综述：为提高离心分离效果而提供的现场协助与颗粒预处理技术：综述

《Powder Technology》：Field assistance and particle pretreatment for centrifugal separation enhancement: A review

本文系统综述了旋风分离器在高效低能耗同时面临的挑战，重点探讨了静电场、磁场等辅助场技术与颗粒预处理（分选、分类）对离心分离性能的提升机制，分析了不同技术方案在分离效率、结构简化和维护便利性等维度的适用性，总结了当前研究的局限性及未来研究方向，为工业应用提供理论参考。

　　

Sujia Yue|明阳 郑|雅轩 高|展鹏 孙|永帅 张|一帆 张|邵鑫 李|照华 志

摘要

由于结构简单且没有活动部件，旋风分离器已被广泛用于气固分离。然而，当同时需要高分离效率和低压降时，离心分离仍面临挑战。除了优化本体结构外，场辅助（例如静电场、磁场）和颗粒预处理（例如颗粒分选和分类）逐渐成为提高旋风分离效果的重要方法，尤其是在全球环境保护和碳减排的背景下。本文系统总结了分离机制、设备性能及研究进展，特别是细颗粒捕获和能耗方面。此外，基于多维度分析，指出了潜在的应用场景和前景，包括分离性能、结构简洁性和维护便利性。进一步展示了当前研究的局限性及未来可能的研究方向，期望为旋风分离器的学术研究和工业应用提供参考和启示。

引言

气固分离在工业生产和环境保护中起着关键作用，是实现资源回收和控制污染物排放的重要过程[[1], [2], [3]]。在各种气固分离方法中，旋风分离器因其结构简单、操作方便和适应性强而成为核心设备之一。在某些高温流化领域，旋风分离器甚至是不可或缺的[4,5]。随着全球环境法规的日益严格和减少碳排放的推进，工业界对气固分离设备提出了更高的要求，即要求设备同时具备高效率和低能耗[6]。

典型的旋风分离器由进气管、圆柱形主体、圆锥形主体、旋流导向器和除尘器组成。含尘气体通过切向入口或轴向导流叶片进入后，气粒开始旋转，大部分颗粒在较大的离心力作用下被分离出来[7,8]。旋风分离器的性能通常通过两个指标来评估：分离效率和压降[9]。分离效率决定了有用颗粒的回收程度以及排放气体中的颗粒含量。在催化剂颗粒回收和高温烟气除尘等特殊过程中，较高的分离效率对工艺安全具有重要意义[10,11]。压降反映了设备运行过程中的能量损失，较低的压降有助于节能和减排[12]。

目前，旋风分离器在实际应用中仍面临同时实现高分离效率和低压降的挑战。提高分离效率通常会导致能耗增加，而降低压降又会不可避免地影响分离效率[13,14]。此外，如图1所示，当分离器达到最大效率时，由于复杂的二次流动和颗粒再混合，增加能耗并不会提升效率[15,16]。因此，平衡效率和能耗仍然是一个难题。

为了提高旋风分离器的性能，许多学者对旋风结构进行了优化，相关研究在以往的综述文献中有详细总结[17]。例如，采用变螺距的螺旋导流叶片可以增强旋流并提高细颗粒的分离效率（对于2.45微米的颗粒，可实现100%的收集效率）[18]；通过数值和实验研究，多圈扭曲挡板也被证明可以提高亚微米颗粒的收集效率（直径为0.1微米的颗粒分离效率超过40%）[19]。Noriler等人[20]在旋流导向器的下部引入了螺旋叶片，使压降降低了20%；带有分流装置的旋风分离器收集效率提高了53%，但压降也增加了53%[21]。旋风分离器的性能不仅受几何设计影响，还受壁面条件[22]、优化策略[23]和颗粒性质[24]等因素的影响。此外，旋风分离器的性能主要通过数值模拟和实验分析进行研究，实验研究中采用的测量技术也在文献中进行了综述[24]。

基于增强对小颗粒作用力的思路，将离心分离与其他辅助场结合成为突破传统旋风分离器瓶颈的有前景的技术途径，近年来提出了多种离心分离增强技术。此外，使流场中的小颗粒变大也可以提高分离性能，一些颗粒改性方法也被应用。本文系统回顾了上述两个方面的研究进展：场辅助（例如静电场、磁场）和颗粒预处理（例如颗粒分选和分类），为未来的研究重点和设备应用提供了指导。

部分内容摘录

静电旋风分离器的原理与性能

静电旋风分离器结合了离心分离和静电分离技术，通过产生额外的静电场来增强颗粒分离过程[25,26]。关键部件是位于旋风分离器内部的电晕电极，如图2(a)所示[27]。含尘气体通过切向入口进入后，在分离器内部产生旋流，使颗粒在离心力作用下向壁面移动。

云-空气净化技术的原理

研究表明，一些细颗粒在过饱和水蒸气中会增大尺寸，主要是由于非均匀蒸汽凝结机制[127,128]。过饱和水蒸气处于亚稳态，容易发生相变。当固体颗粒的表面温度低于蒸汽的饱和温度时，颗粒成为蒸汽分子的凝结核。接触后，蒸汽分子发生相变

各种方法的技术挑战

不同的离心分离增强方法各有优缺点。外部场辅助显著提高了分离效率，但受到高能耗、运行不稳定性和对颗粒性质依赖性的限制。椭圆形旋风分离器结构简单稳定，但仍处于探索性工程阶段，尚未通过工业应用验证。声学旋风分离器

结论

本文回顾了场辅助和颗粒预处理在离心分离增强方面的研究进展，对不同方法进行了多维度比较分析，并指出了当前研究的局限性。得出以下结论：

(1)

椭圆形旋风分离器通过结构创新，提高了分离效率，显著降低了压降，同时保持了结构简洁性和维护便利性

作者贡献声明

Sujia Yue：撰写——审稿与编辑；撰写——初稿。明阳 郑：形式分析。雅轩 高：实验研究。展鹏 孙：监督与概念化。永帅 张：软件开发。一帆 张：数据可视化。邵鑫 李：资源协调。照华 志：数据可视化。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了河北省地方科技发展指导基金（编号236Z1101G）和河北省自然科学基金（编号E2025208026）的财政支持。