基于倾斜辅助多旋风系统的轧花废气高效颗粒物分离

《Process Safety and Environmental Protection》：HIGH-EFFICIENCY PARTICULATE SEPARATION FROM COTTON-GINNING EXHAUST AIR USING AN INCLINATION-ASSISTED MULTI-CYCLONE SYSTEM

　　

• 两级颗粒物去除系统（六体一级多旋风筒 + 脉冲喷吹二级过滤）在大规模工业轧花条件下进行了评估。
• 在测试域内的约束最优解：v = 14 m·s?1，θ = 10°，Df = 200 mm → 两级组合TSP基于质量计的捕集效率 η = 98.3%
• 大气粉尘排放量从60,000降至5,100 kg/季（降低91.5%）。
• 与单级SP-6装置相比，净经济效益为每季895.4 M UZS。
• 温度敏感性评估采用Sutherland–Lapple模型，针对θ = 10°的构型进行。

引言

轧花是初级纺织加工中最重要的工序之一，在决定纤维质量、工业生产率和环境可持续性方面发挥着关键作用。据国际棉花咨询委员会（ICAC）统计，2023年全球棉花产量超过2450万吨，确认了棉花加工在全球范围内持续具有重要的工业意义（ICAC International Cotton Advisory Committee, 2023）。在轧花过程中，锯齿式和皮辊式轧花系统在强烈的气力输送条件下将纤维与籽粒分离，同时产生大量载尘排气，其中含有纤维碎片、壳粒、矿物杂质以及分布在广泛气溶胶粒径范围内的可吸入颗粒物（PM）（Tahir et al., 2012）。尤其值得关注的是PM?.?至PM??组分，这些颗粒可在空气中长时间悬浮并深入穿透人体呼吸道。

棉花粉尘暴露相关的环境和职业健康危害已有充分的文献记载。长期吸入棉花颗粒物会导致棉尘症、职业性哮喘、肺功能障碍以及纺织工人的长期呼吸疾病（Islam, 2022）。纺织加工行业中的流行病学调查显示，暴露于粉尘环境中的工人棉尘症患病率在20%至47%之间（Nafees et al., 2023）。Pasha等人进一步报告，约35%的纺织工人表现出棉尘症症状，而职业性哮喘和上呼吸道刺激在棉花加工设施中仍然普遍存在（Pasha et al., 2023）。细颗粒物还与心血管疾病和肺部疾病相关，促使世界卫生组织（WHO）在2021年《空气质量指南》中大幅收紧PM?.?暴露限值（World Health Organization, 2021）。这些发现表明，工业粉尘控制技术已不再仅仅是工程需求，更是关键的环境和公共卫生必需品。

这一问题在乌兹别克斯坦尤为突出。乌兹别克斯坦是全球五大棉花生产国之一，每年在超过100家轧花设施中处理约300万吨籽棉（ICAC International Cotton Advisory Committee, 2023）。近期的国家环境改革措施，包括PF-60总统令和国家"绿色经济"转型战略，要求工业企业减少大气颗粒物排放并采用节能加工技术（Republic of Uzbekistan, 2022a）。近期的监测研究进一步证实，乌兹别克斯坦棉花加工地区的PM?.?浓度显著超过WHO指南阈值，凸显了轧花行业亟需源头级粉尘削减技术的需求（Abdullajanov et al., 2026）。尽管环境压力日益增大，目前许多轧花厂所部署的传统收尘系统仍然表现出相对较低的捕集效率，尤其对于10 μm以下的细颗粒物组分（Funk and Hughes, 2005）。现有的单级旋风分离器在工业运行条件下通常仅能达到80%至93%的分离效率，这仍不足以符合日益严格的环境和职业安全标准（Wang et al., 2002a）。

旋风分离器仍然是应用最广泛的工业收尘技术之一，这得益于其结构简单、无运动部件、维护要求低以及适用于处理纤维状和粘性棉尘气流（Funk and Baker, 2012, Lapple, 1951）。自Shepherd和Lapple的经典著作以来，离心颗粒分离原理已被广泛研究，其半经验截留粒径模型仍然是旋风筒设计理论的基础（Lapple, 1951）。然而，传统单级旋风筒存在若干固有的局限性。对于细颗粒的捕集效率显著下降，尤其是在PM?.?组分范围内；而提高入口速度虽然可以改善离心分离效果，但代价是压降和能耗的大幅增加（Wang et al., 2002b）。Hoffmann和Stein进一步证明，旋风筒的能量损失随入口速度的增加呈非线性增长，这在工业旋风筒系统中造成了捕集效率与水阻之间固有的权衡关系（Hoffmann and Stein, 2008）。因此，在轧花应用中，同时提高分离效率和实现能量中性仍然是一个主要的工程挑战。

为克服这些局限性，众多研究探讨了旋风筒几何形状和流动构型对气动性能的影响。Wang等人在轧花条件下分析了多种旋风筒几何形状，证明旋风筒主体构型显著影响分级捕集效率和纤维颗粒行为（Wang et al., 2002a）。Hughes和Baker报告，改进的入口几何形状相对于传统旋风筒构型将捕集效率提高了20%以上（Hughes and Baker, 1996）。Funk和Baker强调，性能改善必须保持在能量中性范围内，因为过大的压降会增加风机功耗并间接增加环境和运营负担（Funk and Baker, 2012）。Elsayed和Lacor进一步证明，入口尺寸和涡流捕集器几何形状强烈影响旋风分离器内部的湍流强度、回流区和压降损失（Elsayed and Lacor, 2011）。Dziubak等人通过数值方法确认，轴向入口速度和入口几何参数共同决定了旋风分离器中分离效率与压降之间的权衡（Dziubak et al., 2023）。在此基础上，近期关于通过从沉降罐抽吸实现连续排尘的轴向流旋风筒的数值工作，考察了连续运行条件下粉尘再夹带与分离效率之间的耦合关系（Dziubak et al., 2024），这一设计考量也与本系统连续螺旋输送机排尘机制相关。

随着计算流体力学（CFD）的快速发展，数值建模已成为旋风筒优化的主导方法之一。Wang等人采用CFD-DEM模拟研究了倾斜入口构型，证明倾斜入口可抑制涡流捕集器附近的短路流，从而改善离心颗粒向旋风筒壁面的迁移（Wang et al., 2018）。Bernardo等人通过雷诺应力湍流模拟确认，倾斜入口几何形状增强了分离强度并改善了内部流场稳定性（Bernardo et al., 2006）。同样，Qian和Wu通过实验证明，适中的入口倾斜角度可在保持可接受压降的同时提高捕集效率（Qian and Wu, 2009）。近期，Brar等人使用ANSYS Fluent研究了多入口旋风筒系统，报告了在最小额外水阻下改善了细颗粒捕集效率（Brar et al., 2024）。Babaoglu进一步证明，入口布置和位置强烈影响Stairmand型旋风筒内的颗粒回流、湍流强度和旁路流形成（Babaoglu et al., 2022）。

近期研究进一步强调，旋风筒性能不能仅通过整体捕集效率来评估，还需要考虑颗粒截留粒径、压降、停留时间、入口条件、颗粒负荷和湍流模型等因素。Dehdarinejad和Bayareh综述了切向入口气-固旋风筒的数值研究，并将这些参数确定为分离器性能的关键决定因素（Dehdarinejad and Bayareh, 2021）。后续数值工作证明，不均匀的壁面粗糙度可显著改变切向和轴向速度场、捕集效率、压降和侵蚀行为（Dehdarinejad and Bayareh, 2022）。对包含扭曲导流板和粗糙化锥面旋风筒的实验和数值研究进一步表明，内部几何改良可以改善分离性能，但其效果强烈依赖于粒径和流动条件（Dehdarinejad and Bayareh, 2023）。近期，Bayareh强调基于CFD的旋风筒预测应由实验验证来支撑，并且在解释旋风筒性能时必须考虑颗粒特性、表面粗糙度、几何形状和测量方法（Bayareh, 2024）。

另一种有前景的策略是将多个小直径旋风筒组合为并联组合式旋风筒或多旋风筒系统。在多旋风筒系统中，旋风筒尺寸和数量的选择涉及颗粒截留粒径、分离效率、压降损失和可用安装空间之间的权衡；较小的旋风筒元件通常在相关水力约束得到适当控制时有利于细颗粒分离（Muschelknautz, 2019），这一权衡直接关系到本研究工业改造中采用的紧凑型六体多旋风筒布置。然而，多旋风筒系统引入了额外的气动挑战，尤其是各旋风筒体之间流动分布不均匀的问题。这种流量分配不均导致部分旋风筒单元在设计条件之上运行，而其他单元则处于低负荷状态，造成整体性能不稳定和分离效率下降（Chen et al., 2022）。Feng等人提出了一种内部改良旋风筒构型，能够在不增加压降的情况下显著提高细颗粒捕集效率（Feng et al., 2025）。Constantin等人通过数值方法比较了串联和并联多旋风筒构型，结论是串联布置提供了更优的细颗粒捕集效果，但同时也引入了显著更大的压降损失（Constantin et al., 2025）。Yang等人研究了静电-旋风筒混合系统，报告通过静电颗粒预充电使PM?.?去除效率提高了高达10%（Yang et al., 2025）。尽管取得了这些进展，但静电系统由于纤维粉尘气流增加了电火花风险和运行不稳定性，在轧花环境中仍然难以实施。

将离心分离与二级过滤相结合的两级收尘系统已显示出实现超过97%至99%整体捕集效率的较大潜力（Buser and Whitelock, 2004）。在一项密切相关的二级构型中（针对重型车辆空气过滤开发），Dziubak证明，在多级旋风筒中先后去除粗颗粒后再通过无纺布板状过滤器捕集细颗粒，相比单级过滤显著延长了达到允许过滤器流阻阈值的时间，这直接支持了本研究所采用的两级架构（Dziubak, 2016）。在此类系统中，一级旋风筒去除粗颗粒，而二级过滤阶段捕集剩余的细颗粒物组分。Ayli和Kocak通过CFD-DEM模拟证明，优化的锥体几何形状可以在不产生显著压降惩罚的情况下改善分离效率（Ayli and Kocak, 2025）。Valery研究了入口速度和颗粒浓度对旋风筒截留粒径行为的影响，并确认高粉尘负荷条件显著改变了集中颗粒流下旋风筒的气动性能（Valery, 2024）。然而，大多数先前报告的研究仅限于实验室规模实验、合成测试粉尘或简化流动条件，这些条件无法准确代表真实轧花环境中高度异质的纤维-矿物颗粒混合物。

尽管在旋风筒空气动力学和基于CFD的优化方面取得了实质进展，但仍存在一些重要的科学和技术空白尚未解决。虽然Constantin等人（Constantin et al., 2025）和Feng等人（Feng et al., 2025）在实验室条件下展示了令人满意的多旋风筒性能，但迄今没有研究报告在涉及异质纤维-矿物粉尘负荷的真实轧花条件下进行了全规模工业验证。此外，响应面方法学（RSM）尚未被系统地应用于研究入口速度、旋风筒倾斜角度和过滤器几何形状对工业轧花系统中分离效率和运行性能的联合影响。季节环境温度变化对旋风筒效率的影响也研究不足，尽管它对空气粘度和颗粒输运动力学具有直接影响。此外，在真实工业运行条件下，高级多级旋风筒系统与传统单级旋风筒装置之间在气动性能、环境影响和经济效率方面的全面比较也尚未见报告。

与先前报道的用于棉花加工和一般工业应用的基于旋风筒的收尘系统不同，本研究所提出的分离器引入了一种倾斜辅助多旋风筒分离概念，将六个并联旋风筒主体、脉冲喷吹二级过滤级和连续自动排尘集成在一个单一架构中。此处使用的各个工程要素——多旋风筒布置、倾斜入口、二级过滤和自动排尘——均已在文献中被分别研究；本工作的贡献并非根本性的新分离原理，而是将这些要素集成为一个经工业评估的两级系统，并结合因子优化和基于模型的温度依赖气动行为评估。本实验并未独立隔离入口倾斜的贡献，也未建立能量中性运行。此外，本研究提供了在涉及异质纤维-矿物颗粒混合物的真实轧花条件下多旋风筒分离系统的最早全规模工业验证之一。通过整合CFD分析、因子过程优化、温度依赖气动建模和工业规模性能评估，本工作建立了一个全面的框架，用于在具有挑战性的农业工业环境中设计运行高效基于旋风筒的颗粒物分离系统。

为解决这些空白，本研究提出并实验验证了一种新型两级颗粒物去除系统，该系统由六体一级多旋风筒和脉冲喷吹二级过滤级组成，专为轧花应用开发。所提出的系统采用了倾斜旋风筒入口、连续螺旋输送机排尘机制、带压缩空气脉冲清洁的二级过滤以及自动化PLC控制系统。进行了CFD模拟以研究内部流动行为并支持制造前的气动设计评估。

随后，在真实生产条件下，利用23全因子实验设计在Kosonsoy棉花轧花厂进行了全尺寸工业实验。本研究的目标是：(i) 确定入口速度、旋风分离器倾角和滤筒直径对收集效率和清洁性能的影响；(ii) 建立经过统计验证的回归模型用于工艺优化；(iii) 探讨季节性温度变化对分离效率的影响；(iv) 将所提出的系统的环境和经济性能与现有现场运行的SP-6设备进行对比。

**材料与方法**

设计、制造并实验验证了一种新型的两级颗粒去除系统，该系统由六筒初级多旋风分离器级和脉冲喷吹清灰的二级过滤级串联组成，用于工业棉花轧花作业中的高效除尘。该装置已获得乌兹别克斯坦共和国国家专利№IAP 01214的保护（Djurayev, 2025），并专门设计用于克服传统单级旋风分离器的局限性。

**实验性能与统计优化**

所提出的多旋风分离器在Kosonsoy棉花轧花厂全工业运行条件下，采用随机化23全因子实验设计对其实验性能进行了评估。研究的独立变量为入口风速（X?：10–14 m s?1）、旋风分离器倾角（X?：10–20°）和二级过滤器直径（X?：200–400 mm）。响应变量包括空气清洁效率（U?，%）和比清洁时间（U?，s）。

**结论**

本研究提出了一种两级颗粒去除系统的设计、CFD辅助优化、单点工业评估和经济性评估，该系统由六筒倾角辅助初级多旋风分离器与脉冲喷吹清灰二级过滤器组成，用于棉花轧花应用。该系统的开发旨在在全规模棉花轧花条件下改善颗粒收集并减少大气排放。

在实验研究的因子域内：

**符号说明**

| 符号 | 描述（单位） |
|------|-------------|
| η | 收集/分离效率（%） |
| U? | 空气清洁效率，因子响应（%） |
| U? | 比清洁时间，因子响应（s） |
| X? | 编码入口风速 |
| X? | 编码旋风分离器倾角 |
| X? | 编码二级过滤器直径 |
| θ | 旋风分离器倾角（°） |
| Dfilter | 二级过滤器直径（mm） |
| vin | 入口风速（m s?1） |
| μ / μg | 空气动力黏度（Pa·s） |
| ρ / ρg | 密度（kg m?3） |
| d?? | 切割粒径（μm） |
| St | Stokes数（无量纲） |
| Ma | 马赫数（无量纲） |

**未引用文献**

（Derksen, 2003; Sutherland, 1893; Schiller and Naumann, 1935）

**资助**

本研究未获得外部资助。

**CRediT作者贡献声明**

Ahror Tursunov：方法论、调查、数据整理、概念构思。

Jasur Shodmanov：撰写——审阅与编辑、撰写——原始稿件、监督、形式分析、概念构思。

Nosir Sharibaev：监督、资源、调查、形式分析。

LIU Hongtao：撰写——审阅与编辑、形式分析、概念构思。

Sherzod Djurayev：可视化、验证、软件。

Sherzod Korabayev：验证、方法论、形式分析。

Sabohat Ergashkhojayeva：资源。

**利益冲突声明**

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

**致谢**

作者衷心感谢Namangan State Technical University的支持，以及Kosonsoy棉花轧花厂管理和技术人员在实验研究期间提供的工业设施和操作协助。

Ahror Tursunov | Jasur Shodmanov | Nosir Sharibaev | Sherzod Djurayev | Sherzod Korabayev | Sabohat Ergashkhojayeva | Muhammmadyusuf Xolmatov | Hong-Tao Liu