防返混圓臺對旋風(fēng)分離器性能的影響

李杰，王紅霞，鄭彥博，趙瀟

防返混圓臺對旋風(fēng)分離器性能的影響

李杰1，王紅霞1，鄭彥博1，趙瀟2

（1. 黔南民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 都勻 558022； 2. 中石油貴州天然氣管網(wǎng)有限公司，貴州 貴陽 550081）

針對灰斗的返混現(xiàn)象，研究防返混圓臺位置及其底面積對旋風(fēng)分離器性能的影響。利用有限元軟件分析了返混圓臺的位置和圓臺底面積變化對旋風(fēng)分離器的速度流場、壓降和切割粒徑的影響情況。結(jié)果表明：防返混圓臺位置從高到底，相對應(yīng)壓降逐漸降低，切割粒徑逐漸增大；其對筒體段內(nèi)部流場的切向速度和軸向速度影響較小，但對灰斗內(nèi)的速度流場影響較大，隨防返混圓臺底面積逐漸變小，灰斗內(nèi)的切向速度和軸向速度逐漸變大，相對應(yīng)壓降和切割粒徑逐漸減小。增加了防返混圓臺，使灰斗內(nèi)的切向速度和軸向速度都減小，有利于抑制返混現(xiàn)象。

旋風(fēng)分離器；速度流場；壓降；分離效率

一般結(jié)構(gòu)的旋風(fēng)分離器內(nèi)，由于離心力的作用，顆粒緊靠器壁處下行，最終沉淀到灰斗內(nèi)，但不可避免的是有一部分氣流進(jìn)入灰斗后，再返會分離器內(nèi)，而這部分返混氣體會帶走已經(jīng)分離的粉塵顆粒，最終導(dǎo)致分離效率下降。為了解決這一問題，國內(nèi)外很多研究者通過在排塵口處安裝“返混錐”來減少返混現(xiàn)象[2-5,7-10]。吳小林[2]等從旋風(fēng)分離器的旋進(jìn)渦核的角度研究防返混錐的作用機(jī)理。吳冉[3]等通過CFD模擬軟件對帶有防返混錐的雙循環(huán)旋風(fēng)分離器內(nèi)的壓力場和顆粒軌跡進(jìn)行了數(shù)值模擬并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果表明，防返混錐可以有效減少返混現(xiàn)象，但會增大分離器的阻力系數(shù)，增大壓降。付雙成[4]等研究了防返混錐位置對旋分離器的影響，結(jié)果表明，安裝防返混錐提高了旋風(fēng)分離器壓降，同時(shí)減小了灰斗中氣流的軸向速度、切向速度和湍流強(qiáng)度，可以有效減小灰斗返混；隨著防返混錐位置下移，旋風(fēng)分離器的分離效率逐漸增加。MASILEWSKI[9]等研究了返混錐位置和錐角對旋風(fēng)分離器壓降、分離效率的影響，結(jié)果表明，隨返混錐位置的降低，分離效率降低，其分離效率最高位置在排塵口上方，最優(yōu)錐角是該研究范圍的最小值，85°。本文分析了防返混圓臺及其錐角對旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場、分離性能的影響，為研究抑制返混現(xiàn)象的分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高參考。

1 計(jì)算模型和數(shù)值計(jì)算

1.1 幾何模型建立及網(wǎng)格劃分

旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格示意圖如圖1所示，筒體直徑=200 mm，其他結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示（標(biāo)準(zhǔn)Stairmand型[1]）。用有限元軟件ANSYS ICEM對旋風(fēng)分離器流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，分離器a組、b組和c組分別對應(yīng)41.92萬、42.14萬、42.18萬，其所有網(wǎng)格質(zhì)量均大于等于0.45，截面1所取數(shù)據(jù)對應(yīng)于1=4.25 D。表1為防返混圓臺旋風(fēng)分離器的幾何尺寸。

圖1 旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)與網(wǎng)格示意圖

表1 防返混圓臺旋風(fēng)分離器的幾何尺寸

1.2 計(jì)算模型

旋風(fēng)分離器的氣體相流域采用N-S方程和應(yīng)力輸運(yùn)方程采用雷諾應(yīng)力模型（RSM）求解，具體計(jì)算基本方程如下。

連續(xù)性方程：

動(dòng)量方程：

i=(1,2,3) —笛卡爾坐標(biāo)；

—流體密度；

—流體動(dòng)力黏度；

—時(shí)間；

—?dú)怏w速度。

雷諾應(yīng)力模型輸運(yùn)方程：

式中：D—擴(kuò)散相；

p—應(yīng)力產(chǎn)生項(xiàng)；

G—浮力產(chǎn)生項(xiàng)；

—應(yīng)力應(yīng)變再分配項(xiàng)；

—離散相；

F—旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生項(xiàng);

user—自定義源項(xiàng)；

下標(biāo)、、—通用坐標(biāo)方向[6]。

1.3 設(shè)置邊界條件和選擇數(shù)值解法

邊界條件的設(shè)置與文獻(xiàn)[10]的實(shí)驗(yàn)相同，氣體相設(shè)置為常溫常壓空氣，其物理化學(xué)屬性保持默認(rèn)。氣體相空氣和固體相顆粒進(jìn)口速度為15 m·s1，固體相顆粒密度為2 700 kg·m-3，質(zhì)量流量設(shè)置為 0.001 kg·m-3；排氣管出口于氣體相設(shè)置為outflow，于顆粒相設(shè)置為escape，排氣口于顆粒相設(shè)置為trap，壁面邊界保持默認(rèn)reflect。湍流強(qiáng)度設(shè)置為4.7%，水力直徑H為57.2 mm[6]。

對氣體相，本文湍流模型選用雷諾應(yīng)力模型（RSM），壓力與速度耦合選用SIMPLEC，離散格式選用QUICK，壓力插補(bǔ)格式選用PRESTO；對顆粒相：采DPM方法和隨機(jī)軌道模型來處理[6]；以單相耦合計(jì)算，先進(jìn)行8 000步穩(wěn)態(tài)求解，再進(jìn)行步長為0.01、步數(shù)為400瞬態(tài)計(jì)算，得出收斂結(jié)果，進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)值模擬的可靠性驗(yàn)證

把數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析。HOEKSTR[7]等利用測速儀測量了旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場的速度；本文數(shù)值模擬采用與該文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)建立相同條件[3]（幾何尺寸、進(jìn)口速度），進(jìn)行對比。圖2為距離排塵口942.5 mm處截面的無量綱切向速度與軸向速度的數(shù)值模擬結(jié)果與LDA實(shí)驗(yàn)測量值的對比。實(shí)驗(yàn)值與數(shù)值模擬的軸向速度、切向速度值基本吻合，該湍流模型和數(shù)值計(jì)算方法用來模擬旋風(fēng)分離器的流場，其誤差結(jié)果范圍可接受[8,10]。

2.2 對旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場的影響

2.2.1 對切向速度分布的影響

由圖3切向速度云圖可看出，整體上旋風(fēng)分離器內(nèi)部的最大切向速度幾乎與進(jìn)口速度成2倍關(guān)系；有防返混圓臺的旋風(fēng)分離器的灰斗中的切向速度小于無防返混圓臺；返混圓臺的位置由高到低（相對與灰斗底部），對其筒體段內(nèi)部的切向速度幾乎沒有影響；返混圓臺的底面面積對灰斗內(nèi)切向速度影響較大，主要表現(xiàn)為底面面積逐漸變小，對應(yīng)切向速度逐漸變大，逐漸趨近于沒有防返混圓臺的旋風(fēng)分離器灰斗內(nèi)的切向速度。由圖4可以看出，在截面1處，防返混圓臺的底面面積逐漸變大，在圓柱段內(nèi)部流場的切向速度隨之逐漸變大。a和b組分離器中心的切向速度均大于0，c組和無返混圓臺的分離器中心的切向速度有呈現(xiàn)負(fù)值現(xiàn)象，該現(xiàn)象很可能由臨界亞流引起的[6]。

2.2.2 對軸向速度分布的影響

由圖3軸向速度云圖可看出，有防返混圓臺的旋風(fēng)分離器，在灰斗內(nèi)的軸向速度均小于無防返混圓臺的分離器。在防返混圓臺的底面角邊處出現(xiàn)軸向速度很大的現(xiàn)象。在返混圓臺的底面過大時(shí)，應(yīng)考慮顆粒分布情況，以免出現(xiàn)防返混圓臺處堵塞危險(xiǎn)。由圖4軸向速度曲線可以看出，沒有添加防返混圓臺分離器圓柱段的軸向速度均大于加了防返混圓臺的分離器，軸向速度相對較小，粉塵顆粒在分離器內(nèi)部的分離時(shí)間相應(yīng)增加，有助于提高其分離效率。a組、b組和c組的軸向速度在渦核中心出現(xiàn)負(fù)值現(xiàn)象，很可能時(shí)由臨界亞流引起的。

圖3 十個(gè)旋風(fēng)分離器的靜壓、切向速度和軸向速度云圖

圖4 截面S1的切向速度和軸向速度對比

2.3 對旋風(fēng)分離器分離性能的影響

分離效率和壓降是評判分離性能的主要指標(biāo)。由圖5可看出，a組分離器防返混圓臺底面積逐漸減小，壓降值也逐漸降低；b組和c組防返混圓臺的底面積逐漸減小，壓降值也逐漸降低，b組壓降變化趨勢相對較迅速。防返混圓臺位于旋風(fēng)分離器排塵口上方的壓降值最大，隨其位置的下降，壓降值逐漸降低；對應(yīng)位置的防返混圓臺底面積逐漸減小，其壓降差也逐漸減小。其原因很可能由兩方面引起的：一是由于增加防返混圓臺，導(dǎo)致灰斗中的切向速度和軸向速度，以及湍流強(qiáng)度都減小，導(dǎo)致壓降減小；二是由于防返混圓臺底面積的大小不同，引起壓降差值大小的不同。防返混圓臺的位置對其壓降值有一定的影響且防返混圓臺底面積大小對其壓降也有影響。

切割粒徑（50）可以表征旋風(fēng)分離器的分離效率，切割粒徑越小，對應(yīng)分離效率越高。由圖5可看出，防返混圓臺的位置由高到底，切割粒徑逐漸增大，即分離效率降低；圓臺底面積相同的情況下，b組的切割粒徑小于a組和c組，即b組分離效率最佳，即在防返混圓臺的位置位于排塵口的上方相對較好，b3的分離性能相對最佳，即低壓降，高分離效率。

3 結(jié) 論

1）防返混圓臺的位置由高到底，對應(yīng)壓降逐漸降低，切割粒徑逐漸增大；其對筒體段的切向速度和軸向速度影響較小，但對灰斗內(nèi)的流場影響較大。防返混圓臺位置位于b組位置相對于a、c組的分離效率最佳，其中b3在本模擬實(shí)驗(yàn)中分離性能相對最佳。

2）a組、b組和c組都隨防返混圓臺底面積的變小，灰斗內(nèi)切向速度和軸向速度變大，對應(yīng)的壓降和切割粒徑減小。

3）設(shè)計(jì)防返混圓臺底面積的大小時(shí)須考慮對旋風(fēng)分離器的分離效率和壓降影響。增加防返混圓臺，灰斗內(nèi)部流場中的切向速度和軸向速度都減小，有助于抑制返混現(xiàn)象。

［1］A.C.霍夫曼，L.E.斯坦因.旋風(fēng)分離器[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004．

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Effect of Anti-backmixing Circular Table on the Performance of Cyclone Separator

1,1,1,2

（1. Qiannan Polytechnic For nationalities, Duyun Guizhou 558022, China;2. PetroChina Guizhou Natural Gas Pipeline Network Company, Guiyang Guizhou 550081, China）

Aiming at the backmixing phenomenon of the ash hopper, the influence of the position of the anti-backmixing circular table and its bottom area on the performance of the cyclone separator was studied. The influence of the position of the backmixing table and the area of the bottom of the table on the velocity flow field, pressure drop and cutting particle size of the cyclone separator was analyzed by using the finite element software. The results showed that the pressure drop decreased and the cutting particle size increased with decreasing of the position of the backmixing table from the height to the bottom;It had little influence on the tangential velocity and axial velocity of the flow field inside the cylinder section, but had a great influence on the velocity flow field inside the ash bucket. As the bottom area of the anti-backmixing circular platform decreased gradually, the tangential velocity and axial velocity in the ash bucket increased gradually, and the corresponding pressure drop and cutting particle size decreased gradually. The anti-backmixing circular table was added to reduce the tangential velocity and axial velocity in the ash hopper, which was conducive to the suppression of backmixing.

Cyclone separator; Velocity flow field; Pressure drop; Separation efficiency

2020-04-23

李杰（1990-），男，四川省達(dá)州市人，講師，碩士， 2018年畢業(yè)于西南石油大學(xué)動(dòng)力工程專業(yè)，研究方向：流體機(jī)械及工程。

TQ051.8

A

1004-0935（2020）09-1094-04