旋風分離器

旋風分離器，是用於氣固體系或者液固體系的分離的一種設備。工作原理為靠氣流切向引入造成的旋轉運動，使具有較大慣性離心力的固體顆粒或液滴甩向外壁面分開。旋風分離器的主要特點是結構簡單、操作彈性大、效率較高、管理維修方便，價格低廉，用於捕集直徑5～10μm以上的粉塵，廣泛套用於製藥工業中，特別適合粉塵顆粒較粗，含塵濃度較大，高溫、高壓條件下，也常作為流化床反應器的內分離裝置，或作為預分離器使用，是工業上套用很廣的一種分離設備。

基本介紹

• 中文名：旋風分離器
• 外文名：cyclone separator；cyclone
• 作用：使氣固液分離
• 分離效率：97%
• 分離精度：可除去≥10μm的固體顆粒

機構簡介

旋風分離器，是用於氣固體系或者液固體系的分離的一種設備。工作原理為靠氣流切向引入造成的旋轉運動，使具有較大慣性離心力的固體顆粒或液滴甩向外壁面分開。是工業上套用很廣的一種分離設備。

工作原理

旋風分離器原理示意圖

旋風分離器是利用氣固混合物在作高速旋轉時所產生的離心力，將粉塵從氣流中分離出來的乾式氣固分離設備。由於顆粒所受的離心力遠大於重力和慣性力，所以分離效率較高。

常用的（切流）切嚮導入式旋風分離器的分離原理及結構如圖所示。主要結構是一個圓錐形筒，筒上段切線方向裝有一個氣體入口管，圓筒頂部裝有插入筒內一定深度的排氣管，錐形筒底有接受細粉的出粉口。含塵氣流一般以12—30m/s速度由進氣管進入旋風分離器時，氣流將由直線運動變為圓周運動。旋轉氣流的絕大部分，沿器壁自圓筒體呈螺旋形向下朝錐體流動。此外，顆粒在離心力的作用下，被甩向器壁，塵粒一旦與器壁接觸，便失去慣性力，而靠器壁附近的向下軸向速度的動量沿壁面下落，進入排灰管，由出粉口落入收集袋裡。旋轉下降的外旋氣流，在下降過程中不斷向分離器的中心部分流入，形成向心的徑向氣流，這部分氣流就構成了旋轉向上的內旋流。內、外旋流的旋轉方向是相同的。最後淨化氣經排氣管排出器外，一部分未被分離下來的較細塵粒也隨之逃逸。自進氣管流入的另一小部分氣體，則通過旋風分離器頂蓋，沿排氣管外側向下流動，當到達排氣管下端時，與上升的內旋氣流匯合，進入排氣管，於是分散在這部分上旋氣流中的細顆粒也隨之被帶走，並在其後用袋濾器或濕式除塵器捕集。

淨化天然氣通過設備入口進入設備內旋風分離區，當含雜質氣體沿軸向進入旋風分離管後，氣流受導向葉片的導流作用而產生強烈旋轉，氣流沿筒體呈螺旋形向下進入旋風筒體，密度大的液滴和塵粒在離心力作用下被甩向器壁，並在重力作用下，沿筒壁下落流出旋風管排塵口至設備底部儲液區，從設備底部的出液口流出。旋轉的氣流在筒體內收縮向中心流動，向上形成二次渦流經導氣管流至淨化天然氣室，再經設備頂部出口流出。

特點

旋風分離器的主要特點是結構簡單、操作彈性大、效率較高、管理維修方便，價格低廉，用於捕集直徑5～10μm以上的粉塵，廣泛套用於製藥工業中，特別適合粉塵顆粒較粗，含塵濃度較大，高溫、高壓條件下，也常作為流化床反應器的內分離裝置，或作為預分離器使用。但是，它對細塵粒(如直徑<5μm)的分離效率較低，細粉分離效率僅能達到70%～90%。為了提高除塵效率，降低阻力，已出現了如螺旋型、蝸旋型、旁路型、擴散型、旋流型和多管式等多種形式的旋風分離器。

氣體和固體顆粒在旋風分離器中的運動非常複雜，在器內任一點都有切向、徑向和軸向速度，並隨旋轉半徑變化。在實際操作中應控制適當的氣速。實驗表明，氣速過小，分離效率不高。但氣速過高，易產生渦流和返混現象嚴重，同樣會降低分離效率。

主要功能

旋風分離器設備的主要功能是儘可能除去輸送氣體中攜帶的固體顆粒雜質和液滴，達到氣固液分離，以保證管道及設備的正常運行，在西氣東輸工程中，旋風分離器是較重要的設備。

性能指標

分離精度

旋風分離器的分離效果：在設計壓力和氣量條件下，均可除去≥10μm的固體顆粒。在工況點，分離效率為99%，在工況點±15%範圍內，分離效率為97%。

壓力降

正常工作條件下，單台旋風分離器在工況點壓降不大於0.05MPa。

使用壽命

旋風分離器的設計使用壽命不少於20年。

結構設計

旋風分離器採用立式圓筒結構，內部沿軸向分為集液區、旋風分離區、淨化室區等。內裝旋風子構件，按圓周方向均勻排布亦通過上下管板固定；設備採用裙座支撐，封頭採用耐高壓橢圓型封頭。

設備管口提供配對的法蘭、螺栓、墊片等。

通常，氣體入口設計分三種形式：

a) 上部進氣

b) 中部進氣

c) 下部進氣

對於濕氣來說，我們常採用下部進氣方案，因為下部進氣可以利用設備下部空間，對直徑大於300μm或500μm的液滴進行預分離以減輕旋風部分的負荷。而對於乾氣常採用中部進氣或上部進氣。上部進氣配氣均勻，但設備直徑和設備高度都將增大，投資較高；而中部進氣可以降低設備高度和降低造價。

旋風分離器採用整體立式結構，體積小，重量輕。旋風管立式布置，由兩水平隔板分成3個獨立的工作室，為便於內部檢查，每個工作室單獨設定1個人孔或手孔。旋風分離器包括殼體部分、進氣、出氣、放空、分離單元、人孔、手孔、人工清灰和閥控排塵口、支腿等結構。

提高效率方法

整體結構的改變

在旋風除塵器內部的旋轉氣流中，顆粒物受離心力作用作徑向向外(朝向筒錐壁)運動，運動速度可由顆粒物所受的離心力及氣流阻力的運動方程求得。顯然旋風除塵器分離的目的就是使顆粒物儘快到達筒錐體邊壁。因此，延長顆粒物在旋風除塵器中的運動時間，在氣流作用下提高顆粒物與筒錐體壁相撞的機率，可以提高旋風除塵器除塵效率。

Y.Zhu(2001年)提出在普通旋風除塵器中增加一個筒壁，這一筒壁將旋風除塵設備內部空間劃分為兩個環形區域，同時，排氣芯管被移到了下方，排氣芯管中的上升氣流也變成了下降氣流，顆粒物在內外兩個外環形區域內都得到了分離，事實上，這種旋風分離器相當於將兩個旋風子合到了一起。從理論上講，這種改進提高了顆粒物被收集的機率。Y.Zhu型旋風除塵器試驗結果(氣流流量範圍為 10L/min～40L/min，對粒徑範圍為0.6μm～8.8μm顆粒物)與Stairmand旋風除塵器的進行了比較有：改進後的旋風除塵器，除塵效率得到提高，並且隨氣流流量的增大而增大；同時，對於相同無因次尺寸的旋風除塵器來說，前者的阻力也小於後者。Y.Zhu考慮各方面因素給出相應最佳化綜合指標得出改進旋風除塵器性能優於傳統的旋風除塵器。這種改動後的旋風除塵器較原有傳統旋風除塵器結構稍為複雜。

在原有旋風除塵器結構上增加附加件

實際套用中的系統都比較龐大，採用新的旋風除塵器替代原有旋風除塵器，勢必導致工程量和成本比較大。基於這一想法，很多研究者尋找不改變原有旋風除塵器結構，而通過增加附加部件為提高旋風性能。

由於旋風除塵器對微細顆粒物效率較低，尤其對PM10(粉塵粒徑小於10μm的顆粒物)的除塵效率隨著顆粒直徑減小逐漸降低。也就是說，在旋風除塵器的運行過程中，絕大部分微細粉塵穿透了分離區域，導致對微細粉塵效率下降。A.Plomp等（1996年）提出了加裝二次分離附屬檔案的一種旋風除塵器，見圖3示意圖。二次分離附屬檔案設定在旋風除塵器本體頂部，稱之為POC(post cyclone)。

POC二次分離作用是利用排氣芯管強旋流作用使微細粉塵受離心力作用向邊壁運動，並與擋板相撞後，通過縫隙1掉入擋板下部的殼體中，另一部分即使在一開始沒有與邊壁相撞，但由於始終受到離心力的作用，在到達POC頂部時，其中也有很大一部分通過縫隙2處而進入擋板與殼體之間的空間，隨後由於 POC中主氣流的約10%通過縫隙形成滲透流，在滲透推動下，顆粒物被吹出殼體。

研究結果得知，在特定結構尺寸和運行條件下總效率比改進前提高了2%～20%；POC的阻力約為旋風除塵器本體10%，該阻力與滲透氣流量無關(在所給參數範圍內)；對於直徑較大的旋風除塵器，尤其在原旋風除塵器性能不是很高的情況下，加裝POC的辦法對於提高旋風分離的性能很有效。POC裝置對3μm以上粉塵分離很有效，對3μm以下的粉塵效果不顯著；滲透流量及POC裝置的離心力對POC的性能影響顯著；採用穿孔 (較小)內擋板可提高分離效率。

局部結構改進

許多研究者通過旋風除塵器內部氣流流動研究認為：旋風除塵器氣流速度分布在徑向上呈軸不對稱或出現偏心。尤其在錐體下部靠近排塵口附近，有明顯的"偏心"；排氣管下口附近，徑向氣流速度較大，有"短路"現象。氣流偏心或短路不利於粉塵分離。

(1) 改變進口結構

鵬鶴環保針對旋風除塵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4)，通過雙進口旋風除塵器內流場實驗研究表明，雙進口旋風除塵器流場的軸對稱性優於單進口旋風除塵器，雙進口旋風除塵器渦核變形小；雙進口旋風除塵器內切向速度高於單進口約6%，在準自由渦區衰減也慢；雙進口旋風除塵器排氣芯管短路流少於單進口。雙進口旋風除塵器比單進口旋風除塵器更有利於提高除塵效率和降低設備阻力。

針對短路流攜塵降低除塵效率的問題，鵬鶴環保等在進口結構中採用了迴轉通道(見圖5)，以此降低進入旋風除塵器空間的向心含塵濃度梯度，並對等截面和變截面兩種通道形式的氣固兩相分離進行了分析。指出採用合理迴轉角度的進口迴轉通道，可提高旋風除塵器的除塵效率。這種做法從結構上把旋風除塵器的筒體、錐體兩段分離變成進口通道、筒體、錐體三段分離。

(2) 錐體結構改變

Rongbiao Xiang等研究了錐體尺寸對用於大氣採樣的小型旋風除塵器的影響情況，以顆粒大小和氣流流速為變化參數，對3個具有不同下部直徑錐體的旋風除塵器測出了效率。測定結果表明：錐體下部直徑大小對旋風分離採樣器的效率影響顯著，但是並不顯著影響不同粒徑顆粒物效率之間的變化程度。當錐體下部開口部分直徑大於排氣芯管直徑時，該錐體參數的減小，再不明顯增加阻力的前提下，採樣效率會隨之提高；但是，由阻力測試結果還可看出錐體武器部分直徑不宜小於排氣芯管直徑。從理論上講，錐體下部直徑減小能引起切向速度的提高，從而離心力增大；對於具有相同筒體直徑的旋風除塵器，若錐體開口小，則最大切向速度靠近錐壁，這使得顆粒能夠更好的分離，同時，如果錐體開口較小，渦流將觸及錐壁，使顆粒又有可能重新進入出氣氣流，但是由於後者與前者相比對旋風采樣器影響較小。總之，適當減小錐體下部直徑有利於效率的提高。為了便於新型旋風采樣器的設計，還指出對高效型Stairmand旋風除塵器效率有較好預測作用的Barth 理論及Leith-Licht理論，對錐體改變旋風采樣器的收集效率了也有良好的預測作用。

工程套用

旋風分離器適用於淨化大於1-3微米的非粘性、非纖維的乾燥粉塵。它是一種結構簡單、操作方便、耐高溫、設備費用和阻力較高（80～160毫米水柱）的淨化設備，旋風除塵器在淨化設備中套用得最為廣泛。 改進型的旋風分離器在部分裝置中可以取代尾氣過濾設備。

旋風分離器是利用離心沉降原理從氣流中分離出顆粒的設備。氣體通過進氣口的速度為10—25m/s,一般採用15—20m/s,所產生的離心力可以分離出小到5μm的顆粒及霧沫。因此,是礦山、水泥等生產中使用很廣泛的設備。特別在化工生產過程中,旋風分離器的使用場合很多,也常見於廠房的通風除塵系統。它的廣泛使用,既可改善環境,又可變廢為寶減少工廠的經濟損失。諸如某合成洗滌劑廠,在處理噴粉的尾氣回收系統中,採用了旋風分離器除塵措施,既改善了作業環境,減輕了空氣的污染,又可回收可觀的尾粉,大大地降低了工廠成本。