旋風(fēng)除塵器減阻節(jié)能增產(chǎn)技術(shù)

1、？設(shè)備？旋風(fēng)除塵器減阻節(jié)能增產(chǎn)技術(shù)王連澤，彥啟森，王建軍，龔安龍，劉成文（清華大學(xué)工程力學(xué)系，北京100084）摘要通過安裝在旋風(fēng)除塵器內(nèi)的減阻桿，可以在保證分離效率的前提下降低流動阻力。分別采用5孔球形探針、激光多普勒測速儀和粒子圖像測速儀對旋風(fēng)除塵器內(nèi)安裝減阻桿前后的時均流場與湍流場進(jìn)行了測量，發(fā)現(xiàn)減阻桿降低了流場中與粉塵分離無益的內(nèi)旋流切向速度，削弱了中心區(qū)域的湍流強(qiáng)度，使湍流耗散減弱，從而實(shí)現(xiàn)壓降降低達(dá)到減阻目的。根據(jù)流動參數(shù)的變化，分析了減阻桿的減阻機(jī)理，提出了加渦減阻的假設(shè)。并介紹減阻桿在工業(yè)上的應(yīng)用實(shí)例。0前言旋風(fēng)除塵器（包括多管除塵器）是一種氣固、氣液或者液固分離裝置。由于旋風(fēng)

2、除塵器結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、尺寸緊湊、占地面積少、操作簡便，長期運(yùn)行穩(wěn)定可靠，維修工作量極小，適用于各類材料制造及高溫高壓等特殊環(huán)境，在機(jī)械、建材、輕工、冶金、化工、石油、環(huán)保等行業(yè)中大量用作工藝設(shè)備或環(huán)保設(shè)備來實(shí)現(xiàn)物料濃縮、物料分級、物料輸送、氣固分離（除塵）等。理論與實(shí)驗(yàn)研究均已表明，旋風(fēng)除塵器的動力消耗中有相當(dāng)大一部分無益于粉塵分離，屬純消耗性能量損失。國內(nèi)外一直有眾多研究者致力于旋風(fēng)除塵器減阻技術(shù)的研究，也提出了諸如進(jìn)口導(dǎo)流葉片、出口減旋器、圓柱形固體芯子、翅片減阻芯等多種減阻措施 1， 4.旋風(fēng)除塵器減阻桿減阻技術(shù)就是在旋風(fēng)除塵器內(nèi)適當(dāng)位置安裝1根特定形狀的剛性桿件，靠其形成的尾渦與原

3、流場中渦旋的相互作用，以改變流場結(jié)構(gòu)來降低流動壓差損失。目前，這項(xiàng)技術(shù)已在多家工業(yè)企業(yè)中投入應(yīng)用，并取得了令人滿意的效果。在硫鐵礦制酸和冶金制酸生產(chǎn)線中，旋風(fēng)除塵器是主要工藝設(shè)備，也是除塵系統(tǒng)中產(chǎn)生流動阻力很大的設(shè)備之一。除塵系統(tǒng)流動阻力直接制約著硫酸產(chǎn)量。應(yīng)用減阻桿技術(shù)可降低旋風(fēng)除塵器流動阻力，使煙氣排出量增多，進(jìn)而增大礦石添加量及利用率，提高硫酸產(chǎn)量。1旋風(fēng)除塵器減阻桿的實(shí)驗(yàn)研究及分析以高效型旋風(fēng)除塵器為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?shí)驗(yàn)研究主要包括減阻桿的性能實(shí)驗(yàn)與流動參數(shù)測量實(shí)驗(yàn)兩部分。作者簡介王連澤（ 1962 ） ，男，河北廊坊人，副教授，清華大學(xué)工程力學(xué)系流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室主任。磷肥與復(fù)肥1減阻桿的減阻

4、性能實(shí)驗(yàn)測量了安裝不同斷面形狀減阻桿前后除塵器的阻力及除塵效率。減阻桿減阻幅度是根據(jù)安裝減阻桿前后旋風(fēng)除塵器阻力系數(shù)的變化計(jì)算而得。旋風(fēng)除塵器的總壓降可表示為：式中旋風(fēng)除塵器的入口流速， m/ s則減阻幅度為：式中N， N分別為安裝減阻桿前后旋風(fēng)分離器的阻力系數(shù)。不同結(jié)構(gòu)型式減阻桿的減阻幅度如表1所示。減阻桿型號減阻幅度/ 減阻桿型號減阻幅度/ 由表1看出，在旋風(fēng)除塵器內(nèi)安裝不同類型的減阻桿后實(shí)現(xiàn)了不同程度的減阻。不同結(jié)構(gòu)型式減阻桿的減阻幅度差異很大，減阻幅度與減阻桿橫截面的迎風(fēng)寬度、背風(fēng)面曲率半徑及插入長度有關(guān)。在相同操作條件下，用質(zhì)量中位徑為10. 14 Lm的滑石粉做收塵實(shí)驗(yàn)，當(dāng)減阻桿的

5、減阻幅度小于等于30時，可保證除塵效率不降低（包括提高除塵效率的情況）當(dāng)減阻幅度大于30時，減阻桿會導(dǎo)致除塵效率的降低，在最大減阻幅度68時，除塵效率降低約4. 9.2減阻桿對旋風(fēng)除塵器內(nèi)流場的影響1旋風(fēng)除塵器內(nèi)流場的測量方法采用五孔球形探針、激光多普勒測速儀（ LDV）與粒子圖像測速儀（ PIV） 3種測量方法相結(jié)合，可詳細(xì)地測得旋風(fēng)除塵器內(nèi)安裝減阻桿前后的時均流場及湍流場的各種流動參數(shù)。傳統(tǒng)的5孔球形探針適于測量旋風(fēng)除塵器內(nèi)時均速度場和壓力場數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)中采取半對向測量方式。是利用激光的多普勒效應(yīng)來測量流體或固體運(yùn)動速度的一種儀器，其最大優(yōu)點(diǎn)是非接觸性、不干擾流場，有較高的空間分辨率和快速動

6、態(tài)響應(yīng)特性。PIV是近20年發(fā)展起來的一種基于光學(xué)圖像處理的現(xiàn)代流動測量技術(shù)，它結(jié)合了激光光學(xué)、圖像處理和計(jì)算機(jī)等學(xué)科，是目前在流動測量中應(yīng)用最為廣泛的測速技術(shù)，與傳統(tǒng)流場測速系統(tǒng)相比， PIV不僅精度高，而且還具有非接觸測量前提下能獲得全流場空間多點(diǎn)瞬態(tài)速度的特點(diǎn)。流場測量實(shí)驗(yàn)以5號減阻桿為例，其減阻幅度為32. 2.2旋風(fēng)除塵器內(nèi)的時均流場安裝減阻桿前后由5孔球形探針、LDV和PIV所測得的時均流場（切向、軸向與徑向速度）及其變化情況基本相同，參見文獻(xiàn)、6.為縮短篇幅，本文僅列出安裝減阻桿前后由LDV測得的時均流場變化，如圖1所示。由圖1可見，安裝減阻桿后內(nèi)旋流切向速度降低，原有的雙渦旋結(jié)

7、構(gòu)被改變，切向速度峰值位置外移，其沿徑向的速度梯度降低，從而使旋轉(zhuǎn)動能損失減小。測量結(jié)果也表明了軸向時均速度在常規(guī)旋風(fēng)除塵器內(nèi)存在外部下行、內(nèi)部上行的雙層流動結(jié)構(gòu)，在中心軸線附近軸向速度有一波谷，最小速度接近于0，甚至出現(xiàn)負(fù)值這一規(guī)律。安裝減阻桿后，軸向速度在中心軸線附近的波谷抬升，甚至突起，使得軸向速度呈單峰分布。3旋風(fēng)除塵器內(nèi)的湍流場湍流強(qiáng)度是湍流脈動的大小，反映了湍流運(yùn)動的強(qiáng)弱。圖2給出了PIV測量的加桿前后旋風(fēng)除塵器流場的切向湍流度沿徑向的分布?？梢钥闯觯邢蛲牧鞫仍谛L(fēng)除塵器中心位置處很大，向外側(cè)遞減，表明旋風(fēng)除塵器中心軸線位置附近的湍流運(yùn)動是最強(qiáng)的。從圖2中還可以看到，安裝減阻桿后

8、切向湍流王連澤等旋風(fēng)除塵器減阻節(jié)能增產(chǎn)技術(shù)度在中心位置得到明顯降低，在外側(cè)基本保持不變。這種變化表明減阻桿減弱了中心區(qū)域流場的湍流強(qiáng)度，使其湍流能量耗散大幅降低，這正是減阻桿實(shí)現(xiàn)流動阻力降低的主要原因之一?？v軸表示安裝減阻桿前后切向無量綱脈動均方根速度。向剪應(yīng)力分量S的分布。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在旋風(fēng)除塵器中心位置剪切應(yīng)力較大，這再次表明該處的湍流運(yùn)動最強(qiáng)，能量耗散最大。安裝減阻桿之后，剪應(yīng)力減小，尤其是在中心位置處，減小幅度明顯。這進(jìn)一步表明減阻桿削弱了旋風(fēng)除塵器內(nèi)尤其是中心區(qū)域的湍流強(qiáng)度，使湍流耗散降低，從而實(shí)現(xiàn)了減阻。2減阻桿減阻機(jī)理的分析及加渦減阻假設(shè)從大量宏觀的時均場物理量及瞬時的微觀湍流物

9、理量來分析，旋風(fēng)除塵器內(nèi)部是一個很強(qiáng)的三維湍流場，其能量的耗散主要是中心渦核區(qū)域的湍流耗散，湍流脈動越強(qiáng)，能量的耗散就越大，壓力損失也就越大。安裝減阻桿大幅降低了中心渦核區(qū)域的湍流脈動強(qiáng)度和Reynolds應(yīng)力，使湍流能量耗散大幅降低，從而使旋風(fēng)除塵器的壓力損失降低。具體來講，由于減阻桿使得旋風(fēng)除塵器內(nèi)： （ 1）切向速度峰值降低，旋轉(zhuǎn)動能損失減小 （ 2）切向和軸向速度在半徑方向的梯度降低，徑向的靜壓梯度下降，流動的內(nèi)摩擦阻力減少 （ 3）逆壓梯度減小，軸向流動的壓差阻力減小 （4）湍能產(chǎn)生率降低，從而降低了旋風(fēng)除塵器的壓差損失。那么，減阻桿為什么會導(dǎo)致速度、壓力的如此變化進(jìn)而降低流動的壓差

10、損失，其減阻機(jī)理是什么呢首先敢肯定的就是壓力損失的降低不是減阻桿本身對流場的阻擋。其原因有二： （ 1）在任何流體流動過程中，增加固體繞流物體，只能增加流體流動阻力（ 2）由于減阻桿尺寸很小，其迎風(fēng)寬度僅占旋風(fēng)除塵器筒體直徑的15.因此，減阻效果一定和減阻桿后的尾跡旋渦有關(guān)，理由為減阻桿使得上行流區(qū)阻力減小，下行流區(qū)阻力增大，減阻桿對旋風(fēng)除塵器內(nèi)同一個流場的不同區(qū)域有著截然不同的影響。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解釋并結(jié)合航空航天領(lǐng)域飛行器外表溝槽蒙皮、渦流發(fā)生器等外部流動中加渦減阻應(yīng)用成功范例的機(jī)理，認(rèn)為減阻桿的減阻是減阻桿所形成的尾渦所致。由此提出了針對內(nèi)部流動的加渦減阻假設(shè)，即：對管道或是設(shè)備中流體的湍

11、流流動，當(dāng)以某種方式向其中疊加一定頻率及一定尺度（強(qiáng)度）的旋渦時，就能改變原來的湍流結(jié)構(gòu)，從而使流動阻力降低。3減阻桿保效機(jī)理分析大量重復(fù)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)，一定類型的減阻桿在減阻的同時，能起到不降低除塵器除塵效率或還能使除塵效率有所提高的作用。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及理論分析，本文認(rèn)為保效的原因有以下幾個方面： （ 1）粉塵的分離，是靠離心力的作用。離心力（ F= mV與粉塵粒子的質(zhì)量及切向旋轉(zhuǎn)速度的平方成正比，與半徑距離成反比。因此，從最大切向速度面（內(nèi)外渦旋交界面）向外，隨著V減小和半徑的增大，離心力顯著降低，使得那部分可能被除去的較細(xì)粉塵顆粒失去原有的向外運(yùn)動的動力和速度。如果此時已進(jìn)入下行流區(qū)，粉塵

12、依然可能得到分離，但在內(nèi)、磷肥與復(fù)肥外渦旋交界面至上、下行流交界面之間區(qū)域的那部分失去向外運(yùn)動能力的粉塵，將被上行流帶出除塵器而逃逸。所以，常規(guī)旋風(fēng)除塵器的切向速度峰值對粉塵分離并無多大益處，卻消耗了很多能量。粉塵分離的關(guān)鍵是下行流區(qū)的切向速度大小，一般減阻幅度的減阻桿均未降低下行流區(qū)的切向速度，因此，可做到保效降阻。（ 2）由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，減阻桿使得每一斷面上徑向壓力梯度減小，這無疑使得粉塵粒子在向外運(yùn)動中所受壓差阻力減小，進(jìn)而可能使更多的粉塵粒子容易進(jìn)入下行流區(qū)而得到分離。（ 3）從軸向速度分布可知，減阻桿使得除塵器下行流區(qū)寬度有所增加，這意味著，會有更多的粉塵粒子提前進(jìn)入下行流，而多

13、一分可能被除去的機(jī)會，這也為保效提供益處。（ 4）由于進(jìn)入灰斗流量的減少，也就是由于從灰斗反轉(zhuǎn)向上流量的減少，使得粉塵的二次飛揚(yáng)減少。需要說明，這里所談保效降阻均是基于處理流量一定時，在不縮小除塵器尺寸的情況下如何降低動力消耗，但如果保持原動力不變，在縮小除塵器尺寸以處理相同流量時，由于筒體直徑的減小及入口速度的增大，切割粒徑d將減小，除塵效率將提高。提高的程度與減阻桿型號（減阻幅度）及原處理流量和原除塵效率有關(guān)。一般可提高除塵效率01. 2.另外，如果除塵器尺寸不變，動力配置也不變，減阻后必然使得處理流量增大，入口速度增大，也就是說，旋風(fēng)除塵器減阻后能勝任更大處理流量的要求，同時使得除塵效率

14、提高。4減阻桿的工業(yè)應(yīng)用減阻桿的工業(yè)應(yīng)用效果與理論模擬計(jì)算的預(yù)期效果基本相同，多年實(shí)際應(yīng)用已表明，減阻桿是一項(xiàng)非常實(shí)用的減阻節(jié)能增產(chǎn)技術(shù)。下面分別針對減阻桿應(yīng)用于擴(kuò)大生產(chǎn)能力、保證生產(chǎn)連續(xù)運(yùn)行、配套工業(yè)鍋爐除塵器、配套采暖鍋爐除塵器、替換貴重設(shè)備等5種典型情況介紹如下。山西平定磷肥廠6萬t/ a硫鐵礦制酸生產(chǎn)線中旋風(fēng)除塵器1998年采用本減阻技術(shù)，僅投入經(jīng)費(fèi)4 000元，系統(tǒng)在更高負(fù)荷下運(yùn)行，平均產(chǎn)量增加7. 5，年增產(chǎn)硫酸約5 000 t，年凈增產(chǎn)值150多萬元。內(nèi)蒙古臨河新海有色金屬冶煉有限公司3萬t/冶金制酸裝置，由于系統(tǒng)阻力高，旋風(fēng)除塵器除塵效果差，導(dǎo)致旋風(fēng)除塵器后設(shè)備、管路經(jīng)常堵塞，

15、嚴(yán)重制約了生產(chǎn)的正常運(yùn)行。2002年采用本減阻技術(shù)改造后，旋風(fēng)除塵器阻力明顯降低，效率明顯提高，未曾出現(xiàn)后續(xù)設(shè)備、管路堵塞的問題，保證了開車作業(yè)率。另外，還因減少材料浪費(fèi)、減少維修工作量等節(jié)省了一筆可觀的資金。改造工程收到了非常理想的效果。河北懷安果脯廠脫水菜生產(chǎn)分廠新建鍋爐房除塵系統(tǒng)1990年采用了本旋風(fēng)除塵器減阻技術(shù)，對原配旋風(fēng)除塵器加裝減阻桿，投入1 000元（包括施工隊(duì)施工等全部費(fèi)用） ，由于改用小型號引風(fēng)機(jī)節(jié)省投資600元，年節(jié)電平均2萬多kW？h.河北建工學(xué)院采暖鍋爐房除塵系統(tǒng)1994年采用本減阻技術(shù)對旋風(fēng)除塵器進(jìn)行改造，減阻材料及施工費(fèi)共計(jì)800元。環(huán)境檢測報告顯示除塵效率提內(nèi)蒙古臨河化肥工業(yè)集團(tuán)總公司硫酸廠在硫酸生產(chǎn)線電除塵器不能正常工作，欲將其更換為高效旋風(fēng)除塵器但又擔(dān)心系統(tǒng)阻力過大需更換引風(fēng)機(jī)投入太高的情況下，引進(jìn)減阻桿減阻技術(shù)將其第1級旋風(fēng)除塵器進(jìn)行減阻改造， 1999年由我們設(shè)計(jì)一高效旋風(fēng)除塵器并實(shí)施減阻技術(shù)替代原電除塵器。制造、施工、安裝、保溫等全部投入5. 2萬元，從而成功利用高效旋風(fēng)除塵器替代了不能正常工作的造價為69萬元的原電除塵器。除塵部分阻力降低了28 開車率提高了2. 5產(chǎn)量增加了3 ，噸酸制造成本明顯降低。5結(jié)論（ 1）在旋風(fēng)除塵器內(nèi)安裝減阻桿可以在保