新型旋流-顆粒床耦合分離設(shè)備的三維氣相流場分布

李永祺，常 明，付金壯，盧春喜，范怡平

(中國石油大學(xué)(北京)重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249)

在化石能源的生產(chǎn)和使用過程中，不可避免會產(chǎn)生粉塵顆粒物，帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染[1]。重力沉降器、旋風(fēng)分離器、顆粒床過濾器與濕法除塵器等氣體凈化設(shè)備被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。旋風(fēng)分離器雖然具有結(jié)構(gòu)簡單、操作彈性大、效率高等優(yōu)點(diǎn)，但對于10 μm以下微小顆粒的脫除效果依然不夠理想[2]，而顆粒床過濾器含有的粒狀顆粒層可對微細(xì)粉塵進(jìn)行捕集。本課題組[3-4]提出了一種新型旋流-顆粒床耦合分離設(shè)備，將顆粒床置于旋風(fēng)分離器內(nèi)部，在同一設(shè)備中實(shí)現(xiàn)離心分離與過濾分離，對含塵氣體產(chǎn)生更好的凈化效果。

分離效率與壓降是評價分離設(shè)備性能的指標(biāo)，而二者均與內(nèi)部流場密切相關(guān)，但研究多是針對常規(guī)旋風(fēng)分離器進(jìn)行，其內(nèi)部是典型的復(fù)雜三維強(qiáng)旋轉(zhuǎn)湍流流場[5]。魏耀東等[6]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)蝸殼式旋風(fēng)分離器環(huán)形空間的速度場和靜壓場是非軸對稱的：在0～180°區(qū)間內(nèi)切向速度增大，靜壓減小，而在180°～360°區(qū)間內(nèi)切向速度減小，靜壓增大。宋健斐等[7]采用雷諾應(yīng)力模型(RSM)對蝸殼式旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明，非軸對稱入口結(jié)構(gòu)導(dǎo)致內(nèi)部氣相流場呈非軸對稱，且在排氣管入口處非軸對稱特性更為明顯。Xiang等[8]采用數(shù)值模擬的方法對不同高度旋風(fēng)分離器的內(nèi)部流場進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)筒體段和錐體段的切向速度差異并不顯著，錐體段未因橫截面積的減小而發(fā)生加速現(xiàn)象。切向速度在筒體段沿軸向高度向下略有降低，而在錐體段保持穩(wěn)定[9-10]。Wu Jingping等[11]通過計(jì)算旋風(fēng)分離器內(nèi)部的切向速度分布，推導(dǎo)出準(zhǔn)自由渦區(qū)的切向速度指數(shù)n與徑向位置無關(guān)，且沿軸向變化很小。Song Chengming等[12]發(fā)現(xiàn)直筒段外旋流的湍流強(qiáng)度基本一致，而在錐體段隨著高度的降低而增大，內(nèi)旋流的湍流強(qiáng)度相對較小且更均勻。

胡瓅元等[13]采用激光多普勒測速系統(tǒng)(LDV)對蝸殼式旋風(fēng)分離器全空間內(nèi)三維湍流的時均流場進(jìn)行了試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)環(huán)形空間的入口部位與灰斗頂部均出現(xiàn)了縱向二次環(huán)流。姬忠禮等[14]用五孔探針和熱線風(fēng)速儀考察了蝸殼式旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場，得到與胡瓅元等[13]相似的結(jié)論，即環(huán)形空間存在明顯的二次流，并且發(fā)現(xiàn)了排氣管末端的短路流和錐體段下部的偏心流現(xiàn)象。高助威等[15]引入Q渦判據(jù)，得到了典型截面流場的渦線圖，發(fā)現(xiàn)靠近壁面處渦量由于摩擦阻力的作用急劇減小。顯然，這些二次流動會對分離產(chǎn)生不利影響。高順等[16]采用粒子圖像測速法(PIV)對帶有穩(wěn)流內(nèi)件的Stairmand型旋風(fēng)分離器的流場進(jìn)行了試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)增設(shè)穩(wěn)流柱對切向、軸向速度數(shù)值影響不大，但極大地增強(qiáng)了速度分布的軸對稱性。Duan Jihai等[17]采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法對一種新型帶內(nèi)筒旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)內(nèi)筒的存在改變了氣體流動路徑，可有效避免上行流與下行流的相互作用，消除了常見的短路流和縱向渦流。通過加入穩(wěn)渦桿結(jié)構(gòu)還可縮小旋流中心與幾何中心偏離的距離，增強(qiáng)了流場的穩(wěn)定性[18]。Zhang Zihui等[19]采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法對一種軸心裝有圓柱形過濾層的新型旋風(fēng)分離器進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)新型旋風(fēng)分離器排氣管處的短路流幾乎消失，分離器內(nèi)部的徑向返混現(xiàn)象也得到削弱。但是，上述研究多是針對常規(guī)旋風(fēng)分離器進(jìn)行的。而對于新型旋流-顆粒床耦合分離設(shè)備，內(nèi)置徑向移動床的存在會對其旋風(fēng)分離器殼體(以下簡稱旋風(fēng)殼體)內(nèi)的流場造成影響。目前，僅有高思鴻等[20]采用微壓差變送器對新型旋流-顆粒床耦合分離設(shè)備靜壓分布進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)靜壓分布沿周向呈明顯的非軸對稱分布，反映出設(shè)備內(nèi)氣相流動沿周向存在不均勻分布現(xiàn)象，并推測在分離空間上部可能出現(xiàn)短路流。

本研究通過試驗(yàn)考察上述耦合分離設(shè)備中旋風(fēng)殼體內(nèi)氣相流場分布，分析流場特點(diǎn)，以期為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)流程如圖1所示。整個裝置在微負(fù)壓條件下操作，捕集顆粒充滿內(nèi)置顆粒床的夾層，空氣在引風(fēng)機(jī)的作用下由入口管路A進(jìn)入旋風(fēng)殼體，旋轉(zhuǎn)向下運(yùn)動的同時部分氣體向心錯流穿過內(nèi)置顆粒床，通過連接旋風(fēng)分離器中心排氣管的出口管路B引出。

圖1 試驗(yàn)裝置流程示意1—引風(fēng)機(jī)； 2—引風(fēng)流量計(jì)； 3—集塵罐； 4—內(nèi)置顆粒床； 5—旋風(fēng)殼體； 6—料倉； a，c，d—?dú)饴非袚Q控制閥； b—引風(fēng)機(jī)放空閥； e—待生斜閥； f—再生斜閥； A—進(jìn)氣管； B—出口管

試驗(yàn)設(shè)備主要由旋風(fēng)殼體與內(nèi)置顆粒床構(gòu)成，主要結(jié)構(gòu)尺寸見圖2。旋風(fēng)殼體由有機(jī)玻璃制造，內(nèi)置顆粒床材質(zhì)為304不銹鋼，旋風(fēng)分離器入口對應(yīng)位置以下顆粒床的筒體與錐體部分由約翰遜網(wǎng)卷制而成。內(nèi)置顆粒床采用內(nèi)外夾層結(jié)構(gòu)，厚度為50 mm。

圖2 耦合分離設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸(單位：mm)

試驗(yàn)氣體為常溫常壓下的空氣，由引風(fēng)管路上的轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量，根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)條件下的溫度和壓力進(jìn)行校正，轉(zhuǎn)子流量計(jì)的校正式為：

(1)

式中：PN，TN，ρN分別為空氣(標(biāo)定介質(zhì))在標(biāo)準(zhǔn)狀況下(20 ℃，101.3 kPa)下的絕對壓力、絕對溫度和密度，單位分別為kPa，K，kg/m3；PS，TS，ρSN分別為被測氣體在測量時的絕對壓力、絕對溫度和被測氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度，單位分別為kPa，K，kg/m3；Q為實(shí)際流量，m3/h；QN為儀表讀數(shù)值，m3/h。

入口氣速Vin指進(jìn)入設(shè)備的氣體相對進(jìn)口管路橫截面的平均速度(m/s)，即：

(2)

式中，Di為進(jìn)口管路內(nèi)徑，m。

顆粒床夾層循環(huán)捕集顆粒采用UOP公司研制的空氣分離器專用分子篩吸附劑13X-APG，其物性參數(shù)見表1。

表1 13X-APG分子篩的物性參數(shù)

旋風(fēng)殼體與內(nèi)置顆粒床之間旋流區(qū)的速度場與靜壓場分布均采用四川德陽東汽技術(shù)開發(fā)公司生產(chǎn)的球形五孔探針測量，探針頭部直徑為5 mm，感受孔直徑為0.35 mm。探針頭部尺寸小，對流場干擾小，測速范圍為3～80 m/s，誤差范圍為1 m/s。五孔探針結(jié)構(gòu)如圖3所示，1，2，3號感受孔在探針直桿中心線所在的縱剖面上，4，2，5號感受孔位于與探針軸心線垂直且通過圓心的平面上，感受孔2及其余4個感受孔互成45°。壓差由四川塞爾瑟斯電力自動化科技有限公司制造的精度等級為0.25級的V-DP型差壓傳感器測量。

圖3 五孔球探針測壓孔布置和速度分解示意

測點(diǎn)處切向速度Vθ、軸向速度Vz和徑向速度Vr分別為：

Vθ=Vcosαcosβ

(3)

Vz=Vcosαsinβ

(4)

Vr=Vsinα

(5)

式中，V為測點(diǎn)處速度絕對值，m/s。

1.2 測點(diǎn)布置

三維速度場與靜壓場分布試驗(yàn)測點(diǎn)布置相同，如圖4所示。旋風(fēng)殼體中心線為周向基點(diǎn)，蝸殼入口切點(diǎn)記為0°方位，沿順時針方向，分別取90°，180°，270° 的3個周向位置。在上述4個周向方位，自上而下分別設(shè)置11個測孔。各測孔沿徑向以旋風(fēng)殼體截面與顆粒床外壁截面為基準(zhǔn)，取5個等距測點(diǎn)，蝸殼入口處測點(diǎn)間距與其余測點(diǎn)相同。受蝸殼式入口結(jié)構(gòu)影響，測孔N1.1與N1.2位置已在圖4中標(biāo)明。測孔所在截面與方位分別用截面軸向高度H和方位角表示。設(shè)以旋風(fēng)分離器頂蓋所在平面為H=0的基準(zhǔn)面，測孔N1.1所在截面為H=-130 mm。

圖4 測點(diǎn)布置示意

為便于對速度場進(jìn)行分析比較，各速度分量均與入口氣速Vin作比進(jìn)行無量綱化，徑向位置r則與筒體半徑R作比無量綱化。并且規(guī)定：切向速度Vθ順時針為正，軸向速度Vz向下為正，徑向速度Vr向內(nèi)(即向心)為正。試驗(yàn)中認(rèn)為旋風(fēng)殼體處無量綱速度值為0。無量綱參數(shù)定義如下：

(6)

2 結(jié)果與討論

2.1 切向速度

(7)

式中：c為試驗(yàn)參數(shù)，由邊界條件確定；n為外旋流的漩渦指數(shù)，通常在0.5～0.8之間變動。此區(qū)域向內(nèi)至顆粒床壁面則為內(nèi)旋流。

圖5 設(shè)備內(nèi)部旋流空間無量綱切向速度分布

分離空間直筒段和錐體段的切向速度之間的數(shù)值大小略有差異，但并非嚴(yán)格按照軸向高度由上到下逐漸減小。圖6為入口氣速6.8 m/s條件下0°方位不同軸向位置的無量綱切向速度分布。切向速度在直筒段逐漸減小，而在位于直筒段底部的H=-1 760 mm截面處急劇衰減為最小值，甚至在靠近顆粒床外壁處遠(yuǎn)小于錐體段與灰斗截面的無量綱切向速度，說明在0°方位上有速度方向的較大改變或者二次流現(xiàn)象。而經(jīng)過筒-錐連接段無量綱切向速度又略有增加，可能發(fā)生因流道面積減小而產(chǎn)生的加速現(xiàn)象。錐體段無量綱切向速度變化相對平緩，沿軸向上無量綱切向速度的數(shù)值基本不變。

圖6 入口氣速6.8 m/s條件下0°方位不同軸向位置的無量綱切向速度分布H,mm：■—-130； ●—-260； ▲—-760； ◆—-1 760； —-2 289； ★—-2 439； —-2 589； —-2 749

圖7為入口氣速6.8 m/s條件下在H=-130 mm環(huán)形空間內(nèi)沿周向的無量綱切向速度分布，可見無量綱切向速度在各方位的大小不同，沿周向存在明顯的不均勻分布現(xiàn)象。在0°～180°方位區(qū)間內(nèi)無量綱切向速度增大，而在180°～360°方位區(qū)間內(nèi)無量綱切向速度值減小。這是由于氣體在流經(jīng)蝸殼式入口時流道面積變小，使得無量綱切向速度增大，而在180°～360°區(qū)間流道面積不變，但部分氣流已由環(huán)形空間進(jìn)入分離空間，使得總氣量減小，引起無量綱切向速度減小。這與高思鴻等[28-29]的研究結(jié)果一致。

圖7 入口氣速6.8 m/s條件下H=-130 mm截面沿周向的無量綱切向速度分布■—0°； ●—90°； ▲—180°；

對于蝸殼式旋風(fēng)分離器，非軸對稱入口結(jié)構(gòu)以及氣相旋流的不穩(wěn)定性造成了氣流的旋轉(zhuǎn)中心與旋風(fēng)分離器的幾何中心不重合，導(dǎo)致了切向速度場的非軸對稱分布[30]。但新型旋流-顆粒床耦合分離設(shè)備由于內(nèi)置顆粒床的存在，削弱了蝸殼式入口對流場的影響，錐體段底部的內(nèi)旋流擺尾現(xiàn)象消失[31]，速度場基本呈軸對稱分布。

2.2 軸向速度

圖8為在入口氣速分別為6.8 m/s與9.1 m/s條件下設(shè)備的無量綱軸向速度分布。與無量綱切向速度類似，入口氣速僅改變無量綱軸向速度的數(shù)值，并不影響其分布形態(tài)。但軸向速度分布的對稱程度不及切向速度，在錐體段0°，90°，180°方向與灰斗處分布特點(diǎn)類似，均在靠近旋風(fēng)殼體處取得最大值，沿徑向向內(nèi)趨于平緩。

圖8 設(shè)備內(nèi)部旋流空間無量綱軸向速度分布

圖9為在入口氣速6.8 m/s條件下270°方位無量綱軸向速度沿軸向的分布。與常規(guī)旋風(fēng)分離器軸向速度分布不同，在多數(shù)情況下方向向下，上行流較為微弱。內(nèi)置顆粒床中心管與排氣管相連接，起到了延長中心排氣管的作用，降低了短路流發(fā)生的幾率[32]。顆粒床的約翰遜網(wǎng)壁面結(jié)構(gòu)與開縫式排氣管結(jié)構(gòu)類似，也可減少短路流現(xiàn)象的產(chǎn)生[33-34]。內(nèi)置顆粒床的存在有效消除了中心排氣管下端的短路流與環(huán)形空間縱向環(huán)流帶來的頂灰環(huán)現(xiàn)象。顆粒床下料管穿過灰斗，起到穩(wěn)渦桿[35-36]的作用，灰斗處的返混現(xiàn)象也得到有效解決。二次流現(xiàn)象的消除有利于提高設(shè)備的分離效率。方向向上的軸向速度集中在直筒段底部H=-1 260 mm與錐體段頂部H=-2 139 mm之間的270°方位處。分離空間內(nèi)筒-錐連接段存在與整體流動趨勢相反的異?，F(xiàn)象。在直筒段，隨著軸向高度下降，無量綱軸向速度成比例減小，在H=-1 760 mm的筒-錐連接段位置變?yōu)樨?fù)值，軸向速度由向下轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛏戏较?。根?jù)上文對無量綱切向速度場的分析，推測產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能是在筒-錐連接段由于流道面積的減小，迫使部分氣體轉(zhuǎn)變?yōu)樯仙龤饬?；或是由于直筒段過長，摩擦損耗較大，軸向速度衰減到不足以抗衡顆粒床內(nèi)部負(fù)壓的作用，從而改變速度方向。

圖9 入口氣速6.8 m/s條件下270°方位沿軸向的無量綱軸向速度分布■—0.567； ●—0.667； ▲—0.767； ◆—0.967

2.3 徑向速度

常規(guī)旋風(fēng)分離器的徑向速度數(shù)值很小，通常要比切向速度小一個數(shù)量級[37]。圖10(a)、圖10(b)為入口氣速6.8 m/s條件下，在0°和180°方位、H=-760 mm和H=-2 139 mm兩個截面上無量綱速度沿徑向的分布。圖10(c)、圖10(d)為入口氣速9.1 m/s條件下，在0°和180°方位、H=-760 mm和H=-2 139 mm兩個截面上無量綱速度沿徑向的分布。從圖10可以看出，無量綱徑向速度在直筒段分布的軸對稱性較差，不同入口氣速條件下的分布形態(tài)也存在差異，沿軸向向下非軸對稱性逐漸減弱。根據(jù)無量綱比值的相對大小，可以看出入口氣速6.8 m/s條件下，在180°方位的H=-760 mm截面靠近旋風(fēng)殼體處的氣流徑向速度幾乎為0，外旋流螺旋向下；而靠近顆粒床壁面處徑向速度接近或部分大于無量綱軸向速度，內(nèi)旋流氣體螺旋向內(nèi)旋入顆粒床中。而在入口氣速為9.1 m/s條件下的相同位置處，無量綱徑向速度明顯大于無量綱軸向速度，氣流整體向心運(yùn)動趨勢加?。杭磸较蛩俣入S入口氣速遞增，外旋流方向與入口氣速有關(guān)。各無量綱速度分量在錐體段H=-2 139 mm截面處數(shù)值變化幅度較小，無量綱徑向速度接近于0，可能是由于摩擦導(dǎo)致的能量損失，使得氣流到達(dá)錐體段后旋轉(zhuǎn)運(yùn)動較弱；也可能是因?yàn)榕c顆粒床直筒段約翰遜網(wǎng)的卷制方式不同，錐體段的格柵為斜向布置，這對錐體段的速度分布也會造成影響。

圖10 無量綱切向速度、軸向速度與徑向速度沿徑向的分布● ■ ● ■ ● ■

2.4 靜壓場與動壓場分布

為了進(jìn)一步分析設(shè)備內(nèi)部氣相軸向流動特點(diǎn)與能量損耗，對氣流的靜壓場與動壓場進(jìn)行綜合分析。以入口氣速6.8 m/s為例，對各截面所有點(diǎn)位的靜壓與動壓取算術(shù)平均值，截面平均靜壓與平均動壓沿軸向的分布如圖11所示。

圖11 截面平均靜壓與動壓的軸向分布■—動壓； ●—靜壓

各截面的平均靜壓沿軸向向下呈增加趨勢[38]。環(huán)形空間與直筒段內(nèi)平均靜壓增幅較大，平均動壓隨之降低，氣流速度逐漸減小，表現(xiàn)為動壓向靜壓的轉(zhuǎn)化。而在錐體段及灰斗處各截面平均靜壓增幅則較緩。

各截面的平均動壓沿軸向向下呈降低趨勢[39]。H=-260 mm所在截面位于直筒段頂端，氣流經(jīng)過環(huán)形空間后流道面積減小，截面平均動壓增大。H=-2 589 mm所在截面位于錐體段底端，此處為約翰遜網(wǎng)顆粒床連接的不銹鋼下料管，流道面積減小導(dǎo)致截面平均動壓增大。但是筒-錐連接段截面平均動壓與平均靜壓均未明顯改變，流道面積縮小但未提高氣流速度，說明這部分空間內(nèi)的氣體流量減小。根據(jù)上文筒-錐連接段軸向速度場的分布，可判斷出部分氣體旋流向上進(jìn)入顆粒床，這可能會導(dǎo)致顆粒床局部粉塵堆積，顆粒難以順暢向下流動。結(jié)合前文對速度場的分析，設(shè)備流場示意見圖12。

圖12 設(shè)備流場示意

3 結(jié) 論

基于大型冷模試驗(yàn)裝置，考察了新型旋流-顆粒床耦合分離設(shè)備速度場與壓力場的特點(diǎn)與分布，得到了以下結(jié)論：

(1)與常規(guī)旋風(fēng)分離器不同，新型旋流-顆粒床耦合分離設(shè)備內(nèi)部氣相整體為螺旋向下的旋流運(yùn)動，內(nèi)外旋流分界線不明顯。無量綱切向速度與無量綱軸向速度在不同入口氣速條件下的分布基本類似。

(2)切向速度分布軸對稱性較好，沿軸向略有衰減，在錐體段沿徑向的分布較為平緩。環(huán)形空間0°～180°方位區(qū)間內(nèi)切向速度增大，180°～360°方位區(qū)間內(nèi)切向速度減小。

(3)軸向速度在錐體段下端及灰斗處軸對稱性較好，但在筒-錐連接段270°方位出現(xiàn)負(fù)值。結(jié)合平均靜壓場與平均動壓場沿軸向分布的趨勢，判斷出此區(qū)域有部分旋轉(zhuǎn)向上的氣流。不僅可能會有較大的能量損失，還可能會對此處顆粒床內(nèi)部顆粒流動產(chǎn)生影響，在實(shí)際操作過程中導(dǎo)致粉塵堆積。

(4)徑向速度分布的規(guī)律不明顯，但在直筒段的數(shù)值與軸向速度為同一數(shù)量級，對氣流方向有重要作用，在錐體段數(shù)值較小且較為穩(wěn)定。排氣管入口截面處外旋流方向與入口氣速密切相關(guān)。

(5)內(nèi)置顆粒床對氣相流場有較大影響，使得帶有蝸殼式入口的PV型旋風(fēng)分離器內(nèi)部速度場分布對稱性較好，旋流中心與幾何中心重合度較高。排氣管口處短路流、頂灰環(huán)與返混現(xiàn)象消失。