煤层气是与煤伴生、共生的非常规天然气资源,我国煤层气储量丰富。随着我国对天然气需求的高速增长,开发煤层气资源可有效补充天然气产量,改善我国能源结构。煤层气开采过程中不可避免的含有砂岩颗粒,这些颗粒的存在提高了煤层气的输送成本,也难以满足下游用户的生产条件,因此煤层气地面集输工艺中对除尘效率提出了较高的要求,煤层气内的粉尘粒径细小,开采压力低,流量波动较大,现有分离技术难以很好地有针对性地解决,因此需研制适用于煤层气除尘的高效分离设备。本文主要通过分析传统气固分离设备的特点,总结提高分离器性能的措施,并在以往研究的基础上,结合煤层气工况特点,以旋风分离技术为基础,设计出了新型高效气固分离设备——回流型动态旋风分离器,介绍了其结构原理、性能指标。利用Fluent软件,采用雷诺应力模型(RSM)对分离器内流场进行了模拟,并结合离散相模型(DPM)模拟了颗粒轨迹和分离效率。模拟分析了叶轮结构、排气管结构、回流管结构等结构参数和处理量、叶轮转速等操作参数对流场和分离效率的影响规律,为设计优化提供依据。加工实验样机,搭建实验平台,测定分离效率。通过实验研究了叶轮结构、排气管结构、回流管结构等结构参数和处理量、叶轮转速、含尘浓度等操作参数对压力性能和分离性能的影响,并测定了经优化后的整机性能。经过数值模拟和实验研究得出：回流型动态旋风分离器有效消除了传统旋风分离器内存在的二次涡流,流场对称分布,利于分离；分离器对5μm以上颗粒分级效率均在95%以上,对平均粒径10μm的含尘气体分离效率高达99.5%；回流管有效地起到了稳定流场、提高效率、减小压力损失的作用,通过设置回流管,对微细粉尘分离效率最大提高了10%,压力损失减少了100Pa以上；排气管直径减小,分离效率提高,但是压力损失显著增加；叶轮直径增加,分离效率先提高后减小,压力损失一直增大,应设计适当直径；处理量波动,对压力损失有较大影响,但是对分离效率影响较小,处理量变化50%时,分离效率变化不足2%,且效率均在98%以上,分离器有较好的抗流量波动能力；叶轮转速不宜过大,否则不但增大压力损失和能耗,效率反而降低。综合模拟和实验研究结果,获得了最优的设备结构与操作条件。