1種側(cè)壁開縫式防磨損旋風(fēng)分離器性能模擬

秦明坤

（菏澤市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究所，山東 菏澤274010）

在許多旋風(fēng)分離器中，侵蝕磨損是工廠運(yùn)行和維修部門最關(guān)心的問題[1]。由于磨損問題的存在，使得旋風(fēng)分離器在使用時(shí)頻繁更換旋風(fēng)分離器中心筒和出口轉(zhuǎn)向室，或者需要不斷對筒體磨損部位進(jìn)行修補(bǔ)，過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力耗材，它是造成主機(jī)設(shè)備非計(jì)劃停機(jī)的主要原因之一[2-3]。

研究發(fā)現(xiàn)，固體顆粒沉積較多的部位也是磨損較嚴(yán)重的地方[1]。旋風(fēng)分離器壁面磨損呈不均勻分布，但主要的磨損位置為分離器頂板、環(huán)形空間上部以及錐體的底部附近[4-6]。通常采用的防磨措施分為2種：1)降低旋風(fēng)分離器的風(fēng)速，這意味著增加入口和出口面積，同時(shí)風(fēng)速降低，分離效率也隨之降低，這種方法對于已建設(shè)施而言很少采用；2)通過改進(jìn)設(shè)施來減少旋風(fēng)分離器的磨損[3]。典型的硬件改造方法有安裝防磨板，用厚板更換磨損部位，完善設(shè)計(jì)缺陷，使用新型耐火耐磨材料等。然而，頻繁更換防磨板造成的非計(jì)劃停機(jī)和采用高性能防磨材料所帶來的成本增加往往超出企業(yè)預(yù)算。

筆者根據(jù)分離器內(nèi)顆粒運(yùn)動特性設(shè)計(jì)了1種筒體側(cè)壁開縫式旋風(fēng)分離器，能夠?qū)⑹軕T性力作用明顯的大顆粒及時(shí)從壁面排出，減輕了大顆粒的壁面沉積特性，降低了壁面顆粒濃度，起到防磨作用。并基于CFD軟件分析了開縫對旋風(fēng)分離器內(nèi)氣相流場分布、顆粒含量分布和分離效率的影響，驗(yàn)證了其可行性。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

普通式旋風(fēng)分離器由進(jìn)氣管、筒體、錐體和排氣管等組成。開縫式旋風(fēng)分離器是針對普通分離器壁面磨損嚴(yán)重的問題而提出的，在其基礎(chǔ)上對筒體側(cè)壁開縫，并在開縫外圍設(shè)置顆粒沉降室，見圖1。

圖1 旋風(fēng)分離器設(shè)計(jì)Fig 1 Design of cyclone separator

其運(yùn)行原理同普通旋風(fēng)分離器相同，含塵氣流進(jìn)入旋風(fēng)分離器后，沿外壁由上向下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，同時(shí)有少量氣體沿徑向運(yùn)動到中心區(qū)域。當(dāng)旋轉(zhuǎn)氣流的大部分到達(dá)錐體底部后，轉(zhuǎn)而向上沿軸心旋轉(zhuǎn)，最后經(jīng)排氣管排出。他們的不同之處在于：大顆粒進(jìn)入分離器后受離心力作用，在筒體壁面就已經(jīng)大量沉積，造成壁面的磨損，在筒體位置開縫，可以將這部分沉積的大顆粒及時(shí)排出，可以避免它與筒體和錐體壁面的持續(xù)接觸，從而有效減輕磨損程度。由于開縫很小，經(jīng)開縫排出的大顆粒很難再返回筒體內(nèi)，并且氣體在沉降室中的運(yùn)動近似滯止?fàn)顟B(tài)，因此很容易實(shí)現(xiàn)顆粒在沉降室中的收集。

設(shè)計(jì)分離器應(yīng)用于蒸發(fā)量75t/h的鍋爐煙氣處理，需要處理的煙氣體積流量約為115.2×103m3/h。為避免分離器尺寸過大，防止運(yùn)行過程中產(chǎn)生振動，提高設(shè)備運(yùn)行的安全性，設(shè)置4個(gè)相同的旋風(fēng)分離器并聯(lián)，每個(gè)旋風(fēng)分離器的處理煙氣體積流量約為8m3/s。

參照旋風(fēng)分離器設(shè)計(jì)型號XLP/B，并且綜合考慮旋風(fēng)分離器設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的相關(guān)原則[7]：

2)為避免過高的壓力損失，要保證a≤(D-d)/2；

3)為保持渦流的終端在錐體內(nèi)部，要保證H1+H2≥3D；

4)為利于粉塵易于滑落，要保證錐角在7°～8°；

5)為獲得最大除塵效率，(H1+H2)/d≈8～10，d=(0.4～0.65)/D，b/a=2.2～2.5；

6)通常旋風(fēng)分離器入口速度選擇在12～25m/s；最終確定尺寸見表1。

表1 旋風(fēng)分離器設(shè)計(jì)參數(shù)Tib 1 Parameters of the cyclone separator

1.2 模型及簡化假設(shè)

分離器內(nèi)離散相體積分?jǐn)?shù)普遍小于10%，對連續(xù)相和離散相的模擬采用Euler-Lagrange方法較準(zhǔn)確，過程控制方程遵循流體動力學(xué)基本方程。湍流模型選擇RNGk-epsilon。分離器內(nèi)的流動為強(qiáng)旋流，因此在RNG選項(xiàng)中將計(jì)算區(qū)域考慮為SwirlDominatedFlow。連續(xù)相和離散相雙向耦合，忽略質(zhì)量交換和熱量交換，只考慮2相間的動量交換。并且由于顆粒項(xiàng)非常稀薄，不考慮顆粒與顆粒之間的相互作用。通過隨機(jī)軌道模型計(jì)算足夠多的代表性顆粒的軌跡（即“numberoftries”，本研究設(shè)置為5），從而將湍流對顆粒的隨機(jī)性影響考慮進(jìn)模型。

模擬煙氣溫度為120℃下的氣固相材料物性參數(shù)見表2。連續(xù)相為空氣，慣性顆粒材料選擇coalhv，設(shè)顆粒都是球形顆粒，粒徑服從Rosin-Rammler分布。

表2 材料物性參數(shù)Tab 2 Physical parameters of materials

Rosin-Rammler分布假定顆粒直徑d與大于此直徑的顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wd之間存在指數(shù)關(guān)系：

智能建筑系統(tǒng)工程施工中的質(zhì)量問題與設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)圖紙好壞有很大關(guān)系。在設(shè)計(jì)過程中，智能系統(tǒng)的不正確設(shè)計(jì)或缺乏智能系統(tǒng)的詳細(xì)操作說明都有可能導(dǎo)致施工細(xì)節(jié)不到位而出現(xiàn)問題。一些建筑業(yè)主為獲得更多的經(jīng)濟(jì)效益盲目縮短設(shè)計(jì)周期，邊設(shè)計(jì)邊施工，沒有對智能建筑系統(tǒng)工程做出整體規(guī)劃，導(dǎo)致設(shè)計(jì)中存在不成熟的方案。而且，近年來，建筑市場的競爭越來越激烈，但是相關(guān)建筑規(guī)范仍不成熟，沒有明確的體系對違規(guī)行為進(jìn)行約束，市場監(jiān)管不到位對施工質(zhì)量產(chǎn)生了很大影響[3]。因此，應(yīng)認(rèn)真落實(shí)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)方面的工作，這是一個(gè)工程的起點(diǎn)，要想贏在起跑線上，應(yīng)保證其設(shè)計(jì)合理。

式中，d為顆粒中位粒徑，n為顆粒尺寸分布指數(shù)，本模型中平均粒徑為91μm，n≈3.3445。

1.3 網(wǎng)格及邊界條件

由于分離器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，故均采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，普通式分離器網(wǎng)格數(shù)約18萬個(gè)，開縫式約36萬個(gè)，以保證顯示的清晰度。

入口設(shè)定速度和湍流強(qiáng)度，壓力出口，靜壓為280Pa，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面修正函數(shù)。顆粒碰壁發(fā)生反彈，切向和法向反彈系數(shù)設(shè)置為常數(shù)0.9，分離器底面和沉降室壁面邊界類型為trap，入口和出口邊界認(rèn)為顆粒發(fā)生逃逸。壓力速度耦合方式為SIMPLE。為提高計(jì)算精度，對流項(xiàng)采用2階迎風(fēng)差分格式，將壓力亞松弛因子調(diào)至0.1，動量亞松弛因子根據(jù)殘差曲線從0.02調(diào)至0.1以獲得收斂解。

2 結(jié)果及分析

2.1 開縫對氣相流場的影響

圖2為不同高度位置2種分離器徑向總壓p分布對比（取z分別為2、4、6、7m截面位置對比）。

由圖2可知，z=7m處徑向總壓分布，速度入口至開縫處總壓分布趨勢和大小接近，可認(rèn)為開縫對此處壓力分布無影響；z=6m處筒體內(nèi)徑向壓力分布也相同，而對于開縫分離器，沉降室中切向速度很小，總壓較低，只有約100Pa；z分別為2、4m處受開縫影響，軸心和壁面處總壓力差減小。而分離器內(nèi)的阻力損失并沒有因?yàn)殚_縫和沉降室的存在發(fā)明顯改變，普通式旋風(fēng)分離器阻力損失為454.1Pa，開縫式為456.3Pa。

圖2 分離器內(nèi)徑向總壓分布Fig 2 Total pressure distributions along the radial direction in the separator

圖3為2種分離器不同高度位置切向速度vt分布對比（取z分別為2、4、6、7m截面位置進(jìn)行對比）。

由圖3可知，開縫式分離器內(nèi)的切向速度的分布普遍低于普通式分離器，原因是開縫破壞了壁面附近的無滑移邊界層厚度，部分高速氣體由開縫進(jìn)入沉降室，在沉降室中不斷回旋（z=6m處的模擬結(jié)果顯示回旋速度約為6m/s），使得分離器內(nèi)整體切向速度大小下降約2～3m/s，從而使得顆粒受到的離心力下降，理論上對提高分離效率不利；另一方面，開縫的存在使得大顆粒由開縫排出，壁面顆粒含量下降，顆粒在排氣管下端由于短路造成的返混現(xiàn)象減輕，有力于提高分離效率。

2.2 開縫對顆粒含量分布的影響

圖4給出開縫對壁面附近顆粒質(zhì)量濃度分布的影響大小。

圖4 開縫對壁面附近顆粒質(zhì)量濃度分布的影響Fig 4 The effects of slotting on the distributions of particles concentration near separator wall

由圖4可知，開縫下方顆粒含量較普通式分離器大幅度降低，高含量分布區(qū)域在開縫壁面截止。普通式分離器內(nèi)高顆粒含量區(qū)域主要分布于分離器頂部、中間和錐體部位，這與工程實(shí)際檢測給出的磨損位置相同，也驗(yàn)證了模擬結(jié)果的可靠性[2-3]。錐體部分顆粒濃度會隨著顆粒的不斷沉積急劇增大，模擬結(jié)果中顯示最高質(zhì)量濃度可達(dá)13kg/m3，這也是造成分離器磨損的主要原因之一[3]。此外，趙新學(xué)、金有海等人針對分離器壁面磨損的數(shù)值研究也得到了相同的結(jié)論[1,5]。

圖5進(jìn)一步給出了不同顆粒含量在壁面處的分布顆粒的分布情況。

圖5 不同顆粒質(zhì)量濃度在壁面處的分布狀況Fig 5 The distribution status of different particles mass concentration at the wall

由圖5可知，大部分顆粒都能夠經(jīng)開縫排至沉降室得到有效收集，但是仍有一部分顆粒運(yùn)行至錐體段，理論上這部分顆粒為微細(xì)顆粒物，旋風(fēng)分離器對該類顆粒物脫除效果本來就很低，不過這部分顆粒濃度已經(jīng)很低，認(rèn)為不構(gòu)成壁面磨損的主要因素，針對不同粒徑顆粒在開縫式旋風(fēng)分離器中運(yùn)行軌跡的研究還應(yīng)進(jìn)一步展開。

2.3 開縫對分離效率的影響

開縫式旋風(fēng)分離器在起到降低壁面磨損的作用時(shí)，還必須要保證分離效率。表3給出了普通分離器和開縫式分離器入口和出口顆粒質(zhì)量濃度，可知分離器的分離效率接近100%，開縫并沒有造成分離效率的下降。由于粒徑分布服從Rosin-Rammler，該案例尚未對分級效率進(jìn)行研究，不過該結(jié)果已經(jīng)明顯體現(xiàn)出筒體側(cè)壁開縫旋風(fēng)分離器在應(yīng)用中的優(yōu)勢。

表3 分離效率數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab 3 Statistics of separation efficiency

3 結(jié)論

旋風(fēng)分離器筒體側(cè)壁開縫能夠及時(shí)排出大部分顆粒，有效降低壁面處顆粒濃度，減輕壁面磨損程度；開縫不改變分離器內(nèi)切向流速和壓力分布的趨勢，但其數(shù)值會稍有減小；開縫不會造成總分離效率的下降，對分級效率的影響尚須進(jìn)一步研究。

模擬結(jié)果顯示，沉降室中的氣流會有約6m/s的回旋流動，并且顆粒經(jīng)開縫進(jìn)入沉降室后也會由于慣性而不斷旋轉(zhuǎn)，這不利于沉降室中顆粒的捕集。因此改進(jìn)方案可以在沉降室中設(shè)置4塊豎直擋板，這樣既可以在室內(nèi)形成一個(gè)有利于顆粒重力沉降的滯止氣流封閉腔，又可以使顆粒發(fā)生慣性碰撞，從而得到順利捕集。

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