王孝全，趙明

（山西國錦煤電有限公司，山西交城 030500）

在工業(yè)生產(chǎn)中，需要利用旋風(fēng)分離器對粉塵進(jìn)行捕集，旋風(fēng)分離器不僅具有制造安裝投資少、運轉(zhuǎn)和維護成本低的優(yōu)點，而且能夠適用于高溫和高壓等多種復(fù)雜工況，被廣泛應(yīng)用于火力發(fā)電等行業(yè)。為了提高固體燃料的能源利用，循環(huán)流化床鍋爐被廣泛采用。旋風(fēng)分離器在物料循環(huán)過程中發(fā)揮重要作用，是維持燃燒室快速流態(tài)化的重要設(shè)備，其運行工況的好壞對鍋爐的運行穩(wěn)定性和效率有很大影響。由于愈加嚴(yán)格的粉塵排放標(biāo)準(zhǔn)要求，優(yōu)化旋風(fēng)分離器的設(shè)計和應(yīng)用迫在眉睫。旋風(fēng)分離器在維持低成本的前提下，滿足高效率和低損失的要求已成為其應(yīng)用行業(yè)的共同目標(biāo)。

為了提高旋風(fēng)分離器的分離效率，國內(nèi)外學(xué)者對分離效率的影響因素進(jìn)行了許多研究，其中排氣管直徑和插入深度是較為重要的兩個因素。吳小林等人[1]通過熵產(chǎn)生法分析了旋風(fēng)分離器出口管徑對熵的影響，當(dāng)其取值為筒體直徑的0.3～0.5 倍時，分離效率較高。Elsayed 等人[2]認(rèn)為排氣管的直徑過大或者過小都會導(dǎo)致分離器分離效率降低。此外，還有許多學(xué)者對排氣管插入深度的影響進(jìn)行了相關(guān)的研究，但仍存在著一定的不確定性。楊景軒等人[3]和周雷等人[4]的研究成果表明：排氣管的插入深度對旋風(fēng)分離器有重要影響，在其研究范圍內(nèi)，排氣管插入深度存在最優(yōu)值。

為了進(jìn)一步提高旋風(fēng)分離器的分離性能，需要對排氣管直徑及其插入深度進(jìn)行相關(guān)的研究和分析。本文采用數(shù)值模擬的方法，對某旋風(fēng)分離器做1:1 建模，探究旋風(fēng)分離器分離性能隨著排氣管插入深度和直徑的增加而呈現(xiàn)出的變化趨勢，以期為旋風(fēng)分離器的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 選用模型

本文以某旋風(fēng)分離器為例，在Gambit 軟件中構(gòu)建1:1 模型，旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，旋風(fēng)分離器計算尺寸見表1。本文選用Gidaspow 曳力模型來模擬旋風(fēng)分離器內(nèi)氣流對顆粒的曳力作用。旋風(fēng)分離器氣相流場的模擬選用雷諾應(yīng)力模型（RSM）模型，雷諾應(yīng)力方程各分量的輸送方程為[5]：

1.2 計算介質(zhì)及邊界條件

煙氣為計算介質(zhì)，其性質(zhì)如表2所示。顆粒密度為1 800 kg/m3，碰撞系數(shù)為0.95。不同粒徑顆粒的體積份額如表3所示。分離器設(shè)置邊界條件如表4所示。

表1 旋風(fēng)分離器計算尺寸

表2 煙氣性質(zhì)

表3 不同粒徑顆粒的體積份額

表4 分離器設(shè)置邊界條件

2 結(jié)果分析

排氣管插入深度對旋風(fēng)分離器壓降及分離效率的影響如圖2所示，旋風(fēng)分離器壓降和分離效率隨著排氣管插入的深度變化趨勢較為劇烈。從圖2可以看出，當(dāng)插入深度為0.5a時，旋風(fēng)分離器壓降較小，且分離效率最高。隨著插入深度的不斷增大時，分離效率先上升再下降。原因是插入深度過大時，容易發(fā)生顆粒的二次夾帶，同樣不利于顆粒分離；插入深度過小時，會形成短路流，導(dǎo)致顆粒難以被有效分離。旋風(fēng)分離器的壓降隨著排氣管插入深度的增加先上升后下降，這是因為排氣管的插入深度分為兩個階段：首先排氣管插入深度由較小逐漸增大時，會造成氣流內(nèi)旋流損失提高，在此階段，壓降逐漸上升并且達(dá)到峰值；當(dāng)壓降達(dá)到峰值后，排氣管插入深度繼續(xù)增大時，旋流損失減小，氣流動能耗散會由于切向速度的減小而減小，在此階段，壓降由峰值逐漸降低[6]。

排氣管直徑對旋風(fēng)分離器壓降及分離效率的影響如圖3所示，從圖3可以看出，旋風(fēng)分離器壓降和分離效率隨排氣管直徑變化的趨勢較為明顯，旋風(fēng)分離器的壓降隨排氣管直徑增大而減小，呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)的特性。分離效率存在最大值98.2%（0.35D），分離效率整體呈現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢。在旋風(fēng)分離器的壓降損失中，壁處摩擦引起的旋渦損失以及出口處氣體動能的耗散損失是較為重要的耗散損失[7]。當(dāng)排氣管直徑增大時，分離器內(nèi)漩渦流減弱，進(jìn)而旋渦損失減小。此外，直徑增大會導(dǎo)致壁處切向速度減小和氣體動能耗散損失減小。排氣管直徑過大或者過小都無法實現(xiàn)旋風(fēng)分離器的分離效率最高。當(dāng)排氣管直徑過大時，顆粒受到的離心力變小，也不能有效進(jìn)行二次分離；當(dāng)排氣管直徑過小時，會導(dǎo)致顆粒的二次夾帶現(xiàn)象，同樣不利于顆粒分離。

綜上所述，排氣管直徑和插入深度對分離器的壓降和分離效率有十分重要的影響。為了確保該旋風(fēng)分離器壓降小的同時又能保證較高的分離效率，該排氣管直徑應(yīng)該選取為0.35D，插入深度為0.5a。

3 結(jié)語

本文通過流體仿真軟件對某旋風(fēng)分離器進(jìn)行數(shù)值模擬計算，對其壓降及分離效率的影響因素進(jìn)行了分析，并得出以下結(jié)論：

1）隨著排氣管插入深度的逐漸增大，壓降和分離效率呈現(xiàn)出相似的變化趨勢，先逐漸上升后逐漸下降。

2）旋風(fēng)分離器的壓降隨排氣管直徑增大而減小，呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)的特性；分離效率先逐漸上升再下降，存在最大效率值為98.2%。

3）選取合適的排氣管直徑（0.35D）和插入深度（0.5a），能夠有效的提高旋風(fēng)分離器的分離效率，且損耗較小。