摘要从工艺原理、除尘机理、结构形式等方面对轴流旋风除尘器技术进行了阐述，并结合实际生产应用情况进行分析，最后从投资和综合效益两个方面对轴流旋风除尘器和重力除尘器进行了比较，认为轴流旋风除尘器投资稍高，但除尘效果好，有利于环保。

关键词高炉粗煤气系统轴流旋风除尘器

1概述

将含尘气流中的粉尘分离出来，通常采用的除尘方法有：重力法、离心力法、过滤法、电力法等。在冶金行业，传统高炉炼铁工艺粗煤气除尘通常采用重力除尘器，这种除尘器体积大，占地多，而且由于除尘效率低，不利于环保和降低能耗。随着高炉炼铁技术的不断发展和进步，轴流旋风除尘器在高炉粗煤气系统中应用日益广泛。经过不断完善和改进，轴流旋风除尘器能够较好地适应高炉煤气可燃、易爆、煤气量大、温度高、含尘颗粒大、易磨损等恶劣的工况条件。高炉煤气采用轴流旋风除尘器除尘效率可达～80％，而传统重力除尘器的除尘效率仅为～50％。

高炉粗煤气系统采用轴流旋风除尘器优势明显：对于设计，由于轴流旋风除尘器占地面积小，总图布置更加灵活；对于生产，由于轴流旋风除尘器效率高，回收的煤气灰量相应增加，能够有效减轻后续煤气净化系统的负荷和污泥处理量，不仅有利于环保,还能减轻设备维护量，降低运行成本。

2旋流除尘工艺

对于不同容积的高炉，需要处理的高炉煤气量是不同的，而煤气温度一般为150～250℃；煤气含尘量通常为12～15g/Nm3；粉尘粒度范围：<25μm的～12％，25～250μm的～70％，250～1 000μm的～15％，>1 mm～3％。根据高炉粗煤气系统管路布置特点，高炉煤气通过下降管引到除尘器，通常在实际应用中轴流旋风除尘器采用顶部进气方式。

    轴流旋风除尘器分三个区域：上部导流区，中部旋流除尘区，下部贮灰区(如图1所示)。高炉煤气从轴流旋风除尘器顶部椭圆封头顶盖进入上部导流区，然后经过导流锥体进人中部旋流除尘区；煤气流在旋流板的导向作用下形成旋转气流，气流中的尘粒因离心力作用向除尘器筒壁运动，并在自重和气流的作用下沿筒壁下滑，经旋流除尘区底部环形灰缝落人下部贮灰区；气流则在反射锥体的作用下改向，形成上旋气流，通过中间的排气管排出，灰仓内的粉尘由灰仓锥体下部排灰口排出。

3轴向旋流除尘机理

    轴流旋风除尘器利用粉尘随气流旋转时产生的离心力，使粉尘从气流中分离出来，与单纯利用重力沉降相比，作用在粉尘上的离心力比重力要大得多。因此，旋风除尘器的除尘效率比重力除尘器高，能分离的粉尘粒度也更小。

    (1)气流运动。旋风除尘器内的实际气流状况非常复杂，为了便于分析，可以设定含尘气体从进气管以较高速度(18～22m／s)进入除尘器内，在旋流区简体与排气管之间的圆环内作旋转运动，由于受到随后进入气流的挤压，形成下降旋转气流，在反射锥体处，当其再不能向下旋转时就折转向上，形成上升旋转气流，通过排气管排出。气流在除尘器内旋转时，任一点的速度都可以分解为切向速度Vt、径向速度Vr及轴向速度Vz，在各个断面上，速度都是变化的(如图2所示)。随着旋转气流向下运动，近壁处的切向速度Vt不断增加，在同一断面上，随其与轴心的距离逐渐减小而增大，并且越接近轴心，切向速度Vt越大，大约在排气管直径1／2～1／3的圆环处，切向速度Vt达最大值后，又逐渐减小，我们以此圆环作为分界，将旋流区内的主旋转气流分为外旋流和内旋流。而径向速度Vr比切向速度低Vt很多，在整个断面上变化不大。在旋风除尘器内，除了主旋转气流外，还存在径向气流和轴向气流组成的涡流(如图3所示)，这些涡流都会影响除尘效果。旋风除尘器内切向速度是控制气流稳定的主要因素，它决定了气流圆周运动的强度，也决定了除尘器的效率和阻力。切向速度Vt与圆筒半径R之间存在以下关系：Vt·Rⁿ=常数。通常我们认为内旋流是强制涡，n值取一1；而外旋流是不完全的自由涡，n值与外筒的半径及温度有关，n值取0．5～1。根据此关系式，可以得到的典型速度度分布(如图4所示)。

   (2)尘粒运动。在旋风除尘器中，尘粒随气流进入旋流区后，由于气流的旋转运动使尘粒作圆周运动，同时尘粒受到离心力的作用，穿过气流向外筒壁运动，达到器壁后，失去惯性，在重力及涡流的作用下，尘粒沿筒壁向下滑动至环形灰缝落入灰仓。尘粒在除尘器中的运动有确定的路线，其运动轨迹可以根据作用在尘粒上的各种力进行分析,尘粒在时间t内由A点运动到B点旋转θ角(旋流除尘器内的尘粒运动如图5所示)，尘粒的切向速度

         dθ                           dR                            dZ

Ut=R—、径向速度Ur=—、轴向速度Uz=—。我们认为当尘粒到达筒壁，即R=D/2时，即尘

    dt            dt            dt

粒已被捕集，不会再重新扬起（尽管气流速度较高时，二次扬尘可能会很严重），根据这一条件可以计算尘粒运动到筒壁的时间t0和垂直高度Z。Z=∫^t0₀V_zdt,根据Stokes定律，可列出尘粒径向运动方程：

  dU_r

Mp— =3πμd_p(Vr-Ur),通常可以认为气流的径向速度Vr=0。mp、dp、 

  d_{t                                           1}

ρp分别为尘粒的质量、直径和密度，mp=——πd³_pρ_p，而尘粒径向加速度：

          dUr   d²R              dθ                                   6                                          d²R            dθ        Ur

ar=——=—— - R(——)²,将尘粒径向运动方程整理后可以得到—— -R(——)²+— =0,即

dt        dt²               dt                                                                                dt²             dt          τ

d²R    U²_t    1dR          m_P   ρ_Pd²_P

—— –—  +——=0,式中τ=———=——。

dt²          R            τdt                     3πμd_P     18μ

由于尘粒随气流旋转，可以认为Vt(气流切向速度)=Ut(尘粒切向速度)，由此可以得到Ut·Rn=Uti·Rⁿ_i=Ut0·Rⁿ₀=常数(式中下标ti代表尘粒运动的初始位置，下标t0代表尘粒运动的终止位置即筒壁处)。将  

                           UtiRⁿ_i

                     Ut=———代入尘粒运动方程，得到

             Rⁿ

d2R   1  dR    U²_tiR²ⁿ_i                    dR  τU²_tiR²ⁿ_i

——+ — —— - ———=0,忽略二阶导数，得到——=———   ，根据边界条件t=0，R=R

dt2   τ   dt    R²ⁿ⁺¹       R²ⁿ⁺¹                                                 dt        R²ⁿ⁺¹

                                  R²_i                      R

积分后可得到t=——————[(—)²ⁿ⁺²-1],即任意时间t时尘粒运动到的位置R，带入Ut0

              2(n+1)τU²_ti   R_i

         R²₀           R       R_i

和R0后t=—————[(—)²ⁿ⁺²-(—)²ⁿ⁺²]。当尘粒运动到筒壁时，R=R0，所需的时间

                   2(n+1)τU²_t0      R₀             R₀

                   R²₀                        R_i

t₀=t₀=——————[1-(—)²ⁿ⁺²],由于尘粒随外旋气流运动，当n=1时：

      2(n+1)τU²_t0       R₀

             9μR²₀              R_i

t₀=—————[1-(—)⁴]，近似计算中Ut0=Q/S，Q为旋流入口的流量，S为旋流入口的截面积。

   2ρ_pd²_pU²_t0            R₀

  (3)压力损失。通常认为旋风除尘器中压力损失的能量用于形成高速的内旋气流，但实际影响旋风除尘器阻力的因素很多，主要有以下几个方面：①气流进入旋风除尘器本体时由于气体膨胀产生的损失；②气流在旋风除尘器内旋转产生的动能损失；③气流与旋流板及筒壁摩擦造成的损失；④内旋气流进入排气管产生的压力损失。

理论上旋风除尘器压力损失可以根据伯努利定律结合流体力学公式进行推导，但实践中更多的采用经验公式进行计算，常用的有：                                                                  U²_iρ

△P=ξ——Pa,

             2

U²_iρ

——为动压头，ξ为阻力系数。一定结构形式的旋风除尘器，ξ是一常数，对于高炉

2

煤气旋风除尘器，ξ取值为：0．8～1．2。

    (4)除尘效率。旋风除尘器的除尘效率与尘粒的直径大小有关，直径越大，效率越高。通常我们认为气体对尘粒的阻力，紊流混合、尘粒的反弹及二次扬尘等能够促使旋流除尘区域内任何水平横断面上气流中未被捕集的粉尘得到均匀分布，即所谓的流场内径向返混是完全的。理论上认为一定规格的旋风除尘器对大于某一粒径的粉尘，其除尘效率为100％，而小于此粒径的除尘效率为0(旋风除尘器效率曲线如图6所示)，然而实际的效率曲线与理论曲线并不吻合，这是由于各种二次效应影响的结果。在小粒径范围内，某些细小尘粒由于凝结合并或被大尘粒裹夹带至筒器被捕集分离出来，因而实际效率要高于理论效率。在大颗粒范围内，由于下列原因，实际效率要比理论效率低：①粗颗粒到达器壁后反弹回到气流旋涡内；②涡流将尘粒带至内旋流；③径向涡流对尘粒产生的向内推力大于离心力，使尘粒进入内旋流。因此，对于这些影响除尘效率的因素，实际设计确定除尘器的各部分结构时应进行充分考虑。旋风除尘器结构尺寸对除尘性能的影响见表1。需要指出的是：表中这些尺寸的变化，不是无限的，达到一定程度后，其影响会显著减小，甚至有可能因其他因素的影响而由有利因素转化为不利因素。

4旋风除尘器结构

    (1)进气口。旋风除尘器的进气口是造成气流在旋风除尘器中旋转流动的部分，因此是影响除尘效率和阻力的主要因素。进气口有水平和顶部两种布置形式。顶部进气的旋风除尘器内，气流的旋转运动是靠进口的旋流板造成的。一般来说，顶部进气造成的旋转速度不如水平进气的高，因而会影响离心力和除尘效率。但根据高炉粗煤气的含尘特点，为了避免Zn、Pb等不利于高炉长寿的元素被回收利用，旋风除尘器不宜回收粒度在25μm以下的灰尘，因此尽管顶部进气方式的粉尘离心力小于水平进气方式，但采用顶部进气方式的旋风除尘器的除尘效率已经完全能够满足高炉煤气一级除尘的需要。

顶部进气的旋风除尘器，其排气方式是反转式，旋流板采用花瓣式布置，倾角25⁰～35⁰。轴流旋风除尘器的性能，除了与旋流板的形式和角度有关外，同时也受排气管直径和插入深度的影响。

（2）旋流圆筒体。理论上认为旋风除尘器直筒段旋流高度越大，气流在其中的旋转圈数越多，停留时间越长，除尘效率也越高，同时阻力还会有所降低，然而除尘效率并不随旋流高度的增加而无限增加，圆筒体太长，旋转速度会下降，通常旋流直筒段总高度应取排气管直径De的5～8倍或筒体直径D的2倍。

旋风除尘器的筒体直径对除尘效率也有很大影响。在阻力一定的情况下，筒体直径越小，除尘效率越高，因为随着旋转半径减小，离心加速度增加，从而离心力也增加，离心力与重力的比值可用分离系数Sf来表示，  

                                  U²_i

gSf=—,g是重力加速度，R0是除尘器半径。不同粉

                                  R₀  

尘所需的分离系数也不同，分离系数越低的粉尘，越容易被捕集。为了达到一定的分离系数，除尘器直径增加，入口风速不能太高，而这也限制了除尘器直径的增加，否则将无法保证合适的除尘效率。

（3）反射锥体。含尘气流进入旋流除尘区后，旋转向下流动，到达下部反射锥体后，由于反射锥体的改向作用，下降的外旋气流折转向上形成内旋气流由排气管排出。反射锥体能够减少涡流造成的二次扬尘，有利于提高除尘效率。反射锥体的角度和环形灰缝宽度设计取值取决于粉尘的性质。粉尘浓度大时，环形灰缝宽度应取大一些，反射锥体夹角可取50⁰～60⁰，对于流动性好，安息角小的粉尘，反射锥夹角可以取大点。

（4）排气管。排气管通常由上至下插入到除尘器内，它与除尘器圆筒内壁形成环形通道，此通道的大小及深度对除尘器的除尘效率和阻力也有影响。环形通道越小，即排气管直径De与圆筒体直径D之比越小，除尘效率增加，阻力也会相应增加，但当De/D小于0.4-0.33时，效率增加并不显著，实际设计中De/D可取值0.4-0.5。

  排气管的插入深度愈小，阻力减小，若完全不插入器内，则阻力最小，但除尘效率无法保证，因为上涡流所携带的粉尘很容易随气流进入排气管排出，从面降低除尘效率，实际设计中排气管的插入深度He可取0。4倍的筒体直径D。

5  实际应用

    中冶南方已为国内多座高炉设计了轴流旋风除尘器，我们在设计过程中，没有完全照搬外方的设计方案，对除尘器布置形式、参数设置、内衬选取等方面进行了优化和调整，对旋流板尺寸进行了修正，并且排灰系统采用了我们自己的专利技术——防堵、灰量可调的清灰装置。目前，这些旋风除尘器生产情况良好，以武钢为例：6号高炉(3200m³)旋风除尘可达到20—24kg/t(吨铁除尘量)，而5号高炉(3200 m³)重力除尘仅13～15 kg／t，除尘量的波动与原料含粉率有关。然而，旋风除尘器毕竟是一项新技术，在建造和生产过程中难免出现问题，主要归纳为以下三个方面:

  (1)施工问题。施工问题主要包括：旋流区筒体环缝同心度不够，导致旋流板安装深浅不一，气流分布不均；旋流板箱体焊接变形严重，导致旋流板难以安装定位；旋流区简体钢壳拼接焊缝不平整，导致内衬安装不平整；旋流区下部反射锥体焊接固定不牢，导致锥体脱落；固定内衬的螺栓或燕尾铁焊接不牢，导致衬板脱落。这些问题与设计无关，完全可以通过加强施工管理解决。

  (2)内衬问题。内衬问题主要是内衬材质和内衬固定。最初投产的旋风除尘器曾经由于衬板材质较脆和固定方式不合理，出现过大面积衬板脱落的情况，为此，我们和生产方、衬板制造方共同分析和研究，针对旋风除尘器的结构特点和使用工况条件，改进了衬板材质和固定方案，并做了工业性试验。现在，旋风除尘器安装内衬，只需在施工中控制好安装环节，就能有效避免脱落。

  (3)操作问题。操作问题主要是炉顶洒水操作不当，导致旋流板之间通道积灰、堵塞，这可以通过改善操作方法，改进洒水设备，控制喷水量进行解决。某钢铁厂旋流板通道堵塞情况见图7。

      通过生产实践证明：旋风除尘器以其较高的除尘效率，能为其后的煤气净化工序创造较好的生产条件。随着耐磨内衬材质和内衬固定的问题得到根本解决，旋风除尘器技术已经逐渐成熟和完善起来，它必将被更多的厂家认识和接受。

6效益分析

    投资比较。对于一定容积的高炉，旋风除尘器比重力除尘器的总体投资略高，有关比较内容见表2。

    (2)综合效益。采用旋风除尘器具有较高的综合效益，主要有以下几个方面：①旋风除尘器占地面积小，布置更紧凑；②由于旋风除尘器除尘效率较高，可回收的高炉煤气灰更多；③旋风除尘器出口煤气含尘低，减少煤气清洗的污泥处理量，相应减少设备维护，降低能耗，有利于环保。

7结语

    短短几年，国内先后有十余座高炉采用了轴流旋风除尘器，在世界范围内，旋风除尘器在高炉炼铁中的应用也日益普遍。和任何新技术一样，旋风除尘器也经历了一个应用、改进、完善的过程。现在对于不同容积的高炉，根据不同的煤气参数条件，就可以确定旋风除尘器直径、环缝间距、旋流板数量、旋流板倾角、煤气流速、旋流区直简高度等关键参数，设计出不同规格的旋风除尘器，而且在特殊的布置条件下，还可以选择水平切向进气的旋风除尘器。可以相信，旋风除尘器技术必将为今后高炉炼铁生产创造更多效益。