的旋风除尘装置。在机械式除尘器中,旋风式除尘器是效率最高的一种。它适用于非黏性及非纤维性粉尘的去除,大多用来去除5μm以上的粒子,并联的多管旋风除尘器装置对3μm的粒子也具有80~85%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1000℃,压力达500×105Pa的条件下操作。从技术、经济诸方面考虑旋风除尘器压力损失控制范围一般为500~2000Pa。因此,它属于中效除尘器,且可用于高温烟气的净化,是应用广泛的一种除尘器,多应用于锅炉烟气除尘、多级除尘及预除尘。它的主要缺点是对细小尘粒(<5μm)的去除效率较低。
圆筒体直径和高度
圆筒体直径是构成旋风除尘器的最基本尺寸。旋转气流的切向速度对粉尘产生的离心力与圆筒体直径成反比,在相同的切线速度下,筒体直径D越小,气流的旋转半径越小,粒子受到的离心力越大,尘粒越容易被捕集。因此,应适当选择较小的圆筒体直径,但若筒体直径选择过小,器壁与排气管太近,粒子又容易逃逸;筒体直径太小还容易引起堵塞,尤其是对于粘性物料。当处理风量较大时,因筒体直径小处理含尘风量有限,可采用几台旋风除尘器并联运行的方法解决。并联运行处理的风量为各除尘器处理风量之和,阻力仅为单个除尘器在处理它所承担的那部分风量的阻力。但并联使用制造比较复杂,所需材料也较多,气体易在进口处被阻挡而增大阻力,因此,并联使用时台数不宜过多。筒体总高度是指除尘器圆筒体和锥筒体两部分高度之和。增加筒体总高度,可增加气流在除尘器内的旋转圈数,使含尘气流中的粉尘与气流分离的机会增多,但筒体总高度增加,外旋流中向心力的径向速度使部分细小粉尘进入内旋流的机会也随之增加,从而又降低除尘效率。筒体总高度一般以4倍的圆筒体直径为宜,锥筒体部分,由于其半径不断减小,气流的切向速度不断增加,粉尘到达外壁的距离也不断减小,除尘效果比圆筒体部分好。因此,在筒体总高度一定的情况下,适当增加锥筒体部分的高度,有利提高除尘效率,一般圆筒体部分的高度为其直径的1.5倍,锥筒体高度为圆筒体直径的2.5倍时,可获得较为理想的除尘效率。
流速
旋风除尘器是利用离心力来除尘的,离心力愈大,除尘效果愈好。在圆周运动(或曲线运动)中粉尘所受到的离心力为F=ma,式中,F——离心力,N;m——粉尘的质量,kg;a——粉尘离心加速度,m/s2。因为,a=VT2/R,式中,VT——尘粒的切向速度,m/s;R——气流的旋转半径,m, 所以,F=mVT/R。可见,在旋风除尘器的结构固定(R不变)、粉尘相同(m稳定)的情况下,增加旋风除尘器人口的气流速度,旋风除尘器的离心力就愈大。
旋风除尘器的进口气量为Q=3600AVT,式中,Q——旋风除尘器的进口气量, m3/h; A——旋风除尘器的进口截面积,m2。 所以,在结构固定(R不变,A不变)、粉尘相同(m稳定)的情况下, 除尘器人口的气流速度与进口气量成正比,而旋风除尘器的进口气量是由引风机的进风量决定的。
可见,提高进风口气流速度,可增大除尘器内气流的切向速度,使粉尘受到的离心力增加,有利提高其除尘效率, 同时,也可提高处理含尘风量。但进风口气流速度提高,径向和轴向速度也随之增大,紊流的影响增大。对每一种特定的粉尘旋风除尘器都有一个临界进风口气流速度,当超过这个风速后,紊流的影响比分离作用增加更快,使部分已分离的粉尘重新被带走,影响除尘效果。另外,进风口气流增加,除尘阻力也会急剧上升,压损增大,电耗增加。综合考虑旋风除尘器的除尘效果和经济性,进风口的气流速度控制在12~20 m/s之间,最大不超过25m/s,一般选14m/s为宜。
粉尘的状况
粉尘颗粒大小是影响出口浓度的关键因素。处于旋风除尘器外旋流的粉尘,在径向同时受到两种力的作用,一是由旋转气流的切向速度所产生的离心力,使粉尘受到向外的推移作用;另一个是由旋转气流的径向速度所产生的向心力,使粉尘受到向内的推移作用。在内、外旋流的交界面上,如果切向速度产生的离心力大于径向速度产生的向心力,则粉尘在惯性离心力的推动下向外壁移动,从而被分离出来;如果切向速度产生的离心力小于径向速度产生的向心力,则粉尘在向心力的推动下进入内旋流,最后经排风管排出。如果切向速度产生的离心力等于径向速度产生的向心力,即作用在粉尘颗粒上的外力等于零,从理论上讲,粉尘应在交界面上不停地旋转。实际上由于气流处于紊流状态及各种随机因素的影响, 处于这种状态的粉尘有50%的可能进入内旋流,有50%的可能向外壁移动,除尘效率应为50%。此时分离的临界粉尘颗粒称为分割粒径。这时,内、外旋流的交界面就象一张孔径为分割粒径的筛网,大于分割粒径的粉尘被筛网截留并捕集下来,小于分割粒径的粉尘,则通过筛网从排风管中排出。
旋风除尘器捕集下来的粉尘粒径愈小,该除尘器的除尘效率愈高。离心力的大小与粉尘颗粒有关,颗粒愈大,受到离心力愈大。当粉尘的粒径和切向速度愈大, 径向速度和排风管的直径愈小时,除尘效果愈好。气体中的灰分浓度也是影响出口浓度的关键因素。粉尘浓度增大时,粉尘易于凝聚,使较小的尘粒凝聚在一起而被捕集,同时,大颗粒向器壁移动过程中也会将小颗粒挟带至器壁或撞击而被分离。但由于除尘器内向下高速旋转的气流使其顶部的压力下降,部分气流也会挟带细小的尘粒沿外壁旋转向上到达顶部后,沿排气管外壁旋转向下由排气管排出,导致旋风除尘器的除尘效率不可能为100%。
根据除尘效率计算公式η=(1- So/Si)×100%,式中,η——除尘效率;So——出口处的粉尘的流人量,kg/h;Si——进口处的粉尘的流人量,kg/h。
因为旋风除尘器的除尘效率不可能为100%,当进口粉尘流人量增加后,除尘效率虽有提高,排气管排出粉尘的绝对量也会大大增加。所以,要使排放口的粉尘浓度降低,则要降低入口粉尘浓度,可采取多个旋风除尘器串联使用的多级除尘方式,达到减少排放的目的。