流化床旋風分離除塵器結構優化及數值模擬

陳巨輝 張宗云 陳紀元 馬明 廖吉鵬

摘?要：針對提高大尺度的工業級旋風分離除塵器分離效率的問題，設計一種慣性分離原理和離心分離原理結合在一起的一種新型旋風分離器，采用顆粒動力學理論，建立了雙流體模型，對旋風分離器內氣固流動特性進行了數值模擬研究，分析了流體速度、顆粒軌跡等參數的變化規律.，結果表明，與傳統的旋風分離器相比，新型旋風分離器分離效率有所提高。

關鍵詞：旋風分離器;慣性分離原理;離心分離原理;新型分離器

DOI：10.15938/j.jhust.2020.03.017

中圖分類號：?TK229

文獻標志碼：?A

文章編號：?1007-2683（2020）03-0109-07

Abstract：In?order?to?improve?the?separation?efficiency?of?the?large-scale?industrial?cyclone?separation?filter，?a?new?cyclone?separator?is?designed?which?combines?the?principle?of?inertia?separation?and?centrifugal?separation.?Based?on?the?theory?of?particle?dynamics，?a?two-fluid?model?is?established，?which?is?used?to?numerically?simulate?the?gas-solid?flow?characteristics?in?the?cyclone?separator.?The?variation?law?of?fluid?velocity，?particle?trajectory?and?other?parameters?is?analyzed.?The?results?show?that?the?separation?efficiency?of?the?new?cyclone?separator?is?improved?compared?with?the?traditional?cyclone?separator.

Keywords：cyclone?separator;?principle?of?inertia?separation;?centrifugal?separation?principle;?new?type?separator

0?引?言

我國是世界上煤炭的最大生產國，也是最大的煤炭消費國家。煤炭在我國一次能源中占據主導地位，而且這種情況在很長一段時間不會有實質性的改變。產業生產和國情需求迫使我國需要發展更加清潔且高效的燃燒技術，循環流化床燃燒技術因其有效降低污染物產量、負荷范圍寬且燃料適應性廣等突出優點得到了廣泛應用。旋風分離器作為其重要組件之一，承擔著分離煙氣中的氣固兩相的任務，并將沒有完全燃燒的固體顆粒重新返還爐膛繼續燃燒，提高燃燒效率與脫硫效果，以達到正常物料循環倍率和流化狀態的維持[1-3]。

旋風分離器的性能直接影響著循環流化床的總體設計，系統布局及運行性能。普通旋風分離器的結構一般由進氣口、圓筒體、圓錐體、排氣管和排塵管等幾部分組成。各部分的結構有多種形式，所以組成了各種形式的旋風分離器。盡管如此，其分離原理是一樣的，只是在性能上存在差異。為了分析歸納出其優缺點，基于現有循環流化床對所搭配的旋風分離器進行對比研究。其優點主要有顆粒分離效率較高，能夠處理大量的顆粒、粉塵;其缺點則主要有體積巨大，導致重量大且耗材多，在安裝時占地面積大且較難固定，工作時旋風分離器與過大體積的除塵器散失大量熱量會降低鍋爐熱效率，且有時需要較高的保溫材料費。

本文基于慣性分離原理與離心分離原理，對流化床旋風分離器進行優化分析，設計出高效節能的旋風除塵器。

1?研究所用的模型及理論

1.1?流動模型

本文采用的流動模型主要有守恒方程、湍流模型[4]和曳力模型。

4）氣固相間曳力模型。

在氣固流動歐拉多相流模型中，兩相之間的作用力影響對對顆粒流動狀態的準確描述起著十分重要的作用，曳力是對相間動量傳遞過程中的簡單描述，能夠通過數學公式來準確的描述流體中單個球形顆粒所受到氣體的曳力作用，同時采用帶有雷諾數的函數表達式，本文為了更好的描述顆粒流動狀態，此處采用Gidaspow所提出的氣固曳力模型。

1.2?雙流體模型

雙流體模型即為歐拉-歐拉方法，由Jackson等[6]首次提出，對N-S方程進行局部平均求解[7]。整個空間中，多相介質的分布特性在該模型下被描述為連續不斷的。同時在空間及時間尺度下，介質進行宏觀運動時其物性參數是連續可微的[8-11]。顆粒相被?；癁椤皵M流體”，顆粒相間作用可經由顆粒壓力及黏性來體現，固相間的各種湍流運輸作用在該模型下均能達到較為完整的描述?[12]。固相與流體相采用相同的計算方式和求解方法，流體力學守恒方程可采取相同的表示形式。

1.3?顆粒動力學理論（KTGF）

由于雙流體模型中存在著顆粒粘度、壓力等諸多未知的參數，要使得基本控制方程得以封閉，需得到完整的參數表達式，因此采用顆粒動理學理論[15]?（kinctic?theory?of?granular?flow，?KTGF）?來詳細描述在流動過程中顆粒之間的相互作用，被稱為微觀粒子與宏觀流體的連接紐帶。

1.4?湍流模型

本文湍流模型采取知名度最高且應用范圍最廣的標準k-ε模型[16]，該模型下運輸方程由湍流能量方程及湍流能量耗散輸運方程構成[17]。

1.5?離散項模型

對于采用多相流模型來求解顆粒、液滴、氣泡等流動的問題時，當體積分數小于10%時滿足離散相模型的條件，可以采用離散相模型對流動過程進行數值求解，以獲得精度較高的計算結果。

在FLUENT14.0中選擇Problem?setup→model→discrete?phase-off選項，彈出Discrete?Phase?Model對話框。

2?固氣分離原理及除塵效率計算原理

2.1?固體與氣體慣性分離原理

慣性分離即動量分離，其原理是于氣固兩相流動的路徑上放置障礙物，利用顆粒及粉塵的慣性作用來實現分離效果。夾帶固相或液相的氣流在繞過障礙物時會產生突然的轉折，此時顆?；蛞旱蝿t在慣性作用下撞擊于障礙物，因而降低顆?；蛞旱蔚乃俣仁蛊浔粨浼?。

當顆粒相慣性越大，氣相發生回轉運動時所經路徑的半徑越小，體現出的顆粒分離效果越顯著，因此直徑越大的顆粒更易被分離，氣速的適當提高與轉折處曲率半徑的適當減小更益于提高效率，如圖2所示。

離心分離的原理在于利用旋轉過程中氣相與固相顆粒產生離心力，實現占比不同物質的分離效果[18]。溶液中的懸浮物因離心機等設備產生相當高的角速度，產生遠大于重力的離心力實現沉淀與析出。同時，比重不同物質的沉降速度因所受離心力不同而出現差異，實現比重不同物質的分離效果。

離心分離生物分子是最常用的生化分離方法，在現代除塵技術中，也在廣泛的使用離心分離器，如圖3所示。

2.2?除塵效率計算原理

全效率：含塵氣體通過除塵器時所捕集的粉塵量占進入除塵器的粉塵總量的百分數稱為除塵器全效率，如圖4所示。

如果除塵器結構嚴密，沒有漏風，除塵器入口風量與排氣口風量相等，均為L，則可改寫為

重力沉降即夾帶于靜止流體中直徑為dc的塵粒從靜止狀態開始進行自由落體運動，顆粒加速沉降。顆粒在加速過程中所受阻力也隨之增加。塵粒在其重力、浮力與繞流阻力達到平衡時，將進行勻速下降，此時顆粒達到最大沉降速度值vs，也稱為沉降速度。

因此，灰塵粒子的重力沉降與風速共同疊加作用力的影響是設計除塵器含塵氣體進出口位置的主要考慮因素。

3?3新型旋風分離器結構優化

3.1?新型旋風分離器的結構

3.2?新型旋風分離器模擬計算及改進[19]

由圖6可以看出，在A、B兩處位置，流體流動過程中會出現渦流現象，造成較大的流動能量損失，在第一個灰斗的位置流體速度變化平緩，呈現出U型分布，未能達到理想狀態中速度急劇變化的V型分布，因此，需要對流體繞流中間圓柱的幾何形狀與灰斗的深度進行合理的改進以此減弱在A、B兩處位置出現的渦流現象，減小流動過程中出現的能量損失。同時減小灰斗的寬度，并且對A、B處位置擋板的角度進行改進后能夠對流動軌跡起到約束的作用，使得流體在兩個灰斗處發生類似V型的急速回轉運動，為顆粒提供了較大的離心作用力。

綜合以上分析結果得到以下改進結構圖，如圖7所示。

由圖8可以看出，流體由入口段流入，出口段流出，在灰斗之間存在以較小的曲率半徑發生急速回轉運動的現象，這種流動狀態能夠為顆粒的運動提供較大的離心作用力。觀察圖中C處位置能夠發現，一側流體具有較高的速度，而相對側存在渦流與回流現象，同時可以觀察到A處位置也出現了局部的渦流，這種現象會導致造成空氣動力場的擾動和流體能量的損失，因此需對圖中A、C兩處的擋板進行改進。

最終確定分離段在內部的結構如圖9所示，通過數值模擬進行分析來新型旋風分離器的內部結構，由于其結構內部流動狀態呈現出螺旋向下的趨勢，因此分別在A-A與B-B兩處對內部流動進行數值模擬。

由圖10、圖11可以看出，當顆粒隨流體共同運動到灰斗位置處，并沒有出現渦流與擾動的現象，而是產生了一定幅度的急回流動，為顆粒提供了離心作用力，使得固體顆粒在離心力、慣性力、碰撞和摩擦多種作用力的共同影響下減速并分離。新型旋風分離器結構圖，如圖12所示。

4?結?論

本次設計采用顆粒動力學理論，引入了顆粒溫度，建立并采取了雙流體模型，對旋風分離器內氣固流動特性進行了數值模擬研究，新型旋風分離器結合了傳統旋風分離器的離心分離原理和新型慣性分離器三次減速兩次分離的慣性分離原理，在結構上做了適當的優化，在分離效率方面比傳統旋風分離器有所提高，在煙氣處理量上較于新型慣性分離器有很大的提升，具體具體得到以下結論：

新型旋風分離器的分離效率與顆粒粒徑、顆粒密度、氣體速度等因素存在著一定的關聯性，對新型旋風分離器中間圓柱體形狀與灰斗的深度進行合理的改進能夠減弱在A、B兩處位置出現的渦流現象的影響，減小流動過程中出現的能量損失。同時減小灰斗的寬度，并且對A、B處位置擋板的角度進行改進后能夠對流動軌跡起到約束的作用，使得流體在兩個灰斗處發生類似V型的急速回轉運動，能夠為顆粒提供了較大的離心作用力，使得固體顆粒在離心力、慣性力、碰撞和摩擦多種作用力的共同影響下減速并分離，提高分離效率。

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（編輯：溫澤宇）