CN102698892B - 组合旋转气固分离与排气一体机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种提高和稳定超细颗粒的分离效率，降低分离能耗，减少设备投资和占地面积的组合旋转气固分离与排气一体机，由转子系统和定子系统构成，转子系统在定子系统内转动，所述的转子系统包括旋转轴和安装在其上的组合叶轮，叶轮包括有轮盘，和沿轮盘圆周分布的径向叶片，轮盘边缘还设有与轮盘面垂直的轴向叶片，轴向叶片围成的空间中部设置有圆锥筒，所述的定子系统为密封的筒状结构，从上至下依次为盖板，分离圆筒，扩散锥筒，灰斗，在定子系统中间设有中心出气管，在扩散锥筒内设有反射屏。提高和稳定超细颗粒的分离效率，降低分离能耗，减少设备投资和占地面积，并能在高温下进行工作。
Description
技术领域
本发明涉及气固分离技术领域，具体涉及一种组合离心风机的强力旋转，提高气体中固体超细颗粒（粒径≤10μm）的分离效率，同时，又将气固分离和气体输送两大功能用一台设备完成，降低设备成本的组合旋转气固分离与排气一体机。
背景技术
含尘气体的气固分离是火电、钢铁和有色金属冶炼、水泥、石油、矿山、化工、医药、粮食加工等行业的主要工艺流程。
目前，在用的气固分离设备有多种多样，根据分离过程中，有无液体参与来分类，可分两类，一类是干法除尘，一类是湿法除尘。湿法除尘器对细颗粒的分离效率高，但带来水污染和资源浪费，因为多数粉尘收集后是可利用的原料，浸水后就失去了应用价值，既是对水不敏感的材料，要回收还要干燥，增加能耗。在寒冷地区的冬天，还要对除尘系统进行加热和保温，增加耗能。如果含尘气体的温度较高时，湿法除尘中水的消耗会随着温度的增高而增加。所以，大多场合尽量不用湿法除尘。其干法除尘是最常用的除尘方式。干法除尘设备主要有旋风分离器（或称旋风除尘器）、静电除尘器、袋式除尘器和各类惯性除尘器。
其中旋风分离器的基本原理是含尘气流沿切线进入筒体做螺旋形旋转运动，在离心力作用下将粉尘颗粒分离。如图1所示。因其结构简单，运行可靠，一百多年以来，在工业中应用最广泛。旋风分离器的缺点是对细小颗粒的分离效率很低。当含尘气体中的固体颗粒粒径≥50μm时，旋风分离器的分离效率可达94%，但当含尘气体中固体颗粒粒径为5μm时，分离效率仅27%，当粒径为1μm时，分离效率仅为8%。当含尘气体中的固体颗粒粒径≤10μm时，必须采用袋式除尘器或静电除尘器。另外旋风除尘器进口气流速度波动时，对分离效率影响较大。
袋式除尘器的基本原理是用纤维性滤袋捕集粉尘。袋式除尘器的分离效率高，既是气体中的固体颗粒粒径为1μm ，袋式除尘器的分离效率也高达99%［1］，它是目前干式除尘器中分离效率最高的除尘器。但袋式除尘器的平均过滤速度为1～1.2m/min(0.017～0.02m/s)，所以当含尘气体的流量大时，纤维的过滤面很大，致使设备庞大，投资高，且只能适用于气体温度≤250℃的场合［2］，在允许温度范围内，高于80℃时，温度越高，滤袋材料的价格越高。除袋式除尘器造价高外，运行费用也较高，因滤袋磨损和尘粒结垢堵塞，需经常更换滤袋。目前，我国废旧布袋的堆积量也非常之大，又造成固体的二次污染。
静电除尘器的基本原理是在高压电场作用下，使含尘气流中的颗粒粒子荷电，并被吸引、捕集。静电除尘器的分离效率高，对于粒径为5μm的分离效率为99%［1］，对粒径为1μm的分离效率为86%［1］。在静电除尘器中含尘气体的平均流动速度为0.4～1.8m/s［1］，所以过流面积也较大。因为有高压电系统，其结构更复杂，静电除尘器的一次性投资费用和运行维护费用也较高。
能否研究出一种造价低，运行费用低的除尘器代替或部分代替袋式除尘器和静电除尘器，这是目前气固分离研究者的追求目标。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，是针对上述存在的技术不足，提供一种提高和稳定超细颗粒的分离效率，降低分离能耗，减少设备投资和占地面积的组合旋转气固分离与排气一体机。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
组合旋转气固分离与排气一体机（以下简称一体机），由转子系统和定子系统构成，转子系统在定子系统内转动，所述的转子系统包括旋转轴和安装在其上的组合叶轮，叶轮包括有轮盘，和沿轮盘圆周分布的径向叶片，轮盘边缘还设有与轮盘面垂直的轴向叶片，轴向叶片围成的空间中部设置有圆锥筒，所述的定子系统为密封的筒状结构，从上至下依次为盖板，分离圆筒，扩散锥筒，灰斗，在定子系统中间设有中心出气管，在扩散锥筒内设有反射屏。
在上述方案中，所述的定子系统由轴承箱、含尘气体进口、旋转密封组件、分离圆筒、扩散锥筒、反射屏、灰斗、中心出气管、净化气体出口、粉尘排出口等部件构成。
在上述方案中，所述转子系统包括组合叶轮、旋转轴，组合叶轮固定在旋转轴上，设置于一体机的最上端。旋转轴安装于轴承箱中，轴承箱安装于定子系统中分离圆筒最上端盖板上。组合叶轮在旋转轴的带动下做定轴转动，转动的组合叶轮为气体中的固体颗粒施加了离心力的同时也为含尘气体提供转动动能。组合叶轮的环口（叶轮进气口）与定子之间有一旋转密封组件。所述组合叶轮有类似离心风机叶轮的叶片和轮盘，且在叶轮轮盘最大外圆处还有一段轴向叶片，离心风机的径向叶片和轴向叶片连为一体构成组合叶片，数个组合叶片沿组合叶轮的轮盘圆周均布。组合叶轮还有一段上端直径大下端直径小的圆锥筒，圆锥筒的大直径端与组合叶轮的轮盘最大外圆处连为一体且有圆弧过渡，圆锥筒的外壁面还与轴向叶片连为一体。组合叶轮中的圆锥筒与分离圆筒为同轴线安装，两者构成圆台状环形空间，这一环形空间又被轴向叶片分割成数个扇形柱空间。整个转子系统与定子系统保持同轴线安装，并保证有一定的间隙。
所述定子系统的含尘气体进口与定子系统中的分离圆筒最上端的盖板固定连接。分离圆筒与其最上端的盖板由设备法兰连接且保持同轴线安装。分离圆筒位于扩散锥筒的上部，两者固定连接且保持同轴线。在扩散锥筒最下端大口径处有一反射屏。反射屏是一个圆锥筒，其下端大直径口与扩散锥筒最下端的大口径处的内壁面之间有一环形缝隙B，反射屏与扩散锥筒之间由多个圆周均匀分布的支撑筋板，支撑筋板将反射屏准确定位，保证反射屏与扩散锥筒之间同轴线安装。反射屏上端小直径口与中心出气管的外壁面之间有一环形缝隙A，在中心出气管外壁面上与缝隙A 的轴线等高位置处，沿圆周均匀分布多个支撑筋板，支撑筋板将反射屏准确定位并通过螺栓将两者固定连接，保证反射屏与中心出气管之间同轴线安装。中心出气管与分离圆筒应保持同轴线安装。扩散锥筒最下端的大口径处与灰斗之间由设备法兰连接且保持同轴线安装。净化气体出口与中心出气管之间固定连接。粉尘排出口与灰斗之间固定连接且保持同轴线安装。
转子系统中的各部件可以使用金属材料，在受流动冲刷部件处附加耐磨材料。定子系统均可以使用金属材料制造，在受流动冲刷部件处附加耐磨材料。
所述转子系统中与气体接触的壁面的相关部件中可以设计冷却夹套，其冷却剂可是气体，也可是液体。以使本发明可用在更高的温度下。
一体机与现有技术相比，具有以下特点：
1．一体机与旋风分离器相比，相关条件同等时，使固体颗粒所受的离心力提高数十倍，提高了超细颗粒（粒径≤10μm）的分离效率。根据为一体机所建立的理论数学模型计算结果可知，最小分离粒径可达1μm。
2. 一体机对气体中固体颗粒施加的离心力提高数十倍，但几乎不增加能耗，因为提高颗粒离心力的同时也提高了气体的动能，在除尘系统中省去了离心风机的能耗，也就是说这一旋转能耗是除尘系统中离心风机必须付出的。从除尘系统而言省去了配套的离心风机，减少了占地面积。
3．由于一体机对固体颗粒的分离力取决于组合叶轮6的转速和相关几何参数，所以当含尘气体进口3处的流量在一定范围内波动时，不会影响分离效率。换言之，一体机避免了现有旋风分离器因流量波动而致使分离效率波动的固有缺点。
4．一体机可代替袋式除尘器。同时减少与袋式除尘器配套的风机。也省去了大量的布袋材料，钢材需求量也大大减少。设备的一次性投资可大幅度地减少。同时也大幅度地减少了占地面积。
5．一体机可代替静电除尘器。但与静电除尘器相比减少了高压静电系统。减少了钢材的用量。减少设备的一次性投资。大幅度地减少了占地面积。另外，无论气体中固体颗粒的比电阻如何变化均不影响分离效果。
6．组合旋转气固分离与排气一体机，可用于400℃左右的高温条件。
附图说明
图1 现有技术中的一种旋风分离器结构原理示意图
图2本发明的组合旋转气固分离与排气一体机结构原理示意图
图中：1.轴承箱，2.旋转轴密封组件，3.含尘气体进口，4.旋转轴，5.旋转密封组件，
6.组合叶轮，7.分离圆筒，8.中心出气管，9.扩散锥筒，10.反射屏，11.灰斗，
12.净化气体出口，13.粉尘排出口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图2所示的组合旋转气固分离与排气一体机（以下简称一体机），由转子系统和定子系统构成，转子系统在定子系统内转动，所述的转子系统包括旋转轴4和安装在其上的组合叶轮6，组合叶轮6包括有轮盘，和沿轮盘圆周分布的径向叶片，轮盘边缘还设有与轮盘面垂直的轴向叶片，轴向叶片围成的空间中部设置有圆锥筒，所述的定子系统为密封的筒状结构，从上至下依次为盖板，分离圆筒7，扩散锥筒9，灰斗11，在定子系统中间设有中心出气管8，在扩散锥筒9内设有反射屏10。
在本实施例中，所述的定子系统由轴承箱1、含尘气体进口3、旋转密封组件5、分离圆筒7、扩散锥筒9、反射屏10、灰斗11、中心出气管8、净化气体出口12、粉尘排出口13等部件构成。
在本实施例中，所述组合叶轮6固定在旋转轴4上，设置于一体机的最上端,。旋转轴4安装于轴承箱1中，轴承箱1安装于定子系统中分离圆筒7最上端盖板上，旋转轴4与含尘气体进口3之间还设有旋转轴密封组件2。组合叶轮6在旋转轴4的带动下做定轴转动，转动的组合叶轮6为气体中的固体颗粒施加了离心力的同时也为含尘气体提供转动动能。组合叶轮6的环口（叶轮进气口）与定子之间有一旋转密封组件5。所述组合叶轮6有径向叶片和轮盘，且在叶轮轮盘最大外圆处还有一段轴向叶片，径向叶片和轴向叶片连为一体构成组合叶片，数个组合叶片沿组合叶轮6的轮盘圆周均布。组合叶轮6还有一段上端直径大下端直径小的圆锥筒，圆锥筒的大直径端与组合叶轮6的轮盘最大外圆处连为一体且有圆弧过渡，圆锥筒的外壁面还与轴向叶片连为一体。组合叶轮6中的圆锥筒与分离圆筒7为同轴线安装，两者构成圆台状环形空间，这一环形空间又被轴向叶片分割成数个扇形柱空间。整个转子系统与定子系统保持同轴线安装，并保证有一定的间隙。
所述定子系统的含尘气体进口3与定子系统中的分离圆筒7最上端的盖板固定连接。分离圆筒7与其最上端的盖板由设备法兰连接且保持同轴线安装。分离圆筒位于扩散锥筒9的上部，两者固定连接且保持同轴线。在扩散锥筒9最下端大口径处有一反射屏10。反射屏10是一个圆锥筒，其下端大直径口与扩散锥筒9最下端的大口径处的内壁面之间有一环形缝隙B，反射屏10与扩散锥筒9之间有多个圆周均匀分布的支撑筋板，支撑筋板将反射屏10准确定位，保证反射屏10与扩散锥筒9之间同轴线安装。反射屏10上端小直径口与中心出气管8的外壁面之间有一环形缝隙A，在中心出气管8外壁面上与缝隙A 的轴线等高位置处，沿圆周均匀分布多个支撑筋板，支撑筋板将反射屏10准确定位并通过螺栓将两者固定连接，保证反射屏10与中心出气管8之间同轴线安装。中心出气管8与分离圆筒7应保持同轴线安装。扩散锥筒9最下端的大口径处与灰斗11之间由设备法兰连接且保持同轴线安装。净化气体出口12与中心出气管8之间固定连接。粉尘排出口13与灰斗11之间固定连接且保持同轴线安装。
转子系统中的各部件使用金属材料，在受流动冲刷部件处附加耐磨材料。定子系统均使用金属材料制造，在受流动冲刷部件处附加耐磨材料。
本实施例与现有旋风分离器相比，某些相关条件相等时，使气体中固体颗粒所受的离心力提高数十倍，提高了超细颗粒（粒径≤10μm）的分离效率。最小分离粒径可达1μm。如图2所示，本实施例中组合叶轮6的轮盘最外圆处的直径是3m，组合叶轮6的转数1450转/分（参照常用离心风机的转数1450转/分）。 设现有技术中旋风分离器的分离圆筒的内径（类似于本实施例中的分离圆筒7）也为3m，旋风分离器进口处气体的流速一般选18m/s至23m/s，本实施例选20m/s。 由上述参数计算，在本实施例中处于分离圆筒7的内径3m圆环处的一颗固体颗粒所受的离心力为34551.20mpN（mp—固体颗粒的质量；N—牛顿，力的单位）。在旋风分离器中，处于相同圆环处的一颗固体颗粒所受的离心力为266.67mpN。两力对比，本实施例中固体颗粒所受到的离心力是现有技术旋风分离器中的129.56倍。下面具体论述本发明的工作原理：
当所述组合叶轮6在旋转轴4的带动下做定轴转动时，含尘气体经含尘气体进口3被自动吸入一体机，然后转轴线方向进入组合叶轮6环形进口，再转向径向进入组合叶轮6的径向叶道。含尘气体在叶道内的叶片推动下围绕轴线做旋转运动，含尘气体在叶片作用下获得动能。同时含尘气体也在叶道内，相对于组合叶轮6产生径向离心运动，这一过程类似于离心风机叶轮内的气体运动。含尘气体流出组合叶轮6的径向叶道后，在组合叶轮6轮盘的最外圆又转轴线方向流向由组合叶轮6中圆锥筒与分离圆筒7构成的圆台状环形空间，这一环形空间又被轴向导叶片分割成数个独立均等的扇形柱空间。含尘气体在数个扇形柱空间内继续随组合叶轮6做同步定轴转动，同时又相对于组合叶轮6做轴向向下相对运动。含尘气体相对于分离圆筒7而言在做螺旋线运动。含尘气体在做螺旋运动的过程中，气体中携带的固体颗粒在离心力的作用下，克服气体的流动阻力向分离圆筒7的内壁面运动，根据旋风分离器的理论，固体颗粒一旦达到分离圆筒7的内壁面就视为被分离出气体。本发明的一体机与旋风分离器相比，最大的不同之处是气体中的固体颗粒在组合叶轮6内所受的离心力是旋风分离器的129.56倍（如上所述在同直径圆环处）。这就是一体机为什么能够有效地分离气体中1μm固体颗粒的原理所在（理论分析结论）。虽然离心力增加百倍，但除尘系统的能耗几乎没有增加，因为这一离心力的增加仅仅是除尘系统中原有离心风机必须付出的能耗。一体机巧妙地利用离心风机中气体的转动动能在轴向多运行了一段路程。所述一体机的离心力与传统旋风分离器相比较提高百倍，只是在一体机的转数与常用离心风机的转数（1450转/分）取相同值的条件下，根据理论计算所得。如果提高一体机的转数，其离心力还可提高。当含尘气体轴向流出组合叶轮6以后，在分离圆筒7内和扩散锥筒9内继续做螺旋运动，这一螺旋运动过程类似于旋风分离器中的螺旋运动。气体中携带的固体颗粒在螺旋运动所产生的离心力作用下，克服气体的流动阻力向分离圆筒7的内壁面和扩散锥筒9的内壁面运动，气体中的固体颗粒继续被分离。当气体到达反射屏10的上端面位置开始反向180度，围绕中心出气管8的外表面做向上的螺旋运动。此处含尘气体中的固体颗粒绝大部分已经被分离。净化后的气体螺旋向上到达中心出气管8的上端口时反向180度进入中心出气管8的内腔，从净化气体出口12流出一体机。到达分离圆筒7和扩散锥筒9内壁面的固体颗粒在重力和螺旋气流的带动下沿其内壁面向下运动，通过反射屏10下端口与扩散锥筒9的内壁面之间的环形缝隙B运动到灰斗11腔内。灰斗11腔内的粉尘颗粒间歇地通过粉尘排出口13排除一体机。进入灰斗11腔内的气体，又通过反射屏10上端口与中心出气管8外壁面之间的环形缝隙A流出，与向上的螺旋气流一同进入中心出气管8排除一体机。
Claims (4)
1.组合旋转气固分离与排气一体机，由转子系统和定子系统构成，转子系统在定子系统内转动，其特征在于：所述的转子系统包括旋转轴和安装在其上的组合叶轮，叶轮包括有轮盘，和沿轮盘圆周分布的径向叶片，轮盘边缘还设有与轮盘面垂直的轴向叶片，轴向叶片围成的空间中部设置有圆锥筒，所述的定子系统为密封的筒状结构，从上至下依次为盖板，分离圆筒，扩散锥筒，灰斗，在定子系统中间设有中心出气管，在扩散锥筒内设有反射屏；所述的圆锥筒形状为上端直径大下端直径小，圆锥筒的大直径端与组合叶轮的轮盘最大外圆处连为一体且有圆弧过渡，圆锥筒的外壁面还与轴向叶片连为一体，圆锥筒与分离圆筒为同轴线安装，两者构成圆台状环形空间，这一环形空间又被轴向叶片分割成数个扇形柱空间；整个转子系统与定子系统保持同轴线安装，并保持有间隙。
2.根据权利要求1所述的组合旋转气固分离与排气一体机，其特征在于：所述的组合叶轮设置于一体机的最上端，组合叶轮的环口与定子系统之间有旋转密封组件，组合叶轮的径向叶片和轴向叶片连为一体构成组合叶片，多个组合叶片沿组合叶轮的轮盘圆周均布。
3.根据权利要求1所述的组合旋转气固分离与排气一体机，其特征在于：所述的反射屏形状是圆锥筒状，其下端大直径口与扩散锥筒最下端的大口径处的内壁面之间有一环形缝隙，反射屏与扩散锥筒为同轴线安装，反射屏上端小直径口与中心出气管的外壁面之间也有一环形缝隙，反射屏与中心出气管也为同轴线安装。
4.根据权利要求1所述的组合旋转气固分离与排气一体机，其特征在于：所述转子系统中与气体接触的壁面的相关部件中设置有冷却夹套，其冷却剂为气体或液体。
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