旋风分离系列专利技术与装备的产业化

1前言

旋风除尘器是一种通用的干法气固分离设备，被广泛应用于石油、化工、冶金、采矿、轻工、食品、医药、发电、环保、建材等行业。例如：炼油厂一套2MT/a催化裂化装置的旋风除尘装置投资可达2000万元，一套大型发电厂锅炉的一级旋风预除尘器投资可达百万元以上，一个大型钢厂所需的旋风除尘装备可达数千万元。化工生产、各种固体粉末产品的气流干燥、气体输送、建筑材料的生产、工业尾气的排放达标等均需大量的旋风除尘装备，市场巨大。

2旋风分离系列专利技术与装备简介

环流式旋风除尘器的工作原理及优点

环流式旋风除尘器的外形仍为圆柱圆锥形，但直筒段内设有由李建隆等人开发的与直筒同心的内件。启用时，气体从直筒段下部以切向方式进入器内内件，在内件中螺旋上升进行一次分离，达到净化要求的气体（占总气体流量的85%左右）直接从顶部排出，少部分气体连同被分离下来的粉尘由顶部特设旁路引入锥体，在锥体内进行二次分离，分离后的流体在锥体下部沿轴心返回一次分离区，少量气体将粉尘送入灰仓后返回器内。此新型旋风除尘器的特点在于：

2.1、压降低。

85%的流体由直筒段底部旋转而上，直接从顶部出气口排出，流体流动路线短，且内件中只一个向上的旋涡，流体沿径向、轴向速度梯度小，流体剪应力小，故压降和能耗低（压降仅为常规型旋风除尘器的二分之一左右）。

2.2、放大效应小。

由于器内剪应力小、能耗低，在大直径设备中仍能保证多相流分离所需要的旋转速度，器内流体不易发生湍动，故放大效应小。克服了常规型设备放大效应显著，在大处理量时需多台并联操作的弊病。

2.3、分离效率高。

特殊的流路设计，防止了流体的短路及锥体和灰仓内颗粒的卷扬，使分离效率大幅度提高，且具有操作弹性大、操作稳定性好等特点。

大量工业应用的结果表明，大型环流式旋风除尘器（直径在1.2m以上）的分割粒径可达2μm左右，压降仅为500～1000Pa，且直径放大后，不会产生分离效率的显著下降，并具有操作稳定性强，操作弹性大的优点。综合性能指标已达到同类设备的国际{lx1}水平。

3 旋风分离系列专利技术与设备的应用领域

3.1 石油炼制

目前，国内外大型炼油厂的催化裂化单元大多采用循环流化床工艺。该单元的关键设备之一是旋风除尘器，其中包括：提升管反应器出口的快速分离装置、沉降器内一、二级内旋风除尘器、外旋风除尘器、再生器一、二级内旋风除尘器和多管式的三级外旋风除尘器。上述设备分离效率的高低直接关系到炼油过程催化剂的耗量级烟气轮机的使用寿命，其压降的大小亦影响到系统能耗和能量的回收。若能开发出适合该系统的新型高效、低阻旋风除尘器，能大幅度降低该单元的操作费用，创造巨大的经济效益。

我国现有200万吨/年以上炼油装置三十余套，其再生装置的流量约为200000m&sup3/h，一、二级旋风需5－8组旋风除尘器，每组两台，三级旋风一般采用多管式旋风除尘器，大多采用国外技术，造价昂贵，加上反应系统的旋风分离器，其总造价已达二千万元。

3.2 工业窑炉的排烟除尘

3.2.1 大型流化床锅炉的旋风预除尘

采用旋风预除尘可将烟气中没有充分燃烧的煤回收，送回锅炉重复燃烧，以节省用煤。现有装备的缺点是压降大，除尘效率低。环流式旋风除尘器在此领域的应用潜力很大，。以400t/h 锅炉为例，应用环流式旋风除尘器的优势在于：

1）压降低，约节省用电20%，每小时节省用电200度，全年节电160余万度。

2）效率高，可使后续静电除尘装备减少一个电场，节省设备投资约60万元。

3）可使煤的燃烧率提高1－2%。400t/h锅炉年用煤量约30余万吨，全年可节省煤4000吨。

综上所述，环流式旋风除尘器可在此领域创造极大的经济和社会效益。近年来，大型火力发电厂改造和新上项目很多，每个厂均需400t/h 锅炉数台，按每套60－80万元售价计算，一个大型发电厂的旋风除尘投资可达二百余万元。

3.2.2 水泥窑炉的除尘

按国家环保局的要求，2005年底前所有水泥立窑均需加烟气排放除尘装置，使排放烟气达标。由取样检测可知，立窑排放气所含粉尘中，1μm以下粉尘的量占总尘量的7.92%，2μm以下的占19.05%，3μm以下的为24.83%，与水泥产品的粒度分布基本一致。按传统观念，只有采用静电、湿洗和过滤分离（如布袋）才能完成除尘任务。由于水泥的吸潮性很强，易造成糊袋，从而导致压降上升，布袋损坏过快，运行费用高，且难以长期稳定运行；由于水泥粉尘的介电常数不适合于进行静电除尘，采用静电除尘时，需向系统中喷水，以改变介电常数。所带来的问题是极板极易腐蚀，且易产生极板粘结水泥，影响除尘效果；而湿洗除尘已被禁止采用。故水泥立窑除尘的工业实施难度很大。青岛科技大学化学工程研究室开发的专利产品环流式旋风除尘器具有低阻、高效，放大效应小，造价低，能长期稳定运行等优点，若两级串联使用对以上粒度分布粉末的除尘效率可达95%以上，能使排放烟气达标。

我国现有需改造的水泥立窑、立波尔窑很多，（如仅枣庄台儿庄一个县就有十七台）一套8万吨/年水泥立窑的除尘工程总造价超过30万元，一套立波尔窑的旋风除尘器造价可达100万元左右，而且水泥生产中的物料输送、装卸、粉碎、包装等过程均须旋风除尘，市场巨大。

3.2.3 其他工业窑炉

包括焦化炉、焦干炉、陶瓷及各种建材燃烧炉，数量众多。

3.3 钢铁厂

由于环流式旋风除尘器降压低，除尘效率高，在钢厂的许多场合均可取代布袋式除尘器，且运行和设备投资费用低，能长期稳定连续运行，与布袋式相比具有显著优势。其应用场合包括：

3.3.1 矿石及焦碳的卸料与上料

矿石卸料及将其送至地仓和高仓有多个扬尘点均需除尘。例如济钢炼铁二厂的地仓和高仓除尘就需18000～30000m&sup3/h的旋风除尘14台套，除尘器造价60万元左右，工程总造价约180万元。

3.3.2 高炉的排烟除尘

高炉除冶炼中需用于前述水泥立波尔窑相近的除尘装备（投资可达百余万元）外，钢水排放口亦需除尘。其特点是出钢时，气体温度高，若用布袋须加大吸气量以降低温度（布袋使用温度不能超过240℃）, 这使布袋的处理量大幅度上升，动能消耗和投资亦增大数倍。若用环流式旋风除尘器除尘，因除尘效率高可使排放烟气达标。若采用304不锈钢制作，使用温度可达650℃，由此可使排烟量降至布袋的40%，投资和动力消耗亦大幅度下降。一个大型钢厂的除铁、出钢口很多，一套除尘装备的售价可达40万元，工程总造价达100万元左右，市场潜力很大。

3.3.3 烧结厂烟气除尘

矿石需经烧结成块后方可进入炼铁炉冶炼。现以南京钢铁集团{dy}烧结厂一、二号机头的除尘情况为例进行说明。

烧结机头烟气量为18万m&sup3/h，温度为50－80℃。由于气体湿含量大，在50－80℃范围内会产生严重的结雾现象，故不能采用布袋式旋风除尘器。由于电除尘器体积大，经现场考察没有足够的场地安装电除尘器，且采用电除尘器投资很大，管理和运行费用高，亦不宜采用。若采用湿洗除尘（如水膜式旋风除尘），会造成二次污染，且需增加庞大的水路循环系统，管理和运行费用高，并能造成气体带液雾，损坏后继设备，故亦不适用。

综上所述，可以利用的设备型式只有旋风除尘器。但从烟气中所含粉尘的粒径分布来看，10µｍ以下的粉尘量已占11.8%。从理论上讲多管式旋风除尘器可完成此分离任务，但厂家的经验表明，多管式旋风除尘器不适合在烧结机头烟气中使用，而采用一般大旋风除尘器，除尘效率只能达到80%左右，无法使排放烟气达到国家规定的150mg/m&sup3以下的标准。

经计算，若在该系统中采用两台环流式旋风除尘器，每台除尘器的直筒段直径为2000，与现有的大旋风尺寸相近；环流式旋风除尘器的抗结雾和抗堵塞性与现有大旋风类似，实践证明可连续稳定运行；φ2000mm的环流式旋风除尘器的分割直径可达3&microｍ左右，对于该系统烟气中粉尘的分离效率可达到94%以上；环流式旋风除尘器的压降低，能保证气体的输送要求。故环流式旋风除尘器用于南钢一烧结烟气除尘是适宜的。

该套除尘装备的总投资可达60余万元。

3.4 化工化肥生产

凡涉及气体中含有固体粉尘的化工生产过程均需除尘，市场巨大。由于化工中气体多是易燃易爆气体，且含有粘稠雾滴。不能用布袋和静电除尘，大多采用旋风除尘，许多场合因粉尘细，需多级串联除尘。例如：化肥厂半水煤气造气炉除尘，包括每台造气炉的煤气除尘，回收炉的吹风气除尘等，一个20万吨/年的尿素厂除尘装备用量可达百万元左右，全国这样的化肥厂有数百家；复合肥生产中的干燥除尘；硫酸生产中的培烧烟气除尘；维尼纶、三聚氰胺、氯乙烯等的流化床反应器除尘，等等不一类举。我研究室近五年来为维尼纶、氰化钠（剧毒产品，除尘要求极高）、有机硅生产等行业提供设备一百余台获得经费600余万元，为这些企业每年创收达数千万元。

3.5 轻工、食品

淀粉生产、棉花加工、粉状食品干燥，均需大量旋风除尘装备。一个10万吨/年的淀粉生产厂家仅旋风除尘投资额度可达百万元以上。一个中型棉花加工厂若要达到车间粉尘含量要求，其投资额度亦在60—80万元，市场亦十分广阔。

3.6 其他行业

在气流输送，粉末xx生产、矿山开采、矿石粉碎、火车和码头装卸等领域均需大量旋风除尘装备。

3.7 油田原油采出液的除沙

我国大庆、大港、胜利、辽河等大型油田均进入三次采油期，需先注入大量的水，由水将原油带出。其采出液中，含水率为85－90%。大量的水将许多细沙也带出了地面，会造成细纱在设备内淤积，清理困难，废弃时亦带来环境污染，而且采出液输送时会磨损管道，并导致相关仪器仪表失效，必须及时去除。国外较先进且在逐步推行的是旋流器除沙装置。青岛科技大学化学工程研究室曾与胜利油田勘查设计研究院联合承担了国家“八五”攻关项目“三次采油”的子课题：“高含水率原油的除沙”，使用旋液环流式液固分离器进行除沙，使单台设备的处理量达到3000t/h，设备压降仅有0.04MPa，相当于国外{zh0}指标的40%，使能耗大幅度降低，除沙率达到了92%以上，即各项目性能指标均为国际{lx1}水平。中央电视台也对该项目做过报道，项目得到了胜利油田管理局的嘉奖。

我国仅大庆、大港、辽河、胜利油田的年采出液已逾十亿立方米，市场潜力极大。