專利名稱：組合旋轉氣固分離與排氣一體機的制作方法
技術領域：
本發明涉及氣固分離技術領域，具體涉及ー種組合離心風機的強力旋轉，提高氣體中固體超細顆粒(粒徑< IOym)的分離效率，同時，又將氣固分離和氣體輸送兩大功能用一臺設備完成，降低設備成本的組合旋轉氣固分離與排氣一體機。
背景技術：
含塵氣體的氣固分離是火電、鋼鐵和有色金屬冶煉、水泥、石油、礦山、化工、醫藥、糧食加工等行業的主要エ藝流程。目前，在用的氣固分離設備有多種多祥，根據分離過程中，有無液體參與來分類，可分兩類，一類是干法除塵，一類是濕法除塵。濕法除塵器對細顆粒的分離效率高，但帶來水污染和資源浪費，因為多數粉塵收集后是可利用的原料，浸水后就失去了應用價值，既是對水不敏感的材料，要回收還要干燥，増加能耗。在寒冷地區的冬天，還要對除塵系統進行加熱和保溫，增加耗能。如果含塵氣體的溫度較高時，濕法除塵中水的消耗會隨著溫度的增高而增加。所以，大多場合盡量不用濕法除塵。其干法除塵是最常用的除塵方式。干法除塵設備主要有旋風分離器(或稱旋風除塵器)、靜電除塵器、袋式除塵器和各類慣性除塵器。其中旋風分離器的基本原理是含塵氣流沿切線進入筒體做螺旋形旋轉運動，在離心力作用下將粉塵顆粒分離。如圖I所示。因其結構簡單，運行可靠，一百多年以來，在エ業中應用最廣泛。旋風分離器的缺點是對細小顆粒的分離效率很低。當含塵氣體中的固體顆粒粒徑> 50 μ m時，旋風分離器的分離效率可達94%，但當含塵氣體中固體顆粒粒徑為
5μ m吋，分離效率僅27%，當粒徑為I μ m吋，分離效率僅為8%。當含塵氣體中的固體顆粒粒徑く 10 μ m吋，必須采用袋式除塵器或靜電除塵器。另外旋風除塵器進ロ氣流速度波動時，對分離效率影響較大。袋式除塵器的基本原理是用纖維性濾袋捕集粉塵。袋式除塵器的分離效率高，既是氣體中的固體顆粒粒徑為Iym，袋式除塵器的分離效率也高達99% [1]，它是目前干式除塵器中分離效率最高的除塵器。但袋式除塵器的平均過濾速度為I I. 2m/min(0. 017
O.02m/s)，所以當含塵氣體的流量大時，纖維的過濾面很大，致使設備龐大，投資高，且只能適用于氣體溫度< 250°C的場合[2]，在允許溫度范圍內，高于80°C時，溫度越高，濾袋材料的價格越高。除袋式除塵器造價高外，運行費用也較高，因濾袋磨損和塵粒結垢堵塞，需經常更換濾袋。目前，我國廢舊布袋的堆積量也非常之大，又造成固體的二次污染。靜電除塵器的基本原理是在高壓電場作用下，使含塵氣流中的顆粒粒子荷電，并被吸引、捕集。靜電除塵器的分離效率高，對于粒徑為5μπι的分離效率為99%[1]，對粒徑為I μ m的分離效率為86%[1]。在靜電除塵器中含塵氣體的平均流動速度為O. 4 I. 8m/sCl],所以過流面積也較大。因為有高壓電系統，其結構更復雜，靜電除塵器的一次性投資費用和運行維護費用也較高。能否研究出一種造價低，運行費用低的除塵器代替或部分代替袋式除塵器和靜電除塵器，這是目前氣固分離研究者的追求目標。
發明內容
本發明所要解決的技術問題，是針對上述存在的技術不足，提供一種提高和穩定超細顆粒的分離效率，降低分離能耗，減少設備投資和占地面積的組合旋轉氣固分離與排氣一體機。本發明為實現上述目的所采用的技術方案是
組合旋轉氣固分離與排氣一體機(以下簡稱一體機)，由轉子系統和定子系統構成，轉子系統在定子系統內轉動，所述的轉子系統包括旋轉軸和安裝在其上的組合葉輪，葉輪包括有輪盤，和沿輪盤圓周分布的徑向葉片，輪盤邊緣還設有與輪盤面垂直的軸向葉片，軸向葉片圍成的空間中部設置有圓錐筒，所述的定子系統為密封的筒狀結構，從上至下依次為蓋板，分離圓筒，擴散錐筒，灰斗，在定子系統中間設有中心出氣管，在擴散錐筒內設有反射屏。
在上述方案中，所述的定子系統由軸承箱、含塵氣體進ロ、旋轉密封組件、分離圓筒、擴散錐筒、反射屏、灰斗、中心出氣管、凈化氣體出口、粉塵排出ロ等部件構成。在上述方案中，所述轉子系統包括組合葉輪、旋轉軸，組合葉輪固定在旋轉軸上，設置于一體機的最上端。旋轉軸安裝于軸承箱中，軸承箱安裝于定子系統中分離圓筒最上端蓋板上。組合葉輪在旋轉軸的帶動下做定軸轉動，轉動的組合葉輪為氣體中的固體顆粒施加了離心カ的同時也為含塵氣體提供轉動動能。組合葉輪的環ロ(葉輪進氣ロ)與定子之間有ー旋轉密封組件。所述組合葉輪有類似離心風機葉輪的葉片和輪盤，且在葉輪輪盤最大外圓處還有一段軸向葉片，離心風機的徑向葉片和軸向葉片連為一體構成組合葉片，數個組合葉片沿組合葉輪的輪盤圓周均布。組合葉輪還有一段上端直徑大下端直徑小的圓錐筒，圓錐筒的大直徑端與組合葉輪的輪盤最大外圓處連為一體且有圓弧過渡，圓錐筒的外壁面還與軸向葉片連為一體。組合葉輪中的圓錐筒與分離圓筒為同軸線安裝，兩者構成圓臺狀環形空間，這ー環形空間又被軸向葉片分割成數個扇形柱空間。整個轉子系統與定子系統保持同軸線安裝，并保證有一定的間隙。所述定子系統的含塵氣體進ロ與定子系統中的分離圓筒最上端的蓋板固定連接。分離圓筒與其最上端的蓋板由設備法蘭連接且保持同軸線安裝。分離圓筒位于擴散錐筒的上部，兩者固定連接且保持同軸線。在擴散錐筒最下端大口徑處有一反射屏。反射屏是ー個圓錐筒，其下端大直徑ロ與擴散錐筒最下端的大口徑處的內壁面之間有ー環形縫隙B，反射屏與擴散錐筒之間由多個圓周均勻分布的支撐筋板，支撐筋板將反射屏準確定位，保證反射屏與擴散錐筒之間同軸線安裝。反射屏上端小直徑ロ與中心出氣管的外壁面之間有ー環形縫隙A，在中心出氣管外壁面上與縫隙A的軸線等高位置處，沿圓周均勻分布多個支撐筋板，支撐筋板將反射屏準確定位并通過螺栓將兩者固定連接，保證反射屏與中心出氣管之間同軸線安裝。中心出氣管與分離圓筒應保持同軸線安裝。擴散錐筒最下端的大口徑處與灰斗之間由設備法蘭連接且保持同軸線安裝。凈化氣體出口與中心出氣管之間固定連接。粉塵排出ロ與灰斗之間固定連接且保持同軸線安裝。轉子系統中的各部件可以使用金屬材料，在受流動沖刷部件處附加耐磨材料。定子系統均可以使用金屬材料制造，在受流動沖刷部件處附加耐磨材料。
所述轉子系統中與氣體接觸的壁面的相關部件中可以設計冷卻夾套，其冷卻劑可是氣體，也可是液體。以使本發明可用在更高的溫度下。一體機與現有技術相比，具有以下特點
I.一體機與旋風分離器相比，相關條件同等時，使固體顆粒所受的離心カ提高數十倍，提高了超細顆粒(粒徑< 10 μ m)的分離效率。根據為一體機所建立的理論數學模型計算結果可知，最小分離粒徑可達I μ m。2. 一體機對氣體中固體顆粒施加的離心カ提高數十倍,但幾乎不增加能耗，因為提高顆粒離心力的同時也提高了氣體的動能，在除塵系統中省去了離心風機的能耗，也就是說這一旋轉能耗是除塵系統中離心風機必須付出的。從除塵系統而言省去了配套的離心風機，減少了占地面積。3.由于一體機對固體顆粒的分離カ取決于組合葉輪6的轉速和相關幾何參數，所以當含塵氣體進ロ 3處的流量在一定范圍內波動時，不會影響分離效率。換言之，一體機避 免了現有旋風分離器因流量波動而致使分離效率波動的固有缺點。4. 一體機可代替袋式除塵器。同時減少與袋式除塵器配套的風機。也省去了大量的布袋材料，鋼材需求量也大大減少。設備的一次性投資可大幅度地減少。同時也大幅度地減少了占地面積。5. 一體機可代替靜電除塵器。但與靜電除塵器相比減少了高壓靜電系統。減少了鋼材的用量。減少設備的一次性投資。大幅度地減少了占地面積。另外，無論氣體中固體顆粒的比電阻如何變化均不影響分離效果。6.組合旋轉氣固分離與排氣一體機，可用于400°C左右的高溫條件。
圖I現有技術中的ー種旋風分離器結構原理示意圖
圖2本發明的組合旋轉氣固分離與排氣一體機結構原理示意圖
圖中1.軸承箱，2.旋轉軸密封組件，3.含塵氣體進ロ，4.旋轉軸，5.旋轉密封組件，
6.組合葉輪，7.分離圓筒，8.中心出氣管，9.擴散錐筒，10.反射屏，11.灰斗，
12.凈化氣體出口，13.粉塵排出ロ。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明作進ー步說明。如圖2所示的組合旋轉氣固分離與排氣一體機(以下簡稱一體機)，由轉子系統和定子系統構成，轉子系統在定子系統內轉動，所述的轉子系統包括旋轉軸4和安裝在其上的組合葉輪6，組合葉輪6包括有輪盤，和沿輪盤圓周分布的徑向葉片，輪盤邊緣還設有與輪盤面垂直的軸向葉片，軸向葉片圍成的空間中部設置有圓錐筒，所述的定子系統為密封的筒狀結構，從上至下依次為蓋板，分離圓筒7，擴散錐筒9，灰斗11，在定子系統中間設有中心出氣管8，在擴散錐筒9內設有反射屏10。在本實施例中，所述的定子系統由軸承箱I、含塵氣體進ロ 3、旋轉密封組件5、分離圓筒7、擴散錐筒9、反射屏10、灰斗11、中心出氣管8、凈化氣體出口 12、粉塵排出ロ 13等部件構成。
在本實施例中，所述組合葉輪6固定在旋轉軸4上，設置于一體機的最上端，。旋轉軸4安裝于軸承箱I中，軸承箱I安裝于定子系統中分離圓筒7最上端蓋板上，旋轉軸4與含塵氣體進口 3之間還設有旋轉軸密封組件2。組合葉輪6在旋轉軸4的帶動下做定軸轉動，轉動的組合葉輪6為氣體中的固體顆粒施加了離心力的同時也為含塵氣體提供轉動動能。組合葉輪6的環口(葉輪進氣口)與定子之間有一旋轉密封組件5。所述組合葉輪6有徑向葉片和輪盤，且在葉輪輪盤最大外圓處還有一段軸向葉片，徑向葉片和軸向葉片連為一體構成組合葉片，數個組合葉片沿組合葉輪6的輪盤圓周均布。組合葉輪6還有一段上端直徑大下端直徑小的圓錐筒，圓錐筒的大直徑端與組合葉輪6的輪盤最大外圓處連為一體且有圓弧過渡，圓錐筒的外壁面還與軸向葉片連為一體。組合葉輪6中的圓錐筒與分離圓筒7為同軸線安裝，兩者構成圓臺狀環形空間，這一環形空間又被軸向葉片分割成數個扇形柱空間。整個轉子系統與定子系統保持同軸線安裝，并保證有一定的間隙。所述定子系統的含塵氣體進口 3與定子系統中的分離圓筒7最上端的蓋板固定連接。分離圓筒7與其最上端的蓋板由設備法蘭連接且保持同軸線安裝。分離圓筒位于擴散錐筒9的上部，兩者固定連接且保持同軸線。在擴散錐筒9最下端大口徑處有一反射屏10。反射屏10是一個圓錐筒，其下端大直徑口與擴散錐筒9最下端的大口徑處的內壁面之間有 一環形縫隙B，反射屏10與擴散錐筒9之間有多個圓周均勻分布的支撐筋板，支撐筋板將反射屏10準確定位，保證反射屏10與擴散錐筒9之間同軸線安裝。反射屏10上端小直徑口與中心出氣管8的外壁面之間有一環形縫隙A，在中心出氣管8外壁面上與縫隙A的軸線等高位置處，沿圓周均勻分布多個支撐筋板，支撐筋板將反射屏10準確定位并通過螺栓將兩者固定連接，保證反射屏10與中心出氣管8之間同軸線安裝。中心出氣管8與分離圓筒7應保持同軸線安裝。擴散錐筒9最下端的大口徑處與灰斗11之間由設備法蘭連接且保持同軸線安裝。凈化氣體出口 12與中心出氣管8之間固定連接。粉塵排出口 13與灰斗11之間固定連接且保持同軸線安裝。轉子系統中的各部件使用金屬材料，在受流動沖刷部件處附加耐磨材料。定子系統均使用金屬材料制造，在受流動沖刷部件處附加耐磨材料。本實施例與現有旋風分離器相比，某些相關條件相等時，使氣體中固體顆粒所受的離心力提高數十倍，提高了超細顆粒(粒徑< ΙΟμπι)的分離效率。最小分離粒徑可達Ιμ ο如圖2所示，本實施例中組合葉輪6的輪盤最外圓處的直徑是3m，組合葉輪6的轉數1450轉/分(參照常用離心風機的轉數1450轉/分)。設現有技術中旋風分離器的分離圓筒的內徑(類似于本實施例中的分離圓筒7)也為3m，旋風分離器進口處氣體的流速一般選18m/s至23m/s,本實施例選20m/s。由上述參數計算,在本實施例中處于分離圓筒7的內徑3m圓環處的一顆固體顆粒所受的離心力為34551. 20mpN(mp—固體顆粒的質量；N—牛頓，力的單位)。在旋風分離器中，處于相同圓環處的一顆固體顆粒所受的離心力為266. 67mpN。兩力對比，本實施例中固體顆粒所受到的離心力是現有技術旋風分離器中的129. 56倍。下面具體論述本發明的工作原理
當所述組合葉輪6在旋轉軸4的帶動下做定軸轉動時，含塵氣體經含塵氣體進口 3被自動吸入一體機，然后轉軸線方向進入組合葉輪6環形進口，再轉向徑向進入組合葉輪6的徑向葉道。含塵氣體在葉道內的葉片推動下圍繞軸線做旋轉運動，含塵氣體在葉片作用下獲得動能。同時含塵氣體也在葉道內，相對于組合葉輪6產生徑向離心運動，這一過程類似于離心風機葉輪內的氣體運動。含塵氣體流出組合葉輪6的徑向葉道后，在組合葉輪6輪盤的最外圓又轉軸線方向流向由組合葉輪6中圓錐筒與分離圓筒7構成的圓臺狀環形空間，這一環形空間又被軸向導葉片分割成數個獨立均等的扇形柱空間。含塵氣體在數個扇形柱空間內繼續隨組合葉輪6做同步定軸轉動，同時又相對于組合葉輪6做軸向向下相對運動。含塵氣體相對于分離圓筒7而言在做螺旋線運動。含塵氣體在做螺旋運動的過程中，氣體中攜帶的固體顆粒在離心力的作用下，克服氣體的流動阻力向分離圓筒7的內壁面運動，根據旋風分離器的理論，固體顆粒一旦達到分離圓筒7的內壁面就視為被分離出氣體。本發明的一體機與旋風分離器相 比，最大的不同之處是氣體中的固體顆粒在組合葉輪6內所受的離心力是旋風分離器的129. 56倍(如上所述在同直徑圓環處)。這就是一體機為什么能夠有效地分離氣體中Ium固體顆粒的原理所在(理論分析結論)。雖然離心力增加百倍，但除塵系統的能耗幾乎沒有增加，因為這一離心力的增加僅僅是除塵系統中原有離心風機必須付出的能耗。一體機巧妙地利用離心風機中氣體的轉動動能在軸向多運行了一段路程。所述一體機的離心力與傳統旋風分離器相比較提高百倍，只是在一體機的轉數與常用離心風機的轉數(1450轉/分)取相同值的條件下，根據理論計算所得。如果提高一體機的轉數，其離心力還可提高。當含塵氣體軸向流出組合葉輪6以后，在分離圓筒7內和擴散錐筒9內繼續做螺旋運動，這一螺旋運動過程類似于旋風分離器中的螺旋運動。氣體中攜帶的固體顆粒在螺旋運動所產生的離心力作用下，克服氣體的流動阻力向分離圓筒7的內壁面和擴散錐筒9的內壁面運動，氣體中的固體顆粒繼續被分離。當氣體到達反射屏10的上端面位置開始反向180度，圍繞中心出氣管8的外表面做向上的螺旋運動。此處含塵氣體中的固體顆粒絕大部分已經被分離。凈化后的氣體螺旋向上到達中心出氣管8的上端口時反向180度進入中心出氣管8的內腔，從凈化氣體出口 12流出一體機。到達分離圓筒7和擴散錐筒9內壁面的固體顆粒在重力和螺旋氣流的帶動下沿其內壁面向下運動，通過反射屏10下端口與擴散錐筒9的內壁面之間的環形縫隙B運動到灰斗11腔內。灰斗11腔內的粉塵顆粒間歇地通過粉塵排出口 13排除一體機。進入灰斗11腔內的氣體，又通過反射屏10上端口與中心出氣管8外壁面之間的環形縫隙A流出，與向上的螺旋氣流一同進入中心出氣管8排除一體機。
權利要求
1.組合旋轉氣固分離與排氣一體機(以下簡稱一體機)，由轉子系統和定子系統構成，轉子系統在定子系統內轉動，其特征在于所述的轉子系統包括旋轉軸和安裝在其上的組合葉輪，葉輪包括有輪盤，和沿輪盤圓周分布的徑向葉片，輪盤邊緣還設有與輪盤面垂直的軸向葉片，軸向葉片圍成的空間中部設置有圓錐筒，所述的定子系統為密封的筒狀結構，從上至下依次為蓋板，分離圓筒，擴散錐筒，灰斗，在定子系統中間設有中心出氣管，在擴散錐筒內設有反射屏。
2.根據權利要求I所述的組合旋轉氣固分離與排氣一體機，其特征在于所述的組合葉輪設置于一體機的最上端，組合葉輪的環口與定子系統之間有旋轉密封組件，組合葉輪的徑向葉片和軸向葉片連為一體構成組合葉片，多個組合葉片沿組合葉輪的輪盤圓周均布。
3.根據權利要求I或2所述的組合旋轉氣固分離與排氣一體機，其特征在于所述的圓錐筒形狀為上端直徑大下端直徑小，圓錐筒的大直徑端與組合葉輪的輪盤最大外圓處連為一體且有圓弧過渡，圓錐筒的外壁面還與軸向葉片連為一體，圓錐筒與分離圓筒為同軸線安裝，兩者構成圓臺狀環形空間，這一環形空間又被軸向葉片分割成數個扇形柱空間。
4.根據權利要求I所述的組合旋轉氣固分離與排氣一體機，其特征在于所述的反射屏形狀是圓錐筒狀，其下端大直徑口與擴散錐筒最下端的大口徑處的內壁面之間有一環形縫隙，反射屏與擴散錐筒為同軸線安裝，反射屏上端小直徑口與中心出氣管的外壁面之間也有一環形縫隙，反射屏與中心出氣管也為同軸線安裝。
5.根據權利要求I所述的組合旋轉氣固分離與排氣一體機，其特征在于所述轉子系統中與氣體接觸的壁面的相關部件中設置有冷卻夾套，其冷卻劑為氣體或液體。
全文摘要
本發明提供一種提高和穩定超細顆粒的分離效率，降低分離能耗，減少設備投資和占地面積的組合旋轉氣固分離與排氣一體機，由轉子系統和定子系統構成，轉子系統在定子系統內轉動，所述的轉子系統包括旋轉軸和安裝在其上的組合葉輪，葉輪包括有輪盤，和沿輪盤圓周分布的徑向葉片，輪盤邊緣還設有與輪盤面垂直的軸向葉片，軸向葉片圍成的空間中部設置有圓錐筒，所述的定子系統為密封的筒狀結構，從上至下依次為蓋板，分離圓筒，擴散錐筒，灰斗，在定子系統中間設有中心出氣管，在擴散錐筒內設有反射屏。提高和穩定超細顆粒的分離效率，降低分離能耗，減少設備投資和占地面積，并能在高溫下進行工作。
文檔編號B04C5/20GK102698892SQ20121016441
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月25日 優先權日2012年5月25日
發明者劉宇婧 申請人:劉宇婧