造气工段旋风除尘器的设计
摘 要 通过对旋风除尘器的设计结构分析，说明旋风除尘器的结构对旋风除尘器除尘性能和寿命的影响，及提高旋风除尘器的性能的途径；为旋风除尘器的使用制作和提高旋风除尘器的性能提供借鉴和参考。
关键词 旋风除尘器 系统阻力 除尘计算 铸铁内衬
1概述
在小氮肥企业中，造气工段的半水煤气发生炉后面都要布置旋风除尘器。由于半水煤气发生炉的工艺要求，进入到旋风除尘器的半水煤气中带有大量的灰尘（灰尘的直径为不一， 粉尘颗粒径可达2mm，最小的粉尘颗粒径≤5цm）;并且旋风除尘器的除尘效果的好坏直接影响后面工段的废热锅炉的使用寿命。随着环保要求的越来越严和氮肥企业连续化生产的时间越来越长,旋风除尘器的作用也得到氮肥企业的重视。旋风除尘器的除尘效果和使用寿命是旋风除尘器的两大指标。
2．旋风除尘器的除尘效率的设计
2.1旋风除尘器的分离理论及工作原理
旋风除尘器由筒体、锥体、进气口、排气管、和卸灰口等组成，如图1。旋风除尘器的工作过程是当含尘气体由切向进气口进入旋风除尘器时,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旋转形向下、朝锥体流动，称此为外旋气流。含尘气体在旋转过程中产生离心力，将密度大于气体的尘粒甩向器壁。尘粒一旦与器壁接触，便失去径向惯性力而靠向下的动量和向下的重力沿壁面下落，进入排灰管。旋转下降的外旋气体到达锥体时，因圆锥形的收缩而向中心靠拢。根据“旋转矩”不变原理，其切向速度不断提高，尘粒所受离心力也不断加强。当气流达到锥体下端时，即以同样的旋转方向从旋风除尘器中部，由下反转向上，继续做螺旋流动，即内旋气流。 净化气体经排器气管排出管外。
2.2旋风除尘器的除尘效率
分级除尘效率是按尘粒粒径不同分别表示的除尘效率，其能够反映除尘器对某种粒径尘粒分离捕集能力。
旋风除尘器的分级除尘效率公式：
ηp =１－e-0.6932dp/dc50 （1-1）
式中ηp——粒径为dp的尘粒的收尘效率，％
dp——尘粒直径，цm
dc50——旋风除尘器的50%临界粒径，цm
旋风除尘器的总除尘效率可根据其分级除尘效率及粉尘的粉尘的粒径分布计算。对式（1-1）积分，得到旋风除尘器总除尘效率的计算式如下：
η=0.6932dt/(0.6932dt+dc50)×100%
dt=∑nidi4/∑nidi3
式中η—旋风除尘器的总除尘效率，%
dt——烟尘的质量平均直径，цm
dt——某种粒级烟尘的直径，цm
ni——粒径为di的烟尘所占的质量百分数，%
由上面的公式分析，影响旋风除尘器效率的主要因素有以下几种：
2.2.1入口流速。旋风除尘器进口烟气流速增大，烟尘受到的离心力增大，旋风除尘器的dc50临界粒径减小，收尘效率提高。
2.2.2旋风除尘器的结构尺寸。旋风除尘器筒体直径越小，在同样切线速度下，尘粒所受离心力越大，除尘效率越高。
2.2.3粉尘粒径与密度。由于尘粒所受离心力与粒径的三次方成正比，而所受径向气体阻力仅与粒径的一次方成正比，因而大粒子比小粒子更易捕集。
2.2.4旋风除尘器的气密性。当漏气量达到旋风除尘器处理量15%，除尘效率几乎为零。
2.3旋风除尘器的流体阻力计算
旋风除尘器的流体阻力可主要由进口阻力、旋涡流场阻力和排气管阻力三部分组成，计算式如下：
△P=ξp2v2/2
△ P——旋风除尘器的流体阻力，Pa
ξ——旋风除尘器的流体阻力系数，（一般取得6.5）
v——旋风除尘器的流体速度，m/s
p2——烟气密度，kg/m3
由上面的公式分析，影响旋风除尘器效率的主要因素有以下几种：
2.3.1结构形式的影响。若旋风除尘器的结构形式相同，则旋风除尘器的阻力系数ξ相同。若进口的流速相同，压力损失基本不变。
2.3.2进口风量的影响。压力损失与进口流速的平方成正比，因而进口风量较大时，压力损失随之增大。
2.3.3旋风除尘器的尺寸的影响。进口面积增大，排气管径减小，压力损失随之增大；随圆筒与锥体部分长度的增加而减小。
2.3.4气体密度变化的影响。压力损失随气体密度增大而增大。
3旋风除尘器的结构设计（图2）
3.1旋风除尘器的入口设计
旋风除尘器的进口气体流速一般取值为15—22m/s。由含尘气体的总量除以进口流速计算出旋风除尘器入口截面积。入口的高度（H）一般为宽度（B）的二倍。
旋风除尘器的切向入口结构通常采用横截面是矩形的流道。但旋风除尘器的前面的管道多为圆形，就需要一个从圆形到矩形的过度段。（图3）由于流动的流道发生变化，可能回流导致流体的边界层分离和附加的湍流扰动，因此收缩角不超出21度，扩散角不超出15度。
3.2旋风除尘器的长度设计
旋风除尘器的的直筒直径（D0）为入口高度（H）的2.5倍,旋风除尘器的直筒长(L1)是直筒直径（D0）的2倍。旋风除尘器的锥体长（L2）是直筒直径（D0）的2倍。
众多实验表明，增加旋风除尘器长度，将能逐渐提高分离性能并降低压降；但设备的制作成本也随之增加。
3.3旋风除尘器的内筒设计
旋风除尘器的内筒长（L）是直筒直径（D0）的0.5倍，内筒直径(DN)是直筒直径（D0）的0.5倍。
旋风除尘器的内筒体和外筒体同心，它的内插长度延伸到与入口管底部齐平的位置。清华大学研究表明，在旋风除尘器的内筒体中及下部增加固体芯子可降低旋风除尘器的压力损失；开环工作条件下，压力损失减少33%，闭环工作条件下，减少20%。并且除尘效率不会改变。
3.4旋风除尘器的排料口设计
旋风除尘器排料口结构的设计，对于旋风除尘器已经分离出的粗颗粒是否会重新被夹带到旋涡中，有很大的影响。
在旋风除尘器下部中，应设置稳涡器（简单的“防倒锥”），它可安装在排料口下面或者刚好在排料口上面（图三）。稳涡器的目的是向旋涡尾部提供一个平滑的表面，通过这个平滑表面，旋涡可以附着在它上面，并帮助旋转旋涡定在中心处。
4.旋风除尘器的抗磨损措施
旋风除尘器的磨损是影响旋风除尘器的寿命的主要因素，在不能改变外在条件下，如何提高旋风除尘器的耐磨性是提高旋风除尘器的寿命的主要方法。
4.1使用抗磨材料法
旋风除尘器的内侧直接用耐磨铸铁，陶瓷、花岗岩等耐磨性能好的材料制作。现氮肥企业使用的耐磨铸铁的比较多；耐磨铸铁现一般制作成圆环形,厚度为20-50mm,高度为200 mm,并且耐磨铸铁可以成批量生产，这样可以方便设备部件的更换和减低设备成本。
4.2使用涂抹法 涂抹法是将耐磨材料按一定比例配制好后，填充入事先在旋风除尘器内表面安装好起固定作用的骨架内，经匝实、抹平、压光、养护等一系列工序后形成抗磨涂层的方法。下面介绍一种水玻璃石英沙耐磨涂料配合比；石英沙60%，矾土熟料细粉30%，水玻璃8%，氟硅酸钠2%。
5结束语
我国的小氮肥企业的半水煤气发生炉不断的在增大，产汽量不断的在提高，对旋风除尘器的直径也越来越大，这在设备的运输过程中，增大了运输的负担和费用，通过本文希望各氮肥企业有加工能力的自己制作旋风除尘器，旋风除尘器的内衬铸铁可以向专业厂家购买。
参考文献
1〔丹〕A.C.霍夫曼 旋风分离器原理设计和工程应用 化学工业出版社 2004
2 张殿印 除尘器手册 化学工业出版社 2005
关键词 旋风除尘器 系统阻力 除尘计算 铸铁内衬
1概述
在小氮肥企业中，造气工段的半水煤气发生炉后面都要布置旋风除尘器。由于半水煤气发生炉的工艺要求，进入到旋风除尘器的半水煤气中带有大量的灰尘（灰尘的直径为不一， 粉尘颗粒径可达2mm，最小的粉尘颗粒径≤5цm）;并且旋风除尘器的除尘效果的好坏直接影响后面工段的废热锅炉的使用寿命。随着环保要求的越来越严和氮肥企业连续化生产的时间越来越长,旋风除尘器的作用也得到氮肥企业的重视。旋风除尘器的除尘效果和使用寿命是旋风除尘器的两大指标。
2．旋风除尘器的除尘效率的设计
2.1旋风除尘器的分离理论及工作原理
旋风除尘器由筒体、锥体、进气口、排气管、和卸灰口等组成，如图1。旋风除尘器的工作过程是当含尘气体由切向进气口进入旋风除尘器时,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旋转形向下、朝锥体流动，称此为外旋气流。含尘气体在旋转过程中产生离心力，将密度大于气体的尘粒甩向器壁。尘粒一旦与器壁接触，便失去径向惯性力而靠向下的动量和向下的重力沿壁面下落，进入排灰管。旋转下降的外旋气体到达锥体时，因圆锥形的收缩而向中心靠拢。根据“旋转矩”不变原理，其切向速度不断提高，尘粒所受离心力也不断加强。当气流达到锥体下端时，即以同样的旋转方向从旋风除尘器中部，由下反转向上，继续做螺旋流动，即内旋气流。 净化气体经排器气管排出管外。
2.2旋风除尘器的除尘效率
分级除尘效率是按尘粒粒径不同分别表示的除尘效率，其能够反映除尘器对某种粒径尘粒分离捕集能力。
旋风除尘器的分级除尘效率公式：
ηp =１－e-0.6932dp/dc50 （1-1）
式中ηp——粒径为dp的尘粒的收尘效率，％
dp——尘粒直径，цm
dc50——旋风除尘器的50%临界粒径，цm
旋风除尘器的总除尘效率可根据其分级除尘效率及粉尘的粉尘的粒径分布计算。对式（1-1）积分，得到旋风除尘器总除尘效率的计算式如下：
η=0.6932dt/(0.6932dt+dc50)×100%
dt=∑nidi4/∑nidi3
式中η—旋风除尘器的总除尘效率，%
dt——烟尘的质量平均直径，цm
dt——某种粒级烟尘的直径，цm
ni——粒径为di的烟尘所占的质量百分数，%
由上面的公式分析，影响旋风除尘器效率的主要因素有以下几种：
2.2.1入口流速。旋风除尘器进口烟气流速增大，烟尘受到的离心力增大，旋风除尘器的dc50临界粒径减小，收尘效率提高。
2.2.2旋风除尘器的结构尺寸。旋风除尘器筒体直径越小，在同样切线速度下，尘粒所受离心力越大，除尘效率越高。
2.2.3粉尘粒径与密度。由于尘粒所受离心力与粒径的三次方成正比，而所受径向气体阻力仅与粒径的一次方成正比，因而大粒子比小粒子更易捕集。
2.2.4旋风除尘器的气密性。当漏气量达到旋风除尘器处理量15%，除尘效率几乎为零。
2.3旋风除尘器的流体阻力计算
旋风除尘器的流体阻力可主要由进口阻力、旋涡流场阻力和排气管阻力三部分组成，计算式如下：
△P=ξp2v2/2
△ P——旋风除尘器的流体阻力，Pa
ξ——旋风除尘器的流体阻力系数，（一般取得6.5）
v——旋风除尘器的流体速度，m/s
p2——烟气密度，kg/m3
由上面的公式分析，影响旋风除尘器效率的主要因素有以下几种：
2.3.1结构形式的影响。若旋风除尘器的结构形式相同，则旋风除尘器的阻力系数ξ相同。若进口的流速相同，压力损失基本不变。
2.3.2进口风量的影响。压力损失与进口流速的平方成正比，因而进口风量较大时，压力损失随之增大。
2.3.3旋风除尘器的尺寸的影响。进口面积增大，排气管径减小，压力损失随之增大；随圆筒与锥体部分长度的增加而减小。
2.3.4气体密度变化的影响。压力损失随气体密度增大而增大。
3旋风除尘器的结构设计（图2）
3.1旋风除尘器的入口设计
旋风除尘器的进口气体流速一般取值为15—22m/s。由含尘气体的总量除以进口流速计算出旋风除尘器入口截面积。入口的高度（H）一般为宽度（B）的二倍。
旋风除尘器的切向入口结构通常采用横截面是矩形的流道。但旋风除尘器的前面的管道多为圆形，就需要一个从圆形到矩形的过度段。（图3）由于流动的流道发生变化，可能回流导致流体的边界层分离和附加的湍流扰动，因此收缩角不超出21度，扩散角不超出15度。
3.2旋风除尘器的长度设计
旋风除尘器的的直筒直径（D0）为入口高度（H）的2.5倍,旋风除尘器的直筒长(L1)是直筒直径（D0）的2倍。旋风除尘器的锥体长（L2）是直筒直径（D0）的2倍。
众多实验表明，增加旋风除尘器长度，将能逐渐提高分离性能并降低压降；但设备的制作成本也随之增加。
3.3旋风除尘器的内筒设计
旋风除尘器的内筒长（L）是直筒直径（D0）的0.5倍，内筒直径(DN)是直筒直径（D0）的0.5倍。
旋风除尘器的内筒体和外筒体同心，它的内插长度延伸到与入口管底部齐平的位置。清华大学研究表明，在旋风除尘器的内筒体中及下部增加固体芯子可降低旋风除尘器的压力损失；开环工作条件下，压力损失减少33%，闭环工作条件下，减少20%。并且除尘效率不会改变。
3.4旋风除尘器的排料口设计
旋风除尘器排料口结构的设计，对于旋风除尘器已经分离出的粗颗粒是否会重新被夹带到旋涡中，有很大的影响。
在旋风除尘器下部中，应设置稳涡器（简单的“防倒锥”），它可安装在排料口下面或者刚好在排料口上面（图三）。稳涡器的目的是向旋涡尾部提供一个平滑的表面，通过这个平滑表面，旋涡可以附着在它上面，并帮助旋转旋涡定在中心处。
4.旋风除尘器的抗磨损措施
旋风除尘器的磨损是影响旋风除尘器的寿命的主要因素，在不能改变外在条件下，如何提高旋风除尘器的耐磨性是提高旋风除尘器的寿命的主要方法。
4.1使用抗磨材料法
旋风除尘器的内侧直接用耐磨铸铁，陶瓷、花岗岩等耐磨性能好的材料制作。现氮肥企业使用的耐磨铸铁的比较多；耐磨铸铁现一般制作成圆环形,厚度为20-50mm,高度为200 mm,并且耐磨铸铁可以成批量生产，这样可以方便设备部件的更换和减低设备成本。
4.2使用涂抹法 涂抹法是将耐磨材料按一定比例配制好后，填充入事先在旋风除尘器内表面安装好起固定作用的骨架内，经匝实、抹平、压光、养护等一系列工序后形成抗磨涂层的方法。下面介绍一种水玻璃石英沙耐磨涂料配合比；石英沙60%，矾土熟料细粉30%，水玻璃8%，氟硅酸钠2%。
5结束语
我国的小氮肥企业的半水煤气发生炉不断的在增大，产汽量不断的在提高，对旋风除尘器的直径也越来越大，这在设备的运输过程中，增大了运输的负担和费用，通过本文希望各氮肥企业有加工能力的自己制作旋风除尘器，旋风除尘器的内衬铸铁可以向专业厂家购买。
参考文献
1〔丹〕A.C.霍夫曼 旋风分离器原理设计和工程应用 化学工业出版社 2004
2 张殿印 除尘器手册 化学工业出版社 2005