張 珩，韓志亮，王興福，劉紅姣

(1江漢大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430056；2.江漢大學(xué)工業(yè)煙塵污染控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430056)

旋風(fēng)分離器是氣固分離的重要設(shè)備，在石油化工、環(huán)境保護(hù)、燃煤發(fā)電等行業(yè)應(yīng)用廣泛[1-2]。雖然旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，內(nèi)部無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，但其內(nèi)部氣-固兩相流動(dòng)復(fù)雜，旋風(fēng)分離器頂部環(huán)形空間會(huì)產(chǎn)生顆粒聚集[4]，排氣管入口附近有顆粒逃逸現(xiàn)象發(fā)生[4]，錐體下部集灰口會(huì)有顆粒返混[5]。顆粒的運(yùn)動(dòng)狀況都直接影響固體顆粒的分離效果。因此，研究旋風(fēng)分離器內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)于提高旋風(fēng)分離器的分離效率具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外很多研究人員對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)及固體顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了研究。何興建、禮曉宇[6]等人在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)蝸殼型旋風(fēng)分離器存在周期性變化的“頂灰環(huán)”現(xiàn)象。高助威[7]在研究單入口蝸殼式旋風(fēng)分離器內(nèi)顆粒濃度分布時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)“頂灰環(huán)”積累到一定程度后，固體顆粒會(huì)沿著排氣管外壁面向下“爬行”。易林[8]探討了螺旋形的旋風(fēng)分離器在不同流速下內(nèi)部流場(chǎng)和固體顆粒的分離效率。Marek Wasilewski[9]分別研究了不同進(jìn)口角度下蝸殼型旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)、壓力場(chǎng)與渦核的位置及顆粒分離效率之間的關(guān)系。

本文針對(duì)目前廣泛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器，采用 RSM模型和DPM離散相模型，結(jié)合顆粒隨機(jī)軌道模型，跟蹤顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡，模擬不同入口速度和入口角度下，旋風(fēng)分離器內(nèi)一定直徑固體顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，探討標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器內(nèi)不同入口速度和角度對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的影響，為提高標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器的分離效率以及性能改進(jìn)提供參考。

1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

圖1為單入口標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)示意圖，其幾何尺寸見(jiàn)表1。為了使進(jìn)口氣體流動(dòng)方向與進(jìn)口管、筒體網(wǎng)格方向一致，防止偽擴(kuò)散現(xiàn)象，本文選用ICEM軟件對(duì)幾何模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格的劃分，并在旋風(fēng)分離器排氣管插入范圍內(nèi)，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行了加密，如圖 2所示，網(wǎng)格數(shù)為428432個(gè)。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器

圖2 標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器網(wǎng)格模型

表1 旋風(fēng)分離器幾何尺寸

2 數(shù)學(xué)模型

旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)為非軸對(duì)稱(chēng)三維強(qiáng)旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)，具有各向異性和旋轉(zhuǎn)效應(yīng)[10]。李昌劍[11]等利用 RSM模型對(duì)旋風(fēng)分離器的氣固兩相流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，故本文采用RSM雷諾應(yīng)力模型。

結(jié)合顆粒隨機(jī)軌道模型跟蹤顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡，本文選擇DPM離散相模型，忽略顆粒之間的碰撞，僅僅考慮氣體與顆粒之間的相互作用，交替求解氣相與顆粒之間的控制方程。

3 模擬計(jì)算

3.1 邊界條件設(shè)置

氣相進(jìn)口設(shè)為速度進(jìn)口，固體顆粒在進(jìn)口處設(shè)為射流；底部集灰口設(shè)為自由出口，固體顆粒在集灰口設(shè)置為捕捉，氣流流量為0；頂部排氣管口采用自由出口，氣流流量設(shè)置為1，對(duì)從排氣管口隨氣體排出的固體顆粒設(shè)置為逃逸；將旋風(fēng)分離器壁面設(shè)置為完全彈性。

3.2 初始條件

氣相為常溫常壓下的空氣，入口速度分別設(shè)為12，16，20，24，28m/s，入口角度從-30°至+30°，每隔10°取一個(gè)變量。為了更清楚看到顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡，選氣相中固體顆粒直徑50μm，固體顆粒濃度為30 g/m3。固體顆粒在整個(gè)進(jìn)口截面上均勻分布，不同流速下固體顆粒的濃度不變，不同流速下固體顆粒的質(zhì)量流量如表2所示。

表2 不同流速下的固體顆粒質(zhì)量流量

3.3 算法與差分格式

旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)和顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡模擬采用Fluent商用軟件，壓力速度耦合選擇Simple算法，壓力梯度采用PRESTO！方法進(jìn)行處理，各方程對(duì)流項(xiàng)采用QUICK差分格式，模擬計(jì)算采用非穩(wěn)態(tài)耦合求解，時(shí)間步長(zhǎng)取10-5s。

4 模型的可靠性驗(yàn)證

采用 RSM模型和DPM離散相模型，結(jié)合顆粒隨機(jī)軌道模型，跟蹤顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡，模擬實(shí)驗(yàn)室條件下旋風(fēng)分離器顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)現(xiàn)，在旋風(fēng)分離器錐體部分出現(xiàn)明顯的固體顆粒旋流，如圖3所示，即固體顆粒聚集處正好與旋風(fēng)分離器表面的壁面磨損相吻合，則說(shuō)明所建立的模型能夠較為準(zhǔn)確地跟蹤旋風(fēng)分離器內(nèi)部的固體顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖3 下灰環(huán)現(xiàn)象與實(shí)際生產(chǎn)中壁面的磨蝕吻合

5 模擬結(jié)果分析

5.1 入口速度對(duì)固體顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的影響

本文研究入口角度為0°時(shí)，五種不同進(jìn)口速度下：12,16,20,24,28m/s，旋風(fēng)分離器內(nèi)固體顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡(見(jiàn)圖4)。

圖4 不同進(jìn)口速度下固體顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

觀察固體顆粒運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫(huà)時(shí)發(fā)現(xiàn)，固體顆粒隨氣體從進(jìn)口順著壁面運(yùn)動(dòng)60°后，在切向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，先沿軸向向下運(yùn)動(dòng)一小段高度，向上運(yùn)動(dòng)到旋風(fēng)分離器頂部。圖4為不同進(jìn)口速度下固體顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡，當(dāng)入口速度為12m/s時(shí)，固體顆粒在頂部沒(méi)有累積。當(dāng)入口速度為16m/s時(shí)，由于旋風(fēng)分離器內(nèi)部氣流流動(dòng)的不對(duì)稱(chēng)，促成了環(huán)形空間內(nèi)二次渦的形成，頂部氣流渦流湍動(dòng)加強(qiáng)，對(duì)顆粒產(chǎn)生的上行拉力較大，導(dǎo)致固體顆粒向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)明顯，固體顆粒逐漸累積而形成“頂灰環(huán)”，固體顆粒在頂部沿壁面一直旋轉(zhuǎn)，形成連續(xù)的“頂灰環(huán)”。當(dāng)固體顆粒累積到一定厚度時(shí)，顆粒會(huì)隨著上升的內(nèi)旋流逃出旋風(fēng)分離器，“頂灰環(huán)”減弱直至消失，然后顆粒再次累積，重新形成“頂灰環(huán)”，周而復(fù)始；當(dāng)速度達(dá)到24m/s時(shí)，“頂灰環(huán)”最厚，停留時(shí)間最長(zhǎng)。當(dāng)入口速度達(dá)到28m/s時(shí)，“頂灰環(huán)”現(xiàn)象開(kāi)始減弱。

當(dāng)入口速度從12m/s增大到28m/s時(shí)，固體顆粒除了會(huì)在頂部形成“頂灰環(huán)”，同時(shí)也會(huì)在圓錐體中部不同位置形成固體顆粒高濃度環(huán)狀區(qū)，即“下灰環(huán)”。速度不同，“下灰環(huán)”的位置不同，形狀也有所不同。這主要是由于固體顆粒曳力軸向分量和重力合力從上至下逐漸增加，離心力與徑向曳力的合力逐漸減小，使固體顆粒在豎直方向受力處于動(dòng)態(tài)平衡中。

5.2 水平入口角度對(duì)固體顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的影響

本文選取旋風(fēng)分離器水平入口角從-30°至+30°之間變化，將-30°～+30°每10°為一個(gè)變量，分成7個(gè)角度進(jìn)行建模，進(jìn)口速度取24m/s，固體顆粒粒徑為50μm。

通過(guò)圖5可以明顯的看到，入口水平角度度對(duì)“頂灰環(huán)”和“下灰環(huán)”的形成有明顯的影響。當(dāng)水平入口角度為0°時(shí)，旋風(fēng)分離器上部環(huán)狀區(qū)域內(nèi)有非常密集的固體顆粒軌跡線，其形成的“頂灰環(huán)”厚度最大，水平入口角度為±10°時(shí)，固體顆粒在頂板環(huán)形空間運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間，然后沿筒壁向下運(yùn)動(dòng)被分離出來(lái)，沒(méi)有形成明顯的“頂灰環(huán)”，但是在圓錐體中上部會(huì)形成“下灰環(huán)”，且長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不會(huì)消失。當(dāng)水平入口角度為±20°時(shí)，會(huì)在旋風(fēng)分離器頂部形成一個(gè)“頂灰環(huán)”，不會(huì)消失，但“下灰環(huán)”一直不明顯。當(dāng)水平入口角度為±30°時(shí)，顆粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中并未發(fā)現(xiàn)明顯的“頂灰環(huán)”，水平進(jìn)口角度為+30°時(shí)，在圓錐體中部會(huì)形成一個(gè)“下灰環(huán)”，而當(dāng)角度為-30°時(shí)既沒(méi)有形成“頂灰環(huán)”，也沒(méi)有形成“下灰環(huán)”，且顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡基本遵循外螺旋運(yùn)動(dòng)。由此可見(jiàn)，-30°為最佳入口角度，此角度既不會(huì)形成“頂灰環(huán)”，也不會(huì)形成“下灰環(huán)”。

圖5 不同水平入口角度下固體顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡圖

6 結(jié)論

本文討論不同氣相入口速度與入口角度下，標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡，研究“頂灰環(huán)”和“下灰環(huán)”形成、發(fā)展和消失的基本規(guī)律，主要結(jié)論如下。

(1)當(dāng)入口速度從12m/s增大到24m/s時(shí)，旋風(fēng)分離器內(nèi)先會(huì)出現(xiàn)“頂灰環(huán)”現(xiàn)象，且“頂灰環(huán)”的厚度與停留時(shí)間隨著流速增加而增加，當(dāng)入口流速達(dá)到24m/s時(shí)，“頂灰環(huán)”達(dá)到最厚，當(dāng)入口流速為28m/s時(shí)逐漸減弱；同時(shí)，入口氣流速度不同，固體顆粒在旋風(fēng)分離器錐體不同位置，形成不同形狀和厚度的“下灰環(huán)”。

(2)當(dāng)水平進(jìn)口角度為0°時(shí)，旋風(fēng)分離器上部環(huán)狀區(qū)域內(nèi)有非常密集的固體顆粒軌跡線，其形成的“頂灰環(huán)”厚度最大，當(dāng)角度為-30度時(shí)既沒(méi)有形成“頂灰環(huán)”也沒(méi)有形成“下灰環(huán)”，且顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡基本遵循外螺旋運(yùn)動(dòng)，利于氣固分離。

(3)旋風(fēng)分離器的氣-固分離過(guò)程是持續(xù)操作的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，只有當(dāng)顆粒受力平衡時(shí)，才能形成“頂灰環(huán)”和“下灰環(huán)”。入口角度和入口速度發(fā)生變化時(shí)，顆粒受力會(huì)發(fā)生變化，“頂灰環(huán)”和“下灰環(huán)”的位置和厚度也會(huì)發(fā)生變化。