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旋风分离器

发布时间:2017-05-19 15:44:51


简介

旋风分离器,是用于气固体系或者液固体系的分离的一种设备。工作原理为靠气流切向引入造成的旋转运动,使具有较大惯性离心力的固体颗粒或液滴甩向外壁面分开。是工业上应用很广的一种分离设备。

工作原理

旋风分离器是利用气固混合物在作高速旋转时所产生的离心力,将粉尘从气流中分离出来的干式气固分离设备。由于颗粒所受的离心力远大于重力和惯性力,所以分离效率较高。

常用的(切流)切向导入式旋风分离器的分离原理及结构如图所示。主要结构是一个圆锥形筒,筒上段切线方向装有一个气体入口管,圆筒顶部装有插入筒内一定深度的排气管,锥形筒底有接受细粉的出粉口。含尘气流一般以12—30m/s速度由进气管进入旋风分离器时,气流将由直线运动变为圆周运动。旋转气流的绝大部分,沿器壁自圆筒体呈螺旋形向下朝锥体流动。此外,颗粒在离心力的作用下,被甩向器壁,尘粒一旦与器壁接触,便失去惯性力,而靠器壁附近的向下轴向速度的动量沿壁面下落,进入排灰管,由出粉口落入收集袋里。旋转下降的外旋气流,在下降过程中不断向分离器的中心部分流入,形成向心的径向气流,这部分气流就构成了旋转向上的内旋流。内、外旋流的旋转方向是相同的。最后净化气经排气管排出器外,一部分未被分离下来的较细尘粒也随之逃逸。自进气管流入的另一小部分气体,则通过旋风分离器顶盖,沿排气管外侧向下流动,当到达排气管下端时,与上升的内旋气流汇合,进入排气管,于是分散在这部分上旋气流中的细颗粒也随之被带走,并在其后用袋滤器或湿式除尘器捕集。

净化天然气通过设备入口进入设备内旋风分离区,当含杂质气体沿轴向进入旋风分离管后,气流受导向叶片的导流作用而产生强烈旋转,气流沿筒体呈螺旋形向下进入旋风筒体,密度大的液滴和尘粒在离心力作用下被甩向器壁,并在重力作用下,沿筒壁下落流出旋风管排尘口至设备底部储液区,从设备底部的出液口流出。旋转的气流在筒体内收缩向中心流动,向上形成二次涡流经导气管流至净化天然气室,再经设备顶部出口流出。

特点

旋风分离器的主要特点是结构简单、操作弹性大、效率较高、管理维修方便,价格低廉,用于捕集直径5~10μm以上的粉尘,广泛应用于制药工业中,特别适合粉尘颗粒较粗,含尘浓度较大,高温、高压条件下,也常作为流化床反应器的内分离装置,或作为预分离器使用。但是,它对细尘粒(如直径<5μm)的分离效率较低,细粉分离效率仅能达到70%~90%。为了提高除尘效率,降低阻力,已出现了如螺旋型、蜗旋型、旁路型、扩散型、旋流型和多管式等多种形式的旋风分离器。

气体和固体颗粒在旋风分离器中的运动非常复杂,在器内任一点都有切向、径向和轴向速度,并随旋转半径变化。在实际操作中应控制适当的气速。实验表明,气速过小,分离效率不高。但气速过高,易产生涡流和返混现象严重,同样会降低分离效率。

主要功能

旋风分离器设备的主要功能是尽可能除去输送气体中携带的固体颗粒杂质和液滴,达到气固液分离,以保证管道及设备的正常运行,在西气东输工程中,旋风分离器是较重要的设备

性能指标

分离精度

压力降

正常工作条件下,单台旋风分离器在工况点压降不大于0.05MPa

使用寿命

旋风分离器的设计使用寿命不少于20年

结构设计

旋风分离器采用立式圆筒结构,内部沿轴向分为集液区、旋风分离区、净化室区等。内装旋风子构件,按圆周方向均匀排布亦通过上下管板固定;设备采用裙座支撑,封头采用耐高压椭圆型封头

设备管口提供配对的法兰、螺栓、垫片等。
通常,气体入口设计分三种形式:
a) 上部进气
b) 中部进气
c) 下部进气
对于湿气来说,我们常采用下部进气方案,因为下部进气可以利用设备下部空间,对直径大于300μm或500μm的液滴进行预分离以减轻旋风部分的负荷。而对于干气常采用中部进气或上部进气。上部进气配气均匀,但设备直径和设备高度都将增大,投资较高;而中部进气可以降低设备高度和降低造价。
旋风分离器采用整体立式结构,体积小,重量轻。旋风管立式布置,由两水平隔板分成3个独立的工作室,为便于内部检查,每个工作室单独设置1个人孔或手孔。旋风分离器包括壳体部分、进气、出气、放空、分离单元、人孔、手孔、人工清灰和阀控排尘口、支腿等结构。

提高除尘效率的方法

整体结构的改变

旋风除尘器内部的旋转气流中,颗粒物受离心力作用作径向向外(朝向筒锥壁)运动,运动速度可由颗粒物所受的离心力及气流阻力的运动方程求得。显然旋风除尘器分离的目的就是使颗粒物尽快到达筒锥体边壁。因此,延长颗粒物在旋风除尘器中的运动时间,在气流作用下提高颗粒物与筒锥体壁相撞的概率,可以提高旋风除尘器除尘效率
Y.Zhu(2001年)提出在普通旋风除尘器中增加一个筒壁,这一筒壁将旋风除尘设备内部空间划分为两个环形区域,同时,排气芯管被移到了下方,排气芯管中的上升气流也变成了下降气流,颗粒物在内外两个外环形区域内都得到了分离,事实上,这种旋风分离器相当于将两个旋风子合到了一起。从理论上讲,这种改进提高了颗粒物被收集的概率。Y.Zhu型旋风除尘器试验结果(气流流量范围为 10L/min~40L/min,对粒径范围为0.6μm~8.8μm颗粒物)与Stairmand旋风除尘器的进行了比较有:改进后的旋风除尘器,除尘效率得到提高,并且随气流流量的增大而增大;同时,对于相同无因次尺寸的旋风除尘器来说,前者的阻力也小于后者。Y.Zhu考虑各方面因素给出相应优化综合指标得出改进旋风除尘器性能优于传统的旋风除尘器。这种改动后的旋风除尘器较原有传统旋风除尘器结构稍为复杂。

在原有旋风除尘器结构上增加附加件

实际应用中的系统都比较庞大,采用新的旋风除尘器替代原有旋风除尘器,势必导致工程量和成本比较大。基于这一想法,很多研究者寻找不改变原有旋风除尘器结构,而通过增加附加部件为提高旋风性能。
由于旋风除尘器对微细颗粒物效率较低,尤其对PM10(粉尘粒径小于10μm的颗粒物)的除尘效率随着颗粒直径减小逐渐降低。也就是说,在旋风除尘器的运行过程中,绝大部分微细粉尘穿透了分离区域,导致对微细粉尘效率下降。A.Plomp等(1996年)提出了加装二次分离附件的一种旋风除尘器,见图3示意图。二次分离附件设置在旋风除尘器本体顶部,称之为POC(post cyclone)。
POC二次分离作用是利用排气芯管强旋流作用使微细粉尘受离心力作用向边壁运动,并与挡板相撞后,通过缝隙1掉入挡板下部的壳体中,另一部分即使在一开始没有与边壁相撞,但由于始终受到离心力的作用,在到达POC顶部时,其中也有很大一部分通过缝隙2处而进入挡板与壳体之间的空间,随后由于 POC中主气流的约10%通过缝隙形成渗透流,在渗透推动下,颗粒物被吹出壳体。
研究结果得知,在特定结构尺寸和运行条件下总效率比改进前提高了2%~20%;POC的阻力约为旋风除尘器本体10%,该阻力与渗透气流量无关(在所给参数范围内);对于直径较大的旋风除尘器,尤其在原旋风除尘器性能不是很高的情况下,加装POC的办法对于提高旋风分离的性能很有效。POC装置对3μm以上粉尘分离很有效,对3μm以下的粉尘效果不显著;渗透流量及POC装置的离心力对POC的性能影响显著;采用穿孔 (较小)内挡板可提高分离效率。

局部结构改进

许多研究者通过旋风除尘器内部气流流动研究认为:旋风除尘器气流速度分布在径向上呈轴不对称或出现偏心。尤其在锥体下部靠近排尘口附近,有明显的"偏心";排气管下口附近,径向气流速度较大,有"短路"现象。气流偏心或短路不利于粉尘分离。
(1) 改变进口结构
鹏鹤环保针对旋风除尘器内气流轴不对称问题,将其进口由单进口改为双进口(如图4),通过双进口旋风除尘器内流场实验研究表明,双进口旋风除尘器流场的轴对称性优于单进口旋风除尘器,双进口旋风除尘器涡核变形小;双进口旋风除尘器内切向速度高于单进口约6%,在准自由涡区衰减也慢;双进口旋风除尘器排气芯管短路流少于单进口。双进口旋风除尘器比单进口旋风除尘器更有利于提高除尘效率和降低设备阻力。
针对短路流携尘降低除尘效率的问题,鹏鹤环保等在进口结构中采用了回转通道(见图5),以此降低进入旋风除尘器空间的向心含尘浓度梯度,并对等截面和变截面两种通道形式的气固两相分离进行了分析。指出采用合理回转角度的进口回转通道,可提高旋风除尘器的除尘效率。这种做法从结构上把旋风除尘器的筒体、锥体两段分离变成进口通道、筒体、锥体三段分离。
(2) 锥体结构改变
Rongbiao Xiang等研究了锥体尺寸对用于大气采样的小型旋风除尘器的影响情况,以颗粒大小和气流流速为变化参数,对3个具有不同下部直径锥体的旋风除尘器测出了效率。测定结果表明:锥体下部直径大小对旋风分离采样器的效率影响显著,但是并不显著影响不同粒径颗粒物效率之间的变化程度。当锥体下部开口部分直径大于排气芯管直径时,该锥体参数的减小,再不明显增加阻力的前提下,采样效率会随之提高;但是,由阻力测试结果还可看出锥体武器部分直径不宜小于排气芯管直径。从理论上讲,锥体下部直径减小能引起切向速度的提高,从而离心力增大;对于具有相同筒体直径的旋风除尘器,若锥体开口小,则最大切向速度靠近锥壁,这使得颗粒能够更好的分离,同时,如果锥体开口较小,涡流将触及锥壁,使颗粒又有可能重新进入出气气流,但是由于后者与前者相比对旋风采样器影响较小。总之,适当减小锥体下部直径有利于效率的提高。为了便于新型旋风采样器的设计,还指出对高效型Stairmand旋风除尘器效率有较好预测作用的Barth 理论及Leith-Licht理论,对锥体改变旋风采样器的收集效率了也有良好的预测作用。

工程应用

旋风分离器适用于净化大于1-3微米的非粘性、非纤维的干燥粉尘。它是一种结构简单、操作方便、耐高温、设备费用和阻力较高(80~160毫米水柱)的净化设备,旋风除尘器在净化设备中应用得最为广泛。 改进型的旋风分离器在部分装置中可以取代尾气过滤设备。
旋风分离器是利用离心沉降原理从气流中分离出颗粒的设备。气体通过进气口的速度为10—25m/s,一般采用15—20m/s,所产生的离心力可以分离出小到5μm的颗粒及雾沫。因此,是矿山、水泥等生产中使用很广泛的设备。特别在化工生产过程中,旋风分离器的使用场合很多,也常见于厂房的通风除尘系统。它的广泛使用,既可改善环境,又可变废为宝减少工厂的经济损失。诸如某合成洗涤剂厂,在处理喷粉的尾气回收系统中,采用了旋风分离器除尘措施,既改善了作业环境,减轻了空气的污染,又可回收可观的尾粉,大大地降低了工厂成本

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