4.4　旋風除塵器

4.4.1　結構和工作原理

旋風除塵器（cyclone dust collector）始用于1885年，現已發展成多種形式。旋風除塵器結構簡單，易于制造、安裝和維護管理，設備投資和操作費用低，廣泛用于從氣流中分離固體和液體粒子，或從液體中分離固體粒子。

旋風除塵器主要是由進氣口、排氣口、圓筒體、圓錐體和灰斗組成，如圖4-7（a）所示。

含塵氣流從氣流進口處進入除塵器圓筒體后，沿筒體內壁由上向下做旋轉運動，氣流到達錐體底部附近時折轉向上，在中心區做旋轉上升運動，最后經排氣口排出。一般將旋轉向下的外圈氣流稱為外旋流，它同時有向心的徑向運動；將旋轉向上的內圈氣流稱為內旋流，它同時有離心的徑向運動。外旋流轉為內旋流的頂錐附近區域稱為回流區。顆粒在外旋流離心力的作用下移向外壁，并在氣流軸向推力和重力的共同作用下，沿壁面落入灰斗。

通過對旋風除塵器內氣流運動的測定發現，旋風除塵器的氣流運動很復雜，無論是外旋流還是內旋流，均存在有切向、軸心、徑向運動速度，速度大小和方向隨旋轉氣流運動而發生相應變化。

4.4.2　除塵效率計算

4.4.2.1　顆粒沉降速度

含塵氣流在旋風除塵器內，沿筒體內壁由上向下做外旋流運動時，顆粒受旋轉離心力的作用，產生指向筒壁的徑向速度（又稱離心速度），如圖4-8所示。類似于重力作用下的沉降速度，離心力作用下的徑向速度可參照進行推導。

顆粒沿筒體內壁由上向下做外旋流運動時受到的離心力F_c為：

　　（4.17）

同時，受到的作用力還有重力、浮力，以及流體阻力。

　　（4.18）

　　（4.19）

流體阻力，與離心力方向相反。對于層流區域的顆粒，流體阻力F_d=3πμd_pv_r。

顆粒徑向運動方向上受到的力為離心力和流體阻力。當顆粒以勻速向筒壁徑向運動時，流體阻力等于離心力，即

　　（4.20）

因此，對于粒徑d_p、密度ρ_p的顆粒來說，最終徑向運行速度：

　　（4.21）

這是離心力作用下的Stokes定律表達式。

例4.4　一粒徑1μm、真實密度2000kg/m³的顆粒，在旋轉氣流流速18.29m/s、旋轉半徑0.3m的氣流中運動，計算最終徑向速度。空氣密度可以忽略。

解：采用式（4.21），將相關參數數據代入得：

如果是重力沉降，則沉降速度為：

離心力產生的徑向速度是重力產生的沉降速度的114倍。

4.4.2.2　分級效率

正如前面描述，旋風除塵器內，含塵氣流沿筒體內壁由上向下做旋轉運動，氣流到達錐體底部附近后，折轉向上沿筒體中心區做旋轉上升運動，最后經排氣口排出。顆粒在外旋流離心力的作用下移向外壁，在氣流軸向推力和重力的共同作用下，沿壁面落入灰斗。

比照重力沉降室，外旋流離心力功能相當于重力沉降室的重力，將顆粒移向筒壁。進氣口寬度W_i，意味著氣流中顆粒到筒壁的最大距離為W_i，相當于重力沉降室的最大沉降高度H。氣流沿筒體內壁向下做旋轉流動的距離x=NπD₀，其中N是外旋氣流旋轉的圈數，D₀為筒體內直徑，相當于重力沉降室長度L。將這些參數代入重力沉降室效率計算公式，得到旋風除塵器兩種流體模式下的效率計算公式：

層流模式：

　　（4.22）

混合流模式：

　　（4.23）

將離心力作用下的Stokes定律表達式代入上述方程，則可以得到旋風除塵器分級效率計算公式。

層流模式：

　　（4.24）

混合流模式：

　　（4.25）

式中，N是旋風除塵器內，外旋氣流旋轉的圈數。一般地，N取5，或按下式進行計算。

　　（4.26）

式中，H為旋風除塵器進氣口高度，m；H₁為旋風除塵器筒體高度，m；H₂為旋風除塵器錐體高度，m。

例4.5　計算層流模式和混合流模式下，旋風除塵器對顆粒的去除效率。旋風除塵器參數：W_i=0.152m，N=5，v_c=18.29m/s。顆粒真密度=2000kg/m³，氣流動力黏度1.8×10^-5kg/（m·s）。假設顆粒沉降符合Stokes定律。

解：分別采用式（4.24）、式（4.25），計算上述旋風除塵器對不同顆粒粒徑的去除效率，結果如表4-2所示。

4.4.3　最小直徑和分割直徑

4.4.3.1　最小直徑

在旋風除塵器內，外旋氣流的運動速度v_c等于進口氣速v_i，氣流在筒體內做外旋運動的時間（或稱外旋停留時間）：

　　（4.27）

式中，r為外旋氣流半徑，m。

外旋氣流中顆粒到筒壁的最大距離為W_i，則顆粒在離心力產生的徑向速度作用下，到筒壁需要的最大時間為：

　　（4.28）

同種顆粒，粒徑不同，離心力作用下產生的徑向速度也不一樣。顆粒到達筒壁需要的時間也不相同，只有那些在氣流外旋運動結束前到達筒壁的顆粒，才能從氣流中分離出來，即

　　（4.29）

將式（4.27）、式（4.28）代入，得到：

　　（4.30）

將離心力作用下的Stokes公式代入式（4.30），得到能分離出來的顆粒粒徑計算式：

　　（4.31）

不等式右邊就是能被分離出來的顆粒最小粒徑，又稱最小直徑。理論上，所有大于這個粒徑的顆粒都能100%被分離收集，但實際情況是復雜的。

4.4.3.2　分割直徑（cut diameter）

如前所述，在旋風除塵器內，外旋氣流中顆粒做徑向運動受到的力是離心力和流體阻力。在內外旋轉氣流交界面上，離心力大于向心作用的流體阻力時，顆粒在離心力推動下移向筒壁而被捕集；如果流體阻力大于離心力，顆粒在向心氣流的帶動下進入內旋氣流，最后排出排氣口；如果兩個力相等，則顆粒在內外旋轉氣流交界面上不停旋轉。實際上，由于各種隨機因素的影響，處于這種平衡狀態的顆粒有50%的可能性進入內旋氣流，也有50%的可能性移向筒壁，它被去除的概率為50%，這種顆粒的粒徑稱為除塵器的分割直徑，用d_cut表示。

根據效率計算公式（4.24），將分級效率50%代入等式左邊，得到：

　　（4.32）

等式整理后，得到分割直徑計算式為：

　　 （4.33）

盡管有人提出采用混合流模式的效率計算式來計算分割直徑，但大量實踐證明，上述公式估算旋風除塵器的分割直徑，精度是足夠的。

由上述分析可知，分割直徑越小，說明這個除塵器性能越好。依據分割直徑d_cut（也可用d_c50表示），人們提出了各種估算除塵器效率的經驗公式。下面介紹應用比較廣泛的兩種經驗公式。

一種是分析大量實驗數據后提出的經驗公式：

　　（4.34）

還有一種是水田一和木村典夫根據許多實驗結果歸納出的經驗式：

　　（4.35）

由上述公式算出d_cut后，可以計算不同粒徑顆粒的分級效率，如圖4-9所示。最后，根據已知的顆粒粒徑分布，計算出總除塵效率η。

例4.6　某旋風除塵器的進口寬度為0.12m，氣流在除塵器內旋轉4圈，入口氣速為15m/s，顆粒真密度為1700kg/m³，載氣為空氣，溫度為350K。試計算在該條件下，此旋風除塵器的分割粒徑d_c50。

解：從附錄2查得空氣在350K時的動力黏度μ=2.08×10^-5Pa·s，則

4.4.4　壓力損失

一般認為，旋風除塵器的壓力損失Δp（Pa）與進口氣速v_i（m/s）的平方成正比，即

　　（4.36）

式中，ξ為旋風器的阻力系數，無因次。

在缺乏實驗數據時，ξ值可用井伊谷岡一提出的公式估計：

　　（4.37）

式中，K為常數，20～40，可近似取30；D_e為排氣口直徑，m；W_i和H分別為進口管的寬度和高度，m；D和H₁分別為筒體的直徑和長度，m；H₂為錐體長度，m。

另外，當氣體溫度、濕度和壓力變化較大時，將引起氣體密度的較大變化，此時須對旋風除塵器的壓力損失按下式進行修正：

　　（4.38）

氣體密度ρ是有關溫度、壓力和濕度的參數。當氣體濕度沒有發生變化時，Δp的修正公式為：

　　（4.39）

式中，ρ為氣體密度，m³/kg；p為壓力，Pa；T為熱力學溫度，K；下標N表示標準狀況，無下標的量則表示實際狀況。

根據以上理論分析和實驗研究，影響旋風除塵器壓力損失的主要因素有：

①同一結構型式旋風除塵器的相似放大或縮小，ξ值相同。若進口氣速v_i相同，壓力損失基本不變。

②因Δp∝，故處理氣量Q增大時，Δp隨之增大。

③由式（4.37）知，Δp隨進口斷面A=W_iH的增大和排氣管直徑D_e的減少而增大，隨筒體長H₁和錐體長H₂的增加而減少。

④Δp隨氣體密度的增大而增大，即隨氣體溫度的降低或壓力的增高而增大。

⑤除塵器內部有葉片、突起和支持物等障礙物時，使氣體旋轉速度降低，離心力減少，從而使Δp降低；但除塵器內壁粗糙會使Δp增大。

⑥由于氣體與塵粒間的摩擦作用可使氣流的旋轉速度降低，因而Δp隨進口氣體含塵濃度c_i增大而降低。

根據旋風分離器壓力損失，可以計算氣流在旋風分離器上消耗的能量：

　　（4.40）

式中，Q為氣流量，m³/s。

例4.7　旋風除塵器筒體直徑1.0m，除塵器進風口高度0.5m、寬度0.25m，筒體與直徑比值為2.0，錐體與直徑比值為2.0，常數K=30，計算：①旋風除塵器壓降（用kPa表示），②能耗（用kW表示）。進口氣流速度20m/s，D_e/D=0.5。

解：根據式（4.37）、式（4.38），計算得：

根據式（4.40），計算得能耗為：

4.4.5　影響因素

從效率和壓降計算公式可知，影響旋風除塵器性能的因素有很多，主要包括如下幾方面。

4.4.5.1　氣流特性和操作參數

氣體密度變化對除塵效率的影響可忽略不計，但氣體的溫度、黏度、風速、塵粒大小和密度等會影響旋風除塵器的效率。

①溫度。溫度增加時，氣體黏度增大，而d_cut與μ^1/2成正比，故溫度升高，d_cut增大，除塵效率降低。

②顆粒粒徑與密度。粒徑大，受到的離心力大，捕集效率高。d_cut與顆粒ρ^1/2成反比，顆粒密度越小，越難分離。

③進口風速。由分割直徑計算式可見，入口風速增大，分割粒徑減小，除塵效率提高。但風速過大時，旋風除塵器內氣流運動過于強烈，會把已分離下來的部分顆粒重新帶走，影響效率。實驗證明，入口速度超過20m/s，效率變化不大，但阻力增加很多。因此，合適的入口風速一般為12～20m/s，不宜低于10m/s。

4.4.5.2　二次效應

旋風除塵器的理論效率與實際效率有差異，主要原因是二次效應，即被捕集的粒子重新進入氣流。在較小粒徑區間內，理應逸出的粒子由于聚集或被較大塵粒撞向壁面而脫離氣流獲得捕集，實際效率高于理論效率；在較大粒徑區間，粒子被反彈回氣流或沉積的塵粒被重新吹起，實際效率低于理論效率。通過環狀霧化器將水噴淋在旋風除塵器內壁上，能有效地控制二次效應。

此外，灰斗的氣密性也會影響二次效應。由圖4-7（b）可知，除塵器內部靜壓是從筒體壁向中心逐漸降低的，即使除塵器在正壓下工作，錐體底部也可能處于負壓狀態。若除塵器下部密封不嚴，漏入空氣，會把已經落入灰斗的顆粒重新帶走，使效率大幅下降。實驗證明，當漏氣量達到除塵器處理氣量的15%時，效率幾乎為零。因此，旋風除塵器進行排灰時，應嚴格防止漏氣情況。

4.4.5.3　比例尺寸

旋風除塵器的各個部件都有一定的尺寸，某個比例關系的變動會影響旋風除塵器的效率。旋風除塵器各部分尺寸的比例見表4-3。

在其他條件相同時，筒體直徑愈小，顆粒所受離心力愈大，除塵效率愈高。筒體高度的變化，對除塵效率影響不明顯；適當增大錐體長度，有利于提高除塵效率。減小排氣管直徑，對提高效率有利。若將旋風除塵器各部分的尺寸進行幾何相似放大，除塵效率會有降低。