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引言
伴随人类社会发展和进步，大家对生活质量和本身健康越来越重视，对空气质量也越来越关注。然而大家在生产和生活中，不停向大气中排放多种多样污染物质，使大气遭到了严重污染，有些地域环境质量不停恶化，甚至影响人类生存。在大气污染物中粉尘污染占关键部分，可吸入颗粒物过多进入人体，会威胁大家健康。所以防治粉尘污染、保护大气环境是刻不容缓关键任务[1]。
除尘器是大气污染控制应用最多设备，其设计制造是否优良，应用维护是否适当直接影响投资费用、除尘效果、运行作业率。所以掌握除尘器工作机理，精心设计、制造和维护管理除尘器，对搞好环境保护工作含相关键作用[2]。
工业中现在常见除尘器可分为：机械式除尘器、电除尘器、袋式除尘器、湿式除尘器等。
机械式除尘器包含重力沉降室、惯性除尘器、旋风除尘器等。重力沉降室是经过重力作用使尘粒从气流中沉降分离除尘装置，关键用于高效除尘预除尘装置，除去大于40μm以上粒子。惯性除尘器是借助尘粒本身惯性力作用使其和气流分离，关键用于净化密度和粒径较大金属或矿物性粉尘。旋风除尘器是利用旋转气流产生离心力使尘粒从气流中分离装置，多用作小型燃煤锅炉消烟除尘和多级除尘、预除尘设备[12]。
此次设计为旋风除尘器设计，设计目标在于设计出符合要求能够净化指定环境空气除尘设备，为环境保护工作贡献一份力量。设计时努力争取层次分明、图文结合、内容具体。此设计关键由筒体、锥体、进气管、排气管、排灰口设计计算和风机选择计算等组成，在取得符合条件性能同时努力争取达成加工工艺简单、经济美观、维护方便等特点。
第一章 旋风除尘器除尘机理及性能
1.1 旋风除尘器基础工作原理
1.1.1 旋风除尘器结构
旋风除尘器结构图2-1所表示，当含尘气体由进气管进入旋风除尘器时，气流将由直线运动转变为圆周运动，旋转气流绝大部分延器壁呈螺旋形向下，朝椎体流动。通常称为外旋气流，含尘气体在旋转过程中产生离心力，将重度大于气体尘粒甩向器壁。尘粒一旦和器壁接触，便失去惯性力而靠入口速度动量和向下重力延壁面下落，进入排灰管。旋转下降外旋气流在抵达椎体时，因椎体形状收缩而向除尘器中心靠拢。依据“旋转矩”不变原理，其切向速度不停增加。当气流抵达椎体下端某一位置时，即以一样旋转方向从旋风除尘器中部，由下反转而上，继续做螺旋运动，即内旋气流。最终净化气体经排气管排除旋风除尘器外，一部分未被捕集尘粒也由此遗失。
1—排气管2—顶盖3—排灰管
4—圆锥体5—圆筒体6—进气管
图1—1 旋风除尘器
1.1.2用途及压力分布
用途：
旋风除尘器适适用于多种机械加工，冶金建材，矿山采掘粉尘粗、中级净化。通常见于捕集5-15微米以上颗粒．除尘效率可达80％以上。机械五金、铸造炉窖、家俱木业、机械电子、化工涂料、冶金建材、矿山采掘等粉尘旋风分离、中央集尘净化和原材料回收设备。
旋风除尘器内压力分布
通常旋风除尘器内压力分布图2—2所表示。依据对旋风除尘器工作原理、结构形式、尺寸和气体温度、湿度和压力等分析和试验测试，其压力损失关键影响原因可归纳以下：
（1）结构形式影响
旋风除尘器结构形式相同或几何图形相同，则旋风除尘器阻力系数ζ相同。若进口流速相同，压力损失基础不变。
（2）进口风量影响
压力损失和进口速度平方成正比，所以进口风量较大时，压力损失随之增大。
（3）除尘器尺寸影响
除尘器尺寸对压力损失影响较大，表现为进口面积增大，排气管直径减小，而压力损失随之增大，随圆筒和椎体部分长度增加而减小。
（4）气体密度改变影响
压力损失随气体密度增大而增大。因为气体密度改变和T、P相关，换句话说，压力损失随气体温度或压力增大而增大。
（5）含尘气体浓度大小影响
试验表明，含尘气体浓度增高时，压力损失随之下降，这是因为旋转气流和尘粒之间摩擦作用使旋转速度降低所致。
（6）除尘器内部障碍物影响
旋风除尘器内部叶片、突起、和支撑物等障碍物能使气流旋转速度降低。不过，除尘器内部粗糙却使压力损失很大。
1.2 旋风除尘器性能及其影响原因
1.2.1旋风除尘器技术性能
（1）处理气体流量Q
处理气体流量Q是经过除尘设备含尘气体流量，除尘器流量为给定值，通常以体积流量表示。高温气体和不是一个大气压情况时必需把流量换算到标准状态，其体积m3/h或m3/min表示。
（2）压力损失
旋风除尘器压力损失△p是指含尘气体经过除尘器阻力，是进出口静压之差，是除尘器关键性能之一。其值当然越小越好，因风机功率几乎和它成正比。除尘器压力损失和管道、风罩等压力损失和除尘器气体流量为选择风机依据。
压力损失包含以下多个方面：
①进气管内摩擦损失；
②气体进入旋风除尘器内，因膨胀或压缩而造成能量损失；
③和容器壁摩擦所造成能量损失；
④气体因旋转而产生能量消耗；
⑤排气管内摩擦损失，和由旋转气体转为直线气体造成能量损失；
⑥排气管内气体旋转时动能转换为静压能所造成损失等。
（3）除尘效率
通常指额定负压总效率和分级效率，但因为工业设备常常是在负荷下运行，有些场所把70%负荷下除尘总效率和分级效率作为判别除尘性能一项指标。从额定负荷下总效率和70%负荷下总效率对比中，能够看出除尘器负荷适应性。
分级效率是说明除尘器分离能力一个比较确切指标。对同一灰尘粒径分级效率越高，除尘效果越好。在工业测试中，通常把3μm、5μm和10μm灰尘分级效率作为衡量旋风除尘器分离能力一个依据。
旋风除尘器分割粒径和在某程度上也说明除尘器除尘效率高低。
（4）耗钢量
旋风除尘器耗钢量是每小时处理1000m3气体除尘器本身所需要钢材数量。在除尘效率靠近或相等时，耗钢量越小越好。处理气量为3000~1m3/h旋风除尘器耗钢量通常为35~50kg/(1000m3)；小于3000m3/h气体流量阻力除尘器耗钢量，通常全部在100kg/(1000m3/h)以上；处理气体流量大于等于0m3/h时，所配旋风除尘器分两种情况，，一是多筒式旋风结构，包含进出口组合接管、灰斗和支架耗钢量全部很高为90~160kg/(1000m3/h)。而双极旋风除尘器，因为没有灰斗和支架，耗钢量通常全部很低，约40~60kg/(1000m3/h)。
（5）使用寿命
使用寿命和旋风除尘器本身结构特点、耐磨损方法和操作条件相关。延长使用寿命主动方法是：合理组织除尘器内部气流并在内部设抗磨内衬。
1.2.2 影响旋风除尘器性能关键原因
（1）旋风除尘器几何尺寸影响
在旋风除尘器几何尺寸中，以旋风除尘器直径、气体进口和排气管形状和大小为最关键影响原因。
①通常，旋风除尘器直径越小，粉尘所受离心力越大，旋风除尘器除尘效率也就越高。但过小筒体直径会造成较大直径颗粒有可能反弹至中心气流而被带走，使除尘效率降低。另外，筒体太小对于粘性物料。因轻易引发堵塞。所以，通常筒体直径不宜小于50~75mm；大型化以后己出现筒径大于20O0mm大型旋风除尘器。
②较高除尘效率旋风除尘器全部有适宜长度百分比。它不仅使进入筒体尘粒停留时间增加，有利于分离，且能使还未抵达排气管颗粒，有更多机会从旋流关键中分离出来，降低二次夹带，以提升除尘效率。足够长旋风除尘器，还可避免旋转气流对灰斗顶部磨损。不过过长旋风除尘器，会占据较大空间，即从排气管下端至旋风除尘器自然旋转顶端距离。可用下式计算:
式中 —旋风除尘器筒体长度，m;
D—旋风除尘器筒体直径，m;
b—除尘器入口宽度，m;
—除尘器出口直径，m。
通常，常取旋风除尘器圆筒段高度H=(l.5~2.0)D。旋风除尘器圆锥体能够在较短轴向距离内将外旋流转变为内旋流，所以节省了空间和材料。除尘器圆锥体作用是将已分离出来粉尘微粒集中于旋风除尘器中心，方便将其排入灰斗中。当锥体高度一定，而锥体角度较大时，因为气流旋流半径很快变小，很轻易造成关键气流和器壁撞击，使沿锥壁旋转而下尘粒被内旋流所带走，影响除尘效率。所以，半锥角a不宜过大。设计时常取a为13°~15°。
③旋风除尘器进口有两种关键进口形式：轴向进口和切向进口。切向进口为最一般一个进口形式，制造简单，用比较多。这种形式进口旋风除尘器外形尺寸紧凑。在切向进口中螺旋面进口为气流经过螺旋而进口，这种进口有利于气流向下做倾斜螺旋运动同时也能够避免相邻两螺旋圈气流相互干扰。
渐开线（蜗壳形）进口进入筒体气流宽度逐步变窄，能够降低气流对筒体内气流撞击和干扰，是颗粒向壁移动距离减小，而且加大了进口气体和排气管距离，降低气流短路机会，所以提升除尘效率。这种进口处理气量大，压力损失小，是比较理想一个进口形式。
轴向进口是最理想一个进口形式，它能够最大程度避免进口气体和旋转气流之间干扰，以提升除尘效率。但因气体均匀分布关键是叶片形状和数量，不然靠近中心处分离效果很差。轴向进口常见于多管式旋风除尘器和平置式旋风除尘器。
进口管能够制成矩形和圆形两种形式。因为圆形进口管和旋风除尘器器壁只有一点相切，而矩形进口管整个高度均和向壁相切，故通常多采取后者。矩形宽度和高度百分比要合适，因为宽度越小，除尘效率越高，但过长而窄进口也是不利，通常矩形进口管高和宽之比为2~4。
④排气管常风排气管有两种形式：一个是下端收缩式；另一个是直筒式。在设计分离较细粉尘旋风除尘器时，可考虑设计为排气管下端收缩式。排气管直径越小，则旋风除尘器效率越高，压力损失也越大；反之，除尘器效率越低，压力损失也越小。
在旋风除尘器设计时，需控制排气管和筒径之比在一定范围内。因为气体在排气管内猛烈旋转，将排气管末端制成蜗壳形式能够降低能量损失，这在设计中已被采取。
⑤灰斗是旋风除尘器设计中不可忽略部分，因为在除尘器锥度处气流处于湍流状态，而粉尘也由此排除轻易出现二次夹带机会，假如设计不妥，造成灰斗漏气，就会使粉尘二次夹带飞扬加剧，影响除尘效率。
（2）气体参数对除尘器性能影响
气体运行参数对性能影响有以下多个方面：
①气体流量影响
气体流量或说除尘器入口气体流速对除尘器性能压力损失、除尘效率全部有很大影响。从理论上来说，旋风除尘器压力损失和气体流量平方成正比，所以也和入口风速平方成正比（和实际有一定偏差）。
入口流速增加，能增加尘粒在运动中离心力，尘粒易于分离，除尘效率提升。除尘效率随入口流速平方根而改变，不过当入口速度超出临界值时，紊流影响就比分离作用增加愈加快，以致除尘效率随入口风速增加指数小于1；若流速深入增加，除尘效率反而降低。所以，旋风除尘器入口风速宜选18~23m/s。
②气体含尘浓度影响
气体含尘浓度对旋风除尘器除尘效率和压力损失全部有影响。试验结果表明，压力损失随含尘负荷增加而减小，这是因为颈向运动大量尘粒拖拽了大量空气，粉尘从速度较高气流智能向外运动到速度较低气流中时，把能量传输给涡旋气流外层，较少其需要压力，从而降低压力降。
因为含尘浓度提升，粉尘凝集和团聚性能提升，所以除尘效率有显著提升，不过提升速度比含尘浓度增加速度要慢得多，所以，排出气体含尘浓度总是伴随入口处粉尘浓度增加而增加。
③气体含湿量影响
气体含湿量对旋风除尘器工况有很大影响。比如，分速度很高而黏着性很小粉尘（小于10μm颗粒含量为30%~40%，含湿量为1%）气体在旋风除尘器中净化不好；若细颗粒量不变，含湿量增至5%~10%时，那么颗粒在旋风除尘器内相互粘结成比较大颗粒，这些颗粒被猛烈冲击在器壁上，气体净化将大有改善。
④气体密度、粘度压力、温度对旋风除尘器性能影响
气体密度越大，除尘效率下降，不过，气体密度和固体密度相比几乎能够忽略。所以，其对除尘效率影响较之固体密度来说，也是能够忽略不计。通常温度越高，旋风除尘器压力损失越小；气体粘度影响在考虑旋风除尘器压力损失时常忽略不计。但从临界粒径计算公式中知道，临界粒径和粘度平方根成正比。所以，除尘效率时伴随气体粘度增加而降低。因为温度升高，气体粘度增加，当进气口气速等条件保持不变时，除尘效率略有降低。
气体流量为常数时，粘度对除尘效率影响可按下式进行近似计算。
式中 、—a、b条件下总除尘效率，%；
、—a、b条件下气体粘度，kg.s/。
（3）粉尘物理性质对除尘器影响
①粒径对除尘性能影响及较大粒径颗粒在旋风除尘器内会产生较大离心力，有利于分离。所以大颗粒所占有百分数越大，总除尘效率越高。
②粉尘密度对除尘器性能影响及粉尘密度
粉尘密度对除尘效率有着关键影响。临界粒径和颗粒密度平方根成反比，密度越大，和越小，除尘效率也越高。但粉尘密度对压力损失影响很小，设计计算中能够忽略不计。
影响旋风除尘器性能关键原因，除上述外，除尘器内部粗糙度也会影响旋风除尘器性能。浓缩在壁面周围粉尘微粒，会因粗糙表面引发旋流，使部分粉尘微粒被抛入上升气流，进入排气管，降低了除尘效率。所以，在旋风除尘器设计中应避免有没有打光焊缝、粗糙法兰连接点等。旋风除尘器性能和各影响原因关系表1—1所列
表1—1旋风除尘器性能和各影响原因关系
改变原因
性能趋向
投资趋向
流体阻力
除尘效率
烟尘性质
烟尘密度增大
几乎不变
提升
（磨损）增加
烟尘密度增大
几乎不变
提升
（磨损）增加
烟气含尘浓度增加
几乎不变
略提升
（磨损）增加
烟气温度增高
降低
提升
增加
结构尺寸
圆筒体直径增大
降低
降低
增加
圆筒体加长
稍降低
提升
增加
圆锥体加长
降低
提升
增加
入口面积增大
降低
降低
排气管直径增加
降低
降低
排气管插入长度增加
增大
提升
增加
运行情况
入口气流速度增大
增大
提升
降低
灰斗气密性降低
稍增大
大大降低
内壁粗糙度增加
增大
降低
第二章 旋风除尘器设计
2.1旋风除尘器各部分尺寸确实定
2.1.1形式选择
依据国家要求粉尘排放标准、粉尘性质、许可阻力和制造条件、经济性合理选择旋风除尘器形式，选通用型旋风除尘器。
2.1.2 确定进口风速（首次设定）
依据推荐取Vj=18/s
确定旋风除尘器尺寸
（1）进气口面积A确实定
进气口截面通常为长方形，尺寸为a和b，依据处理气量Q和进气速度可得
=4000/(3600×18)
=0.062
取a=2.5b,则a=0.25m，b=0.10m
（2）筒体直径确实定
通常旋风除尘器直径越小，气流旋转半径越小，粉尘颗粒所受离心力越大，除尘效率越高。不过过小筒体直径，和排气管太近，可能造成大直径颗粒反弹至中心被气流带走，使除尘效率降低，另外还可能引发筒体内堵塞。所以，通常筒体直径不宜小于50~75mm。
因为旋风除尘器以筒体直径D为其规格标准，所以，通常取整数。
取
b=0.2D,则D=500mm,现取D=500mm。
(3)实际风速Vc
Vc=Q/(3600×ab)=44.44m/s
旋风除尘器强度校核
已知处理烟气温度T＝150℃，查表或用公式可得常压下烟气密度ρg＝0.9kg/m3，动力黏度μ＝2.4×10－5 Pa·s。
由筛分理论，其粉尘分割径为
除尘效率计算
（1）分级除尘效率
由《除尘器》图1—6查得旋风除尘器分级除尘效率公式为
式中dp——取平均粒径。
所以，各分级粒径除尘效率为：
=0.312
=0.607
=0.917
=0.996
=0.999
=1
（2）总除尘效率
• 因ηT<90%，故不满足设计要求。
2.1.3 确定进口风速（验证校核）
依据推荐取Vj=18/s
确定旋风除尘器尺寸
（1）进气口面积A确实定
进气口截面通常为长方形，尺寸为a和b，依据处理气量Q和进气速度可得
=4000/(3600×18)
=0.062
取a=2.5b,则a=0.25m，b=0.10m
（2）筒体直径确实定
通常旋风除尘器直径越小，气流旋转半径越小，粉尘颗粒所受离心力越大，除尘效率越高。不过过小筒体直径，和排气管太近，可能造成大直径颗粒反弹至中心被气流带走，使除尘效率降低，另外还可能引发筒体内堵塞。所以，通常筒体直径不宜小于50~75mm。
因为旋风除尘器以筒体直径D为其规格标准，所以，通常取整数。
取
则D=800mm,现取D=800mm。
(3)实际风速Vc
Vc=Q/(3600×ab)=44.44m/s
旋风除尘器强度校核
已知处理烟气温度T＝150℃，查表或用公式可得常压下烟气密度ρg＝0.9kg/m3，动力黏度μ＝2.4×10－5 Pa·s。
由筛分理论，其粉尘分割径为
除尘效率计算
（1）分级除尘效率
由《除尘器》图1—6查得旋风除尘器分级除尘效率公式为
式中dp—取平均粒径。
所以，各分级粒径除尘效率为：
=0.377
=0.693
=0.957
=0.999
=0.999
=1
（2）总除尘效率
• 因ηT>90%，故满足设计要求。
（3）旋风除尘器筒体长度确实定
L=D=0. 8m
(4)锥体长度确实定
取H =2D
=2×800
=1600mm
（5）排气管直径确实定
d=0.5D=0.4m
(6)排尘口直径确实定
Dd=0.25D=0.2m
2.2法兰画法
1) 法兰材料确实定
2) 采取角钢，查手册：选不等边角钢40×25×4
3) 还可选等边角钢：36×4
4) 螺栓孔距确定
5) 需满足JB/ZQ4248-86。如螺栓直径为8mm，孔距大于28mm。对于旋风除尘器法兰，总满足。故可视法兰尺寸而定，见法兰设计图
6) 孔径确定
7) 采取通孔。10~15mm
8) 螺栓直径、长度及螺纹长度确实定（C级全螺纹）
9) 考虑时间关系，不作受力分析。螺栓直径视孔径而定，GB5277-85。选粗装配。如孔径为10mm，螺栓直径8mm，孔径12，螺栓直径10mm。
10) 螺栓长度：考虑角钢厚度、密封胶垫、垫片和螺母厚度，取l＝40mm
11) 选型结果：GB5781-86-M10×40
第三章 旋风除尘器安装和使用维护
3.1 安装
(1)起重运输时应将绳索系于外圆筒内中部法兰盘上.其它部位不可作受力点.
(2)除尘器就依据选择风量及阻力配置对应通风机.并应将Y型或X型除尘器分别安装在通风机后面或前面.
(3)除尘器排尘口下方应安装集尘器,其容积依据除尘器及使用情况选择.
(4)排尘口和集尘器间应安装连接管道,管道长度不得短于排尘口内径5倍.并在管道间安装有排尘阀门(如:插板阀,自动排尘阀或旋转排尘阀等）.
(5)除尘器安装在支架上应确保坚固性和稳定性.
(6)安装妥善后应将通风机开启,试验除尘器及其它管道密封性.如有漏风现象应立即修理.
3.2 使用.
(1)通风系统工作时应保持除尘器进口风速在12-17M/S范围内.
(2)除尘器开始浓度不应大于1.7g/m3.看成第一级除尘时,开始浓度不应大于40g/m3.
(3)进入除尘器灰尘应干燥,含水量小于4%,不得有尘气分溜物.
(4)进入除尘器灰尘应尤其注意预防爆炸.若为可爆粉尘为安全计应在通风系统中安装消防管道及安全阀.
(5)使用时应注意除尘器及管道密封性.微量渗漏也会显著地降低除尘效率.
(6)排尘口下连接管道内积尘面离排尘口距离大于排尘口直径5倍.
(7)使用中常常注意除尘器阻力改变,若阻力过大时应予分解清洗.
3.3 维护
(1)常常操持除尘器表面清洁,如有油化脱落现象应予补漆.
(2)除尘器应依据使用场所和灰尘性质及浓度确定清洗周期.
(3)清洗时首先应按以下步骤将除尘器进行分解.
a,将除尘器和其相连接管道拆开.
b,将除尘器从支架上吊装上来.
c,将蜗形室（X型）,下部锥筒从除尘器上部卸下.
(4)能够用清水,碱水或压缩空气清洗,也可对不易清洗污垢用刷擦洗.
(5)清洗洁净后用清水洗掉残留含碱水迹.
(6)装配及安装方法按上述次序相反进行.
3.4 故障处理
故障现象
原 因 分 析
排 除 方 法
壳体纵向磨损
(1)壳体过分弯曲而不圆，造成盛况凸块
(2)内部焊缝未打磨光滑
(3)焊接金属和基底金属硬度差异较大，邻近焊接处金属因退火而软于基体金属
(1)矫正消除凸形
(2)打磨光滑，且和壳内壁表面一样光滑
(3)尽可能减小硬度差异
壳体横向磨损
(1)壳体连接处内表面不光滑或不一样心
(2)不一样金属硬度差异
(1)处理连接处内表面，保持光滑和同心度
(2)降低硬度差异
圆锥体下部和排尘口磨损，排尘不良
(1)倒流入灰斗气体增至临界点
(2)排灰口堵塞或灰斗粉尘装得太满
(1)单筒器，预防气体漏入灰斗或料腿部；对于多管器，应降低气体再循环
(2)疏通堵塞，预防灰斗中粉尘沉积到排尘口高度
气体入口磨损
原因同壳体磨损
(1)对于切向收缩入口式除尘器，消除方法同壳体预防方法
(2)对于平直扩散入口式除尘器，可在易磨损部位设置和内表面平齐 且能更换磨板
撩拨管磨损
排尘口堵塞或灰斗中积灰过满
疏通堵塞， 降低灰斗积灰高度
壁面积灰严重
(1)壁面表面不光滑
(2)微细尘粒含量过多
(3)气体中水气冷凝，出现结露或结块
(1)处理内表面
(2)定时导入含粗粒子气体擦清壁面；定时将大气或压缩空气引进灰 斗，使气体从灰斗倒流一段时间，清理壁面，保持切向速度15m/s以上
(3)隔热保温或对器壁加热
排尘口堵塞
(1)大块物料式杂物进入
(2)灰斗内粉尘堆积过多
(1)立即检验、消除
(2)采取人工或机械方法保持排尘口清洁，以使排灰通畅
进气和排气通道堵塞
进气管内侧和排气管内外侧积灰
检验压力改变，定时吹灰处理或利用清灰装置清除积灰
排气烟色恶化而压差增大
(1)含尘气体性状改变或温度降低
(2)停止时烟尘未置换根本，造成筒体尘灰堆积
(1)提升温度，改善气体性质
(2)消除积灰
排气烟色恶化而压差减小
(1)内筒被粉尘磨损而穿孔，使气体发生旁路
(2)上部管板和内筒密封件气密性恶化
(3)外筒被粉尘磨损，或焊接不良使外筒磨损穿孔
(4)多管除尘器下部管板和外筒密封件气密性恶化
(5)灰斗下端或法兰处气密性不良，有空气由该处漏入
(6)卸灰阀不严，有漏风现象
(1)修补穿孔
(2)调整式更换密封件
(3)修补
(4)调整或更换盘根
(5)检验并处理，保持严密
(6)检修或更换卸灰
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