劉雁鵬

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán)唐山研究院，河北省唐山市，063012）

褐煤干燥提質(zhì)使用的旋風(fēng)分離器流場(chǎng)數(shù)值模擬研究

劉雁鵬

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán)唐山研究院，河北省唐山市，063012）

旋風(fēng)分離器作為褐煤干燥提質(zhì)設(shè)備的主要組成部分，內(nèi)部有著復(fù)雜的湍流流場(chǎng)，而且在內(nèi)部溫度很高的條件下，其他試驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行。為了解決這一問(wèn)題，應(yīng)用Fluent數(shù)值模擬軟件，對(duì)旋風(fēng)分離器在褐煤分離提質(zhì)過(guò)程中的流場(chǎng)狀態(tài)進(jìn)行了分析研究，從而掌握旋風(fēng)分離器在分離過(guò)程中的流場(chǎng)形態(tài)，為旋風(fēng)分離器的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了理論依據(jù)。

褐煤 旋風(fēng)分離器 氣固二相流

隨著能源形勢(shì)的日益緊張，褐煤干燥提質(zhì)一體化越來(lái)越受到人們的重視。旋風(fēng)分離器作為管式氣流干燥器的重要組成部分，主要是用來(lái)分離褐煤中的顆粒和煤粉。旋風(fēng)分離器雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是由于其內(nèi)部氣流速度較高，流場(chǎng)比較復(fù)雜，而且受到褐煤干燥系統(tǒng)中高溫的限制，其他試驗(yàn)方法無(wú)法進(jìn)行。因此采用Fluent數(shù)值模擬來(lái)對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行研究，以得到氣流在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的內(nèi)部流場(chǎng)狀態(tài)。

Fluent軟件是目前應(yīng)用最廣泛的CFD軟件包，用來(lái)模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)。Fluent采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，因而能達(dá)到最佳的收斂速度和求解精度。

1 旋風(fēng)分離器

1.1 旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)與基本原理

旋風(fēng)分離器是利用離心沉降原理進(jìn)行分選的設(shè)備，本身沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單。其基本工作原理為：氣固混合物在一定的壓力下從進(jìn)料口切線給入到旋風(fēng)分離器，在柱段器壁的導(dǎo)流作用下，氣固混合物強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)，同時(shí)沿著器壁向下做螺旋運(yùn)動(dòng)，形成向下的外旋流，外旋流在向下的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于錐段逐漸收縮致使流動(dòng)阻力增大，流體到達(dá)底流口附近后，迫使外旋流中除部分流體從底流口流出外，大部分流體轉(zhuǎn)而向上運(yùn)動(dòng)，在內(nèi)部形成向上的回流（即內(nèi)旋流），并從溢流管流出。因此，旋風(fēng)分離器內(nèi)的流體流動(dòng)呈雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。

在旋風(fēng)分離器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)中，混合物中密度大的顆粒在離心力的作用下容易沉降到器壁附近，并隨外旋流在底流口附近排出，密度小的顆粒由于沉降速度較小，還未沉降到器壁就則隨著內(nèi)旋流從溢流管排出，這樣可以將混合物中的褐煤顆粒和粉末分選出來(lái)。

1.2 旋風(fēng)分離器流場(chǎng)基本特點(diǎn)

旋風(fēng)分離器內(nèi)的流體是一個(gè)復(fù)雜的三維旋轉(zhuǎn)流體，到目前為止還不能完全用理論的分析方法來(lái)闡述旋風(fēng)分離器內(nèi)部的流體力學(xué)規(guī)律。通過(guò)對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)的速度分布做了大量的試驗(yàn)研究，可以看出旋風(fēng)分離器內(nèi)基本上是半自由渦流和強(qiáng)制渦流藕合而成的螺旋渦流。

2 數(shù)值模擬的計(jì)算方法

湍流是一種復(fù)雜的三維非穩(wěn)態(tài)、帶旋轉(zhuǎn)的不規(guī)則流動(dòng)，為了計(jì)算方便假定流體為定常流，將氣固混合物看成均勻介質(zhì)。計(jì)算控制方程采用質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。由于流動(dòng)處于湍流狀態(tài)，系統(tǒng)還要遵守附加的湍流輸運(yùn)方程。

2.1 模型的建立

由于工業(yè)用旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)實(shí)際尺寸比較大，因此采用實(shí)驗(yàn)裝置的尺寸應(yīng)該便于與半工業(yè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)照，采用的設(shè)備是CLT/A－Y型的旋風(fēng)分離器。運(yùn)用Fluent前處理器的Gambit進(jìn)行旋風(fēng)分離器模型的建立，圖1為Gambit軟件建模后的模型。

利用Gambit軟件進(jìn)行建模的旋風(fēng)分離器工藝參數(shù)為：進(jìn)氣口尺寸寬度30 mm，高度80 mm；圓柱段尺寸：直徑150 mm，高270 mm；圓錐段尺寸：上口直徑150 mm，下口直徑30 mm，高度300 mm；溢流口尺寸：直徑60 mm。

2.2 網(wǎng)格的劃分

在劃分網(wǎng)格之前將筒體分成4部分，分別是進(jìn)氣管部分、筒體上半部分、筒體下半部分和溢流口部分。進(jìn)行網(wǎng)格劃分均劃為六面體的元素，生成網(wǎng)格方式為制筒模式，共劃分為199664個(gè)網(wǎng)格。

2.3 邊界條件和參數(shù)

邊界條件設(shè)置如下：設(shè)置進(jìn)氣道的入口平面為Velocity-Inlet邊界條件，入料速度為20 m/s；設(shè)置出氣管出口平面為Outflow邊界條件，壓力為0；設(shè)置上出氣口和筒體的重合面為InterfaceE邊界條件。

2.4 利用FLUENT求解器求解

選用Pressure Based壓力求解器、隱式、三維（3D）、定常（Steady）等求解器的參數(shù)設(shè)置。湍流模型選擇RNG k-ε雙方程湍流模型，因?yàn)樾L(fēng)分離器內(nèi)旋流占優(yōu)流動(dòng)，所以選擇Swirl Dominated Flow。計(jì)算中的流體是空氣，也是工作介質(zhì)，不考慮重力因素。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 收斂性分析

通過(guò)設(shè)置合理的參數(shù)、優(yōu)化網(wǎng)格及控制松弛因子等方法，提高迭代的收斂性，其殘差圖見(jiàn)圖2，迭代次數(shù)超過(guò)800次以后，殘差值就不再變化，維持在1e-6量級(jí)以下。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果

圖3所示是旋風(fēng)分離器X＝0時(shí)平面的速度矢量示意圖，由圖3可以看出這樣的參數(shù)設(shè)置很好地實(shí)現(xiàn)了分選效果。一部分流體由上溢流口流出，另一部分由下排料口排出，實(shí)現(xiàn)了褐煤顆粒與粉末的分選。

切向速度和軸向速度是與旋風(fēng)分離器中氣固兩相運(yùn)動(dòng)有關(guān)的兩個(gè)重要部分，切向速度產(chǎn)生顆粒分離的離心力，軸向速度導(dǎo)致顆粒沿壁面向灰斗的輸送，一般來(lái)說(shuō)切向速度和軸向速度最能反映旋風(fēng)分離器內(nèi)顆粒分離能力的大小。

圖3 旋風(fēng)分離器X＝0時(shí)平面的速度矢量示意圖

3.2.1 Z＝550時(shí)流場(chǎng)的分析

Z＝550時(shí)平面的切向速度和軸向速度見(jiàn)圖4和圖5。

如圖4和圖5所示，可以看出入料口區(qū)域，以20 m/s入料后外旋流的速度升高到22～24 m/s，而內(nèi)旋流速度則降低到16～18 m/s；旋轉(zhuǎn)0.5周后外旋流速度降低到18～20 m/s，內(nèi)旋流速度降低到3～5 m/s。入料后速度下降和動(dòng)能減少主要是由于氣體與容器壁的碰撞，說(shuō)明了旋風(fēng)分離器與入口相切處是磨損最嚴(yán)重的區(qū)域。圖4和圖5中間位置是溢流口，軸向速度比較大，而切向速度很小，內(nèi)旋流螺旋狀流向溢流口，出口速度為10 m/s左右，和實(shí)際試驗(yàn)是吻合的。3.2.2 Z＝300時(shí)流場(chǎng)的分析

Z＝300時(shí)平面的切向速度和軸向速度見(jiàn)圖6和圖7。

如圖6和圖7所示，在筒體中間位置外旋流的速度為13～15 m/s，內(nèi)旋流速度為2～3 m/s，而且越往中心位置速度越小。在圓柱體與圓錐體交接位置中心速度基本為0 m/s，內(nèi)旋流速度向上，而外旋流速度向下，從而實(shí)現(xiàn)褐煤顆粒與粉末的分選。

3.2.3 Z＝0時(shí)流場(chǎng)的分析

圖8 Z＝0時(shí)平時(shí)面切向速度

由圖8切向速度曲線可知，切向速度沿徑向呈“M”形分布；切向速度沿軸向減少且減幅較大，中心位置幾乎為零；排料口處最大切向速度仍保持21 m/s，這表明排料口中存在較強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)。由于排料口的旋轉(zhuǎn)氣流對(duì)于分離已經(jīng)沒(méi)有作用，氣流的高速旋轉(zhuǎn)只能帶來(lái)能量的消耗，而且旋轉(zhuǎn)速度越高，旋轉(zhuǎn)動(dòng)能越大，能量消耗也就越大。

圖9 Z＝0時(shí)平面軸向速度

由圖9軸向分布曲線可以得出，軸向速度軸向速度急驟升高，中心位置軸向速度達(dá)到35～37 m/s，氣流沿軸向高速?lài)姵?，褐煤顆粒伴隨氣流沖擊下排料口，說(shuō)明褐煤顆粒對(duì)容器排料口有磨損作用。

3.3 結(jié)果分析

（1）通過(guò)對(duì)Z＝550、Z＝300和Z＝0時(shí)的平面流場(chǎng)分析可以得出，在溢流口軸向速度比較大，而切向速度很小，內(nèi)旋流螺旋狀流向溢流口；在圓柱體與圓錐體交接位置實(shí)現(xiàn)褐煤顆粒與粉末的分選；在底流口處軸向速度加大，應(yīng)考慮對(duì)器壁的磨損作用。

（2）混合物從入料口進(jìn)入之后沖擊上部筒體，而且磨損不均勻，入料一側(cè)磨損嚴(yán)重；下排料口區(qū)域被顆粒高速?zèng)_擊，高強(qiáng)度磨損部位易造成損壞，需要設(shè)法增加耐磨性。

（3）通過(guò)數(shù)值模擬掌握各部分流體的運(yùn)動(dòng)速度和壓強(qiáng)，其他配套管道設(shè)施及動(dòng)力裝置選型應(yīng)當(dāng)與之匹配。

4 結(jié)論

本文通過(guò)采用數(shù)值模擬得出了旋風(fēng)分離器流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，掌握褐煤分離過(guò)程中的流場(chǎng)狀態(tài)，為旋風(fēng)分離器的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。今后可根據(jù)不同的煤質(zhì)先進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，使旋風(fēng)分離器的各種參數(shù)達(dá)到最優(yōu)，再進(jìn)行半工業(yè)試驗(yàn)驗(yàn)證模擬效果來(lái)設(shè)計(jì)旋風(fēng)分離器，也可以數(shù)值模擬軟件為工具進(jìn)行新結(jié)構(gòu)旋風(fēng)分離器的研發(fā)。

［1］ 戴和武，謝可玉.褐煤利用技術(shù)［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1998

［2］ 陳海旭.我國(guó)褐煤燃前脫灰脫水提質(zhì)現(xiàn)狀［J］.中國(guó)煤炭，2009（4）

［3］ 田忠坤.褐煤干選、干燥、成型一體化工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)研究［J］.選煤技術(shù)，2011（2）

［4］ 于勇.FLUENT入門(mén)與進(jìn)階教程［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2008

［5］ 王瑞金.FLUENT技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007

［6］ 張建，金有海.灰斗抽氣對(duì)旋風(fēng)分離器分離性能影響數(shù)值模擬研究［J］.工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2008（10）

［7］ 李進(jìn)鋒，吳德飛，何細(xì)藕.利用CFX軟件模擬計(jì)算旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，2010（5）

Research on flow field of cyclone separator in lignite upgrade equipment by using Fluent numerical simulation

Liu Yanpeng
（Tangshan Research Institute of China Coal Technology＆Engineering Group，Tangshan，Hebei 063012，China）

As the important part of lignite upgrade equipment，cyclone separator has complex flow field of Turbulence Flow and temperature of internal is very high，so other tests cannot conduct.To solve this problem，F(xiàn)luent numerical simulation software has been used for the research on flow field when upgrade lignite is separating.Flow field has been obtained，which provide theory basis for design and improve cyclone separator.

lignite，cyclone separator，gas－solid biphase flow

TQ536.6

A

劉雁鵬（1970－），男，河北唐山人，工程師，1991年畢業(yè)于唐山工程技術(shù)學(xué)院機(jī)械制造專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)就職于中國(guó)煤炭科工集團(tuán)唐山研究院，主要從事選煤機(jī)械的研究。

（責(zé)任編輯 王雅琴）