生物質燃氣焦油的撞擊離心分離技術

蔡洪濤

武漢工程大學機電工程學院，湖北 武漢 430205

目前將生物質氣化和碳化以得到燃氣是生物質能源利用的主要途徑之一，但是燃氣中的焦油嚴重影響了燃氣的應用［1-4］，將焦油除去干凈十分必要而且迫切。根據焦油除去原理，除焦油的方法可分為物理方法和化學方法。化學方法就是使得焦油進一步分解，這種方法需要催化劑或其他熱源［5-10］，工藝較復雜，難于取得經濟上的平衡。物理方法有濕法和干法兩種。濕法就是水洗脫焦，其主要缺點是含焦油廢水處理困難；干法有旋風分離法和過濾法兩種［11-12］，利用活性炭等吸附強的材料吸收氣體中的焦油，其主要缺點是過濾芯要定期更換，過濾芯也要進行無污染處理。

離心分離是一種常見的分離方法［13-14］；而撞擊技術多用于撞擊流反應器上［15］。本文首次將二者有機結合，提出一種新型的焦油分離器結構。

1 焦油分離器的結構

焦油分離器由連接圓筒、脫焦圓筒、安裝圓筒及轉子系統等四個部分組成，其結構如圖1所示。連接圓筒2有兩個，分別連接燃氣管道的兩頭，將整個裝置串聯于燃氣管道。該圓筒兩端直徑不相等，且不同心。脫焦圓筒帶有U形膨脹節。轉子系統包括電機、轉軸及其上的一組葉輪，安裝于脫焦圓筒和安裝圓筒中，葉輪對應于U形膨脹節，轉軸與脫焦圓筒并不同軸。在連接圓筒上分別設置了冷卻水進口與出口。在連接圓筒、脫焦圓筒和安裝圓筒內部設置了一組水平封板，將所有圓筒構成的通道分為上下兩部分，下部為冷卻水通道，上部為燃氣通道。在膨脹節的凸起圓環部分設置有對稱布置的兩個集油環，集油環上有接管，將焦油排除；同時集油環起到阻攔葉輪旋轉濺起的水花的作用。

圖1 焦油分離器結構Fig.1 Structure of tar separator

該裝置的脫焦原理是：燃氣經過旋風分離器后進入本裝置時，燃氣溫度應該略大于200℃。燃氣進入水平封板上表面的燃氣通道，不斷與葉輪碰撞且被冷卻，氣體中的焦油降到200℃以下變成微小液珠并被葉輪截獲［8］，在離心力作用下甩到膨脹節凸起部分，并在重力作用下流進膨脹節中的集油槽，經接管排出脫焦筒。冷卻水與葉輪換熱升溫后進入循環水池自然冷卻。

2 數值模擬實驗

2.1 模擬假設與條件

本文并不考慮傳熱方面的問題，因此假設進入分離器的燃氣中焦油能被冷卻到凝固點以下，以微小液滴分布在燃氣中，葉輪的厚度、面積足夠小且表面光滑，其旋轉運動對燃氣的層流不產生影響。液滴僅跟隨燃氣向前流動，二者軸向速度相等，不考慮液滴垂直方向的運動。當液滴碰到葉輪的瞬間被甩離燃氣流，落到膨脹節槽里。

模擬目的是為了探討以一定速度進入分布器的燃氣中液滴被捕獲分離的效率，以及效率與葉輪個數、葉輪旋轉速度、葉輪寬度之間的關系。

2.2 模擬方法

以葉輪軸心為坐標原點建立直角坐標系，如圖2所示。用隨機數生成器生成分離器橫截面內500個點的坐標值，以表示焦油液滴的初始位置。葉輪形狀為矩形，長420 mm，寬40 mm，一級葉輪由三片組成。設葉輪角速度為ω（rad/s），時間為t（s），r為點到坐標原點的距離，則葉輪中心線方程為

葉輪邊緣直線L1和L2的方程分別為

同理，不難得到另外兩個葉輪的方程。當液滴的坐標落在葉輪矩形范圍內時，該液滴被分離，并被甩進膨脹節槽里。

圖2 葉片模型圖Fig.2 Diagram of paddle

改變葉輪葉片與X軸的夾角，得到多級葉輪邊緣直線的方程。設第一級葉輪的分布如圖2所示，后面的葉輪則相對前一級葉輪逆時針旋轉15°，一共7級。前后相鄰兩級葉輪間距為l，燃氣速度u，則燃氣截面通過葉輪的間隔時間t：

取t分別為 0、0.5 s、1.0 s、1.5 s、2.0 s、2.5 s、3.0 s，則分別代表第一級到第七級葉輪，即葉輪間距為0.5u。

2.3 模擬結果及分析

在葉片寬度為40 mm時，液滴被各級葉輪分離情況如圖3所示。可見，增加葉輪級數能有效提高分離效率（分離效率等于被分離液滴數占總液滴數500的比例）。理論上講，葉輪級數足夠多時，分離效率可以達到100%。圖4為零時刻時，7級葉輪在葉輪軸向的投影，葉輪面積（圖4中陰影部分）占燃氣通道面積比例為66%，增加葉輪級數直至該比例為100%，則理論分離效率達到100%。實際上液滴在燃氣中的分布是隨機的，則一定有液滴能僥幸通過有限級數的葉輪，分離效率達不到100%。

圖3 葉片寬度為40 mm時各級葉輪分離液滴數：（a）ω=0.5 rad/s；（b）ω=1.0 rad/s；（c）ω=2.0 rad/sFig.3 Droplets separated by paddles with a width of 40 mm at seven stages：（a）ω=0.5 rad/s；（b）ω=1.0 rad/s；（c）ω=2.0 rad/s

圖4 各級葉輪軸向投影面積與燃氣通道截面Fig.4 Axial projection area of paddles at seven stages and gas channel cross section

圖5顯示的是葉片寬度為60 mm時模擬結果。顯然，增加葉輪寬度，也能顯著提高分離效率。但是過寬的葉輪寬度會增加燃氣流動阻力，增大燃氣流過分離器的阻力，增加系統動力消耗。

圖6顯示了不同旋轉速度時的分離效率，分離效率在旋轉速度為1 rad/s，葉片寬度為60 mm時高達60%。對單截面模擬而言，提高葉輪旋轉速度不能提高分離效率。但是當燃氣連續通過分離器時，提高旋轉速度相當于增加了葉輪級數，因而也能顯著提高分離效率。

圖5 葉片寬度為60 mm時各級葉輪分離液滴數：（a）ω=0.5 rad/s；（b）ω=1.0 rad/s；（c）ω=2.0 rad/sFig.5 Droplets separated by paddles with a width of 60 mm at seven stages：（a）ω=0.5 rad/s；（b）ω=1.0 rad/s；（c）ω=2.0 rad/s

圖6 不同旋轉速度不同葉片寬度的分離效果Fig.6 Separation effects of different paddles widths at different rotational speeds

3 結 語

提出了一種新型的氣液兩相分離方法——撞擊離心分離法，并進行了初步的模擬實驗。結果表明，在本文條件下分離效率高達60%；增加葉輪寬度、葉輪級數能顯著提高分離效率，提高葉輪旋轉速度也能提高分離效率，為后續考慮焦油相變及液滴實際運行軌跡的模擬打下基礎。

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