生活垃圾处理旋风分离器设计开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

生活垃圾处理旋风分离器设计

垃圾的分类回收，不仅可以减少环境污染，还实现资源的回收利用。随着人们对城市居住环境要求的日益提高，鉴于垃圾的分选工作难度较大，因此，使用合适的分选设备显得非常必要，旋风分离器在垃圾分选领域的应用，可以大大提高垃圾分选的效率^[1]。

旋风分离器是一种适用于液固分离、气固分离的分离装置，主要是利用气流的高速旋转运动来产生较大的离心力，以便能够让液滴或者固体颗粒向外壁面抛甩，进而实现分离^[2]。旋风分离器作为一种优良的分选设备，具有成本低和耐腐蚀性能，广泛应用于工业生产领域。

1 旋风分离器国内外研究现状

国内外的学者分别从旋风分离器的入口、圆柱段高度、排气管方面对旋风分离器进行设计研究。

Winfield D等^[3]研究发现180对称入口能够改善旋风分离器内流场的不对称性，提高其分离率。袁惠新等人^[4]分析了矩形入口不同对旋风分离器的影响。在相同的情况下，在入口高宽比为 3.5 处达到最大值，入口高宽比为 4.5 时分离效率最高。入口具有截面角可以减小芯管底部的短路流量，这对改善旋风分离器的分离效率具有重要意义^[5]。有学者^[6]发现在进气量相同的条件下，双进口型的切向速度增大，径向速度明显减小。Weiwen Wang^[7]发现CFC具有更高的收集效率、更低的压降、更强的操作灵活性和更少的操作灵活性随规模的变化。Marek Wasilewski^[8]认为旋风分离器的入口面积是影响进口管道内压降数值的关键因素。Eu值差异最大在β=90时增加了5700%。对于α=90，Eu增加了4200%以上。

陈启东等^[9]对不同高度圆柱段的4种Stairmand型旋风分离器模型进行了分析。结果表明: 增加圆柱段高度，压降显著降低，收集效率略有提高。满林香^[10]分析了升气管直径、分离空间长度、进口截面宽度对油气分离性能的影响。筒体圆柱段长度越长，自然旋风长也会逐渐增加，进而导致摩擦损失增加，但是摩擦损失的增大又会降低气流的旋转强度，进而减少气流在排气管处的损失^[11]。Dzmitry Misiulia^[12]研究了一种工业高效旋风分离器。雷诺应力模型模拟出口涡旋和径向弯曲对涡流模式和旋流性能的影响已经被揭露了。Zhiquan, Zuo^[13]得出结论：只有位于尘斗入口上方的锥体才能避免从尘斗中取出颗粒的向上流动，而是从灰尘中吹出料斗可以避免这种情况，提高分离效率。

目前，许乔奇等^[14]改进了检测仪器，使之在高压工况下直接检测颗粒物浓度和粒径分布，并提出测量结果修正方法。刘秀林等^[15]认为相同条件下，颗粒的等效沉降速度粒径相同，则其分离效率相等。王卫兵等^[16]通过观察不同颗粒粒径的电石渣颗粒的运动轨迹，可知排气管结构的改变并未影响分离腔的原始涡流结构．Seung-Yoon Noh^[17]认为，与现有的切向入口旋流器相比，MSEC增加了收集效率，表现出高效的性能，并能显著降低压降。

2 生活垃圾处理旋风分离器设计

2.1 生活垃圾处理工艺系统

目前生活垃圾处理过程中产生的二恶英对环境存在极大的危害二恶英(Dioxin)，又称二氧杂芑，是一种无色无味、毒性严重的脂溶性物质，大气环境中的二恶英90%来源于城市和工业垃圾焚烧^[18]。

本文设计研究的生活垃圾处理工艺系统在实际生活垃圾处理过程中，从回转窑焚烧炉过来的高温固废废渣和含尘气体进入旋风分离器，对含尘气体进行进行初次分离，使高温固废渣从旋风分离器的底部排渣口排出，含尘气体进入旋风除尘器，经三级旋风除尘器进行二次分离除尘，被分离的粉尘后经旋风除尘器底部的排料腿进入旋风分离器的底部并随废渣排出，净化后的高温气体进入燃烧室在 1000℃ 高温作用下除去二噁英，后续用于发电的工艺气体排放大气时满足环保要求^[19]。

2.2 旋风分离器结构形式分类及性能特点

旋风分离器的结构如图1所示，一般由筒体、升气管、圆锥体、中心筒及排料口组成^[20]。

图1旋风分离器结构简图

（1）入口结构

旋风式分离器的入口结构可以避免入口的气流冲刷外壁，目前有以下四种类型的入口结构如图2所示^[21]。

（2）排料口结构

旋风分离器排料口结构的设计，对于旋风分离器是否能处于良好的工作状态，有很大影响。

（3）升气管结构

升气管与切割粒径和压力损失两项密切相关，常常被认为是旋风分离器的核心。

（4）锥体结构

旋风分离器的锥体结构主要由主锥体段，灰斗的锥体段，和某些升气管的设计组成。

图2 旋风分离器入口结构

2.3 旋风分离器结构参数设计

旋风分离器结构参数如表1所示^[22]。

表1 旋风分离器结构参数

根据处理风量计算旋风分离器的规格：

式中，F为旋风分离器入口面积，m²；Q为处理风量，m³/h；V为入口风速，m/s。

旋风分离器的长度对压降和效率有着影响，因此确定旋风分离器长度^[22-24]时要在两者之间取个折衷：

式中，A_x和A_in分别是排气口和入口的横截面积，m²。

分离效率是评价旋风分离器的重要依据，对于旋风分离器，常用净化效率Ec 作为总效率^[25]来衡量分离性能，即：

式中，C_o，C_i-进气、排气中的颗粒含量。

3 旋风分离器设计、制造检验

旋风分离器设计执行的国家标准主要有GB150-2011《压力容器》、SH3531-2003、70B216-2005和《压力容器安全技术监察规程》的有关规定。在制造、检验和验收时还应遵循NB/T47013《承压设备无损检测》和《隔热耐磨衬里技术规范》SH3531的有关要求^[26]。

4总结与展望

旋风分离器广泛应用于工业生产领域，旋风分离器因其具有的结构简单、操作方便、适用范围广等优点，被广泛应用于化工、采矿、石化行业等。并且随着垃圾分类规定的普及和工业生产中固液分离的需求，会使得旋风分离器的设计工艺更加完善。

目前，旋风分离器的应用技术经过多年的发展已经相对成熟，但是对多级旋风分离器的研究开发还有很长的路要走，在较低压降下提高旋风分离器的分离效率这些都有望通过科研人员的不断努力使其更加完善。

参考文献：

[1] 赵守礼. 探讨使用旋风分离器进行垃圾初级分选[J]. 中小企业管理与科技，2015(02)：208-209.

[2] 孔祥功，梁家豪，孔祥领，等. 导流板对旋风分离器内非轴对称流动的影响[J]. 化工机械，2015，42（02）：259～265.

[3] 郝睿源，邓博韬，胡紫维，等. 炼油装置旋风分离器结构的ＣＦＤ优化[J]. 新技术新工艺，2019（09)：38～41.

[4] 钟欣，杜浩宇，朱诗杰，等.不同数量并联微旋风分离器分离性能影响研究[J]. 高校化学工程学报，2019，33（03）：548～556.

[5] 袁惠新，石斌磊，付双成，朱星茼，贾俊贤. 旋风分离器矩形入口高宽比对流场及性能的影响研究[J]. 流体机械，2019，47(05):39-43.

[6] 李振才，刘雪东，李欣疏，李柏贤. 直切单双进口旋风分离器流场及颗粒分离特性的数值模拟[J]. 中国粉体技术，2016，22(04):13-18.

[7] Weiwen Wang，Pan Zhang，Lixin Wang，et al. Structure and performance of the circumfluent cyclone[J]. Powder Technology，2010，200(3).

[8] Marek Wasilewski，Lakhbir Singh Brar. Effect of the inlet duct angle on the performance of cyclone separators[J]. Separation and Purification Technology，2019，213.

[9] 陈启东，雷英庶，张斌.圆柱段高度对Stairmand型旋风分离器性能的影响[J].化工机械, 2019, 46(05):531-536.

[10] 满林香. 基于STAR-CCM 的旋风分离器油气分离性能数值模拟分析[J]. 机电信息，2019（26）：104～105.

[11]郝睿源,邓博韬,胡紫维,王立龙.炼油装置旋风分离器结构的CFD优化[J].新技术新工艺,2019(09):38-41.

[12]Dzmitry Misiulia，Sergiy Antonyuk，Anders Gustav Andersson，et al. High-efficiency industrial cyclone separator: A CFD study[J].PowderTechnology，2019.

[13] Zhiquan, Zuo， Qidong Chen. The Structure Optimization Design of Anti Re-entrainment Cone in Cyclone Separator[J]. Atlantis Press，2015:491-494.

[14] 刘震，姬忠礼，吴小林，等. 输气管道内颗粒物检测及分离器性能评价[J]. 化工机械，2015，35（01）：47～51.

[15] 刘秀林，陈建义，陈功. 基于等效沉降速度粒径的旋风分离器性能表征研究[J]. 炼油技术与工程，2017，47（04）：42～47.

[16] 王卫兵，孙亚权，冯静安，等. 缝隙式排气管对旋风分离器的性能影响[J]. 天津大学学报(自然科学与工程技术版)，2019，52（11）：1201～1210.

[17] Seung-Yoon Noh，Ji-Eun Heo，Sang-Hee Woo，et al. Performance improvement of a cyclone separator using multiple subsidiary cyclones[J]. Powder Technology，2018，338.

[18] 杨生强. 生活垃圾资源化处理技术装备研究[J]. 环境与发展，2017，29（10）：47～49.

[19] 陶志辉. 一种防止固废在焚烧和热解过程中结焦的装置[J]. 西部皮革，2019，41（18）：83.

[20] 刘云峰. 循环流化床旋风分离器改造设计[J].华电技术，2017，39（11）：22-25 77-78.

[21]兰江.多层管排入口结构对旋风分离器性能影响分析[J].热能动力工程,2018,33(04):91-97.

[22] A. C.霍夫曼, L. E.斯坦因.旋风分离器原理、设计和工程应用[M].化学工业出版社:北京, 2004:232.

[23]王松江，张振千，李国智.FCC第三级旋风分离器研究进展[J].炼油技术与工程, 2019, 49(08):5-9.

[24] 李黎峰，张沫，方华东，胡书亚. 新型轻灰炉气分离器的设计[J]. 云南化工，2019，46(06):108-109.

[25] 吴允苗，朱朝鸿. 基于 CFD 的入口管对气液旋流分离器的影响研究[J]. 赤峰学院学报(自然科学版)，2019，35（09）：25～26.

[26] 陆卫玉，朱霞. 400t/d 循环流化床垃圾焚烧锅炉的设计与运行[J]. 节能，2007（07）：41～43.

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

1研究问题

旋风分离器在国内外的使用和改进现状，同时进行生活垃圾处理旋风分离器设计，完成垃圾焚烧发电流程设计及旋风分离器结构设计，进行旋风分离器相关工艺结构设计计算，确定工艺管口结构，提出相关制造检验技术要求。

2研究手段