多類型旋風除塵器壁面磨損對比研究

戴 健，王 月，劉浩成，王 磊，宋印東

（1. 招商局重工（深圳）有限公司 技術中心， 廣東 深圳 518054； 2. 江蘇科技大學 能源與動力學院， 江蘇 鎮江 212100）

0 引言

旋風除塵器是一種應用十分廣泛的氣固分離裝置，然而，氣固兩相流動導致壁面磨損已經成為制約這種設備發展的重要問題[1]。近年來，一些學者通過對除塵器結構、材質分析其產生磨損的原因，結果表明：不同入口結構除塵器環形空間壁面都是以“局部磨損”為主，但磨損區域略有不同。[2-3]趙新學、楊智勇、李琴等人研究了除塵器排塵口直徑[4]、入口速度[5]、入口高寬比[6]對磨損的影響，結果表明：壁面磨損的整體變化趨勢不隨排塵口直徑的改變而變化，都呈現局部磨損的形態；過大的高寬比也會加劇渦核擺動強度，加劇錐體底部的沖蝕磨損。鄒康等分析了安裝防磨結構對除塵器防磨性能的影響，結果表明：對常規旋風除塵器，其壁面沖蝕磨損速率從筒體頂端向下逐漸減小，在筒體L1/H1=0.8 以下區域，磨損速率基本保持不變，當粒徑大于4 μm 時，可選擇B1 型防磨除塵器提高防磨性能。[7]隨著計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，簡稱“CFD”）理論的逐漸成熟，CFD 技術在計算氣固兩相流動的問題中發揮著重要的作用。[8-9]高助威等基于DPM 模型對旋風除塵器進行流動數值模擬，從顆粒濃度分布和停留時間對頂灰環及壁面磨損現象進行分析，結果表明：壁面處的顆粒濃度呈螺旋狀灰帶分布，灰帶的寬度和螺距不同；在環形空間頂板下方存在頂灰環現象，而且頂灰環分布不均勻。[10]范軍領等對除塵器內部流場與磨損特性進行數值模擬，研究了磨損對除塵器分離性能的影響，結果表明：與未磨損時相比，局部磨損厚度50 mm 時，3 μm 粒徑顆粒的分離效率由74.38%降至54.97%。[11]艾志久等通過計算流體力學方法研究了常規和防磨減阻旋風除塵器的防磨減阻機理，結果表明：常規除塵器容易發生嚴重的局部磨損，而防磨減阻旋風除塵器沖蝕磨損區域較為均勻；在同一粒徑下，防磨減阻旋風除塵器的壁面磨損速率遠小于常規旋風除塵器。[12]這些通過計算流體力學進行壁面磨損的相關研究，對旋風除塵器防磨結構設計有重要意義。本文以三種常見除塵器（擴散式旋風除塵器、標準比例式旋風除塵器和XCX 型單管長錐體旋風除塵器）為研究對象，分析其磨損部位和分布規律，比較磨損速率數值，為加強此類除塵器壁面防磨提供數值模擬方法和依據。

1 理論基礎

1.1 工作原理

旋風除塵器主要包括矩形入口、上半圓筒體部分、下半圓錐體部分、底部排塵口以及上部排氣管。其工作原理主要是含塵空氣以一定速度進入筒體內部，氣流繞著筒體做圓周運動的同時，受重力作用，沿著圓筒和錐體向下做螺旋線運動。直徑較大的顆粒會由于離心力的作用被甩到筒壁，與筒壁碰撞后失去慣性沿著壁面下落到排塵口，大部分顆粒在這個過程分離完成。小部分未捕集到的顆粒會在逐漸縮小的錐體底部匯集，根據“旋轉矩不變”的原理，氣流會攜帶著極小部分未捕集完成的小直徑顆粒由下到上地做螺旋線運動，這被稱為內旋流。經過這么一個過程，絕大部分大粒徑顆粒被捕集完成，但也有少部分未被捕集到的顆粒出現逃逸現象。[13]

1.2 控制方程

CFD 控制方程如式（1）所示：

式中，列向量F、G、H稱為通向量；列向量J代表源項（體積力和體積熱流可略去為零）；列向量U代表解向量。

1.3 離散相計算方程

不計粒子間相互的作用，對單個顆粒而言，根據牛頓第二定律，得到它的運動方程如式（2）所示：

式中，mp代表粒子質量；up代表粒子速度；∑F代表粒子受到的合力。

粒子所受到的力有附加質量力、黏性阻力、重力、壓力、Basset 力、布朗力等等,利用Fluent 中的粒子作用力微分方程對離散相粒子的軌跡進行了求解。粒子受力平衡方程式為：

式中，u代表流體相速度；up代表顆粒速度；μ 代表流體動力黏度；ρ 代表流體密度；ρp代表顆粒密度；dp代表顆粒直徑；Re代表相對雷諾數；CD代表曳力系數；gx代表X方向重力加速度；Fx代表X方向的其他作用力。

除塵器壁面磨損是由顆粒與壁面發生碰撞造成的，是一個復雜的沖蝕磨損過程。在壁面和顆粒材料、顆粒濃度確定的情況下，磨損率取決于顆粒速度、撞擊頻率、撞擊角度、顆粒粒徑等。其數學形式為：

式中，Rerosion代表磨損速率；Nparticals代表單位面積碰撞的顆粒數目；m˙p代表顆粒質量流率；C（dp）代表顆粒粒徑相關函數；α 代表顆粒與壁面碰撞的角度；f（α）代表與碰撞角度相關的函數；b（up）代表與顆粒碰撞速度相關的函數；AFace代表壁面計算單元面積。

2 模型建立與邊界條件設置

2.1 模型建立

基于擴散式旋風除塵器、標準比例式旋風除塵器以及XCX 型單管長錐體旋風除塵器三種不同的模型來進行模擬計算，通過對比不同除塵器壁面磨損速率最大值來分析出最適合該工況下的模型。圖1 為不同除塵器的幾何模型。根據某大型船舶制造企業旋風除塵器與濾筒除塵器總處理風量數據得知，單個旋風除塵器的處理風量大約為10 000 m3/h。為保證實驗條件的一致性，本文設定以上三種旋風除塵器的處理風量為9 000 m3/h。顆粒以大型船舶制造企業的鋼材預處理線旋風除塵器和濾筒除塵器在一定時間內捕集的粉塵作為實驗樣本[14]，具體參數如表1 所示。

表1 粉塵樣本物理參數測試數據

圖1 除塵器幾何模型

2.2 網格劃分

使用結構化網格對三種不同的旋風除塵器進行網格劃分。結構化網格的優勢在于網格質量更高、數據結構簡單、計算收斂速度更快、更接近于實際工況等。三種不同旋風除塵器的網格如圖2 所示。

圖2 三種旋風除塵器的結構化網格劃分

2.3 邊界條件及數值計算模型

本文運用流體力學仿真軟件Fluent 對旋風除塵器模型邊界條件以及數值計算模型進行設置，使用常溫空氣作為流場內氣體流動介質，空氣密度ρ=1.205 kg/m3。進風口類型設置為速度進口，方向垂直于進口面向除塵器內部；頂部排氣管設置為壓力出口，根據實際以標準大氣壓為其出口參數；底部排塵口以及所有壁面均設置為無滑移壁面。旋風除塵器內部的流動為氣固兩相耦合流動，顆粒相占比低于10%，屬于稀疏相，所以采用DPM 模型。進風口及頂部排風口DPM 模型都設置escape，粒子流動速度設置為其相應模型的進風口空氣流速。圓筒體壁面DPM 模型設置為reflect，認為粒子到達圓錐體壁面和排灰口即完成捕集，所以排灰口和圓錐體壁面DPM 模型設置為trap。在Fluent 模型設置上，湍流模型采用適用于高旋流的Realizable k-ε模型；近壁面處理采用標準壁面函數；數值計算方法為非交錯網格下的SIMPLEC 算法；離散格式中壓力插補格式采用Second order 格式；對流項均采用Second order Upwind 格式。

3 計算結果分析

圖3 為三種不同的旋風除塵器z=0 截面速度云圖，從圖中可以看出，氣流速度沿著軸線呈現出明顯的軸對稱性。在圓柱筒體部分，氣流速度的最小值點與軸線中心重合。在擴散式旋風除塵器中，由于內部擋板的作用，使的擋板下部分的氣流速度很小，且幾乎不變。在長錐體除塵器中，由于筒體直徑大于其他兩種，所以其最大速度明顯小于其他兩種除塵器。圖4 為三種不同的旋風除塵器z=0 處的靜壓分布，從圖中可以看出，靜壓沿著徑向方向有著較好的對稱性，同時由于三種除塵器的結構不同，靜壓的數值也有一定差異，但分布規律基本相同。圖5 為三種不同旋風除塵器所追蹤到的粒子軌跡。擴散式除塵器由于內部擋板的作用，使得粒子到達擋板附近的壁面上即被捕集完成，故擋板下方幾乎沒有顆粒軌跡。由粒子運動軌跡可知，進入除塵器的大部分粒子都被捕集，但也存在少部分粒子從排風管逃逸。圖6 為三種旋風除塵器的沖蝕磨損云圖，由圖可看出，磨損區域一部分集中在頂面以下20 mm 范圍內。出現這種現象的主要原因是由于旋風除塵器頂端的頂灰環（由于顆粒所受離心力、重力和曳力平衡時顆粒停留在某一位置做旋轉運動）現象，另一部分的分布規律大致呈螺旋狀分布。表2 為三種除塵器壁面磨損速率最大值比較。

表2 三種除塵器壁面磨損速率最大值比較

圖3 三種不同的旋風除塵器z=0 處的速度分布

圖4 三種不同的旋風除塵器z=0 處的靜壓分布

圖5 三種不同的旋風除塵器粒子運動軌跡

圖6 三種不同的旋風除塵器沖蝕磨損云圖

4 結束語

本文通過建立三種不同的旋風除塵器模型進行模擬計算，分析計算結果得到其壁面磨損區域一部分集中在頂面以下20 mm 范圍內，另一部分磨損在筒體大致呈螺旋狀分布。計算內容能為大型船舶制造企業鋼材預處理線除塵器選型提供了理論依據，為除塵器壁面的防磨數值模擬提供了計算方法。