高效Stairmand型旋風(fēng)除塵器流場導(dǎo)流與引流

段繼海, 吳 凱, 陳光輝, 李建隆

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高效Stairmand型旋風(fēng)除塵器流場導(dǎo)流與引流

段繼海, 吳 凱, 陳光輝, 李建隆

(青島科技大學(xué) 化工學(xué)院 生態(tài)化工國家重點實驗室, 山東 青島 266042)

針對高效Stairmand型旋風(fēng)除塵器內(nèi)存在渦流的不穩(wěn)定性流動和影響分離效率“擺尾”、“返混”情況，提出增設(shè)穩(wěn)流柱和防返混錐以改善其渦流的紊亂狀況。通過大渦模擬的數(shù)值方法研究穩(wěn)流柱和防返混錐對流場以及渦流的影響情況，結(jié)果表明：增設(shè)導(dǎo)流件后的旋風(fēng)分離器，內(nèi)旋流區(qū)的流場更加規(guī)整，控制了渦流的紊亂程度，穩(wěn)流柱對渦流起到指引和導(dǎo)向的作用。分離區(qū)的切向速度對稱性良好，旋風(fēng)分離器內(nèi)靜壓，平均靜壓最大降幅為42%。穩(wěn)流柱大大降低了湍動度和湍動耗散能，消弱了內(nèi)旋流與外旋流間的擾動，湍動耗散能平均降低53%。實驗結(jié)果還表明：增設(shè)導(dǎo)流件后的旋風(fēng)分離器對于累積50% 粒徑為10.74mm的煤粉分離效率由90% 提高到97%， 阻尼系數(shù)和總壓降略有提高。通過試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了增設(shè)穩(wěn)流件后旋風(fēng)分離器的性能和流場變化規(guī)律。

高效Stairmand型旋風(fēng)除塵器；穩(wěn)流柱；防返混錐；計算流體力學(xué)與試驗

1 前 言

高效Stairmand型旋風(fēng)除塵器是工業(yè)生產(chǎn)中用途較廣的一種氣固分離設(shè)備，它利用流場離心力使粉塵分離出來。旋風(fēng)分離器突出的優(yōu)點是經(jīng)濟性好以及結(jié)構(gòu)和設(shè)計簡單。對一些特殊操作條件(如高溫，高壓，腐蝕性氣體環(huán)境等)也可以使用。目前，高效Stairmand型旋風(fēng)除塵器廣泛應(yīng)用在化工、冶金、礦山、鍋爐煙塵處理等眾多領(lǐng)域[1,2]，以其優(yōu)越的性能和簡單的結(jié)構(gòu)在除塵行業(yè)中占著重要的地位。但是在使用中，發(fā)現(xiàn)底部夾帶和錐體下端的擺尾現(xiàn)象嚴重。進入灰斗的氣體返回旋風(fēng)分離器錐體下端時，與高速旋轉(zhuǎn)的內(nèi)旋流碰撞混合，產(chǎn)生強烈的動量傳遞和湍動能耗散，產(chǎn)生“擺尾”現(xiàn)象，形成若干縱向渦流，容易把聚集在錐體壁面的顆粒重新卷入內(nèi)旋流，造成分離效率降低。還有一部分從灰斗返回旋風(fēng)分離器內(nèi)氣體會夾雜著沉積的顆粒返回內(nèi)旋流，影響分離器的性能[3~5]。宋健斐[6]認為流場的非軸對稱性影響了分離效率。Safikhani[7]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)內(nèi)旋流偏離幾何軸心的運動容易卷起壁面沉積的顆粒造成二次揚塵。吳小林[8]等對"旋進渦核"進行系統(tǒng)研究分析后，把旋風(fēng)分離器尾端的“旋進渦核”作為產(chǎn)生“擺尾”狀況的重要原因。Bernardo[9]在灰倉內(nèi)安裝防渦流擋板后，提高了對密度差異較小的非均相物系的分離能力。譚慧敏[10]等通過研究不同的排塵錐結(jié)構(gòu)，有效消弱了灰斗的返混夾帶現(xiàn)象，提高了操作彈性。雖然眾多學(xué)者對局部的渦核以及灰倉流場做過大量研究，但是針對整個內(nèi)旋流區(qū)渦流擾動的影響鮮有人研究。

因此本文提出在旋風(fēng)內(nèi)增設(shè)穩(wěn)流柱和防返混錐，基于對流場控制的思想，依托數(shù)值計算和實驗[11]，對流場進行導(dǎo)流、整流，抑制內(nèi)旋流不穩(wěn)定性、減少灰斗內(nèi)的返混，從而達到抑制二次渦流[12]，強化內(nèi)旋流流動，提高分離效率的目的。

2 數(shù)值模擬

2.1 物理模型

數(shù)值模擬采用的旋風(fēng)分離器模型和導(dǎo)流件結(jié)構(gòu)如圖1，尺寸見表1，Type A為高效Stairmand型旋風(fēng)除塵器，TypeB為增設(shè)穩(wěn)流柱和返防混錐后的高效Stairmand型旋風(fēng)除塵器。穩(wěn)流柱為貫穿整個旋風(fēng)分離器的剛性圓柱，防返混錐安裝于灰斗頂部，其上部與穩(wěn)流柱相連接，具體尺寸如表1。

圖1 高效Stairmand型旋風(fēng)除塵器以及內(nèi)構(gòu)件示意圖

表1 高效Stairmand型旋風(fēng)除塵器的主要尺寸

2.2 網(wǎng)格的無關(guān)性檢驗

本文采用LES模擬，當(dāng)具體到對一個代數(shù)亞格子湍動能模型求解時，需要一個在高質(zhì)量網(wǎng)格下的瞬時解。因此采用規(guī)則六面體網(wǎng)格，保證計算精度，利用網(wǎng)格生成軟件Gmbit2.2.30對模型進行網(wǎng)格劃分，經(jīng)過網(wǎng)格的無關(guān)性驗證[13]最終確定網(wǎng)格的數(shù)目為Type A為312001個，Type B為321581個，生成的網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)模型網(wǎng)格的劃分

2.3 進出口邊界層以及壁面設(shè)置

進口邊界：入口切向速度為：= 15m×s-1，湍流度為= 4.98%，壓力為常壓，出口邊界：假定出口截面處的氣流已經(jīng)充分發(fā)展， 所以變量在出口的法向速率為0[14]。壁面條件：采用無滑移條件對近壁面處理，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)近似處理[15]。

2.4 FLUENT中Solver設(shè)置

基于Kaya和karagoz[16]對旋風(fēng)分離器內(nèi)旋流的數(shù)值模擬，本文采用大渦模擬技術(shù)[17]，大渦模擬就是先把小尺度脈動用濾波的方式過濾，得到大尺度運動的控制方程，再向方程中引入亞格子尺度附加應(yīng)力項。大尺度渦通過求解N-S方程，小渦采用亞格子模型處理，在fluent中有四種亞格子模型，本文采用其中的Smargorinsky_Lily模型。對旋轉(zhuǎn)流體進行模擬時間離散化采用二次離散。為避免過度分散的方案和冪規(guī)則方案，空間離散迎風(fēng)方程采用用中心差分方案(Bounded Cenrtal Differencing)[13]。

3 模擬結(jié)果與討論

3.1 流場的導(dǎo)流與引流

3.1.1 旋風(fēng)整體渦流

選取了中軸線處縱向剖面和進氣口處的橫向剖面速度(切向、徑向和軸向速度的合速度)矢量圖，分別對其分析，從圖3可以看出高效Stairmand型旋風(fēng)除塵器Type A上行流和下行流交匯處存在多個縱向渦流，內(nèi)旋流雖然偏離幾何軸線幅度不大，但是內(nèi)旋流的不穩(wěn)定，會導(dǎo)致內(nèi)旋流和外旋流的擾動，尤其是錐體下部的擺尾，影響旋風(fēng)分離器的性能[18]。而Type B內(nèi)旋流流動穩(wěn)定性更高，內(nèi)旋流和外旋流擾動幅度很小，內(nèi)旋流緊緊圍繞在穩(wěn)流柱逐漸上升，Type B中渦流均勻有序，局部渦流紊亂度低，流場在穩(wěn)流柱的作用下，對大小渦流起到了吸引和導(dǎo)向的作用。圖4中，在入口處速度矢量密集，表明入口處速度增加，沿邊壁旋轉(zhuǎn)后形成中心的低速度渦流核心，在Type B的一次分離區(qū)，速度矢量密度大，切向速度大有利于分離。旋風(fēng)分離器是強旋流場，流場可按最大切向速度分為內(nèi)旋流區(qū)和外旋流區(qū)，由于在直筒段和下錐體段存在不穩(wěn)定的渦流，這些渦流會對內(nèi)外旋流區(qū)產(chǎn)生擾動，造成能量的過多消耗和粉塵的強烈的湍動。圖4中Type A中存在一個速度旋轉(zhuǎn)中心位置，流體繞著速度旋轉(zhuǎn)中心位置旋轉(zhuǎn)而不是幾何中心，在Type B中流體繞穩(wěn)流柱旋轉(zhuǎn)，避免了內(nèi)旋流過大幅度的擺動，減少了粉塵的強烈湍動，有利于提高分離效率。

圖3 Type A和Type B縱向截面速度矢量圖

圖4 進氣口處橫向截面速度矢量圖

選取距出氣口外沿為102.5 mm處為S1位置，由圖5可見旋風(fēng)分離器S1=102.5mm處切向速度對比分布圖，高效Stairmand型旋風(fēng)除塵器與普通旋風(fēng)，兩者的切向速度分布曲線類似，都呈M型的雙渦結(jié)構(gòu)，大致為近軸線的強制自由渦核近壁面的準(zhǔn)自由渦構(gòu)成[19]。Type B的切向速度對稱性好，在一次分離區(qū)雖然Type A的最大切向速度略大于Type B，但是Type B中近壁面的切向速度為7.3 m×s-1，Type A近壁面的切向速度7.5 m×s-1，兩種差別很小，保證了內(nèi)外旋流穩(wěn)定的流動同時，近壁面比較大的切向速度有利于顆粒在壁面處的分離。而增設(shè)穩(wěn)流的旋風(fēng)，中心渦流狀況得到改善，局部渦流均勻規(guī)整。靜壓如圖6所示，在徑向上，Type A的平均靜壓強為144 Pa，TypeB，平均靜壓降為84 Pa，由于切向速度降低，渦流湍動程度降低，在Type B的一次分離區(qū)S1=102.5 mm處靜壓能明顯降低，平均靜壓降低42%左右。

圖5 切向速度對比

圖6 靜壓對比

在分離區(qū)處S1=102.5 mm處，湍動耗散能分析如圖7，Type A的最大湍動耗散能在0.56 m2×s-2。增設(shè)穩(wěn)流柱后大大降低了湍動耗散能，也就反映了湍動度大幅度的降低，湍動耗散能平均降低53%。Type A中，湍動耗散能大的位置= ±0.03 m處是內(nèi)旋流和外旋流的交匯處，由于內(nèi)旋流不穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動，擾動外旋流的下行運動，產(chǎn)生部分局部渦流，造成氣流湍動強烈，從而引起耗散能急劇升高。增設(shè)穩(wěn)流柱后，內(nèi)旋流緊緊圍繞穩(wěn)流柱上升，減少了內(nèi)旋流和外旋流間的擾動，從圖7可以看出在內(nèi)外旋流交匯處= ±0.03 m湍動耗散能大幅度降低，最低為0.05 m2×s-2，穩(wěn)流柱的主要作用就是減少了交匯處渦流的產(chǎn)生，降低了能量的耗散，降低了湍動度。由于較大的湍流強度會使得細小顆粒在內(nèi)外渦分界面附近不穩(wěn)定運動，增大微小顆粒直接進入內(nèi)渦區(qū)的可能性，這也是傳統(tǒng)型分離器對亞微米顆粒分離效率較低的重要原因。

3.1.2 筒體與錐體連接處分析

筒體和錐體連接處，從圖8可見，Type A中渦流紊亂，其原因是外旋流沿壁面下降，而錐體下部內(nèi)旋流旋轉(zhuǎn)上升。二者相遇，由于方向不同，在交匯處產(chǎn)生大量的漩渦。而改良后的Type B漩渦明顯減少，在穩(wěn)流柱導(dǎo)引下，流體規(guī)整流動，內(nèi)旋流沿穩(wěn)流柱上升，內(nèi)旋流與外旋流相互的干擾降低，渦流狀況明顯改善。

如圖9中，Type A的平均切向速度為8.2 m×s-1，Type B平均切向速度為6.1 m×s-1，前者比后者大25%左右，而且Type B對稱性非常好。表明流體相互碰撞減少，湍動能耗散降低，減少了能量損失。圖10中S2 =147.5 mm處，筒體錐體連接處，由于湍動耗散能降低，也使得Type B靜壓大幅度降低，其中Type B平均靜壓為88 Pa，比Type A平均靜壓145 Pa降低40%。

圖9 切向速度對比

圖10 靜壓對比

3.1.3 錐體下部擺尾和灰倉的返混

吳小林[8]曾利用穩(wěn)渦桿對旋風(fēng)分離器的旋進渦核進行抑制。本文將穩(wěn)渦桿和防返混錐結(jié)合，針對錐體下部擺尾問題，對流場改進。由圖11可見TypeA中，速度矢量紊亂，渦流紊亂，渦流的不穩(wěn)定流動主要集中在下錐體與灰倉接口上端，內(nèi)旋流的不穩(wěn)定擺動容易把沉積在壁面的顆粒重新卷起，嚴重影響性能。這些大小漩渦隨著錐體段的減小，蔓延到灰倉內(nèi)后渦流擴大，大量的渦流團體相互擾動造成流場紊亂，大幅度的氣流波動，勢必會發(fā)生嚴重的夾帶和返混。而Type B中，流場在穩(wěn)流柱和防返混錐的作用下得以規(guī)整，

圖11 灰倉口處速度矢量圖

內(nèi)旋流依托穩(wěn)流柱流動，避免了與外旋流的干擾。同時由于有防返混錐的阻擋，避免了內(nèi)旋流直接進入灰倉，減少了縱向渦流的湍動，達到了規(guī)整流場的目的。雖然灰倉內(nèi)切向速度小于10 m×s-1，但是小渦流的返混，會導(dǎo)致分離效率降低。Type A的切向速度比Type B的切向速度大，對稱性差。TypeB切向速度降低，因為防返混錐避免了內(nèi)旋流的強制進入，給內(nèi)旋流提供了導(dǎo)向，使渦流更規(guī)整。

4 試驗驗證穩(wěn)流柱和防返混錐的作用

實驗采用= 90 mm，材質(zhì)為有機玻璃材質(zhì)的高效Stairmand型旋風(fēng)除塵器分離器，分別測試兩種類型的旋風(fēng)分離器，試驗流程如圖12。進氣速度15 m×s-1，操作壓強1300 Pa，下料器3加入煤灰粉，煤粉粒的累積50% 粒徑為10.74 μm，小于5 μm粉塵約占29. 51%，具體的體積累積分布如表2。

1. pump 2. centrifugal fan 3. feeding apparatus 4. diffuser 5. valve 6. pitot tube 7. cyclone 8. U - tube manometer 9. the cone of cyclone

表2 原料累積粒徑分布

Type A型旋風(fēng)除塵器對于煤粉顆粒的總分離效率為90.09%，而增設(shè)穩(wěn)流柱和防返混錐的Type B型對煤灰的總分離效率是97％以上，10 μm以上顆粒的分離效率是100％以上，增設(shè)穩(wěn)流柱和防返混錐的Type B類型分離效率提高了7% 左右。

圖13 不同進口風(fēng)速下Type A與Type B型旋風(fēng)分離器的壓降

在不同的風(fēng)速下對兩種旋風(fēng)分離器進行總壓測試結(jié)果如圖13。總壓為指流體流經(jīng)它所產(chǎn)生的全部壓降，可以由進口壓力與出口平均壓力的差值得到，壓降采用下式計算

其中，D表示設(shè)備壓降，單位為Pa；表示阻力系數(shù)；表示空氣密度，單位為kg×m-3；表示氣體進口速度，單位為m×s-1。根據(jù)實驗測量的壓降與風(fēng)速的關(guān)系數(shù)據(jù)，計算出與2/2)，利用最小二乘法回歸得到。Type A型阻力系數(shù)為9.7，而Type B的阻力系數(shù)為10.4，增設(shè)穩(wěn)流柱后并沒有使得總壓增幅過大。試驗表明增設(shè)導(dǎo)流件后，旋風(fēng)分離器分離效率得以改善，但是增設(shè)穩(wěn)流柱后，阻力系數(shù)、總壓變化不大，改良后旋風(fēng)分離器的性能提高。

5 結(jié) 論

(1) 穩(wěn)流柱和防返混錐在高效Stairmand型旋風(fēng)除塵器的應(yīng)用，可以改善大直徑的旋風(fēng)除塵器(直徑2.5 m以上)內(nèi)仍存在一些局部的強湍流區(qū)和不利于粉塵分離的旋渦，這些旋渦的存在對于除塵器的性能具有影響，穩(wěn)流柱的應(yīng)用規(guī)整了流場，整理了渦流中的紊亂現(xiàn)象，改善了分離器下錐體擺尾現(xiàn)象。

(2) 安裝穩(wěn)流柱和防返混錐的旋風(fēng)分離器，流場返混現(xiàn)象改善，分離效率得到提高。

(3) 通過模擬計算及現(xiàn)場實驗，為以后大直徑旋風(fēng)除塵器提供了理論依據(jù)，對以后大直徑旋風(fēng)除塵器的改造具有指導(dǎo)意義。

(4) 驗證試驗表明對于分割粒徑50 = 10.74 μm的煤灰，分離效率提高7% 左右，分離效率大幅度提高，阻力系數(shù)、總壓降變化不大。

符號說明：

H? 旋風(fēng)分離器高度，mmρ? 空氣密度，kg×m-3 Dp? 壓降，Pax? 阻力系數(shù) U? 進口氣速，m×s-1η? 湍動度，kg×m-1×s-1

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High-Efficiency Stairmand Cyclone Flow Diversion and Drainage

DUAN Ji-hai, WU Kai, CHEN Guang-hui, LI Jian-long

(School of Chemical Engineering, Qingdao University of Science & Technology, Qingdao 266042, China)

In this paper, an internal Steady Flow Column (SFC) and Anti-Backmixing Cone (ABC) were presented to improve the situation of vortex disorder caused by the flow instability of eddy current, which can produce Wagging Tail and Back-Mixing phenomena and influence the separation efficiency of High Efficient Stairmand (HES) type dust removal cyclone. The influences of flow guide components SFC and ABC on vortex and flow field situation were researched by using large eddy simulation numerical methods. The results show that the SFC could control the disorder degree of vortex and play an guidance and guiding role for the vortex and make the flow field in the inner vortex more ordered. In addition, compared with the original HES cyclone, tangential velocity in separation zone is in good symmetry, the average maximum static pressure is decreased by 42%. SFC greatly reduces the degree of turbulence and turbulent dissipation energy, and weakens the disturbance between inner vortex and swirl. Compared with original HES cyclone, the turbulent dissipation energy reduces by about 53%. At the same time, the results also show that separation efficiency increases from 90% to 97% for the separation of pulverized coal with 50% cumulative particle size of 10.74 micron, A slight increase on damping and the total pressure drop in the cyclone can occur after adding the diversion flow guide components. The variation of the flow field and the performance of cyclone were also studied by combining experimental and numerical simulation methods.

high-efficiency Stairmand cyclone; steady flow column; anti-backmixing cone; computational fluid dynamics and experiment

1003-9015(2016)01-0026-07

X701.2；TQ028.24

A

10.3969/j.issn.1003-9015.2016.01.005

2015-01-06；

2015-04-27。

國家自然科學(xué)基金(21276132)；山東省自然科學(xué)基金 (ZR2011BQ006)。

段繼海(1970-)，男，山東青島人，青島科技大學(xué)副教授，博士。通訊聯(lián)系人：李建隆，E-mail：ljlong@qust.edu.cn