一種內置旋流葉片的旋風分離器性能數(shù)值研究

楊昌智 劉倩 施周

摘? ?要：提出了一種新的高效旋風分離器構造，在傳統(tǒng)分離器的內外渦旋交界面上添加一組與氣流旋轉方向相同的旋流葉片，來阻擋含塵氣流中的顆粒進入內渦旋區(qū). 基于計算流體力學（CFD），采用雷諾應力模型和離散相的隨機軌道模型來計算分離器的氣固兩相流，并用試驗數(shù)據(jù)驗證了計算模型的正確性;通過數(shù)值計算分析、比較了添加旋流葉片前后的分離器性能，對旋流葉片進行了性能優(yōu)化. 結果顯示，與傳統(tǒng)分離器相比，添加旋流葉片能夠使分割粒徑減小60%～70%，有效地提高了分離效率，而壓降僅增加19.3%，且旋流葉片對于小粒徑、小密度顆粒的分離效率提升更為顯著.

關鍵詞：旋風分離器;CFD;旋流葉片;效率提升

中圖分類號：TQ 051.8? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

Abstract： This paper presented a new efficient cyclone separator， which can block the particles moving to the inner vortex. The new cyclone separator was obtained by setting a group of swirling blades with the same direction as the rotating direction of the air flow in the internal and external vortex interface of the traditional separator. The Reynolds model and discrete phase model were selected to simulate the gas-solid two-phase flow， and the discrete random walk model was used to study the turbulent dispersion of particles. The accuracy of the numerical simulation was verified by comparing with the experimental data. The performance between the traditional cyclone and new efficient cyclone was compared by numerical simulation. Moreover， the optimization of the swirling blades was performed. The results show that， compared with the traditional cyclone， adding the swirling blades effectively improves the separation efficiency， which can decrease the cut-off size by 60%～70% and increase the pressure drop by 19.3% only. Further， the effect of swirling blades on the separation efficiency of small particle size and low density particles was more significant.

Key words： cyclone separator;CFD;swirling blades;efficiency improvement

旋風分離器作為一種重要的氣固分離設備，廣泛應用于石油化工、煤炭發(fā)電和環(huán)境保護等行業(yè). 為了提高旋風分離器的性能，許多學者開展了在分離器中加入額外部件的研究工作. 如Ray等[1-2]設計了一種從旋風分離器頂部排氣管抽氣的結構，測試結果顯示，可使5 μm以下的顆粒逃逸減少35%以上. Chmielniak等[3-4]在旋風分離器內加入了動態(tài)轉子，進行了理論與試驗研究，得到對應的分離效率與壓降. Li等[5-6]提出一種設置了入口導流葉片的新的排氣管結構，能夠減小壓降，提高顆粒捕集效率. Pei等[7]在傳統(tǒng)Lapple旋風除塵器的排氣管內插入十字形葉片，使分離器壓降下降16.4%. 陳海焱[8]將旋風分離器的排氣管改為旋轉渦輪，用電機帶動渦輪，做成一種最簡單的動態(tài)旋風分離器. 潘傳九等[9]在旋風分離器內加設螺旋導流裝置，使得1～5 μm顆粒的捕集效率>25%. 由于顆粒最終都是從排氣管逃逸，降低排氣管逃逸的顆粒數(shù)目是提高旋風分離器效率最有效的措施，因此本文提出在旋風分離器的排氣管下方、內外渦旋交界面處沿氣體旋轉的方向設置一組旋流葉片，阻擋顆粒進入內渦旋區(qū)，從而提高旋風分離器的效率.

1? ?旋流葉片的設置

在旋風分離器的氣流運動中，由于內外渦旋區(qū)存在壓力差，外旋氣流在旋轉過程中會不斷進入內渦旋區(qū)，外旋氣流中的顆粒會直接被卷入內渦旋. 而在內渦旋區(qū)，切向速度隨筒體半徑的減小而減小，顆粒所受離心力也越來越小，因此顆粒一旦被卷入內渦旋，被分離出來的可能性就微乎其微了.

因此在內外渦旋分界面處（0.55De ～0.65De）[10]，設置一組與氣流旋轉方向相同的旋流葉片，如圖1所示. 圖中β為葉片螺旋角，ho為葉片高度. 在含塵氣流從外渦旋區(qū)不斷向內作螺旋運動的過程中，氣體可繞流通過旋流葉片進入內渦旋區(qū)，含塵氣體中的顆粒將會與旋流葉片發(fā)生碰撞，損失動量而從氣流中分離，或者發(fā)生碰撞后粒子的速度大小和方向發(fā)生變化再度進入外渦旋，由此增加了粒子向心運動的難度，可有效阻擋粒子進入內渦旋，從而提高旋風分離器的效率;且內外渦旋交界面上，粒子所受離心力最大，損失部分動量的粒子更易被甩向器壁滑落至排灰口.

2? ?旋風分離器性能的數(shù)值模擬

2.1? ?物理模型與網(wǎng)格劃分

為了檢驗數(shù)值模擬方法的正確性，先對一基礎分離器進行模擬，選用一傳統(tǒng)的未設置旋流葉片的典型Stairmand旋風分離器[11]作為該基礎分離器，如圖2所示，分離器尺寸見表1. 網(wǎng)格劃分采用ICEM CFD16.0軟件，采用結構網(wǎng)格與非結構網(wǎng)格耦合來提高計算精度，網(wǎng)格數(shù)目約為180萬.

2.2? ?數(shù)值計算模型

2.2.1? ?氣相場

2.2.1.1? ?連續(xù)相計算模型

旋風分離器的內部流場相當復雜，對于旋風分離器的CFD模擬計算，常用的有3種湍流模型：標準k-ε模型、RNG k-ε模型、雷諾應力模型（RSM），與其他兩種計算模型相比，RSM模型拋棄了渦黏性假設[12-14]，完全求解雷諾應力的微分輸運方程，并考慮了壁面對雷諾應力分布的影響，對于復雜流動有更準確的預測，因此本文選用RSM模型. 考慮到旋風分離器內的強旋轉流，流場控制方程的離散格式采用QUICK格式，并采用PRESTO！格式的壓力差補格式，壓力與速度的耦合采用SIMPLEC[15]算法.

2.2.1.2? ?邊界條件

旋風分離器的入口設置為速度入口（velocity-inlet），氣體密度ρ=1.225 kg/m3，動力黏度μ=1.789 4 ×10-5 Pa·s，入口風速為15 m/s，湍流強度為4%，水力半徑為0.058 57 m;排氣管出口設置為outflow，排灰口、固體壁面設置為wall，壁面采用無滑移邊界條件.

2.2.2? ?顆粒相

2.2.2.1? 顆粒的計算模型

本文中顆粒的體積分數(shù)小于10%，采用拉格朗日離散相模型（DPM）[16]，遵循歐拉-拉格朗日方法. 顆粒的作用力平衡方程如式（1）～（3）所示，其中FD（u-up）、FG、FX分別為曳力、重力和附加質量力.

式中：u為流體相速度;up為顆粒速度;μ為流體動力黏度;ρ為流體密度;ρp為顆粒密度;dp為顆粒直徑;Re為相對雷諾數(shù);曳力系數(shù)CD可采用如下表達式：

對于球形顆粒，在一定的雷諾數(shù)范圍內，式中的a1、a2、a3為常數(shù)[17].

2.2.2.2? ?顆粒的軌道模型

旋風分離器內的氣固兩相流動非常復雜，因此在對旋風分離器的分離效率進行數(shù)值計算時，采用考慮湍流脈動的隨機軌道模型[18]. 由于當顆粒粒徑較小、濃度很小時，顆粒相的運動對氣相場產(chǎn)生的影響十分微弱[19-20]，因此本文采用非相間耦合的隨機軌道模型，通過對顆粒的軌跡追蹤來計算旋風分離器的分離效率.

2.2.2.3? ?顆粒釋放方式

顆粒釋放方式采用面射流源，面射流源設置在入口，并在入口平面上按面積均勻分布. 顆粒的初始速度與氣體入口速度相同，并假定顆粒運動過程中無旋轉，無相互碰撞.

2.2.2.4? ?邊界條件設置旋風分離器的底部排灰口設為trap，出口面設為escape，其他壁面均為reflect.

2.3? ?數(shù)值計算的驗證

為了保證數(shù)值模擬的正確性，將基礎分離器的數(shù)值計算結果和已有的試驗數(shù)據(jù)[21]進行比較. 通過CFD計算得到不同入口風速下對應的基礎分離器的壓降，與試驗數(shù)據(jù)進行對比，如圖3所示，數(shù)值計算與試驗數(shù)據(jù)較為吻合，平均相對偏差為7%，說明本文采用的RSM模型能夠較好地模擬旋風分離器內的流場.

在入口風速為15 m/s時，向基礎分離器注入密度為2 000 kg/m3的顆粒，通過離散相的隨機軌道模型進行粒子追蹤，將得到的分級效率與試驗[21]進行對比，如圖4所示.

在上述工況下，試驗和數(shù)值計算得到的分割粒徑分別為2.5 μm和2.2 μm;在小于2.5 μm的粒徑范圍內，數(shù)值計算與試驗數(shù)據(jù)非常貼合，當粒徑大于3 μm時，數(shù)值計算得到的分級效率整體高于試驗數(shù)據(jù)，這一偏差可能是由于在數(shù)值計算中假設壁面水力光滑，且沒有考慮顆粒之間的碰撞. 總體來講，通過離散相的隨機軌道模型計算得到的分離效率較為可信，尤其是對粒徑小于2.5 μm的顆粒的分離效率預測非常準確. 通過以上與既有試驗結果的對比，說明本文所采用的數(shù)值模擬方法是正確可行的.

3? ?新型旋風分離器性能數(shù)值模擬結果

為了比較添加旋流葉片前后的分離器性能，對添加旋流葉片的新型旋風分離器進行數(shù)值計算. 但旋流葉片的螺旋角β和高度系數(shù)γ的取值有很多種組合，為了驗證添加旋流葉片對分離器性能的提升作用，隨機選擇螺旋角β = 45°，高度系數(shù)γ = 0.28的取值組合;按照本文第一節(jié)的方法，在上述基礎分離器的內外渦旋區(qū)分界面處增設一組螺旋角β = 45°，高度系數(shù)γ = 0.28的旋流葉片，構造新型的旋流葉片分離器，其中γ為葉片高度ho與排氣管距錐體底部高度Ho的比值. 將旋流葉片當作壁面處理，采用與上述相同的數(shù)值模擬方法對旋流葉片分離器的性能進行模擬研究，模擬結果如下所述.

3.1? ?氣相場旋風分離器的分離效率和壓降是最重要的兩個性能指標，而切向速度是決定氣流速度大小的最重要速度分量，也是決定氣流中顆粒離心力大小的主要因素，因此本文通過分析基礎分離器和旋流葉片分離器的切向速度和靜壓分布變化來說明旋流葉片對分離器氣相場的影響.?以排灰口底面中心為坐標原點（如圖2所示），分別在基礎分離器和旋流葉片分離器上截取y=0平面，并在y=0的面上截取z=500 mm，z=600 mm. 圖5所示為y=0截面的切向速度云圖對比，二者的切向速度分布都呈現(xiàn)了良好的對稱性，旋流葉片分離器的外渦旋區(qū)的切向速度整體高于基礎分離器，且在旋流葉片附近，切向速度的增幅最大. 圖6所示為旋流葉片分離器在z=600 mm平面上的速度矢量圖，由于葉片的阻擋作用，氣流繞流進入內渦旋區(qū)，而后在內渦旋區(qū)繼續(xù)做旋流運動，旋轉方向與外渦旋方向相同;如圖7所示，氣體發(fā)生繞流時，在葉片處切向速度為0，開始做旋流運動后，切向速度先隨半徑的減小而增大，而后隨半徑的減小而減小，可以認為在優(yōu)化模型的內渦旋區(qū)，也存在一個類似的“內外渦旋交界面”.

圖8所示為基礎分離器和旋流葉片分離器在y=0截面的靜壓云圖對比，旋風分離器中的強旋流運動使得靜壓隨半徑的減小而急劇降低，中心位置存在真空區(qū). 旋流葉片分離器中心位置形成的真空區(qū)域較大，這主要是因為在內渦旋區(qū)，旋流葉片分離器的切向速度低于基礎分離器;且添加旋流葉片后，分離器內渦旋區(qū)的氣相旋流強度較小，切向速度變化小，靜壓變化非常平緩，如圖9所示.

3.2 顆粒相

在氣相場中加入顆粒相，顆粒入口速度與氣流入口速度相同，為15 m/s，在基礎分離器和旋流葉片分離器中分別注入密度2 000 kg/m3的顆粒，通過隨機軌道模型進行追蹤，得到添加旋流葉片前后，單個粒子的運動軌跡，如圖10所示（圖中跡線的顏色表示粒子在分離器中停留的時間）. 未添加旋流葉片時，粒子進入分離器后，先外旋向下，而后向上旋轉進入內渦旋從排氣管逃逸;添加旋流葉片后，在粒子朝著排氣管的方向上旋時，旋流葉片阻止了其進入內渦旋，使粒子再度進入外渦旋，繼續(xù)向下旋轉，直至到達排塵口被捕集.通過離散相的隨機軌道計算得到不同密度、不同粒徑對應的分級效率，如圖11所示. 旋流葉片對粒徑在3 μm以下的顆粒的分級效率有顯著的提升，其性能變化見表2. 添加旋流葉片后，使分割粒徑減小了45%，有效提升了分離效率，而旋風分離器的壓降只增大了10%.

4? ?旋流葉片的優(yōu)化

模擬計算葉片螺旋角β和高度系數(shù)γ的變化對旋風分離器性能的影響，對旋流葉片的尺寸進行優(yōu)化，β分別取30°和45°時改變γ的取值，見表3.

在入口速度為15 m/s，追蹤顆粒密度為2 000 kg/m3的工況下，使高度系數(shù)γ不變，改變旋流葉片的螺旋角，發(fā)現(xiàn)分離器壓降變化非常小，如圖12所示. 在螺旋角分別為45°和30°時，得到分離器壓降的最大差異僅為2%. 圖13所示為高度系數(shù)γ在不同取值下，螺旋角分別為45°和30°時的分級效率，由圖可知，β=45°時的分級效率整體較高，與β=30°時的分級效率最大差異為9%.

4.2 高度系數(shù)γ

如圖12所示，隨著高度系數(shù)γ的增加，分離器的壓降先上升后下降，峰值出現(xiàn)在γ=0.56處. 在旋風分離器入口風速為15 m/s的工況下，分別注入密度為1 000 kg/m3和2 000 kg/m3的顆粒，在旋流葉片螺旋角β=45°時，觀察高度系數(shù)γ的變化對分離器分級效率的影響. 如圖14所示，隨著γ的增加，分離器的分級效率均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢. 觀察不同粒徑對應的分級效率，發(fā)現(xiàn)當γ的取值在0.42～0.56之間時，分離器的分級效率整體較高.

對比入射顆粒密度分別為1 000 kg/m3和2 000 kg/m3時不同粒徑下的分級效率發(fā)現(xiàn)：與未添加旋流葉片的基礎分離器相比（γ=0），當ρ=2 000 kg/m3時，粒徑在1～2.5 μm的粒子的分離效率增值的最大值 Δηmax 可達30%～40%;當ρ=1 000 kg/m3時，粒徑在1～3 μm的粒子的分離效率增值的最大值Δηmax 可達40%～50%.

式中：Δηmax為每一粒徑對應的分離效率增值的最大值;ηmax為添加γ值不同的旋流葉片后，該粒徑下分離效率的最大值;ηγ=0為各粒徑下，未添加旋流葉片時的分離效率.

由以上分析可知，葉片的螺旋角對分離器性能影響很小，而高度系數(shù)對分離器的壓降和分離效率都有著顯著的影響. 當旋流葉片的螺旋角為45°，高度系數(shù)為0.56時，旋風分離器的整體性能較優(yōu). 如表4所示，與基礎分離器相比，添加經(jīng)過優(yōu)化的旋流葉片使分離器的分割粒徑減小了60%～70%，有效提高了分離效率，而分離器壓降僅增加了19.3%.

5? ?結? ?論

為了提高旋風分離器的分離效率，本文提出了一種內置旋流葉片的高效旋風分離器. 采用RSM模型和離散相的隨機軌道模型來模擬分離器內的氣相和顆粒相流動，并通過試驗數(shù)據(jù)對計算模型進行了驗證. 通過數(shù)值模擬，進行了添加旋流葉片前后分離器的性能計算和葉片優(yōu)化，在分離器入口風速為15 m/s，入射顆粒密度為1 000 kg/m3和2 000 kg/m3的工況下，主要得出了以下結論：

1）在旋風分離器內外渦旋交界面上設置與氣流旋轉方向相同的旋流葉片，含塵氣流中的顆粒會與葉片發(fā)生碰撞，改變運動方向并損失部分動量，可有效阻擋顆粒進入內渦旋，從而提高分離效率.

2）添加旋流葉片后，外渦旋區(qū)氣流的切向速度整體提高，有利于提高分離器的分離效率;內渦旋區(qū)的切向速度減小，且速度分布沿徑向變化較小;內渦旋區(qū)旋流強度減弱，壓力變化平緩.

3）旋流葉片的螺旋角對分離器性能影響較小，高度系數(shù)對分離性能影響顯著. 隨著高度系數(shù)的增大，分離器的壓降和分級效率均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當相對高度為0.4～0.6時，分離效率較高.

4）通過對旋流葉片的優(yōu)化，可使分離器的分割粒徑減小60%～70%，而壓降僅增大19%.

5）旋流葉片對于粒徑在1～3 μm的小密度顆粒的分離效率提升更為顯著;且顆粒密度為1 000 kg/m3、粒徑在1～3 μm的粒子的分離效率增值的最大值Δηmax 可達40%～50%.基于以上理論研究結果，將進一步開展內置旋流葉片的高效旋風分離器性能的試驗研究.

參考文獻

[1]? ? RAY M B，LUNING P E，HOFFMANN A C，et al. Post cyclone（PoC）：An innovative way to reduce the emission of fines from industrial cyclones [J]. Industrial & Engineering Chemistry Research，1997，36（7）：2744—2766.