兩種不同入口形式的旋風分離器分離性能的對比研究

周發戚， 孫國剛， 韓曉鵬， 婁志華， 魏 慶

(1.中國石油大學 化學工程學院 過程流體過濾與分離技術北京市重點實驗室， 北京 102249； 2.邯鄲市邯鋼附屬企業公司， 河北 邯鄲 056000)

旋風分離器作為常見的氣-固分離設備，因其結構簡單、分離效率高、壓降適中和造價低等優點，廣泛應用于石油、化工、冶金和電廠等諸多領域[1]。入口進氣形式直接決定著分離器內的初始旋流場，是影響分離器壓降和分離效率的重要因素。

旋風分離器常見的入口進氣形式主要有軸向進氣和切向進氣2種，切向進氣是指氣流由切向入口進入分離器后進行旋轉運動；軸向進氣則指氣流沿軸向進入分離器，并通過葉片的作用將氣流的軸向運動轉變為切向旋轉運動。2種分離器都是利用含塵氣流旋轉時產生的離心力對顆粒進行分離。目前，對于切向進氣旋風分離器的研究較多[2-6]，且應用相對成熟，對軸向進氣旋風分離器的研究較少，主要集中在葉片結構的優化設計[7-10]、分離性能[11-14]以及流場分布等[15-16]。研究者[7-17]基本認為，相比較于切向進氣分離器而言，軸流導葉式分離器具有壓力損失小、分離效率低的特點。但是，一方面，現有的研究大多是針對切向進氣和軸向進氣分離器結構的單獨研究，較少關注相同結構參數下，2種分離器的分離性能和流場的量化比較；另一方面，目前對于2種分離器，尤其是軸向進氣分離器的研究，入口氣速范圍較窄(且最高入口氣速不超過27 m/s)，故對于更寬范圍入口氣速，2種分離器的分離性能和流場變化尚未可知。

為此，筆者采用數值模擬和實驗相結合的方法，以相同結構參數(尤其是相同入口面積)的切向進氣分離器和軸向進氣旋風分離器為研究對象，在較寬入口氣速下(10.8～42.5 m/s)，對2種分離器的壓降、分離效率和內部流場進行對比研究，以期深化對2種分離器氣-固分離過程的認識。

1 實驗裝置

圖1為實驗裝置示意圖。系統采用常溫負壓操作，切向進氣分離器模型為筒徑300 mm的Stairmand分離器，軸向進氣分離器為軸流導葉式分離器，結構和尺寸如圖2所示。其中，導流葉片為8片，葉片水平傾角為23.5°，入射面積與Stairmand型分離器矩形入口面積相等(面積S為150 mm×60 mm)，2種分離器其他尺寸均相同。

實驗粉料為325目硅微粉，密度2650 kg/m3。實驗過程中，出口氣速用畢托管測量，流量通過出口閘閥控制調節，總氣量范圍為352.5～1377 m3/h(對應入口氣速為10.8～42.5 m/s)，入口顆粒濃度為30 g/m3。

利用稱重法計算旋風分離器的分離效率(η)，η可表示為

(1)

式中M為實驗中加入旋風分離器的顆粒質量，kg；m為實驗結束，灰斗收集的顆粒質量，kg。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic drawing of experimental setup

圖2 旋風分離器結構和尺寸示意圖Fig.2 Sketches of structure and dimension of cyclone separators(a) Stairmand type cyclone separator with tangential inlet； (b) Guide vane cyclone separator with axial inlet

2 數值模擬

2.1 網格劃分

2種旋風分離器網格劃分均為全局六面體結構化網格，其中Stairmand型分離器頂蓋和軸流導葉式分離器葉片末端坐標一致，且中心處為z=0 mm，沿升氣管軸向向下為負。2種分離器單個網格尺寸相同，Stairmand型分離器網格數為33萬左右，軸流導葉式分離器為40萬左右。

2.2 數值模擬

旋風分離器內流場為強旋流流場，從經濟性和準確性考慮，目前RSM模型被認為最適合用于旋風分離器的模擬[18-20]。在本研究中，入口邊界條件設為速度入口，介質為常溫常壓空氣，密度為1.225 kg/m3，黏度為1.789×10-5Pa·s；出口邊界條件為自由出流，壁面無滑移，對近壁網格采用標準壁面函數近似處理。氣相流場選用QUICK差分格式和SIMPLEC算法求解。

3 結果分析與討論

3.1 壓降和分離效率

圖3為2種分離器壓降隨進氣量的變化曲線。由圖3可見，2種旋風分離器的壓降均隨著進氣量的增加呈現非線性增長趨勢，且進氣量小于650 m3/h時，2種分離器壓降大小相當，進氣量大于650 m3/h時，軸流導葉式分離器壓降小于Stairmand型分離器，說明耗能較少。

圖3 旋風分離器壓降隨氣量的變化Fig.3 Pressure drops of two cyclones

圖4為2種分離器分離效率隨進氣量的變化曲線。由圖4可知，2種旋風分離器分離效率曲線隨進氣量的增加差異較大。隨著進氣量的增加，Stairmand型分離器分離效率呈現先增加后降低的趨勢，存在一最大效率入口氣速(約為22 m/s)，這與Yang等[21]的研究結果相似。而在本實驗條件下，軸流導葉式分離器分離效率隨著進氣量的增加始終增大，并未出現最大效率氣速點。同時，比較2種分離器分離效率可以發現，進氣量存在一臨界點，約900 m3/h左右，即在較小進氣量范圍內(<900 m3/h)，Stairmand型分離器分離效率高于軸流導葉式分離器，當進氣量較大時(>900 m3/h)，軸流導葉式分離器分離效率大于Stairmand型分離器。

圖4 旋風分離器分離效率隨氣量的變化Fig.4 Collection efficiencies of two cyclones

圖5為2種旋風分離器分離效率隨壓降的變化曲線。由圖5可知，綜合考慮能耗和分離效率，在較高進氣量下(>1720 m3/h)，軸流導葉式分離器具有明顯的分離高效性和能耗經濟性，反之，較低進氣量下(<1720 m3/h)，Stairmand型分離器具有明顯的優勢。

圖5 旋風分離器分離效率隨壓降的變化Fig.5 Collection efficiencies of two cyclones

3.2 切向速度

分別選取進氣量648 m3/h和1080 m3/h(入口平均氣速分別為20 m/s和33.3 m/s)，利用數值模擬的方法考察2種分離器內部流場的變化。表1為2種旋風分離器壓降的實驗值與模擬值。由表1可知，隨著進氣量的增加，2種旋風分離器壓降的實驗值和模擬值均增大，且同一旋風分離器在相同進氣量下，壓降的實驗值和模擬值較為接近，相對誤差最大不超過6.5%，表明所采用的計算模型正確，可以用于旋風分離器內部流場的分析。

表1 實驗與模擬壓降對比Table 1 Comparison of pressure drop between experiments and simulations

圖6為不同進氣量下，2種旋風分離器筒體(z=-400 mm)和錐體處(z=-800 mm)氣流切向速度沿徑向位置的變化曲線。由圖6可知，2種分離器筒體和錐體內切向速度分布形式一致，呈典型的蘭金渦分布。較小進氣量下(Q=648 m3/h)，軸流導葉式分離器筒體和錐體處的切向速度明顯小于Stairmand型分離器，筒體和錐體處最大切向速度分別比Stairmand型分離器低4.5 m/s和3 m/s，切向速度越大，顆粒所受的離心力越大，易甩向壁面被捕集下來，因此Stairmand型分離器分離效率高于軸流導葉式分離器。同時，較大進氣量下(Q=1080 m3/h)，軸流導葉式分離器筒體和錐體處的切向速度均大于Stairmand型分離器，筒體和錐體處最大切向速度分別比Stairmand型分離器高2 m/s和3 m/s。此時，一方面，軸流導葉式分離器內顆粒所受離心力較大，顆粒容易到達壁面被捕集，有利于提高分離效率；另一方面，相對于Stairmand型單入口分離器而言，軸流導葉式分離器為多通道進氣結構，增加了流場的穩定性和對稱性，顆粒與壁面碰撞反彈后不容易進入內旋流被帶出分離器，造成分離效率降低的情況。因此較大進氣量下，軸流導葉式分離器分離效率優于Stairmand型分離器。

圖6 旋風分離器不同軸向位置切向速度分布Fig.6 Distribution of tangential velocities at different axial positions in two cyclones Stairmand type cyclone: , ; Axial guide vane cyclone: , (a)Q=648 m3/h; (b)Q=1080 m3/h

3.3 軸向速度

圖7為不同進氣量下，2種旋風分離器筒體(z=-400 mm)和錐體處(z=-800 mm)氣流軸向速度沿徑向位置的變化曲線。由圖7可知，較小進氣量下(Q=648 m3/h)，2種分離器筒體和錐體處的軸向速度大小相當；較大進氣量(Q=1080 m3/h)，軸流導葉式分離器筒體和錐體處的上行軸向速度明顯小于Stairmand型分離器，這有利于提高顆粒停留時間，對顆粒的捕集起到積極作用。同時還可以發現，較大進氣量下(Q=1080 m3/h)，相比較于Stairmand型分離器，軸流導葉式分離器軸向速度有更好的對稱性。

圖7 旋風分離器不同軸向位置軸向速度分布Fig.7 Distribution of axial velocities at different axial positions in two cyclones Stairmand type cyclone: , ; Axial guide vane cyclone: , (a) Q=648 m3/h; (b) Q=1080 m3/h

3.4 旋轉中心不穩定性分析

圖8為2種分離器在進氣量為648 m3/h條件下x=0截面的靜壓云圖。由圖8可知，2種分離器壓力場分布形式基本一致，外旋流區域為正壓區，靜壓為正，內旋流區域為負壓區，靜壓為負。同時還可知，Stairmand型分離器內低壓區旋轉中心呈現出擺動狀態，并且沿軸線發生扭曲；而軸流導葉式分離器內基本實現了對稱流場，消除了渦核區的擺動和扭曲現象，旋轉軸線與分離器幾何中心幾乎重合，有助于保證中心旋流穩定，提高分離效率。

圖8 旋風分離器x=0截面的壓力分布Fig.8 Pressure distributions at x=0 section of two cyclone separators(a) Stairmand type cyclone separator with tangential inlet; (b) Guide vane cyclone separator with axial inlet

圖9為偏心距方向示意圖。以圖9所示的偏心距方向定義不同結構旋風分離器在不同軸向位置上旋轉中心偏離幾何中心的情況[22]，并將之連線得到了不同旋風分離器旋轉中心偏心距的軸向分布規律，如圖10所示。由各曲線偏離中心程度分析發現，隨著進氣量的增加，軸流導葉式分離器旋轉中心偏心距幾乎不變，Stairmand型分離器旋轉中心偏心距明顯增大。而且，相同進氣量下，軸流導葉式分離器比Stairmand型分離器的軸對稱性有很大提高。當進氣量Q=648 m3/h時，導葉式分離器偏心距為0.7～1.73 mm，Stairmand型分離器偏心距為3.27～9.75 mm，軸流導葉式分離器偏心距Δr的平均值也大為減小，相對Stairmand型減少了39.6%～79.2%；當進氣量Q=1080 m3/h時，導葉式分離器偏心距為0.075～1.73 mm，Stairmand型分離器偏心距為1.66～5.11 mm，軸流導葉式分離器相對于Stairmand型減少了62.7%～99.3%。因此Stairmand型單入口旋風分離器流場的非軸對稱性表現較軸流導葉式分離器強，說明入口的對稱性進氣結構對旋風分離器內流場的非軸對稱性影響較大。因此，通過合理地布置旋風分離器入口結構，優化進氣軸對稱性，有助于抑制旋風分離器內部的非軸對稱性強旋流動，尤其對于只能使用單入口形式旋風分離器的場合，改善進氣結構的軸對稱性是提高分離效率的有效措施之一。

3.5 二次流

圖11為不同進氣量下，2種分離器環形空間以

圖9 偏心距方向示意圖Fig. 9 Sketch of eccentricity direction

及升氣管下端附近的速度矢量圖。由圖11可知，在環形空間，軸流導葉式分離器流場較為均勻，短路流和縱向環流明顯小于相同條件下的Stairmand型分離器。短路流和縱向環流的存在，會導致環形空間中的細顆粒從升氣管逃逸，不利于分離效率的提高。

圖10 旋風分離器內旋轉中心偏心距的軸向分布Fig.10 Axial distributions of rotation eccentricities in two cyclones Stairmand type cyclone: , ; Axial guide vane cyclone: ,

同時，隨著進氣量的增加，Stairmand型分離器短路流和縱向環流效果明顯增大，而軸流導葉式分離器基本不變。

圖11 升氣管下端附近速度矢量圖Fig.11 Velocity vector near the end of the vortex finder(a) Stairmand type cyclone (Q=648 m3/h); (b) Stairmand type cyclone (Q=1080 m3/h); (c) Guide vane cyclone (Q=648 m3/h); (d) Guide vane cyclone (Q=1080 m3/h)

3.6 顆粒軌跡

圖12為粒徑1 μm和3 μm的顆粒在2種旋風分離器內的軌跡圖。由圖12可見，較小進氣量下(Q=648 m3/h)，Stairmand型旋風分離器對于粒徑為1 μm和3 μm的細顆粒比軸流導葉式分離器有更好的分離效果；而較大氣量下(Q=1080 m3/h)，軸流導葉式分離器對粒徑為1 μm和3 μm的細顆粒的分離效果優于Stairmand型分離器。

4 結 論

通過數值模擬和實驗研究的方法比較了不同進氣量下，相同結構參數(尤其是入口面積)的切向入口Stairmand型旋風分離器和軸向入口導葉式旋風分離器的壓降、分離效率和內部流場。在本文研究范圍內，得到以下結論：

(1) Stairmand型分離器分離效率隨進氣量先增大后減小，軸流導葉式分離器的效率一直增加，且進氣量小于1080 m3/h時，Stairmand型分離器分離效率較高，進氣量大于1080 m3/h時，軸流導葉式分離器分離效率較高；進氣量小于648 m3/h時，2種分離器壓降大小相當，進氣量大于648 m3/h時，軸流導葉式分離器壓降明顯小于Stairmand型分離器。軸流導葉式分離器對于工業裝置的節能降耗，以及在現有裝置基礎上大幅度提高處理能力是非常有利的。

(2)進氣量648 m3/h時，軸流導葉式分離器內切向速度小于Stairmand分離器；進氣量1080 m3/h時，軸流導葉式分離器切向速度大于Stairmand型分離器。

圖12 旋風分離器內顆粒軌跡圖Fig.12 Particle trajectories in two cyclone separators(a) 1 μm particle in Stairmand type cyclone (Q=648 m3/h); (b) 1 μm particle in guide vane cyclone (Q=648 m3/h); (c) 3 μm particle in Stairmand type cyclone (Q=648 m3/h); (d) 3 μm particle in guide vane cyclone (Q=648 m3/h); (e) 1 μm particle in Stairmand type cyclone (Q=1080 m3/h); (f) 1 μm particle in guide vane cyclone (Q=1080 m3/h); (g) 3 μm particle in Stairmand type cyclone (Q=1080 m3/h); (h) 3 μm particle in guide vane cyclone (Q=1080 m3/h)

(3)軸流導葉式分離器采用均勻進氣設計，基本消除了普通單入口切向進氣旋風分離器內旋轉中心與幾何中心不重合產生的渦核擺動現象，增強了流場的對稱性，有助于提高分離器分離效率和穩定操作。