旋風(fēng)分離器氣相流場數(shù)值模擬分析

曹萬秋

(沈陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001)

氫氧化鋁焙燒過程是指烘干氫氧化鋁附液中附著水,脫除其中的結(jié)晶水,并完成部分γ型的氧化鋁轉(zhuǎn)化為α型[1],以滿足冶金級成品的要求,反應(yīng)的過程如下:

水分烘干:H2O(液)→H2O(汽)

結(jié)晶水脫除:2Al(OH)3→γAl2O3+3H2O(汽)

晶型轉(zhuǎn)化:γAl2O3→αAl2O3

在物料和燃料等外部條件一定的前提下,氫氧化鋁焙燒系統(tǒng)的核心設(shè)備即為旋風(fēng)分離器,旋風(fēng)分離器的性能決定了整個系統(tǒng)產(chǎn)能、壓力損失的大小和能耗的高低,所以對其進(jìn)行研究分析,對于氫氧化鋁焙燒系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化及改造升級具有重要的意義。

1 旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)形式

傳統(tǒng)意義上的旋風(fēng)分離器由入口、氣體出口、下料口、中心筒和筒體組成[2],如圖 1所示。氣體夾帶物料從入口進(jìn)入,在旋風(fēng)分離器作用下,氣體從氣體出口排出,物料沿筒體壁進(jìn)入錐段,從下料口排出。

圖1 旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)圖

2 旋風(fēng)分離器數(shù)學(xué)模型

旋風(fēng)分離器的主要作用是實現(xiàn)氣固兩相的分離和傳熱過程。分離效率的高低,換熱效果的好壞,某種意義上由氣相對于固相的運動起到?jīng)Q定性作用。因此,研究旋風(fēng)分離器中的氣相運動意義重大。

本章采用CFD數(shù)值模擬方法對旋風(fēng)分離器的氣相流場進(jìn)行研究,首先研究了氣相的速度矢量、速度分布及壓力分布,總結(jié)出氣相運動的規(guī)律,然后研究了分離器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)對流場的影響。

2.1 數(shù)學(xué)模型簡化

為便于求解,氣相流場簡化如下:

(1)分離器內(nèi)氣體流動是穩(wěn)態(tài)流動;

(2)默認(rèn)入口處氣體勻速,且為湍流狀態(tài);

(3)不考慮溫度變化的影響;

(4)分離器底部的下料口無氣相排出;

(5)氣體全部從頂部出口排出。

2.2 物理模型的建立

氫氧化鋁焙燒系統(tǒng)共有7個旋風(fēng)分離器,其結(jié)構(gòu)形式類似,所以本文僅對某一個旋風(fēng)分離器進(jìn)行單獨研究即可。

為便于求解和提高計算精度,計算區(qū)域網(wǎng)格采用六面體,有限元網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 計算區(qū)域網(wǎng)格

2.3 邊界條件的設(shè)定

(1)入口邊界:根據(jù)經(jīng)驗,暫定進(jìn)口速度為15 m/s。

(2)上升管出口邊界:自由出流,流量為1。

(3)下料口邊界:物料從下料口排出,且認(rèn)為沒有氣流從排料口流出,氣體流量為0。

(4)旋風(fēng)筒殼體:殼體處采用無滑移邊界條件。

拾取湍流強(qiáng)度和水力直徑選擇項,湍動強(qiáng)度計算公式參見式(1):

(1)

ReDH——按當(dāng)量直徑DH計算得到的雷諾數(shù),無量綱。

對于非圓形截面入口,當(dāng)量直徑參見式(2):

(2)

式中:A——五邊形入口的有效面積,m2;

L——五邊形入口的濕周長(流體接觸長度),m。

上述湍流參數(shù)的計算結(jié)果詳見表1。

表1 湍流強(qiáng)度和當(dāng)量直徑計算

3 氣相流場數(shù)值模擬結(jié)果及分析

為了更好的研究旋風(fēng)分離器氣相流場的變化規(guī)律,沿軸向選取特定距離的XY截面:Z1=9 m,Z2=4 m,Z3=1 m,Z4=-2 m,Z5=-7 m共計5個截面。

3.1 流場的速度分布

旋風(fēng)分離器內(nèi)流場比較復(fù)雜且為比較強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)湍流,通過CFD模擬仿真,可以直觀發(fā)現(xiàn)不同位置的速度分布,圖3表示Y=0截面上的速度分布云圖以及矢量圖。

從圖3可見,在分離器殼體邊界條件的作用下,流場呈現(xiàn)由外部向下的渦流運動;靠近殼體的氣流接近底部后,在負(fù)壓作用下形成逐漸向上的渦流運動。此外,分離器的中心區(qū)域形成“颶風(fēng)”柱,在中心管的底部氣流速度最大,紊流較強(qiáng)。

圖3 Y=0截面速度分布云圖、矢量圖

圖4為不同高度截面上的速度分布圖。從圖4可見,分離器不同高度的氣流旋轉(zhuǎn)呈現(xiàn)較好的對稱性,說明旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場為強(qiáng)旋流,由于旋風(fēng)分離器為蝸殼形式的單側(cè)進(jìn)氣,所以流場呈現(xiàn)單側(cè)速度略高的趨勢。

圖4 Y=0截面不同高度速度分布圖

3.2 流場的壓力分布

圖5 Y=0截面不同高度靜壓分布圖

圖6 Y=0截面不同高度總壓分布圖

靜壓和總壓的分布相對比較吻合,沿徑向呈現(xiàn)出較好的軸對稱性,壓力值與半徑的變化成正比例關(guān)系,入口處靜壓遠(yuǎn)大于中心渦殼處靜壓,而上升管段下端的靜壓最低,甚至變?yōu)樨?fù)值。同一高度上,分離器軸心處的靜壓和總壓最低,所以分離器錐體底部易出現(xiàn)滯留或返混現(xiàn)象,影響分離器的分離效率。

3.3 入口流速對壓降的影響

壓降即阻力損失,其表示為氣流通過旋風(fēng)分離器時的總壓力(靜壓和動壓的總和)損失。旋風(fēng)分離器內(nèi)的阻力越大,說明局部風(fēng)速較高,對于產(chǎn)品破損率影響較大,同時還會增加ID風(fēng)機(jī)的能耗,因此壓降是衡量焙燒爐系統(tǒng)產(chǎn)品質(zhì)量和電耗指標(biāo)的重要因素。

為研究入口速度變化對壓降的影響,進(jìn)行了在11 m/s、13 m/s、15 m/s、17 m/s以及19 m/s等五種不同初速下的分析,結(jié)果如表2所示。

因為旋風(fēng)分離器內(nèi)為湍流運動,雷諾數(shù)較高,所以它的阻力系數(shù)是旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù),與操作條件無關(guān)[3]。根據(jù)五種流速下的阻力系數(shù)值進(jìn)行擬合,可以得到旋風(fēng)分離器的平均阻力系數(shù),其關(guān)系如圖7所示。

圖7 不同流速下的壓降

從圖7可見,壓降的數(shù)值模擬結(jié)果與經(jīng)驗公式計算的趨勢基本吻合。增加旋風(fēng)分離器的入口氣流速度,會增加系統(tǒng)壓降,且隨著氣流入口速度的增加,壓降的增加速率也有所增大。

對于氣態(tài)懸浮焙燒系統(tǒng)而言,改變旋風(fēng)分離器的氣流入口速度意味著改變氣態(tài)懸浮焙燒爐的系統(tǒng)通風(fēng)量。系統(tǒng)通風(fēng)量是影響焙燒爐燃燒、熱效率的重要因素。綜合考慮,旋風(fēng)分離器的氣流入口速度初步設(shè)置為13～15 m/s左右,相應(yīng)的的壓降范圍為569～770 Pa,煙氣過量空氣系數(shù)約為1.2。將氣流入口速度控制在此范圍,不但能保證焙燒爐內(nèi)燃燒處于良好狀況,還能有效減少旋風(fēng)分離器的阻力損失。

3.4 結(jié)構(gòu)參數(shù)對壓力損失的影響

本文選取中心管插入深度、中心管直徑及柱體段高度三種關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù),模擬旋風(fēng)分離器不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對于壓降的影響,為統(tǒng)計參數(shù)變量,根據(jù)現(xiàn)場實際經(jīng)驗,選取氣流進(jìn)口速度為15 m/s。

(1)中心管直徑對壓力損失的影響

不同的中心管直徑影響內(nèi)外旋流的分界面位置,分界面位置的變化影響內(nèi)外旋流速度,進(jìn)而影響分離器的分離效率及壓降。本節(jié)討論了不同中心管直徑旋風(fēng)分離器的壓降情況。

從圖8可見,中心管直徑越大壓降越小,這是因為隨著中心管直徑的增大,上升氣流的速度降低,氣流與中心管殼體之間的摩擦力降低,從而壓降減小。中心管直徑增大,有利于減小分離器的壓力損失。結(jié)合下文的分析可知,增大中心管直徑會降低分離效率,因此,不能僅僅為了降低壓降而增大中心管直徑。

圖8 不同中心管直徑下的壓降

(2)中心管插入深度對壓降的影響

進(jìn)入旋風(fēng)分離器的旋轉(zhuǎn)氣流運動到錐底后,折轉(zhuǎn)向上成為內(nèi)旋流,然后經(jīng)中心管排出[4]。旋風(fēng)分離器中心管插入深度對分離性能影響顯著。為此,本節(jié)模擬了中心管不同插入深度下的壓降情況。

從圖9可見,壓降隨著中心管插入深度的增大而增大,因為增大中心管插入深度后,與中心管接觸摩擦面積增大,導(dǎo)致氣流與中心管殼體摩擦增大使得旋轉(zhuǎn)速度減小,動壓減小,壓降隨之增大。綜合以上分析,在僅考慮壓降的情況下,應(yīng)盡量控制中心管插入深度在3500 mm左右,此深度條件下,分離器可以在較高的分離效率下阻力損失較小。

圖9 不同中心管插入深度下的壓降

(3)柱體段高度對壓降的影響

柱體段高度是旋風(fēng)分離器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù),合適的柱體高度能保證氫氧化鋁顆粒具有足夠的停留時間。本節(jié)對不同柱體段高度時的流場變化情況進(jìn)行了模擬。

從圖10可見,增加柱體段高度有利于降低壓力損失,這是因為增加柱體高度,在旋流作用下摩擦力隨之增大,旋渦的旋轉(zhuǎn)速度隨之降低,從而降低了中心管內(nèi)的動壓耗散。在增加柱體段高度的同時,也增大了沿程阻力損失和附加的摩擦損失。而且,對于氫氧化鋁氣態(tài)懸浮焙燒爐而言,柱體段高度的增加勢必會增大焙燒系統(tǒng)的總體框架高度,增加建設(shè)投資。綜上所述,旋風(fēng)分離器柱體段的最佳高度范圍為4000～5000 mm左右時,此時的壓降約為750～780 Pa。

圖10 不同柱體高度段的壓降

4 結(jié) 論

(1)對氧化鋁焙燒爐某一旋風(fēng)分離器內(nèi)部壓力分布進(jìn)行了模擬研究,其靜壓由外向內(nèi)逐漸降低,在中心軸區(qū)域達(dá)到最低。

(2)研究了旋風(fēng)分離器入口速度、中心管插入深度、中心管直徑、柱體段高度等對于壓降的影響,得出了適應(yīng)于本文模擬的旋風(fēng)分離器的最優(yōu)參數(shù),入口速度為13～15 m/s,中心管插入深度約為3500 mm,此時的壓力損失約為750～780 Pa。