引言

旋風(fēng)分離器的主要功能是氣一固分離，由于其具有結(jié)構(gòu)簡單，操作維護(hù)方便，運行狀況穩(wěn)定，并且可以在高溫、高壓等苛刻工況下長期運行的優(yōu)點，被廣泛的應(yīng)用于水泥、石油、冶金等工業(yè)領(lǐng)域。但由于旋風(fēng)分離器內(nèi)部復(fù)雜的強旋轉(zhuǎn)湍流流動，以及氣流旋轉(zhuǎn)運動所具有的不穩(wěn)定性，使得旋風(fēng)分離器實際的分離過程十分復(fù)雜。在實際運行中，可以觀測到旋風(fēng)分離器會出現(xiàn)返混夾帶現(xiàn)象，即煙氣會攜帶一部分物料從排氣口排除，這樣會影響旋風(fēng)分離器的分離效率，增加能耗。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生這種現(xiàn)象是由于旋風(fēng)分離器內(nèi)存在二次流，導(dǎo)致旋風(fēng)分離器內(nèi)部出現(xiàn)頂灰環(huán)、短路流等現(xiàn)象，從而降低了旋風(fēng)分離器對細(xì)小顆粒的分離效率，降低了整體的分離率。

針對旋風(fēng)分離器的分離效率、內(nèi)部流場分布、氣固兩相換熱等方面的問題，國內(nèi)外已有多位學(xué)者采用數(shù)值方法進(jìn)行研究。本文利用ANASY-FLUENT對旋風(fēng)分離器分離效率的影響因素展開研究，并對一種新型結(jié)構(gòu)的旋風(fēng)分離器分離效率進(jìn)行研究。

1、幾何模型的建立及網(wǎng)格劃分

本文所分析的旋風(fēng)分離器模型見圖1，其具體幾何參數(shù)見表1。為方便計算，在不影響結(jié)果規(guī)律的條件下，將模型進(jìn)行如圖2所示的簡化：此外，為保證模型出氣口、出灰口以及入口位置流場穩(wěn)定，模型中將這三處位置加長。

表1 模型對應(yīng)的尺寸參數(shù)

數(shù)值模型中，由于出灰口幾何尺度較小，為保證網(wǎng)格質(zhì)量，在出灰口采用較小的網(wǎng)格尺寸，面網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.05m。為提高計算效率，體網(wǎng)格尺寸設(shè)為0.3m，網(wǎng)格總數(shù)為45萬，網(wǎng)格見圖3。

圖3 模型網(wǎng)格劃分圖

2、計算方法與邊界條件

本文仿真分析使用的軟件為Fluent，在軟件中選擇壓力求解器，瞬態(tài)計算，并考慮Z方向的重力加速度，采用SIMPLE算法作為壓力與速度的耦合算法。湍流模型選擇k-epsilon模型中RNG，RNG考慮了湍流漩渦，相比標(biāo)準(zhǔn)k-e模型進(jìn)行了其他參數(shù)的修改，提高了精度，適用于本次仿真。

流體的運動遵循基本控制方程，包括質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程。質(zhì)量守恒方程又稱連續(xù)性方程，表達(dá)式為：

顆粒相的運動采用離散相模型DPM來研究，DPM模型可以模擬不同粒徑分布的顆粒在旋風(fēng)分離器內(nèi)的運動，經(jīng)模擬后的分離率與試驗數(shù)據(jù)較為貼切，選擇隨機(jī)軌道模型來跟蹤顆粒的運動軌跡，方程如下：

邊界條件是計算域中的變量在計算邊界上所滿足的條件，是控制方程求解的前提，本模型中邊界條件設(shè)置如下：

入口邊界入口類型設(shè)為velocity-inlet，速度為16m/s，入口壓力為4600Pa。

出口邊界：排氣口和出灰口類型均設(shè)為pres-sure-outlet，因與大氣連通，所以相對壓力設(shè)為0，氣體的回流系數(shù)設(shè)為1。

其他壁面邊界:設(shè)為靜止的無滑移壁面，對近壁網(wǎng)格點采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)近似處理。

本次模擬對象旋風(fēng)分離器的初始條件均根據(jù)實際工況來確定，具體如下：旋風(fēng)分離器入口速度16m/s，溫度733K，壓力4600Pa，為了與實際情況相符，在模擬煙氣時啟動組分運輸模型，煙氣的成分及對應(yīng)組分的體積百分比見表2。

表2 煙氣主要組成成分

表3 物料粒徑分布

本文研究的旋風(fēng)分離器預(yù)熱原料是石灰石，主要材料為CaCO?，密度為2600kg/m3，石灰石溫度為333K，速度為16m/s，與煙氣無相對速度。在模擬中使用Rosin-Rammler分布，經(jīng)計算得到最小粒徑25e-6m，最大粒徑80e-6m，平均粒徑65e-6m，顆粒尺寸分布指數(shù)為2.35，顆粒粒徑分布具體見表3。

3、結(jié)果分析

表4給出了旋風(fēng)分離器的流量統(tǒng)計，計算得分離率為95.67%。

表4 旋風(fēng)分離器物料流量統(tǒng)計

圖4所示為旋風(fēng)分離器內(nèi)流線圖，從圖中可以看到原料石灰石隨煙氣一起從入射口進(jìn)入換熱管中，隨著煙氣做螺旋運動。煙氣在旋風(fēng)分離器外壁是螺旋下降，中心則是螺旋上升，最終部分原料隨著煙氣從排氣口中排出，其余原料由出灰口收集。

圖5所示為旋風(fēng)分離器整體的壓力分布，圖6為截取旋風(fēng)分離器內(nèi)部截面(Y0.02m)處的壓力分布云圖，壓力分布總體呈現(xiàn)中間低，兩端高的特點，負(fù)壓中心均勻的分布在內(nèi)筒中，且最低壓力出現(xiàn)在內(nèi)筒中軸線附近，進(jìn)出口壓力差為475.86Pa。從整體上看，壓力由邊壁向內(nèi)筒中心逐漸降低，符合實際工況中流場的特點，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是在旋風(fēng)分離器內(nèi)筒的底部有強制渦，從而使氣體發(fā)生強烈旋轉(zhuǎn)，致使整體法向壓力梯度變大，也正是因為這樣的流場特點導(dǎo)致旋風(fēng)分離器內(nèi)部的壓降力方向由壁面指向中心，原料由于受到壓降力的影響會向旋風(fēng)分離器的中心運動，一些物料由于受到的離心力不夠，從而被卷入筒內(nèi)的上升流中被排氣口排出。

圖7所示為旋風(fēng)分離器在Y=0.02m截面處的流場速度云圖，煙氣從排氣管中沿著切線方向進(jìn)入旋風(fēng)筒，在筒內(nèi)做旋轉(zhuǎn)運動狀態(tài)，一邊旋轉(zhuǎn)一邊向下運動，直到運動到錐體底部，氣流反折向上運動，形成了旋風(fēng)分離器外壁向下的外旋流和中心向上的內(nèi)旋流。從圖中還可以看出流場的速度隨著運動路程增大而減小，當(dāng)氣流從排氣管進(jìn)入旋風(fēng)筒時，空間擴(kuò)大，減少了氣體的阻力損失，使得速度降低；當(dāng)氣流反折向上運動到內(nèi)筒入口時，運動空間驟減，速度因此增大，甚至超過了入射口的速度，從而出現(xiàn)了渦流現(xiàn)象。

圖8所示為旋風(fēng)分離器在Y=0.02m截面處的流場三種速度云圖。圖8(a)為軸向速度云圖，軸向速度是旋風(fēng)分離器物料與煙氣分離的重要參數(shù)，外旋流軸向速度向下，物料運動到出塵口被收集；內(nèi)旋流軸向速度向上，部分物料被卷入后一同向上運動，由排氣口排出。圖8(b)為徑向速度云圖，其絕對值是三種速度中最小的一個，在實際中很難進(jìn)行實測，從圖中可以看出徑向速度中心對稱，兩側(cè)絕對值大小相等，方向相反，在中軸上沒有明顯的規(guī)律。圖8(c)為切向速度云圖，切向速度決定了物料在筒內(nèi)所受離心力的大小，物料在筒內(nèi)主要受離心力和壓降力，其中離心力有利于物料的分離與收集，從圖中可以看到切向速度從邊壁到中心逐漸增大。

4、分離率的影響因素

氣速對旋風(fēng)分離器的分離效率有很大的影響，直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的工效問題，因此本次仿真設(shè)置6種不同氣速，其他條件保持不變，其中16m/s為初始?xì)馑?，比較不同氣速對旋風(fēng)分離器分離率的影響。圖9給出了氣速對旋風(fēng)分離器分離率的影響。圖11是6種氣速下旋風(fēng)分離器的流線圖。圖12是6種氣速下旋風(fēng)分離器在Y=0.02m截面處的壓力分布圖。圖13給出了旋風(fēng)分離器在Y二0.02m截面處的速度分布云圖。從圖9可以看出，當(dāng)氣速從13m/s增加到31m/s時，旋風(fēng)分離器的分離率由95.07%增加到96.39%，且分離率隨著氣速的增大而增大，這是由于物料在筒內(nèi)所受的離心力隨著風(fēng)速的增大而增大，而離心力使得物料向旋風(fēng)分離器的邊壁運動，遠(yuǎn)離中心向上的內(nèi)旋流，從而更有利于物料的收集。從圖12和圖13中也可以看出，隨著氣速的增大，旋風(fēng)分離器內(nèi)的壓力和速度都呈增大的趨勢。但當(dāng)氣速超過31m/s時，旋風(fēng)分離器的分離率呈現(xiàn)降低的趨勢，這是因為隨著氣速的增大，煙氣運動到旋風(fēng)分離器底部時容易形成渦旋，一些細(xì)小的物料不容易沉降，從而隨著煙氣由排氣口排出。

圖10是氣速與旋風(fēng)分離器進(jìn)出口壓力差的關(guān)系圖，從圖中可以看出進(jìn)出口的壓力差總體隨著氣速的增加而增大。雖然旋風(fēng)分離器的分離效率在氣速達(dá)到31m/s后開始下降，但旋風(fēng)分離器進(jìn)出口的壓力差一直在增大，且氣速越大，增加的幅度也越大。

本文以圖11(a)，(b)和(c)所示的三種旋風(fēng)筒分離器模型進(jìn)行分離效率比較。如圖11(a)所示，旋風(fēng)筒中段是一個直徑為5.8m的圓筒。將模型一的圓筒中間位置以下變?yōu)槿鐖D11(b)所示的半徑為5.4m的圓筒，中間往上變?yōu)閳A臺形狀形成模型二：在模型三中將其直徑進(jìn)一步減小為5.0m，其它尺寸如圖11(c)所示。

針對圖11所示的三種旋風(fēng)分離器模型，氣速統(tǒng)一設(shè)置為16m/s，比較三種模型的分離效果。從圖12中可以看到，模型三的分離率最大為96.51%，旋風(fēng)分離器隨著圓柱直徑的減小分離效率不斷增大，當(dāng)旋風(fēng)分離器圓柱的直徑由5.8m減小到5.0m時，分離率由95.67%增大到96.51%o當(dāng)物料隨煙氣從換熱管進(jìn)入到筒內(nèi)做螺旋運動時，由于圓柱部分宜徑變小，物料的運動速度變快，因此物料所受離心力變大，旋風(fēng)分離器的分離率增大。圖13所示為圓柱直徑與旋風(fēng)分離器進(jìn)出口壓力差的關(guān)系，從圖中可以看到隨著圓柱直徑的減少，旋風(fēng)分離器進(jìn)出口的壓力差在不斷增加。

5、結(jié)論與建議

(1)對旋風(fēng)分離器的進(jìn)氣速度進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，隨著速度增大，分離率逐漸增大，但當(dāng)增大到一定程度(本模型約為31m/s)分離率會降低。在實際生產(chǎn)過程中，在合理的速度范圍內(nèi)(不同旋風(fēng)分離器模型最大分離率對應(yīng)速度不筒)，適當(dāng)提高氣速可以提高旋風(fēng)分離器的分離率。

(2)研究了三種尺寸的旋風(fēng)分離器模型(直徑分別為5.8m，5.4m，5.0m)，三個模型的分離率依次提高，模型三的分離率最大為95.51%。因此隨著旋風(fēng)分離器圓柱部分直徑的減少，旋風(fēng)分離器的分離率也呈提高的趨勢。在實際生產(chǎn)過程中，可以按照本文研究模型，根據(jù)建廠條件適當(dāng)減小旋風(fēng)筒的直徑。

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