付曉慶 孫國剛 戚金洲 孫 帥

（中國石油大學(xué)(北京)化工學(xué)院過程裝備實驗室)

0 引言

旋風(fēng)分離器廣泛應(yīng)用于過程工業(yè)與環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低、能承受高溫高壓、操作維護(hù)簡便等優(yōu)點。常見的旋風(fēng)分離器可分為反轉(zhuǎn)流和直流兩類。通常反轉(zhuǎn)流旋風(fēng)分離器的分離效率高、阻力大；直流旋風(fēng)分離器阻力低，但分離效率也低。特別是對于微細(xì)粉塵，直流旋風(fēng)分離器的分離效果往往不夠理想[1-4]。為提高直流旋風(fēng)分離器的分離效果，前人進(jìn)行了許多研究開發(fā)[5-7]。對直流旋風(fēng)分離器內(nèi)流場及其分離過程的深入研究發(fā)現(xiàn)，含塵氣流在直流旋風(fēng)分離器內(nèi)停留時間較短是造成其分離效率低的一個重要原因，同時旋轉(zhuǎn)氣流的非軸對稱性擺動也是影響其顆粒的分離和捕集的一個因素。因此，增加含塵氣流在分離器內(nèi)的停留時間和氣流旋轉(zhuǎn)的軸對稱性與穩(wěn)定性便是可能提高直流旋風(fēng)分離器分離效率的技術(shù)途徑。

本文提出了一種帶旁路氣體循環(huán)的新型直流旋風(fēng)分離器，即在分離器的排氣端設(shè)置旁路，將濃集到分離器排氣端筒體邊壁區(qū)的含塵氣流引導(dǎo)到分離器入口端之下，使其再次循環(huán)進(jìn)入分離器內(nèi)進(jìn)行二次分離，增加這部分氣體的停留時間，進(jìn)而增加粉塵分離的機(jī)會；同時在分離器切向入口段設(shè)置一個與分離器筒體同心的穩(wěn)流器，增加氣流旋轉(zhuǎn)的軸對稱性與穩(wěn)定性，降低旋轉(zhuǎn)氣流擺動，以進(jìn)一步提高直流旋風(fēng)分離器的分離效率。本文采用實驗室性能試驗和流場數(shù)值模擬方法研究了上述新型直流旋風(fēng)分離器的分離性能和流場，并與常規(guī)的直流旋風(fēng)分離器進(jìn)行了對比。

1 實驗研究

1.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示。實驗采用負(fù)壓吸風(fēng)式操作，常溫空氣通過旋風(fēng)分離器入口被吸入旋風(fēng)分離器內(nèi)，在其內(nèi)部形成旋轉(zhuǎn)流場，再經(jīng)過旋風(fēng)分離器頂部的升氣管經(jīng)由風(fēng)機(jī)排出。試驗粉料為石油催化裂化三旋收集的平均粒徑為12 μm的細(xì)催化劑顆粒，分離器入口氣流的含塵濃度為10 g/m3。旋風(fēng)分離器入口管路及旁路的氣量用畢托管測量，各處壓降用U形管測量，詳見圖1。

圖1 實驗裝置

試驗對比考察了三種相同直徑和高度的模型分離器，如圖2所示。1#分離器為傳統(tǒng)的直流旋風(fēng)分離器；氣流由分離器筒體底部切向進(jìn)入，在筒體內(nèi)旋轉(zhuǎn)上行由筒體頂部的排氣管排出；其筒體內(nèi)徑為289 mm，筒體高為1650 mm，分離器進(jìn)氣口尺寸為200 mm×70 mm。2#分離器是在1#分離器基礎(chǔ)上在其旁邊再增加一半徑為R的管子 （簡稱旁路）。3#分離器是在2#分離器的基礎(chǔ)上在其進(jìn)氣段筒體中心再增加一個管狀穩(wěn)流器。

圖2 旋風(fēng)分離器模型

1.2 壓降分析

圖3是三種結(jié)構(gòu)的直流旋風(fēng)分離器壓降隨入口氣速的變化曲線。從圖3可以看出，入口氣速增加，三種直流旋風(fēng)分離器的壓降都隨之增加。與1#分離器相比，在入口氣速相同的情況下，帶有旁路的2#分離器的壓降變化不大；但在2#分離器基礎(chǔ)上加入穩(wěn)流器的3#分離器壓降則有所降低。

圖3 旋風(fēng)分離器總壓降隨入口氣速的變化曲線

1.3 旁路流量分析

圖4是有穩(wěn)流器和無穩(wěn)流器情況下旁路直流旋風(fēng)分離器的旁路流量隨入口氣速的變化曲線。由圖可知，未加穩(wěn)流器的2#分離器，隨著入口氣速的增加，其旁路流量與其入口總流量的比值變化很小，且明顯小于加了穩(wěn)流器結(jié)構(gòu)的直流旋風(fēng)分離器旁路流量。加入穩(wěn)流器后，3#分離器的旁路流量與入口總氣量之比隨著入口氣速的增大而逐漸減??；但流過旁路的氣量仍然是隨入口氣速的增加而增加的，只是旁路流量增幅在減小。

圖4 q/Q隨入口氣速的變化曲線

1.4 分離效率分析

圖5是三種結(jié)構(gòu)的直流旋風(fēng)分離器的分離效率隨入口氣速的變化曲線。如圖5所示，隨著入口氣速的增加，旋風(fēng)分離器的分離效率變化不明顯。未加旁路和穩(wěn)流器的1#直流旋風(fēng)分離器的分離效率非常低，只有50%左右，無法滿足工業(yè)應(yīng)用要求。在此基礎(chǔ)上加入旁路的2#分離器，分離效率增加明顯，達(dá)到了80%左右。穩(wěn)流器的加入使得3#分離器的分離效率達(dá)到了90%以上，分離性能顯著提高。

圖5 分離效率隨入口氣速的變化曲線

2 模擬研究

2.1 計算模型及方法

為了深入地理解穩(wěn)流器提升直流旋風(fēng)分離器分離效率的流體力學(xué)機(jī)理，本文對這三種直流旋風(fēng)分離器的內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬研究，計算模型如圖2所示。Z軸原點在旋風(fēng)分離器進(jìn)氣口部分下截面的圓筒中心處，向上為正方向。

流體計算軟件采用Fluent 6.3，并采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。由于旋風(fēng)分離器內(nèi)流場是復(fù)雜的三維強(qiáng)旋轉(zhuǎn)湍流流場，具有很強(qiáng)的各向異性特點，因此在進(jìn)行模擬計算時，選擇能較好地反映湍流各向異性的雷諾應(yīng)力模型 （RSM）。壓力梯度項采用交錯壓力格式 （pressure staggering option，PRESTO） 方法進(jìn)行處理，而各對流項均采用QUICK差分格式。流體是常溫、常壓狀態(tài)下的空氣，入口邊界條件采用速度入口，且vi=15 m/s。

2.2 模擬結(jié)果及分析

切向速度是旋風(fēng)分離器流場的主要分量，其變化特性直接影響到旋風(fēng)分離器的分離性能。為此，下面重點對以上三種結(jié)構(gòu)直流旋風(fēng)分離器的切向速度場進(jìn)行對比分析。

圖6是三種不同結(jié)構(gòu)的直流旋風(fēng)分離器中心截面上的瞬時切向速度分布云圖。從圖6（a）和（b）可以看出，對于1#和2#兩種結(jié)構(gòu)的旋風(fēng)分離器，其旋轉(zhuǎn)中心明顯偏離幾何中心，內(nèi)旋轉(zhuǎn)流場穩(wěn)定性不強(qiáng)，瞬時切向速度軸對稱性較差。當(dāng)在2#分離器上加裝穩(wěn)流器后，如圖6（c）所示，旋轉(zhuǎn)中心和幾何中心重合度較好，旋轉(zhuǎn)流場的穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)，瞬時切向速度的軸對稱性變得非常好。

圖6 X=0截面上瞬時切向速度云圖分布

圖7是三種不同結(jié)構(gòu)直流旋風(fēng)分離器Z=700 mm截面上的瞬時切向速度沿徑向位置的分布曲線。由圖可知，相比于1#分離器，其他兩種結(jié)構(gòu)的旋風(fēng)分離器由于加入了旁路結(jié)構(gòu)，使得分離空間內(nèi)的氣體循環(huán)流量增加了，從而導(dǎo)致Z=700 mm截面上的瞬時切向速度出現(xiàn)了一定程度的增加；對比于3#分離器，1#和2#分離器由于未加穩(wěn)流器，其軸對稱性非常差，不利于顆粒的分離。

圖7 瞬時切向速度的對比曲線 (Z=700 mm)

綜上所述，穩(wěn)流器的加入可以有效地增強(qiáng)旋風(fēng)分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流的穩(wěn)定性，使其軸對稱性較好，從而提高旋風(fēng)分離器的分離性能。旁路結(jié)構(gòu)的加入將會導(dǎo)致旋風(fēng)分離器分離空間內(nèi)氣體循環(huán)流量增加，從而使得旋轉(zhuǎn)流場的切向速度增大，粉塵顆粒所受的離心力變大，更有利于其分離。由此可知，模擬結(jié)果很好地驗證了實驗結(jié)果，即旁路結(jié)構(gòu)和穩(wěn)流器的加入可以很好地提升直流旋風(fēng)分離器的分離性能。

3 結(jié)論

通過實驗和模擬相結(jié)合的方法，對三種不同結(jié)構(gòu)的直流旋風(fēng)分離器的旋轉(zhuǎn)流場和分離效率、壓降進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明：旁路結(jié)構(gòu)的加入使得在一次分離中濃集到分離器邊壁的細(xì)小粉塵能夠重新進(jìn)入分離空間進(jìn)行二次分離，從而明顯地提高直流旋風(fēng)分離器的分離效率，同時穩(wěn)流器的加入可使經(jīng)旁路進(jìn)分離空間的氣體循環(huán)流量增加，這也有利于分離性能的提升；穩(wěn)流器的加入可以明顯增強(qiáng)旋風(fēng)分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流的軸對稱性，降低旋風(fēng)分離器的無效損耗，同時提高分離效率。增設(shè)旁路氣流循環(huán)和漩渦穩(wěn)流器可以顯著提升直流旋風(fēng)分離器的綜合分離性能。

符號說明

p——壓降，Pa；

Q——旋風(fēng)分離器入口流量，m3/s；

q——旁路流量，m3/s；

R——旋風(fēng)分離器半徑，mm；

R′——旁路截面半徑，mm；

r——徑向坐標(biāo)，mm;

vi——入口速度，m/s;

vt——瞬時切向速度，m/s;

Z——軸向坐標(biāo)，mm;

η——分離效率，%。

[1] 付雙成，孫國剛，高翠芝.導(dǎo)葉式直流旋風(fēng)分離器的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀 [J].過濾與分離，2008，18(2)：11-14.

[2] 林瑋，張宇宏，王乃寧.直流式旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場的實驗研究 [J].華東工業(yè)大學(xué)學(xué)報，1997，19(3)：27-30.

[3] 宗潤寬，姜正良，盧澤，等.直筒型導(dǎo)葉直流式三相旋流器排氣管上部內(nèi)流場的實驗研究 [J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2004，12(5)：97-98.

[4] 顧錦鴻，張志群，陳旭東，等.旋轉(zhuǎn)直流內(nèi)循環(huán)式旋風(fēng)分離器流場測定與分析 (Ⅱ) [J].粉體技術(shù)，1997，3(3) ：14-19.

[5] Tsai C J,Chen D R,Chein H M,et al.Theoretical and experimental study of an axial flow cyclone for fine particle removal in vacuum conditions[J].Aerosol Science,2004,35：1105-1118.

[6] Akira O,Tetzuya I,Hideki S.Estimation of the collection efficiency of the axial flow cyclone dust collector with the fixed guide vanes[J].Journal of Thermal Science,1997,6(1)：59-65.

[7] 鄧興勇，凌志光，周炳海.直流式旋風(fēng)除塵器流動特性及性能的試驗研究 [J].工程熱物理學(xué)報，1999，20(5)：590-592.