防返混圓臺對旋風分離器性能的影響

李杰，王紅霞，鄭彥博，趙瀟

防返混圓臺對旋風分離器性能的影響

李杰1，王紅霞1，鄭彥博1，趙瀟2

（1. 黔南民族職業技術學院，貴州 都勻 558022； 2. 中石油貴州天然氣管網有限公司，貴州 貴陽 550081）

針對灰斗的返混現象，研究防返混圓臺位置及其底面積對旋風分離器性能的影響。利用有限元軟件分析了返混圓臺的位置和圓臺底面積變化對旋風分離器的速度流場、壓降和切割粒徑的影響情況。結果表明：防返混圓臺位置從高到底，相對應壓降逐漸降低，切割粒徑逐漸增大；其對筒體段內部流場的切向速度和軸向速度影響較小，但對灰斗內的速度流場影響較大，隨防返混圓臺底面積逐漸變小，灰斗內的切向速度和軸向速度逐漸變大，相對應壓降和切割粒徑逐漸減小。增加了防返混圓臺，使灰斗內的切向速度和軸向速度都減小，有利于抑制返混現象。

旋風分離器；速度流場；壓降；分離效率

一般結構的旋風分離器內，由于離心力的作用，顆粒緊靠器壁處下行，最終沉淀到灰斗內，但不可避免的是有一部分氣流進入灰斗后，再返會分離器內，而這部分返混氣體會帶走已經分離的粉塵顆粒，最終導致分離效率下降。為了解決這一問題，國內外很多研究者通過在排塵口處安裝“返混錐”來減少返混現象[2-5,7-10]。吳小林[2]等從旋風分離器的旋進渦核的角度研究防返混錐的作用機理。吳冉[3]等通過CFD模擬軟件對帶有防返混錐的雙循環旋風分離器內的壓力場和顆粒軌跡進行了數值模擬并與實驗結果進行比較，結果表明，防返混錐可以有效減少返混現象，但會增大分離器的阻力系數，增大壓降。付雙成[4]等研究了防返混錐位置對旋分離器的影響，結果表明，安裝防返混錐提高了旋風分離器壓降，同時減小了灰斗中氣流的軸向速度、切向速度和湍流強度，可以有效減小灰斗返混；隨著防返混錐位置下移，旋風分離器的分離效率逐漸增加。MASILEWSKI[9]等研究了返混錐位置和錐角對旋風分離器壓降、分離效率的影響，結果表明，隨返混錐位置的降低，分離效率降低，其分離效率最高位置在排塵口上方，最優錐角是該研究范圍的最小值，85°。本文分析了防返混圓臺及其錐角對旋風分離器內部流場、分離性能的影響，為研究抑制返混現象的分離器結構設計提高參考。

1 計算模型和數值計算

1.1 幾何模型建立及網格劃分

旋風分離器的結構和網格示意圖如圖1所示，筒體直徑=200 mm，其他結構尺寸如表1所示（標準Stairmand型[1]）。用有限元軟件ANSYS ICEM對旋風分離器流體域進行網格劃分，分離器a組、b組和c組分別對應41.92萬、42.14萬、42.18萬，其所有網格質量均大于等于0.45，截面1所取數據對應于1=4.25 D。表1為防返混圓臺旋風分離器的幾何尺寸。

圖1 旋風分離器結構與網格示意圖

表1 防返混圓臺旋風分離器的幾何尺寸

1.2 計算模型

旋風分離器的氣體相流域采用N-S方程和應力輸運方程采用雷諾應力模型（RSM）求解，具體計算基本方程如下。

連續性方程：

動量方程：

i=(1,2,3) —笛卡爾坐標；

—流體密度；

—流體動力黏度；

—時間；

—氣體速度。

雷諾應力模型輸運方程：

式中：D—擴散相；

p—應力產生項；

G—浮力產生項；

—應力應變再分配項；

—離散相；

F—旋轉系統產生項;

user—自定義源項；

下標、、—通用坐標方向[6]。

1.3 設置邊界條件和選擇數值解法

邊界條件的設置與文獻[10]的實驗相同，氣體相設置為常溫常壓空氣，其物理化學屬性保持默認。氣體相空氣和固體相顆粒進口速度為15 m·s1，固體相顆粒密度為2 700 kg·m-3，質量流量設置為 0.001 kg·m-3；排氣管出口于氣體相設置為outflow，于顆粒相設置為escape，排氣口于顆粒相設置為trap，壁面邊界保持默認reflect。湍流強度設置為4.7%，水力直徑H為57.2 mm[6]。

對氣體相，本文湍流模型選用雷諾應力模型（RSM），壓力與速度耦合選用SIMPLEC，離散格式選用QUICK，壓力插補格式選用PRESTO；對顆粒相：采DPM方法和隨機軌道模型來處理[6]；以單相耦合計算，先進行8 000步穩態求解，再進行步長為0.01、步數為400瞬態計算，得出收斂結果，進行分析。

2 結果與分析

2.1 數值模擬的可靠性驗證

把數值模擬結果與實驗結果進行對比分析。HOEKSTR[7]等利用測速儀測量了旋風分離器內部流場的速度；本文數值模擬采用與該文獻實驗建立相同條件[3]（幾何尺寸、進口速度），進行對比。圖2為距離排塵口942.5 mm處截面的無量綱切向速度與軸向速度的數值模擬結果與LDA實驗測量值的對比。實驗值與數值模擬的軸向速度、切向速度值基本吻合，該湍流模型和數值計算方法用來模擬旋風分離器的流場，其誤差結果范圍可接受[8,10]。

2.2 對旋風分離器內部流場的影響

2.2.1 對切向速度分布的影響

由圖3切向速度云圖可看出，整體上旋風分離器內部的最大切向速度幾乎與進口速度成2倍關系；有防返混圓臺的旋風分離器的灰斗中的切向速度小于無防返混圓臺；返混圓臺的位置由高到低（相對與灰斗底部），對其筒體段內部的切向速度幾乎沒有影響；返混圓臺的底面面積對灰斗內切向速度影響較大，主要表現為底面面積逐漸變小，對應切向速度逐漸變大，逐漸趨近于沒有防返混圓臺的旋風分離器灰斗內的切向速度。由圖4可以看出，在截面1處，防返混圓臺的底面面積逐漸變大，在圓柱段內部流場的切向速度隨之逐漸變大。a和b組分離器中心的切向速度均大于0，c組和無返混圓臺的分離器中心的切向速度有呈現負值現象，該現象很可能由臨界亞流引起的[6]。

2.2.2 對軸向速度分布的影響

由圖3軸向速度云圖可看出，有防返混圓臺的旋風分離器，在灰斗內的軸向速度均小于無防返混圓臺的分離器。在防返混圓臺的底面角邊處出現軸向速度很大的現象。在返混圓臺的底面過大時，應考慮顆粒分布情況，以免出現防返混圓臺處堵塞危險。由圖4軸向速度曲線可以看出，沒有添加防返混圓臺分離器圓柱段的軸向速度均大于加了防返混圓臺的分離器，軸向速度相對較小，粉塵顆粒在分離器內部的分離時間相應增加，有助于提高其分離效率。a組、b組和c組的軸向速度在渦核中心出現負值現象，很可能時由臨界亞流引起的。

圖3 十個旋風分離器的靜壓、切向速度和軸向速度云圖

圖4 截面S1的切向速度和軸向速度對比

2.3 對旋風分離器分離性能的影響

分離效率和壓降是評判分離性能的主要指標。由圖5可看出，a組分離器防返混圓臺底面積逐漸減小，壓降值也逐漸降低；b組和c組防返混圓臺的底面積逐漸減小，壓降值也逐漸降低，b組壓降變化趨勢相對較迅速。防返混圓臺位于旋風分離器排塵口上方的壓降值最大，隨其位置的下降，壓降值逐漸降低；對應位置的防返混圓臺底面積逐漸減小，其壓降差也逐漸減小。其原因很可能由兩方面引起的：一是由于增加防返混圓臺，導致灰斗中的切向速度和軸向速度，以及湍流強度都減小，導致壓降減??；二是由于防返混圓臺底面積的大小不同，引起壓降差值大小的不同。防返混圓臺的位置對其壓降值有一定的影響且防返混圓臺底面積大小對其壓降也有影響。

切割粒徑（50）可以表征旋風分離器的分離效率，切割粒徑越小，對應分離效率越高。由圖5可看出，防返混圓臺的位置由高到底，切割粒徑逐漸增大，即分離效率降低；圓臺底面積相同的情況下，b組的切割粒徑小于a組和c組，即b組分離效率最佳，即在防返混圓臺的位置位于排塵口的上方相對較好，b3的分離性能相對最佳，即低壓降，高分離效率。

3 結 論

1）防返混圓臺的位置由高到底，對應壓降逐漸降低，切割粒徑逐漸增大；其對筒體段的切向速度和軸向速度影響較小，但對灰斗內的流場影響較大。防返混圓臺位置位于b組位置相對于a、c組的分離效率最佳，其中b3在本模擬實驗中分離性能相對最佳。

2）a組、b組和c組都隨防返混圓臺底面積的變小，灰斗內切向速度和軸向速度變大，對應的壓降和切割粒徑減小。

3）設計防返混圓臺底面積的大小時須考慮對旋風分離器的分離效率和壓降影響。增加防返混圓臺，灰斗內部流場中的切向速度和軸向速度都減小，有助于抑制返混現象。

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Effect of Anti-backmixing Circular Table on the Performance of Cyclone Separator

1,1,1,2

（1. Qiannan Polytechnic For nationalities, Duyun Guizhou 558022, China;2. PetroChina Guizhou Natural Gas Pipeline Network Company, Guiyang Guizhou 550081, China）

Aiming at the backmixing phenomenon of the ash hopper, the influence of the position of the anti-backmixing circular table and its bottom area on the performance of the cyclone separator was studied. The influence of the position of the backmixing table and the area of the bottom of the table on the velocity flow field, pressure drop and cutting particle size of the cyclone separator was analyzed by using the finite element software. The results showed that the pressure drop decreased and the cutting particle size increased with decreasing of the position of the backmixing table from the height to the bottom;It had little influence on the tangential velocity and axial velocity of the flow field inside the cylinder section, but had a great influence on the velocity flow field inside the ash bucket. As the bottom area of the anti-backmixing circular platform decreased gradually, the tangential velocity and axial velocity in the ash bucket increased gradually, and the corresponding pressure drop and cutting particle size decreased gradually. The anti-backmixing circular table was added to reduce the tangential velocity and axial velocity in the ash hopper, which was conducive to the suppression of backmixing.

Cyclone separator; Velocity flow field; Pressure drop; Separation efficiency

2020-04-23

李杰（1990-），男，四川省達州市人，講師，碩士， 2018年畢業于西南石油大學動力工程專業，研究方向：流體機械及工程。

TQ051.8

A

1004-0935（2020）09-1094-04