切流式三旋單管內(nèi)固相顆粒運(yùn)動規(guī)律的數(shù)值研究

趙 艷 高光才 王建軍 金有海

(中國石油大學(xué)(華東)化學(xué)工程學(xué)院)

催化裂化裝置生成的焦炭約提供整個裝置能耗的70%，降低催化裂化裝置能耗的關(guān)鍵在于焦炭能量的利用，其中利用煙氣輪機(jī)回收再生煙氣中的壓力能是焦炭能量利用的重要環(huán)節(jié)。現(xiàn)場操作發(fā)現(xiàn)煙機(jī)存在結(jié)垢現(xiàn)象，而催化劑細(xì)粉的存在是其主要原因之一。為了降低煙氣輪機(jī)入口煙氣粉塵的濃度與粒徑，確保煙機(jī)安全、長周期、高效運(yùn)行，在催化裂化反再系統(tǒng)與能量回收系統(tǒng)之間引入了第三級旋風(fēng)分離器(簡稱三旋)，同時對三旋分離催化劑顆粒與再生煙氣的性能和效率提出了嚴(yán)格要求。三旋入口粉塵濃度約300mg/m3，出口煙氣粉塵濃度約80mg/m3，特別是出口的粉塵粒徑較小，小于4μm的占90%，小于7μm的占99%，粉塵粒徑遠(yuǎn)低于煙氣輪機(jī)入口粉塵粒度控制指標(biāo)(入口煙氣不含10μm顆粒)，因此，不會對煙氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子造成沖蝕，滿足長周期生產(chǎn)的要求。

切流式三旋主要應(yīng)用于百萬噸煉油催化裂化裝置中的高溫?zé)煔鈨艋?。在工程?yīng)用過程中比較關(guān)心三旋的兩個性能指標(biāo)：分離效率和分離器壓降。與傳統(tǒng)的單管[1]相比，新型的BSX型三旋[2]單管直徑為800～1 200 mm，單管進(jìn)氣速度增加，經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化和尺寸匹配后，其分離元件數(shù)量減少且配備了獨(dú)立灰斗，減少了三旋的壓力和氣量分配不均、返混和粉碎催化劑問題，提高了組合效率，節(jié)省投資20%以上，節(jié)省檢修費(fèi)用50%以上。

目前已有很多學(xué)者在實(shí)驗室條件下對三旋的基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的氣相流場進(jìn)行測量與模擬，而對切流式三旋內(nèi)顆粒相的運(yùn)動規(guī)律與粒級效率的研究較少。Griffiths W D等對導(dǎo)葉式分離器進(jìn)行了氣固兩相流的研究[3,4]，王海剛采用實(shí)驗與數(shù)值結(jié)合的方法對分離器進(jìn)行研究[5]，魏新利等對分離器內(nèi)顆粒相的運(yùn)動軌跡進(jìn)行研究，實(shí)際工程應(yīng)用中的切流式三旋的系統(tǒng)龐大，受測量手段與操作工況的限制，對三旋內(nèi)整個流場的認(rèn)識較少[6]。

筆者采用數(shù)值模擬的方法，對三旋單管的整個氣流兩相流場進(jìn)行了研究，重點(diǎn)研究了不同粒徑顆粒在三旋內(nèi)的運(yùn)動軌跡與規(guī)律，為優(yōu)化切流式三旋的結(jié)構(gòu)和提高其分離性能提供了參考依據(jù)。

1 切流式三旋的數(shù)值模擬計算方法

1.1湍流模型

湍流模型采用完全摒棄渦粘性假設(shè)、并考慮強(qiáng)制渦的各向異性的RSM模型[7]，具體而言，首先采用了k-ε模型模擬，收斂后采用穩(wěn)態(tài)RSM模型，最后采用非穩(wěn)態(tài)RSM模型進(jìn)行模擬。

對于離散方程采用求解壓力-速度耦合方程的半隱方法算法(SIMPLE)，對于壓力梯度項采用PRESTO!，擴(kuò)散項采用中心差分，逐行迭代計算。為保證精度，每個控制方程中的對流項的離散采用二階精度的QUICK格式。

1.2顆粒相模型

在氣相流場模擬的基礎(chǔ)上，考慮到切流式三旋入口邊界條件滿足固相的體積分?jǐn)?shù)小于10%，所以筆者采用離散項DPM模型中應(yīng)用廣泛的隨機(jī)軌道模型進(jìn)行顆粒運(yùn)動規(guī)律的數(shù)值模擬，相間耦合的隨機(jī)軌道模型考慮了氣相湍流對顆粒的作用，也考慮了顆粒運(yùn)動對氣相的影響，在拉格朗日坐標(biāo)系下計算顆粒的隨機(jī)軌道及沿軌道的變化，該模型計算簡單，當(dāng)顆粒有較復(fù)雜的經(jīng)歷時，能較好地追蹤顆粒的運(yùn)動。

2 網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)置

2.1網(wǎng)格劃分

模型采用青島大煉油的290萬t催化裂化裝置中的切流式三旋，幾何模型的尺寸如圖1所示。

圖1 切流式三旋機(jī)構(gòu)尺寸

分離筒體直徑1 236mm。整體采用cooper法生成體網(wǎng)格(圖2)，面網(wǎng)格局部采用Pave法生成。為保證計算精度，對主要計算域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，氣相的模擬為固相顆粒運(yùn)動規(guī)律的模擬奠定了很好的基礎(chǔ)。

圖2 網(wǎng)格劃分

2.2邊界條件設(shè)置

進(jìn)出入口邊界的條件設(shè)置為：采用velocity-inlet速度入口，將頂部排氣管的出口和底部料腿的出口設(shè)置為充分發(fā)展的流動outflow，底部泄氣率為3%。

壁面邊界條件：壁面采用無滑移邊界條件，氣相湍流采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

顆粒相的邊界條件主要有反彈(reflect)、捕集(trap)和逃逸(escape)3種。其中顆粒從邊界上反彈，其動量變化由碰撞恢復(fù)系數(shù)確定。對于環(huán)形分離空間碰撞恢復(fù)系數(shù)為0.98～1.00；分離筒體空間，顆粒的能量有一定的損失，碰撞恢復(fù)系數(shù)為0.95～0.98；排塵錐空間碰撞恢復(fù)系數(shù)為0.80～0.90；灰斗空間，碰撞恢復(fù)系數(shù)為0.40～0.70，灰錐和料腿壁面為trap。

3 切流式三旋的顆粒相數(shù)值模擬

3.1粒級效率

圖3為切流式三旋粒級效率數(shù)值模擬的統(tǒng)計結(jié)果，分離效率50%對應(yīng)的粒徑為切割粒徑，約為1.9μm。

圖3 切流式三旋粒級效率

3.2顆粒在單管內(nèi)的運(yùn)動軌跡

顆粒切向進(jìn)入旋風(fēng)管，由直線運(yùn)動變?yōu)閳A周運(yùn)動，大部分顆粒在離心力的作用下克服氣流的阻力向壁面運(yùn)動，到達(dá)壁面附近后，在邊界層內(nèi)存在較小的湍流，顆粒會沿著壁面進(jìn)入灰斗從而實(shí)現(xiàn)顆粒相與氣流的分離。對1、3、5μm顆粒的逃逸與捕集進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，顆粒的排氣管底部短路流導(dǎo)致的逃逸占很大一部分，其次分離筒體內(nèi)部逃逸問題突出，考慮到相距排氣管底部不同距離的分離筒體的不同位置受到排氣管短路流影響不同，為了進(jìn)一步分析分離筒體內(nèi)部不同位置的顆粒逃逸情況，將分離筒體分為上、中、底3部分進(jìn)行統(tǒng)計研究。對三旋分離性能的研究必然需要對大量各種粒徑顆粒運(yùn)動軌跡的跟蹤，通過模擬顆粒相在三旋內(nèi)部的運(yùn)動軌跡，可直觀地顯示三旋的工作過程，從而揭示分離器內(nèi)氣、固分離機(jī)理[8]。

數(shù)值模擬過程中，將顆粒入射方式定義為點(diǎn)入射，由入口幾何中心點(diǎn)射入得到1、5μm顆粒的運(yùn)動跡線。圖4、5分別為不同顆粒停留時間t時，1、5μm顆粒的在三旋單管內(nèi)部的運(yùn)動軌跡，顆粒由入口進(jìn)入分離單管內(nèi)部，進(jìn)入環(huán)形空間以后，受到排氣管底部短路流的影響比較嚴(yán)重，大部分顆粒在此逃逸，運(yùn)動情況如圖4a、5a所示。其次顆粒受到內(nèi)旋流的帶動，部分顆粒在分離筒體與排塵錐內(nèi)部發(fā)生內(nèi)旋流夾帶逃逸，其余顆粒在進(jìn)入分離器后在離心力的作用下到達(dá)壁面內(nèi)部，壁面內(nèi)存在較小的湍流，顆粒最終到達(dá)灰斗，實(shí)現(xiàn)氣固分離。同時就以上3種顆粒的運(yùn)動軌跡而言，對于粒徑較小的顆粒，流場脈動對其軌跡的影響較大，從而使其隨機(jī)性增加，因此即使顆粒粒徑相同，運(yùn)動軌跡也可能不同。

圖4 1μm顆粒的運(yùn)動軌跡

3.3單一顆粒運(yùn)動規(guī)律統(tǒng)計

3.3.11μm顆粒的運(yùn)動規(guī)律統(tǒng)計

圖5 5μm顆粒的運(yùn)動軌跡

如圖6所示為顆粒粒徑d=1μm時在不同位置逃逸與灰斗捕集的顆粒軌跡隨機(jī)模擬統(tǒng)計結(jié)果，由圖6可以看出，約有18.5%的顆粒在排氣管底部因短路流而發(fā)生逃逸，占總逃逸的38.2%，與分離筒體整體逃逸比重相當(dāng)，其次，由于在分離筒體上部受到排氣管底部短路流的影響較大，分離筒體上部顆粒逃逸現(xiàn)象突出，在分離筒體中部與底部，顆粒受排氣管短路流影響減弱，此處顆粒的逃逸主要是由內(nèi)旋流夾帶造成的，小粒徑顆粒在分離筒體內(nèi)部的逃逸主要集中在分離筒體上部，排塵錐內(nèi)部顆粒的逃逸現(xiàn)象與分離筒體中部相當(dāng)。總的來說，大部分粒徑d=1μm的顆粒經(jīng)過短路流和內(nèi)旋流夾帶而發(fā)生逃逸，其中分離筒體內(nèi)部逃逸比排氣管短路流造成的逃逸明顯。顆粒的逃逸是構(gòu)成煙機(jī)葉片結(jié)垢的細(xì)粉來源之一。為減弱因排氣管短路流造成的細(xì)粉逃逸，對切流式三旋的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，是保護(hù)煙機(jī)葉片的有效手段之一。

圖6 1μm顆粒逃逸與捕集的軌跡模擬統(tǒng)計結(jié)果

3.3.25μm顆粒的運(yùn)動規(guī)律統(tǒng)計

圖7是5μm顆粒逃逸與捕集的統(tǒng)計結(jié)果，在排氣管底部約17.0%的顆粒因短路流而逃逸，約占總逃逸情況的43.0%。分離筒體底部受排氣管短路流影響較小，因內(nèi)旋流夾帶導(dǎo)致的5μm顆粒逃逸現(xiàn)象不明顯，5μm顆粒排塵錐內(nèi)部逃逸與分離筒體底部逃逸情況接近?？偟膩碚f，5μm顆粒主要在排氣管底部和分離筒體內(nèi)部發(fā)生逃逸，其中分離筒體內(nèi)部的逃逸集中于上部，對應(yīng)逃逸百分比為28.8%，5μm顆粒粒級效率為73.6%。

圖7 5μm顆粒逃逸與捕集的軌跡模擬統(tǒng)計結(jié)果

3.4不同粒徑顆粒運(yùn)動規(guī)律對比

圖8為不同粒徑顆粒的逃逸與捕集百分比的統(tǒng)計結(jié)果，由圖8可知，對于不同粒徑的顆粒來說，其在排氣管底部的短路流逃逸和分離筒體中的逃逸仍是影響分離效率的關(guān)鍵因素，隨粒徑的增大，顆?？偺右莠F(xiàn)象減少，分離效率提高，1、3、5μm顆粒對應(yīng)的粒級效率分別為51.5%、59.2%、73.6%。

圖8 1、3、5μm粒徑的顆粒逃逸與捕集百分比的分布

圖9為不同粒徑顆粒的逃逸百分比的統(tǒng)計結(jié)果，從圖9可見，隨著粒徑的增大，排氣管底部逃逸占總逃逸現(xiàn)象減少，1、3、5μm顆粒在排氣管底部逃逸分別占總逃逸的38.2%、41.6%、42.0%。分離筒體內(nèi)逃逸占總逃逸現(xiàn)象顯著，1、3、5μm顆粒對應(yīng)在分離筒體內(nèi)部總逃逸分別占總逃逸的48.5%、49.0%、47.0%，顆粒在排塵錐內(nèi)的逃逸占總逃逸約10%。

圖9 1、3、5μm顆粒逃逸百分比(與總逃逸數(shù)目的比值)的分布

同時從圖9可見，在排氣管底部與分離筒體上部顆粒逃逸占總逃逸的比重隨粒徑的增加而增加，即排氣管短路流對顆粒的影響增加，而在分離筒體中底部顆粒的逃逸現(xiàn)象占總逃逸比重呈下降趨勢，即在此內(nèi)旋流夾帶導(dǎo)致的顆粒逃逸現(xiàn)象減弱，排塵錐內(nèi)部逃逸占總逃逸約10%，隨粒徑變化規(guī)律不明顯。

4 結(jié)論

4.1數(shù)值模擬小于5μm的小粒徑顆粒的運(yùn)動軌跡，結(jié)果表明小顆粒運(yùn)動軌跡隨機(jī)性較大，原因在于小粒徑顆粒對氣流的跟隨性較好，受湍流脈動的影響較大。

4.21μm顆粒運(yùn)動規(guī)律的研究統(tǒng)計結(jié)果顯示，大部分顆粒經(jīng)過短路流和內(nèi)旋流夾帶而發(fā)生逃逸，其中分離筒體整體逃逸約48.5%比排氣管短路流造成的逃逸約38.2%顯著，其中顆粒在分離筒體上部逃逸比重約23%。

4.3對5μm顆粒運(yùn)動規(guī)律的研究表明，5μm顆粒主要在排氣管底部和分離筒體內(nèi)部發(fā)生逃逸，其中分離筒體內(nèi)部的逃逸集中于上部，對應(yīng)逃逸百分比為28.8%。

4.4小于等于5μm粒徑顆粒在三旋單管中逃逸的統(tǒng)計結(jié)果顯示，隨著粒徑的增加，顆粒的分離效率增加，在排氣管底部和分離筒體上部逃逸比重增加，而在分離筒體中底部顆粒的逃逸比重減少，這表明隨著粒徑的增加顆粒受排氣管底部短路流的影響增加，而在分離筒體中、底部內(nèi)旋流夾導(dǎo)致顆粒發(fā)生逃逸的現(xiàn)象減少。

4.5總結(jié)而言，排氣管短路流、分離筒體內(nèi)旋流夾帶逃逸是影響切流式三旋分離性能的主要原因，排氣管尺寸和分離筒體的結(jié)構(gòu)尺寸是影響三旋性能的內(nèi)在原因，可以從這些方面進(jìn)行三旋的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化。

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