旋风除尘器去除细颗粒物的改进设计探索

任晓珍，许志超，赵 欢，曹 熙

（1.沈阳科技学院，辽宁 沈阳 110167；2.沈阳森腾环保科技有限公司，辽宁 沈阳 110167）

引言

目前，在电力、化工等行业中已经较多地采用了旋风除尘器[1-2]。我国新的《环境空气质量标准》（GB 3095-2012）对一类二类环境空气功能区PM2.5年平均浓度限值分别为15 μg/m3和35 μg/m3，并对多种空气污染物的浓度限值做了新的修订[3]。随着国家对工业排放治理力度持续加大，人们对环境保护和职业健康也愈发重视，政府、企业、科研机构不断投身到绿色发展和污染治理中，使我国的大气污染治理取得了长足的进步[4]。而由于细颗粒粉尘在空气中停留时间长且能够远距离传播，从源头上控制粉尘排放成为最有效和经济的方法[5]。国内外学者一直关注如何提高旋风除尘器的除尘效率，目前的研究主要集中在通过模拟改进旋风除尘器的结构，从而实现对细颗粒物进行有效地捕获。但是，除尘器的结构复杂，应用难度较大。因此，相关人员有必要对细颗粒物去除技术开展研究，提升旋风除尘器的应用性能。

1 旋风除尘器的特点

旋风除尘器包括灰斗、进气管、筒体等，依赖于各个部分的配合来实现整体的除尘功能。通常情况下，粒子受到的离心力可以达到重力的5～2 500倍，所以，相对于重力沉降室，旋风除尘器可以达到更高的效率，而且对于去除非黏性及非纤维性粉尘具有较好的效果，尤其是在颗粒尺寸超过5 μm时，可以达到更佳的效果。

2 设计思路

针对旋风除尘器对微细颗粒（5 μm以下）分离性能差的问题，本文通过将离心力与静电力组合的形式，在结构上对旋风除尘器进行优化，在普通旋风除尘器的高效捕捉大颗粒的基础性上，通过静电力捕捉微细颗粒，有助于提升除尘效率。很多研究者很早开始研究静电旋风复合除尘器设备。关于电旋风除尘设备的研究起源美国，是在普通旋风除尘器的内部安装电晕极，产生高压电场来使粉尘电离，从而防止粉尘随空气逃逸[6]。龚光彩等人[7]在旋风除尘器的对数螺旋筒内设置内涡式芒刺电极，得出在该结构形式下除尘效率与气流速度、工作电压、入口浓度的基本关系。史钟璋等人[8]在对加设外涡型电极的电旋风除尘器的研究中发现，在特定的入口气速和电压范围内电旋风效率有“峰值”规律。ChiJen Chen 团队[9]研究静电旋风除尘器在不同进风速度和粉尘颗粒下，静电力对除尘分级效率的影响，以及离心力对粉尘颗粒沉降速度对除尘分级效率的影响。

综合上述专家研究成果，设计出具有优异的除尘效率、经济性良好、适应场合广泛的静电旋风复合除尘器设备，并有效解决现有旋风除尘器对微小颗粒除尘效率低的问题，具有重要的理论意义和学术价值。其可以降低企业在处理粉尘问题的资金投入，提高微小颗粒除尘效率和经济性，改善工人工作环境和保护周边环境，提高企业核心竞争力等。

根据国家废气排放标准的要求，以市场上目前现有的除尘器的产品专利等作为基础，对产品结构功能原理进行分析，开展静电旋风复合除尘器方案创新设计研究，从而实现技术上的创新与突破。本次研究针对静电旋风复合除尘器进行了设计，具体实现的功能如下所示：含有灰尘的废气被吸入筒体，通过电晕装置产生高压电场使得灰尘电离，再通过旋风筒产生离心力，尘气被净化，粉尘沉降，干净的空气排除，清灰装置定期开启，清扫筒壁。该静电旋风复合除尘器的设计方依据以下原则进行筛选。

（1）可靠性。静电旋风复合除尘器功能原理方案选择机械结构简单、产品零部件可维护性高，运行安全可靠的方案。

（2）经济性。在设计产品时需要考量产品的经济效能，在满足功能的基础上，优先选择生产成本小、加工制作方便的方案。

（3）配合性。不同功能元之间应互相兼容，去除含有相互干涉、矛盾的功能元方案。

（4）可行性。在选择除尘方案的过程中，要求现有科学技术水平可以满足方案的功能需求，可以使用新技术促使产品更新迭代。

（5）功能性。不同功能元之间组合会产生整体效果大于各部件功能之和的效果，通过方案组合探索新功能的产生，也是方案优选的要点，如扩散式旋风筒与双区式静电除尘组合的除尘效率远大于单一除尘的效率。

（6）设备体积不能太大，结构要求紧凑。

3 设计成果

本文所设计除尘装置名为双区扩散式旋风除尘器，双区式的优点在于荷电腔与集尘腔可以分离，含尘气体荷电区发生电离，在集尘腔被捕获。静电力与离心力的结合能够有效提高微细颗粒的除尘效率，其处理气量大，运行成本低，阻力小。集尘腔采用的倒锥形的扩散式除尘器，有利于对微细颗粒的捕捉，下部设有圆锥形反射屏，灰尘可沿筒壁与反射屏间的环隙向下沉降进入集尘箱，防止二次回流，同时集尘腔内部装有清洁灰尘使用的双螺旋毛刷，增大清洁面积，能够更好的清洁集尘壁的灰尘。具体设计模块如下。

3.1 扩散式旋风筒

不同于一般的旋风筒，扩散式旋风筒（如图1）包括有灰斗、圆锥形反射屏、倒锥形筒体。一般扩散式旋风除尘器比常规旋风除尘器分离效率高，其优势主要与其特殊的结构有关：其一，倒锥形筒体的作用在于降低了排气管口位置气体所形成的短路气流，有助于提升分离的效率；其二，通过圆锥形反射屏可有效地抑制气体对于烟尘的影响，降低了下部器壁受到粉尘的影响，改善了分离的性能[10]。

图1 扩散式旋风筒

此外，扩散式旋风筒也用作静电集尘腔，其优点在于加工简单、压损适中、分离高效、能够捕获微细颗粒等。该扩散式静电集尘腔在结构有独特的特征，集尘腔筒体采用向下扩散的倒锥形，该形状适合捕获细微颗粒，降低在排气口处附近短路气流的可能。在扩散式集尘腔底部安装反射屏，抑制上升的净化气体重新把细微颗粒卷起带走，防止二次污染，提高分离效率。

3.2 双区式静电除尘

从结构上来看，电除尘器主要划分为单区、双区。其中，前者需要同步执行颗粒的荷电、捕集过程；后者则独立执行两个过程，分别对应着荷电区、收尘区两个区域，如图2所示。总体来看，前者在企业尾气处理中获得了较多的应用，不仅处理的流量较高，而且效率快，成本低，但却无法满足对小粒径颗粒捕集的要求，并且存在较大的臭氧发生率[11]。采用双区 ESP则可以有效地解决上述问题，且适合室内空气处理，可以满足净化的要求[12-13]。

图2 双区电除尘

静电除尘器按其结构型式可分为板式和管式。其中，板式静电除尘器主要用于处理大气量废气净化，布置形式单一，布置场地有严格的要求，而管式静电除尘器加工简单，可以处理小气量废气，应用场景多样，可以不受场地制约，布置形式多样。本设计采用单电场除尘效率更高，故选择管式静电除尘器（即荷电室为圆柱形，集尘极为倒圆锥形）。

3.3 放电极选取

放电极需要满足一定的要求，如果可以达到较高的放电强度及击穿电压，且操作电压区间较大，则可以认为放电极的质量较高。在不同的环境条件下，应选择合适的放电极，如在高温条件下，击穿电压减小，一般需要采用杆型放电极方可满足性能的要求。Xu X等人[14]重点分析了除尘性能和放电极类型之间的关系，以三种类型进行了对比研究，结果显示，在温度达到300 K、电压一致的情况下，放电性能最高的是锯齿状电极，可以达到较高的除尘效率（99.8%）；在温度增大时，则效率发生了变化，在达到700～900 K范围时，圆线型电极则达到了更高的除尘效率。Zheng C等人[15]结合研究的结果发现，在温度为700 K的情况下，芒刺型电极对PM1、PM2.5均达到了较高的去除效率，分别是95.9%、95.7%，合理改进对芒刺型电极结构之后，相对于圆线型在去除效率上均具有一定更多优势，对于PM1-PM10均达到了95%以上。放电极的性能会受到诸多因素的影响，包括温度、材料等，所以需要结合设备强度、使用寿命及去除效率等方面选择合适的放电极。综合考虑，本研究除尘器选择四齿芒刺型电极。在本文研究方案设计中，选择使用RS型电芒刺线，电离室中电芒刺线为芒刺阴极线，两根电芒刺线之间的间距为400 mm，为宽间距静电除尘器，其优点在于在电场强度一定的情况下，能够有效提高除尘效率，节约加工材料。

3.4 清灰方式的选择

清灰是否良好对除尘器的除尘效率的大小有着较为显著的影响，如果不能完全去除电极中的积灰，就会使供电功率降低，影响到除尘效率[16]。扩散静电集尘腔作为静电旋风复合除尘器的集尘极，位于直筒导流腔下方，之间通过法兰连接，扩散静电集尘腔内部固定有反射屏，并且双螺旋刷位于扩散静电集尘腔内部。通过螺旋刷支架进行加固，保证其在清灰状况下不变形。整个双螺旋刷由反射屏下方的电机提供动力。

经以上改进，静电旋风复合除尘器由气流均匀布置装置、静电腔体、直筒导流腔、扩散静电集尘腔、落灰段、集灰箱、支架等组成。气流均匀腔体、静电腔体及直筒导流腔焊接相连，气流经直筒导流腔螺旋加速后进入扩散静电集尘强，直筒导流腔与扩散静电集尘段与法兰连接，在稳固连接的基础上加强了气密性。扩散静电集尘腔内置反射屏，反射屏下方通过法兰与落灰段连接，清灰的同时防止下方扬灰。旋风除尘器与可静电除尘器通过连接管路组合为一体。此方案有效解决了目前除尘器不能有效去除细微颗粒、除尘效率低的问题，同时可以定时清洁筒壁灰尘，增大清灰效率。

微细粉尘经过静电旋风复合除尘器得到净化，实现废气处理。设备具有除尘效率高、加工制造费用低、机械结构简单等优点，在满足除尘基本需求外，还兼顾整体造型设计，具有整体协调性与美观性。

4 总结与展望

（1）与单一类型除尘器相比效率大大提升。本研究所设计的方案，其创新点在于除尘器内部结构的合理化设计，即采用扩散式旋风静电耦合除尘装置将小颗粒粉尘凝聚，由离心力去除，大大提高了净化效果。并且，扩散静电集尘腔处设有双螺旋刷，能够及时清除内壁凝聚的粉尘，被刷落的灰尘从反射屏与扩散静电集尘腔内壁间的环隙处掉落到集灰桶，防止二次污染。

（2）静电腔采用大筒径设计，能够降低进入筒体的风速，方便电晕装置的安装，可以将静电下支架焊接在静电腔底部；组装电芒刺，尼龙棒与电芒刺线通过销联接。

（3）在后续的外形设计中，可以采用机械设备常用造型，如采用曲直结合，即主体部位静电腔和扩散静电集尘腔采用全封闭式一体化的曲面设计，以直线为主支架，线型简洁大方，具有强烈的机械感，且在视觉上给人以稳定的感觉。色彩上采用灰、黑、红配色，主色调使用灰色，表达出机械产品的严谨与认真；黑色用于支撑架，增加产品的稳重感；红色为中国色，符合大国形象。整体采用钣金件焊接，降低产品生产制造成本。

（4）随着各行各业的快速发展，国家废气排放标准提高，因此，在微细粉尘的去除方面仍需要创新的解决方案，本方案能解决此类问题，并将针对不同类型的粉尘持续改进。

综上所述，本文所述静电旋风复合除尘器在技术、经济、社会和审美等方面均能达到比较高的要求。当然，该设计中也在许多不足，需要进一步研究和探讨，如总体设计缺乏有效论证，后续需要通过仿真模拟、中试实验等方式验证该设计成果的可靠性；结构有待细化，各功能模块设计的具体参数还需要进一步确定。