蝸殼式旋風分離器氣固兩相流數值研究

梁容真,田 偉,閻富生

(東北大學冶金學院,遼寧 沈陽110819)

輕燒鎂用途十分廣泛,作為提煉金屬鎂的基礎原料,主要用作耐火材料、化工原料和建材原料等[1]。過去反射窯、豎窯、回轉窯以及懸浮窯等爐窯是煅燒菱鎂礦制取輕燒鎂的主要設備[2]。然而,在低碳、低能耗、綠色環保的理念下以及對產品質量要求的不斷提高,傳統爐窯均存在煅燒溫度不均勻、煅燒溫度與時間不易控制和能耗高等問題,不能滿足現階段輕燒鎂行業的高標準、高要求。旋流動態煅燒系統成為目前國內外比較先進的煅燒工藝,尤其是制取高活性、高純度的輕燒鎂粉[3]。但是,在實際生產過程中,旋流動態煅燒工藝存在動力消耗太大、產品回收率不穩定等問題。因此,為了保證整個輕燒鎂旋流動態煅燒系統產品活性更高、系統更節能以及減少產品資源浪費,降低該系統的動力消耗,對該工藝重要組成部分—旋風分離器進行研究,降低其壓力損失以及提高其分離效率成為該工藝的重中之重[4-5]。

蝸殼式旋風分離器內部是非常復雜的三維非對稱強烈旋轉湍流流動,采取實驗的方法較難測量。雖然現在可以采用激光多普勒測速儀和PIV粒子成像測速儀等先進測量儀器來測定旋風分離器內部復雜的氣流旋轉流動特性,但是由于儀器本身的性能缺陷和較高成本的限制,實驗測量仍然不是最理想的手段。同時蝸殼式旋風分離器內部是十分復雜的兩相流運動,具體體現為固體顆粒在旋轉氣流中的分離過程,而固體顆粒的運動主要依賴于氣相的流動。因此研究旋風分離器內氣固的運動規律對于提高分離器性能、優化分離器的結構具有指導意義。

基于Fluent軟件建立蝸殼式旋風分離器物理模型,采用數值模擬的方法對蝸殼式旋風分離器內部流場進行研究,分別研究其入口速度、入口顆粒粒徑和入口顆粒濃度對分離器內分離效率和壓力損失的影響,從而為蝸殼式旋風分離器內氣固兩相研究提供理論支撐。

1 建立模型

1.1 分離器結構和網格示意圖

選用THCX長錐體旋風分離器,其結構尺寸如圖1所示,其中具體尺寸參數如下:a=353 mm、b=94 mm、c=339 mm、d=250 mm、D=500 mm、e=200 mm、g=150 mm、h=359 mm、H=1759 mm 和r=47 mm。根據蝸殼式旋風分離器結構,將其分為(180°蝸殼)入口段、圓柱段、錐體段、排料口和排氣管五個部分。采用Icem軟件對蝸殼式旋風分離器進行六面體網格劃分,生成三維計算域網格如圖2所示。經過網格獨立性檢驗,最終確定網格數為23萬。

圖1 蝸殼式旋風分離器結構圖

圖2 三維計算域網格

1.2 數學模型

蝸殼式旋風分離器氣相模型包含質量、動量守恒方程,控制方程為三維雷諾時均Navier-Stokes方程。

關于湍流模型的選擇,與各種k-ε模型相比,RSM模型完全拋棄了基于各向同性渦粘性的Boussinesq假設,更加嚴格地考慮了流線型彎曲、旋渦、旋轉和張力快速變化,對于復雜流動有更高的精度預測的潛力,尤其是對于旋風分離器內流場真實情況的預測。因此,采用RSM模型[6]。

1.3 邊界和初始條件

研究蝸殼式旋風分離器內氣固兩相流場。排氣管出口邊界設置為自由出流,流量權重為1;排料口邊界設置為自由出流,流量權重為0;壁面邊界條件:無滑移壁面邊界條件,壁面粗糙高度、壁面粗糙度分別設置為0和0.5,并且采用標準壁面函數法來處理邊界湍流。離散方程組采用求解壓力—速度耦合方程的半隱方法—SIMPLE求解,擴散項離散采用中心差分,逐行迭代[7]。為提高求解精度,各控制方程中對流項的離散采用三階精度的QUICK格式。

2 模擬結果與討論

2.1 入口速度的影響

入口速度是操作參數中非常重要的一項,它對旋風分離器的分離性能有著很大影響。為了研究入口速度對蝸殼式旋風分離器性能的影響,通過數值計算的方法,分別計算了入口速度為10 m/s、14 m/s、18 m/s、22 m/s、26 m/s的壓降和不同顆粒粒徑的分離效率。

2.1.1 入口速度對壓降的影響

目前,壓降的理論推導還沒有非常精確的方法,一般都根據實驗數據來總結經驗公式,其通用的經驗公式可表示為:

式中:Vi為入口速度,m/s;ρg為氣體密度,kg/m3;ζi阻力系數。

旋風分離器中的氣流是三維強旋轉湍流,雷諾數很高,因此,旋風分離器的阻力系數與操作參數無關,只與結構參數相關。一般可以表示為:

式中:X,Z為旋風分離器結構參數的函數;A0為旋風分離器進口截面積,m2;Dx為旋風分離器的排氣管直徑,mm。

關于旋風分離器壓降的經驗公式,其中被普遍認可的主要有Coker公式,Cacal&Martinez-Benet公式,Shepherd&Lapple公式以及Dirgo公式[8]。這些公式都是由試驗等方法歸納的旋風分離器壓降的計算模型,它們往往都是些關于旋風分離器結構參數以及旋風分離器內氣固兩相流動的數值計算總結的經驗、半經驗公式[9]。其中,這些相關公式可以表示為:

Shepherd&Lapple公式:

式(1)-式(6)中:a,b分別為旋風分離器進口截面的高度和寬度,mm;Dx為排氣管直徑,mm;S為排氣管插入深度,mm;H為旋風分離器總高度,mm;h為分離器圓柱段高度,mm;D為分離器筒體外徑,mm;Dd為排料口直徑,mm。

當顆粒濃度為30 g/m3時,通過改變邊界條件下的速度邊界條件,進行數值模擬,計算出不同入口速度下蝸殼式旋風分離器的壓降值和阻力系數,如表1所示。為了便于分析研究,將表中模擬計算數據與經驗公式理論計算數據繪制成曲線圖,如圖3所示。

表1 不同入口速度下的壓降數值表Table 1 Statistics of pressure loss at different inlet speeds

圖3 入口速度和壓降的關系Fig.3 Relationship between inlet speed and pressure loss

由圖3可以看出,蝸殼式旋風分離器的壓降隨著入口速度的增大而增大,基本上呈線性變化。與經驗公式計算結果相比,總體變化趨勢基本一致,只是壓降增加的幅度略有差別,這是因為旋風分離器結構不同導致的。其中,Dirgo公式的計算結果與本文的模擬結果最為接近。從能量變化來看,能量的損失會因分離器入口速度的增大而增大,這是由于旋風分離器的磨損與氣體流速的四次方成正比[10],所以入口速度太大會增加旋風分離器的壓力損失。因此,在旋風分離器的分離效率和動力損耗之間要有一個衡量指標,在保證所需分離效率的基礎上最大化的降低入口速度,降低能耗。

2.1.2 入口速度對分離效率的影響

當顆粒濃度為10 g/m3,通過改變邊界條件下的速度邊界條件,進行數值模擬來計算不同入口速度下的分離效率,將其數值計算結果繪成表2。

由表2所示,總體來看,旋風分離器的分離效率隨著入口速度的增大而增大,并且可以發現,入口速度的變化對分離效率的影響比較大。究其原因,切向速度決定著離心力的大小,從而對分離效率的影響起著決定性的作用。然而,當顆粒粒徑為1μm時,分離效率隨著入口風速先增大再減小,入口風速為26 m/s時的分離效率要略小于速度為22 m/s時的分離效率。這是因為,小顆粒受湍流以及顆粒碰撞反射等因素影響,很容易使已經密集在內壁上的顆粒重新卷吸起來;并且,分離器內的向心徑向速度和上行軸向速度會隨著入口氣速的增大而增大,這使得小顆粒很容易被帶出排氣管而逃逸,使得分離效率大大降低;另外,還有許多二次渦流的因素也會降低小顆粒的分離效率。

表2 不同入口速度下的分離效率值Table 2 Separation efficiency at different inlet speeds

2.2 入口顆粒粒徑的影響

通常所說的分離效率是指旋風分離器的總效率。然而,對于不同物性的顆粒,不同粒徑的顆粒,以及不同生產用途下分離器的總效率不能充分地反映分離器的分離性能。因此,分級分離效率,簡稱分級效率,即分離器對于不同顆粒粒徑的分離能力,它表示的是旋風分離器對于特定粒徑顆粒的分離效率,與總效率相比更能充分地反映旋風分離器的分離性能[9]。下面,主要研究不同顆粒粒徑下的分離效率變化。

2.2.1 入口顆粒粒徑對分離效率的影響

當顆粒濃度為30 g/m3時,以顆粒粒徑為變量,進行數值模擬,計算出入口速度分別為18 m/s和22 m/s下蝸殼式旋風分離器的分離效率與顆粒粒徑的關系,如表3所示。

表3 不同顆粒粒徑下的分離效率值Table 3 Separation efficiency under different size of particle

由表3可以看出,相同入口速度下,分離效率隨著顆粒粒徑的增大而增大,但增加的幅度有所降低,最終逐漸趨向穩定,并且當顆粒粒徑大于或等于11μm時,分離器的分離效率均能達到100%。主要原因是粒徑較大的顆粒進入分離器后受到的離心力較大,相比于小顆粒而言大顆粒在分離器內隨氣流轉動的圈數要少,所以能使大顆粒較早地碰到分離器器壁,從而較快地進入排料口被捕集。小顆粒的分離效率低的主要原因是小顆粒所受的離心力小,其次小顆粒很容易受到徑向速度較大而引起的短路流的影響,直接被氣流帶出排氣管而逃逸;并且由于小顆粒對氣流有很大的跟隨性,較大一部分顆粒會跟隨旋轉氣流一直做旋轉運動,最終被捕集,也會有另一小部分顆粒會在旋風分離器內做無限循環運動,“上灰環”現象就是這種情況,這種情況被認為是旋風分離器無法分離該顆粒。

理論上每種旋風分離器都有一個確定的臨界粒徑,大于臨界粒徑的顆粒會被捕集,而小于臨界粒徑的顆粒不會被捕集。但實際上,顆粒在分離器內會受到許多不確定性因素的影響,比如顆粒間的碰撞、團聚、破碎以及靜電和粒子吸引等因素,這使得顆粒在分離器內的運動有很大的不確定性,因此,一些小于臨界粒徑的顆粒也會被捕集,而一些大于臨界粒徑的顆粒也會逃逸。

2.3 入口顆粒濃度的影響

入口顆粒濃度是工業生產過程中非常重要的操作參數,它決定著生產產量的大小。為了研究入口速度對蝸殼式旋風分離器性能的影響,通過數值計算的方法,分別計算了入口顆粒濃度為1 g/m3、10 g/m3、20 g/m3、30 g/m3、40 g/m3的壓 降 和 分 離效率。

2.3.1 入口顆粒濃度對壓降的影響

當入口速度為18 m/s時,變化入口顆粒濃度分別為通過改變離散相下射流的入口顆粒濃度,進行數值模擬,計算出不同入口顆粒濃度下蝸殼式旋風分離器的壓降。如表4所示。

表4 不同入口顆粒濃度下的壓降數值表Table 4 Statistics of pressure loss at differentinlet particle concentration

在本文研究的低濃度入口下,蝸殼式旋風分離器的壓降隨入口顆粒濃度的增大而減小,但是總壓降的數值減小的幅度逐漸變緩,這是因為在分離器排氣管出口位置沒有安裝穩流裝置或者回復裝置,導致該位置旋轉氣流的動壓較大,使得總壓較大,因此總壓降就較小。

2.3.2 入口顆粒濃度對分離效率的影響

除了入口速度之外,入口氣流顆粒濃度對分離器分離效率也有較大影響。下面探索不同顆粒濃度與分離效率的關系,確定入口速度為18 m/s,變化入口顆粒濃度分別為1 g/m3、10 g/m3、20 g/m3、30 g/m3、40 g/m3,通過改變離散相下射流的入口顆粒濃度,進行數值模擬,計算出不同入口顆粒濃度下蝸殼式旋風分離器的分離效率。如表5所示。

表5 不同入口顆粒濃度下的分離效率值Table 5 Separation efficiency under different inlet particle concentration

如表5入口氣流顆粒濃度與分離效率的關系所示,旋風分離器的總分離效率和粒級分離效率隨著氣流顆粒濃度的增大而增大;大顆粒增加的幅度較小,而小顆粒增加的幅度較大。而且,入口氣流濃度越大,小顆粒分離效率增加的越多,主要是濃度較高的氣流對小顆粒有著更加明顯的攜帶作用,所以更多的小顆粒得到捕集。然而,當濃度增加到一定值時,如表5所示,9μm的分離效率在濃度大于20 g/m3時和5μm的分離效率在濃度大于30 g/m3時,它們各自的分離效率逐漸趨于穩定;大顆粒趨于穩定的濃度較于小顆粒而言要低,這是因為氣流對大顆粒的攜帶作用沒有對小顆粒的攜帶作用大。

雖然入口氣流顆粒濃度的增加會提高分離效率,但是,在旋風分離器的實際工業應用中,顆粒對分離器壁面的磨損也會隨著顆粒濃度的增加而加劇,使得旋風分離器的維修周期和使用壽命變短,而顆粒也會因碰撞而粉碎變細,更加不利于分離。因此,在大多數情況下,人們不會指望只經過一個分離器的分離而達到分離目的,而是經過幾次分離,逐漸降低小顆粒群的濃度和粒度,最終達到分離效率指標;同樣,在輕燒鎂旋流動態煅燒系統中的回收系統和冷卻系統都是兩級回收,目的是為了達到更高的分離效率。

3 結語

通過相間耦合的隨機軌道模型在拉格朗日坐標下模擬蝸殼式旋風分離器內的兩相流運動?？疾炝朔蛛x器入口操作參數對分離性能的影響。主要模擬計算結果可以總結出以下結論:

(1)蝸殼式旋風分離器的壓降隨入口風速的增大而增大,兩者基本上呈指數變化關系。增加蝸殼式旋風分離器的入口風速能夠提高分離效率,但是壓力損失也逐漸增大。

(2)相同入口速度下,分離效率隨著顆粒粒徑的增大而增大,但增加的幅度有所降低,最終逐漸趨向穩定,并且當顆粒粒徑大于或等于11μm時,分離器的分離效率均能達到100%。

(3)在一定范圍內,適當地增加入口顆粒濃度既能降低壓力損失又能提高分離效率。