EnvLab · 高校课程配套 · 模块 3 污染控制技术性能实验

旋风除尘器
性能测定

教材第三部分 10 个控制技术实验里，它是结构最简单、模型最干净的一个。
但它的核心矛盾——效率是线性的，能耗是平方的——是整门课最重要的一课。

d₅₀分割粒径

ξ·ρv²/2阻力公式

5测量步骤

4红线

01 · 开篇引入

为什么除尘系统的第一级
几乎总是它

去电厂、水泥厂、铸造车间看，除尘工艺链的第一级基本都是旋风除尘器。不是因为效率高——它通常只有 70–85%，比袋式和电除尘差远了。是因为三件事：没有运动部件、耐高温、便宜。它先粗除，把大颗粒干掉，减轻后端袋式或电除尘的负担，同时把高温烟气的热量留住。

但它有个天生的短板：细颗粒抓不住。原因在分离机理里——离心力对颗粒质量成正比，颗粒越小，甩到壁面的力越小。于是就引出这门课最核心的概念：分割粒径 d₅₀。

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便宜、皮实、耐高温

无转动部件、结构简单、维护量低。可处理 400℃ 以上烟气，这是袋式除尘器做不到的。

工程价值

📉

效率不高但够用

常规设计 70–90%。作为预除尘，把入口含尘浓度从几十 g/m³ 降到几 g/m³，后端压力骤减。

定位

⚡

能耗随风速平方涨

想靠加风速提效率？阻力按风速平方上升。效率涨 10 个点，能耗可能翻 3 倍。

核心矛盾

02 · 科学原理

三个概念撑起整个实验

这个实验的所有数据，都能从下面三个式子里推出来。理解了它们，模拟台里的曲线你就能自己预测。

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① 离心分离

气流从切向进口进入，在筒体内高速旋转。颗粒受离心力甩向外壁，沿壁面下落到灰斗，净气从中心排气管排出。离心力可达重力的几百倍——这就是它能抓住微米级颗粒的原因。

F = m·v² / r　（m 为颗粒质量，v 为切向速度，r 为旋转半径）

🎯

② 分割粒径 d₅₀

除尘效率正好 50% 时对应的颗粒粒径。d₅₀ 越小，说明这台除尘器越能抓细颗粒。它随风速升高、颗粒密度增大、筒体减小而变小。

d₅₀ = √( 9μb / (2πNₑvᵢ(ρₚ−ρ_g)) )　（Lapple 模型）

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③ 分级效率曲线

除尘器对不同粒径的效率不同，画成曲线就是分级效率曲线。粒径远大于 d₅₀ → 接近 100%；远小于 d₅₀ → 接近 0%。总效率＝分级效率对粒径分布的加权积分。

η(d) = 1 / ( 1 + (d₅₀/d)² )

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④ 阻力

进口气流的动压乘以阻力系数。阻力系数 ξ 由结构决定（旋风除尘器一般 5–10）。注意风速是平方项——这是所有取舍的根源。

ΔP = ξ · ρ_g · vᵢ² / 2

把四个式子连起来看：风速 vᵢ 出现在 d₅₀ 的分母里（一次方），也出现在阻力的分子里（平方）。所以风速从 18 提到 30 m/s（+67%），d₅₀ 只降到原来的 77%，总效率大约涨 7–10 个点；但阻力会涨到 2.8 倍。这就是工程上把进口风速卡在 12–20 m/s 的原因——再高，能耗买不回那点效率。

03 · 实验流程

五步走完，顺序不能乱

测点布设与采样按固定污染源监测相关标准（GB/T 16157、HJ 836 等）执行。下面五步是标准链路，顺序错了数据就废了——模拟台里会直接拦你。

STEP 1

工况稳定确认

等锅炉／窑炉负荷稳定、风量稳定后才开始测。工况波动时测出的效率没有代表性——因为风量一变，d₅₀ 和阻力全变。

STEP 2

进口风速与风量测定

用皮托管测断面动压，换算出流速与风量。这一步必须最先做——风速是后面所有计算的输入，没有它就算不出 d₅₀，效率数据也无法归一化比较。

STEP 3

除尘器阻力测定

同时测进出口全压，差值即阻力。必须进出口同时测，先后测会因为工况漂移算出假阻力。

STEP 4

总除尘效率测定

进出口同时等速采样，测含尘浓度，按 η=(C_in−C_out)/C_in 计算。进出口不同时采样，浓度不可比。

STEP 5

分级效率测定

用分级采样器（如冲击式分级器）把进出口颗粒按粒径分级，逐级算效率，绘出分级效率曲线。这是判断"这台设备到底能抓多细"的唯一方法。

🔬 旋风除尘器性能测定 · 交互模拟台

⏳ 未开始

① 按顺序完成五步测量（顺序错误会被阻断）

键盘操作：Tab 在五步之间切换，Enter 或 空格 执行当前步。未解锁的步骤会保持灰色不可点——顺序错了会被拦住。

进口风速 vᵢ　18.0 m/s

常规设计区间 12–20 m/s。低于 12 效率骤降，高于 25 阻力与磨损都不划算。

粉尘类型（粒径分布）

灰斗排灰口密封状况

旋风除尘器底部一旦漏风，下部气流会短路把已分离的粉尘重新卷起——这是效率杀手。

实时读数（随参数联动，未测的步骤显示理论值）

分割粒径 d₅₀

—

μm

除尘器阻力 ΔP

—

理论总效率

—

实测总效率

—

分级效率曲线 η(d) 分割粒径 d₅₀

05 · 总结与黄金法则

四条红线，考场和现场都会考

1️⃣

先测风速，再测效率

风速是所有计算的输入。跳过风速直接测效率，你拿到一个孤立的效率数字，既算不出 d₅₀，也无法与其他工况比较——等于白测。

顺序红线

2️⃣

进出口必须同时采样

总效率是两个浓度之比。先后采样时工况已经变了，比值失去意义。阻力测定同理，必须进出口同时读全压。

同步红线

3️⃣

排灰口必须密封

这是旋风除尘器最容易被忽视、后果最严重的一条。灰斗漏风会让已分离粉尘二次夹带，效率可能掉 20–30 个百分点——而设备本身完全正常。

密封红线

4️⃣

别靠加风速提效率

效率对风速的敏感度是递减的，阻力对风速是平方增长的。把风速从 18 拉到 30，效率涨不到 10 个点，风机电耗涨近 3 倍。这是判断题，不是计算题。

取舍红线

这个实验真正要练的能力：不是记住 Lapple 公式，而是看到一台设备"效率不达标"时，能分清是设备问题（结构／磨损）、运行问题（风速偏离设计点／灰斗漏风／工况波动）、还是粉尘本身的问题（粒径分布比设计煤种更细）。这三类的整改方向完全不同——这才是现场值钱的部分。

教材对应位置：第三部分「大气污染控制实验」中的除尘器性能类实验（旋风／袋式／静电）。
本页物理模型：Lapple 分级效率模型，阻力系数取 ξ=6，进口宽度按筒体直径的 1/4 取值。曲线用于教学演示，不作为工程设计的依据。

标准号	标准名称	状态	本页用途
GB/T 16157-1996	固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法	现行	分级效率测定中的等速采样与浓度计算
HJ 836-2017	固定污染源废气低浓度颗粒物的测定重量法	现行	低浓度颗粒物的重量法