導(dǎo)流體結(jié)構(gòu)對下排氣旋風(fēng)分離器的影響研究

王磊，盧新宇，崔明

（1 泰安市泰山城區(qū)熱力有限公司，山東 泰安 271000；2 山東省冶金科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014）

導(dǎo)流體結(jié)構(gòu)對下排氣旋風(fēng)分離器的影響研究

王磊1，盧新宇2，崔明2

（1 泰安市泰山城區(qū)熱力有限公司，山東 泰安 271000；2 山東省冶金科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014）

以75 t/h煤粉爐的循環(huán)流化床煙氣脫硫裝置中的下排氣旋風(fēng)分離器為模擬對象，采用Euler坐標(biāo)系下的RNG k-ε湍流模型計(jì)算氣相流場，拉格朗日模型對顆粒的軌跡進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而計(jì)算分離效率，研究了導(dǎo)流體結(jié)構(gòu)對下排氣旋風(fēng)分離器的影響。結(jié)果表明，圓錐型導(dǎo)流體的綜合效果最好，倒杯型和圓球型導(dǎo)流體的綜合效果最差。

下排氣旋風(fēng)分離器；導(dǎo)流體；分離效率；阻力

1 前言

下排氣旋風(fēng)分離器是針對上排氣旋風(fēng)分離器在某些場合下不易布置的缺陷所提出的一種分離裝置[1]，在電力、冶金、煉油、化工等行業(yè)得到較廣泛的應(yīng)用。下排氣旋風(fēng)分離器利用旋轉(zhuǎn)含塵氣流產(chǎn)生的離心力，將粉塵從氣流中分離出來。其基本結(jié)構(gòu)類同于上排氣旋風(fēng)分離器，只是其排氣方式為順流，即于分離器下方采用排氣管引出空氣；取消了上排氣分離器排氣端在方向上的逆轉(zhuǎn)，彎頭減少，利于布置和支撐[2-4]。研究結(jié)果表明，下排氣旋風(fēng)分離器可具有與傳統(tǒng)上排氣旋風(fēng)分離器相當(dāng)?shù)姆蛛x效果及相對較低的流動阻力[5]。導(dǎo)流體是下排氣旋風(fēng)分離器主要組成部分之一，其作用是使氣流在限制空間內(nèi)旋轉(zhuǎn)，減少顆粒短路進(jìn)入排氣管的概率。設(shè)計(jì)合理的導(dǎo)流體應(yīng)使分離裝置具有較小的阻力，且有高的總分離效率和分級效率，但鮮見導(dǎo)流體結(jié)構(gòu)對分離裝置影響的報(bào)道。

本研究設(shè)計(jì)多種導(dǎo)流體結(jié)構(gòu)，并以數(shù)值模擬的方法探討下排氣旋風(fēng)分離器內(nèi)的流場分布、分離效率和阻力，以期為下排氣旋風(fēng)分離器的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，對工程優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 物理模型

模擬對象為75 t/h煤粉爐的循環(huán)流化床煙氣脫硫裝置中的下排氣旋風(fēng)分離器，結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，參數(shù)取值見表1。x-x截面為平行于入口方向的中心剖面，y-y為垂直于入口方向的中心剖面。該分離器底錐斜面為兩側(cè)內(nèi)外對切方式，有2個對稱的排灰口，有利于灰的循環(huán)回送。

選用的導(dǎo)流體結(jié)構(gòu)見圖3，分別對5種導(dǎo)流體結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

圖1 計(jì)算模型示意圖

圖2 下排氣旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)

表1 下排氣旋風(fēng)分離器尺寸

3 數(shù)學(xué)模型

由于旋風(fēng)分離器中氣流與顆粒的高速旋轉(zhuǎn)流動，采用Euler坐標(biāo)系下的RNG k-ε湍流模型計(jì)算氣相流場[7]。離散方程組采用Simple算法求解，擴(kuò)散項(xiàng)離散采用中心差分，逐行迭代。對流項(xiàng)采用二階精度的QUICK格式進(jìn)行離散。采用拉格朗日模型（Discreted Particle Model，DPM），對顆粒的軌跡進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而計(jì)算分級效率。邊界條件及計(jì)算工況與文獻(xiàn)[6]相同。固體壁面的邊界條件設(shè)置如下：進(jìn)出口為逃逸邊界條件；灰斗最下端的落灰口為顆粒捕獲邊界，只要顆粒到達(dá)該處即表示其被捕獲而分離；其他壁面為反彈邊界條件。

數(shù)值模擬中每種結(jié)構(gòu)下的運(yùn)行參數(shù)都相同，入口氣相和顆粒相流速均為16 m/s，顆粒入口濃度為28.9 g/m3。顆粒粒徑符合Rosin-Rammler分布，其表達(dá)式為：

圖3 導(dǎo)流體結(jié)構(gòu)

式中：d為粒徑，μm；dm為平均粒徑，μm；n為傳播系數(shù)；Yd為篩上質(zhì)量累積率，％。

采用文獻(xiàn)[7]的飛灰粒徑分布測量結(jié)果（如表2所示）。

表2 飛灰粒徑分布

將表2中的粒徑分布作圖，根據(jù)公式（1）以冪函數(shù)進(jìn)行擬合，得到dm為90.57 μm，n為3.24。

為了更好地研究導(dǎo)流體對下排氣旋風(fēng)分離器分級效率的影響，將粒徑分布范圍細(xì)化，根據(jù)擬合結(jié)果得到如表3所示的質(zhì)量分布。從表3中可以看出，該飛灰中細(xì)顆粒物占的比例很少。

4 模擬結(jié)果與分析

4.1 導(dǎo)流體形狀對分離器分離性能的影響

圖4為不同結(jié)構(gòu)導(dǎo)流體對分級效率的影響。從圖4中可以看出，對PM10顆粒的分離效率不到10％；在分離d＜35μm的顆粒時，杯型和圓錐型導(dǎo)流體的下排氣旋風(fēng)分離器有較高的分離效率；而對于直徑在35～50 μm的顆粒，圓錐型導(dǎo)流體的分離器具有最高的分離效率；對于直徑在50 μm以上的大顆粒，幾乎所有導(dǎo)流體分離器的分級效率都為100％。圓錐型和杯型導(dǎo)流體的截面逐漸變小，使得氣流更順暢地由排氣管排出，減少了顆粒夾帶，同時，在很大程度上減少了顆粒物短路，因此它們的分級效率最高。

表3 粒徑范圍及對應(yīng)質(zhì)量流量

圖4 導(dǎo)流體形狀對分級效率的影響

圖5為導(dǎo)流體形狀對下排氣旋風(fēng)分離器總分離效率的影響。從圖5可看出，由于圓錐型導(dǎo)流體和杯型導(dǎo)流體對細(xì)顆粒物得分離效果最好，因此它們的分離效率最高，能達(dá)到95％以上。倒杯型導(dǎo)流體分離效果最差，其次是無導(dǎo)流體結(jié)構(gòu)?？傮w來說，下排氣旋風(fēng)分離器的分離效果較好，在某些對分離效率要求較低的場合可單獨(dú)使用；也可做為預(yù)分離裝置使用。

圖5 導(dǎo)流體形狀對下旋風(fēng)分離器總分離效率的影響

4.2 導(dǎo)流體形狀對分離器阻力的影響

圖6為導(dǎo)流體形狀對下排氣旋風(fēng)分離器阻力的影響。從圖6可看出，圓柱型導(dǎo)流體阻力最小，其次是無導(dǎo)流體和圓錐型導(dǎo)流體。倒杯型和圓球型導(dǎo)流體分離效率相對較低，阻力卻很大，是兩種最差的結(jié)構(gòu)，不推薦使用。

圖6 導(dǎo)流體形狀對下旋風(fēng)分離器的阻力影響

4.3 不同導(dǎo)流體形狀時顆粒的運(yùn)動軌跡

圖7 為35μm顆粒的運(yùn)動軌跡。從圖7可以看出，按照給定設(shè)計(jì)范圍設(shè)計(jì)的下排氣旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)合理，無論有無導(dǎo)流體，顆粒都是在分離器壁面強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)到灰斗處，大部分顆粒被收集；少部分顆粒繼續(xù)向上運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)較弱，隨后進(jìn)入分離器中心的排氣管，隨著氣流向下流動最終被排走。圓錐型導(dǎo)流體隨氣流排走的顆粒數(shù)最小，短路顆粒數(shù)很少，所以分離效果最好。

圖7 35μm顆粒在x-x截面內(nèi)的運(yùn)動軌跡

綜合以上因素，可以發(fā)現(xiàn)圓錐形導(dǎo)流體的綜合效果最好。它不僅具有較高的分離效率，而且阻力也較小，完全可以滿足工程使用要求。

下排氣旋風(fēng)分離器既可用于氣固分離也可以用于除塵領(lǐng)域。具有圓錐型導(dǎo)流體結(jié)構(gòu)的下排氣旋風(fēng)分離器由于布置簡單、阻力小、運(yùn)行安全、效率高等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在主要作為各種低、中和高溫流化床的外分離裝置，取得了很好的應(yīng)用效果。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)合理的導(dǎo)流體有利于顆粒沿著壁面向下流動收集，減小顆粒短路。綜合分離效率、阻力和顆粒運(yùn)動軌跡等因素，圓錐型導(dǎo)流體的綜合效果最好，這符合各文獻(xiàn)結(jié)論。倒杯型和圓球型綜合效果最差，不推薦使用。無導(dǎo)流體對分離有較好的效果，但為了提高細(xì)顆粒的分離效率，也不推薦使用。

通過研究發(fā)現(xiàn)，下排氣旋風(fēng)分離器的分離效率可達(dá)到95％以上，阻力卻小于常用的上排氣旋風(fēng)分離器，從節(jié)能和環(huán)保的角度出發(fā)，下排氣旋風(fēng)分離器可替代上排氣旋風(fēng)分離器。

[1]岑可法，倪明江，嚴(yán)建華，等.氣固分離理論及技術(shù)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，1996.

[2]余戰(zhàn)英，奚金祥，徐通模，等.下排氣旋風(fēng)分離器流場的測定及數(shù)值模擬[J].動力工程，2002，22（5）：1 941-1 944.

[3]黃盛珠，馬春元，吳少華.下排氣旋風(fēng)分離器的改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].動力工程，2004，24（5）：736-738.

[4]郝曉文，王磊，趙強(qiáng).下排氣旋風(fēng)分離器流場分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].電站系統(tǒng)工程，2011，27（3）：14-15.

[5]姚建奎.循環(huán)流化床旋風(fēng)分離器的研究[D].杭州：浙江大學(xué)，1992.

[6]黃盛珠，朱琳，馬春元，等.新型下排氣旋風(fēng)分離器的流場和性能數(shù)值模擬[J].熱能動力工程，2006，21（1）：70-74.

[7]鐘曉亮.未燃碳隨飛灰粒徑分布規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2006.

Study on the Influences of Rotor Structure on Cyclone Separator with Downward Exhaust Gas

WANG Lei1,LU Xin-yu2,CUI Ming2
（1 Taian Taishan district heating Co.,Ltd.,Taian 271104,China;2 Shandong Metallurgical Research Institute,Jinan 250014,China）

Making the cyclone separator with downward exhaust gas in the flue gas desulphurization device for the circulating fluidized bed of 75 t/h pulverized coal furnace as simulation object,calculating the gas phase flow field by RNG k-ε turbulence model under Euler coordinate system,and calculating the particle trajectory by DPM model then calculating separation efficiency,the influences of rotor structure on the cyclone separator with downward exhaust gas were studied.The results showed that rotor with conical shape is of the best structure and rotors with tipping cup and with global is of the worst structure.

cyclone separator with downward exhaust gas;rotor;separation efficiency;resistance

TH237.5；O35

A

1004-4620（2011）04-0033-03

2011-07-04

王磊，男，1978年生，2000年畢業(yè)于山東工業(yè)大學(xué)熱能工程專業(yè)。現(xiàn)為泰山城區(qū)熱力有限公司技術(shù)中心主任，工程師，從事供熱熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和集中供熱系統(tǒng)的技術(shù)管理和研究工作。