？设备？旋风除尘器减阻节能增产技术王连泽，彦启森，王建军，龚安龙，刘成文（清华大学工程力学系，北京100084）摘要通过安装在旋风除尘器内的减阻杆，可以在保证分离1效率的前提下降低流动阻力。分别采用5孔球形探针、激光多普勒测速仪和粒子图像测速仪对旋风除尘器内安装减阻杆前后的时均流场与湍流场进行了测量，发现减阻杆降低了流场中与粉尘2分离无益的内旋流切向速度，削弱了中心区域的湍流强度，使湍流耗散减弱，从而实现压降降低达到减阻目的。根据流动参数的变化，分析了减阻杆的减阻机理，提出了加涡减阻的假设。并3介绍减阻杆在工业上的应用实例。0前言旋风除尘器（包括多管除尘器）是一种气固、气液或者液固分离装置。由于旋风除尘器结构简单、造价低廉、尺寸紧凑、占地面积少、操作简便，长4期运行稳定可靠，维修工作量极小，适用于各类材料制造及高温高压等特殊环境，在机械、建材、轻工、冶金、化工、石油、环保等行业中大量用作工艺设备或环保设备来实现物料浓缩、物5料分级、物料输送、气固分离（除尘）等。理论与实验研究均已表明，旋风除尘器的动力消耗中有相当大一部分无益于粉尘分离，属纯消耗性能量损失。国内外一直有众多研究者致力于旋风6除尘器减阻技术的研究，也提出了诸如进口导流叶片、出口减旋器、圆柱形固体芯子、翅片减阻芯等多种减阻措施 1， 4.旋风除尘器减阻杆减阻技术就是在旋风除尘器内适当位置7安装1根特定形状的刚性杆件，靠其形成的尾涡与原流场中涡旋的相互作用，以改变流场结构来降低流动压差损失。目前，这项技术已在多家工业企业中投入应用，并取得了令人满意的效果8。在硫铁矿制酸和冶金制酸生产线中，旋风除尘器是主要工艺设备，也是除尘系统中产生流动阻力很大的设备之一。除尘系统流动阻力直接制约着硫酸产量。应用减阻杆技术可降低旋风除尘9器流动阻力，使烟气排出量增多，进而增大矿石添加量及利用率，提高硫酸产量。1旋风除尘器减阻杆的实验研究及分析以高效型旋风除尘器为实验模型，实验研究主要包括减阻杆的性能实10验与流动参数测量实验两部分。作者简介王连泽（ 1962 ） ，男，河北廊坊人，副教授，清华大学工程力学系流体力学实验室主任。磷肥与复肥1减阻杆的减阻性能实验测量了11安装不同断面形状减阻杆前后除尘器的阻力及除尘效率。减阻杆减阻幅度是根据安装减阻杆前后旋风除尘器阻力系数的变化计算而得。旋风除尘器的总压降可表示为：式中旋风除尘器的12入口流速， m/ s则减阻幅度为：式中N， N分别为安装减阻杆前后旋风分离器的阻力系数。不同结构型式减阻杆的减阻幅度如表1所示。减阻杆型号减阻幅度/ 减阻杆型号减阻13幅度/ 由表1看出，在旋风除尘器内安装不同类型的减阻杆后实现了不同程度的减阻。不同结构型式减阻杆的减阻幅度差异很大，减阻幅度与减阻杆横截面的迎风宽度、背风面曲率半径及14插入长度有关。在相同操作条件下，用质量中位径为10. 14 Lm的滑石粉做收尘实验，当减阻杆的减阻幅度小于等于30时，可保证除尘效率不降低（包括提高除尘效率的情况）15当减阻幅度大于30时，减阻杆会导致除尘效率的降低，在最大减阻幅度68时，除尘效率降低约4. 9.2减阻杆对旋风除尘器内流场的影响1旋风除尘器内流场的测量方法采用五孔球16形探针、激光多普勒测速仪（ LDV）与粒子图像测速仪（ PIV） 3种测量方法相结合，可详细地测得旋风除尘器内安装减阻杆前后的时均流场及湍流场的各种流动参数。传统的517孔球形探针适于测量旋风除尘器内时均速度场和压力场数据，实验中采取半对向测量方式。是利用激光的多普勒效应来测量流体或固体运动速度的一种仪器，其最大优点是非接触性、不干扰18流场，有较高的空间分辨率和快速动态响应特性。PIV是近20年发展起来的一种基于光学图像处理的现代流动测量技术，它结合了激光光学、图像处理和计算机等学科，是目前在流动测19量中应用最为广泛的测速技术，与传统流场测速系统相比， PIV不仅精度高，而且还具有非接触测量前提下能获得全流场空间多点瞬态速度的特点。流场测量实验以5号减阻杆为例，其20减阻幅度为32. 2.2旋风除尘器内的时均流场安装减阻杆前后由5孔球形探针、LDV和PIV所测得的时均流场（切向、轴向与径向速度）及其变化情况基本相同，参见文献、621.为缩短篇幅，本文仅列出安装减阻杆前后由LDV测得的时均流场变化，如图1所示。由图1可见，安装减阻杆后内旋流切向速度降低，原有的双涡旋结构被改变，切向速度峰值位置外22移，其沿径向的速度梯度降低，从而使旋转动能损失减小。测量结果也表明了轴向时均速度在常规旋风除尘器内存在外部下行、内部上行的双层流动结构，在中心轴线附近轴向速度有一波谷23，最小速度接近于0，甚至出现负值这一规律。安装减阻杆后，轴向速度在中心轴线附近的波谷抬升，甚至突起，使得轴向速度呈单峰分布。3旋风除尘器内的湍流场湍流强度是湍流脉动的24大小，反映了湍流运动的强弱。图2给出了PIV测量的加杆前后旋风除尘器流场的切向湍流度沿径向的分布。可以看出，切向湍流度在旋风除尘器中心位置处很大，向外侧递减，表明旋风25除尘器中心轴线位置附近的湍流运动是最强的。从图2中还可以看到，安装减阻杆后切向湍流王连泽等旋风除尘器减阻节能增产技术度在中心位置得到明显降低，在外侧基本保持不变。这种26变化表明减阻杆减弱了中心区域流场的湍流强度，使其湍流能量耗散大幅降低，这正是减阻杆实现流动阻力降低的主要原因之一。纵轴表示安装减阻杆前后切向无量纲脉动均方根速度。向剪27应力分量S的分布。实验结果表明在旋风除尘器中心位置剪切应力较大，这再次表明该处的湍流运动最强，能量耗散最大。安装减阻杆之后，剪应力减小，尤其是在中心位置处，减小幅度明28显。这进一步表明减阻杆削弱了旋风除尘器内尤其是中心区域的湍流强度，使湍流耗散降低，从而实现了减阻。2减阻杆减阻机理的分析及加涡减阻假设从大量宏观的时均场物理量及瞬时的29微观湍流物理量来分析，旋风除尘器内部是一个很强的三维湍流场，其能量的耗散主要是中心涡核区域的湍流耗散，湍流脉动越强，能量的耗散就越大，压力损失也就越大。安装减阻杆大幅30降低了中心涡核区域的湍流脉动强度和Reynolds应力，使湍流能量耗散大幅降低，从而使旋风除尘器的压力损失降低。具体来讲，由于减阻杆使得旋风除尘器内： （ 1）切向速31度峰值降低，旋转动能损失减小 （ 2）切向和轴向速度在半径方向的梯度降低，径向的静压梯度下降，流动的内摩擦阻力减少 （ 3）逆压梯度减小，轴向流动的压差阻力减小 （324）湍能产生率降低，从而降低了旋风除尘器的压差损失。那么，减阻杆为什么会导致速度、压力的如此变化进而降低流动的压差损失，其减阻机理是什么呢首先敢肯定的就是压力损失的降33低不是减阻杆本身对流场的阻挡。其原因有二： （ 1）在任何流体流动过程中，增加固体绕流物体，只能增加流体流动阻力（ 2）由于减阻杆尺寸很小，其迎风宽度仅占旋风除尘器筒34体直径的15.因此，减阻效果一定和减阻杆后的尾迹旋涡有关，理由为减阻杆使得上行流区阻力减小，下行流区阻力增大，减阻杆对旋风除尘器内同一个流场的不同区域有着截然不同的35影响。从实验结果的解释并结合航空航天领域飞行器外表沟槽蒙皮、涡流发生器等外部流动中加涡减阻应用成功范例的机理，认为减阻杆的减阻是减阻杆所形成的尾涡所致。由此提出了针对36内部流动的加涡减阻假设，即：对管道或是设备中流体的湍流流动，当以某种方式向其中叠加一定频率及一定尺度（强度）的旋涡时，就能改变原来的湍流结构，从而使流动阻力降低。3减37阻杆保效机理分析大量重复实验已经证实，一定类型的减阻杆在减阻的同时，能起到不降低除尘器除尘效率或还能使除尘效率有所提高的作用。根据实验结果及理论分析，本文认为保效的原38因有以下几个方面： （ 1）粉尘的分离，是靠离心力的作用。离心力（ F= mV与粉尘粒子的质量及切向旋转速度的平方成正比，与半径距离成反比。因此，从最大切向速度面（内39外涡旋交界面）向外，随着V减小和半径的增大，离心力显著降低，使得那部分可能被除去的较细粉尘颗粒失去原有的向外运动的动力和速度。如果此时已进入下行流区，粉尘依然可能得到40分离，但在内、磷肥与复肥外涡旋交界面至上、下行流交界面之间区域的那部分失去向外运动能力的粉尘，将被上行流带出除尘器而逃逸。所以，常规旋风除尘器的切向速度峰值对粉尘分离41并无多大益处，却消耗了很多能量。粉尘分离的关键是下行流区的切向速度大小，一般减阻幅度的减阻杆均未降低下行流区的切向速度，因此，可做到保效降阻。（ 2）由实验结果可以看42到，减阻杆使得每一断面上径向压力梯度减小，这无疑使得粉尘粒子在向外运动中所受压差阻力减小，进而可能使更多的粉尘粒子容易进入下行流区而得到分离。（ 3）从轴向速度分布可43知，减阻杆使得除尘器下行流区宽度有所增加，这意味着，会有更多的粉尘粒子提前进入下行流，而多一分可能被除去的机会，这也为保效提供益处。（ 4）由于进入灰斗流量的减少，也44就是由于从灰斗反转向上流量的减少，使得粉尘的二次飞扬减少。需要说明，这里所谈保效降阻均是基于处理流量一定时，在不缩小除尘器尺寸的情况下如何降低动力消耗，但如果保持原动45力不变，在缩小除尘器尺寸以处理相同流量时，由于筒体直径的减小及入口速度的增大，切割粒径d将减小，除尘效率将提高。提高的程度与减阻杆型号（减阻幅度）及原处理流量和原除尘46效率有关。一般可提高除尘效率01. 2.另外，如果除尘器尺寸不变，动力配置也不变，减阻后必然使得处理流量增大，入口速度增大，也就是说，旋风除尘器减阻后能胜任更大处理47流量的要求，同时使得除尘效率提高。4减阻杆的工业应用减阻杆的工业应用效果与理论模拟计算的预期效果基本相同，多年实际应用已表明，减阻杆是一项非常实用的减阻节能增产技术。48下面分别针对减阻杆应用于扩大生产能力、保证生产连续运行、配套工业锅炉除尘器、配套采暖锅炉除尘器、替换贵重设备等5种典型情况介绍如下。山西平定磷肥厂6万t/ a硫铁矿制49酸生产线中旋风除尘器1998年采用本减阻技术，仅投入经费4 000元，系统在更高负荷下运行，平均产量增加7. 5，年增产硫酸约5 000 t，年净增产值150多万元。50内蒙古临河新海有色金属冶炼有限公司3万t/冶金制酸装置，由于系统阻力高，旋风除尘器除尘效果差，导致旋风除尘器后设备、管路经常堵塞，严重制约了生产的正常运行。2002年51采用本减阻技术改造后，旋风除尘器阻力明显降低，效率明显提高，未曾出现后续设备、管路堵塞的问题，保证了开车作业率。另外，还因减少材料浪费、减少维修工作量等节省了一笔可观52的资金。改造工程收到了非常理想的效果。河北怀安果脯厂脱水菜生产分厂新建锅炉房除尘系统1990年采用了本旋风除尘器减阻技术，对原配旋风除尘器加装减阻杆，投入1 000元53（包括施工队施工等全部费用） ，由于改用小型号引风机节省投资600元，年节电平均2万多kW？h.河北建工学院采暖锅炉房除尘系统1994年采用本减阻技术对旋风除尘器进行54改造，减阻材料及施工费共计800元。环境检测报告显示除尘效率提内蒙古临河化肥工业集团总公司硫酸厂在硫酸生产线电除尘器不能正常工作，欲将其更换为高效旋风除尘器但又担心系55统阻力过大需更换引风机投入太高的情况下，引进减阻杆减阻技术将其第1级旋风除尘器进行减阻改造， 1999年由我们设计一高效旋风除尘器并实施减阻技术替代原电除尘器。制造、56施工、安装、保温等全部投入5. 2万元，从而成功利用高效旋风除尘器替代了不能正常工作的造价为69万元的原电除尘器。除尘部分阻力降低了28 开车率提高了2. 5产量增加57了3 ，吨酸制造成本明显降低。5结论（ 1）在旋风除尘器内安装减阻杆可以在保证分离效率的前提下降低流动阻力，减阻幅度的大小与减阻杆横截面的迎风宽度、背风面曲率半径及插58入长度有关。（ 2）减阻杆降低了流场中内旋流切向速度，削弱了中心区域的湍流强度，使湍流耗散减弱。（ 3）工业应用表明，减阻杆技术是简便实用的、适合旋风除尘器改造的优化59技术。安装减阻杆能提高旋风除尘器的处理风量，降低除尘系统动力消耗，从而达到减阻、节能与增产的效果。参考文献 6王连泽，彦启森。旋风分离器减阻杆结构及减阻前后60流场的测王连泽等旋风除尘器减阻节能增产技术61jklifred 采石场除尘设备 62