內(nèi)循環(huán)式除塵器氣固兩相流場(chǎng)數(shù)值模擬研究

魏世超 張凱 劉明亞 王煥志

摘要：采用數(shù)值模擬方法研究?jī)?nèi)循環(huán)式除塵器內(nèi)氣固兩相流動(dòng)情況，分析了切向速度、軸向速度、徑向速度、壓力分布以及分離效率等性能參數(shù)。結(jié)果表明，除塵器內(nèi)切向速度分布的軸對(duì)稱性較好，軸向速度分為上行流與下行流，徑向速度較小。外旋流壓力較高，內(nèi)旋流壓力較低，中心處壓力最低。分離效率高于普通工業(yè)旋風(fēng)除塵器，尤其對(duì)小粒徑顆粒的捕捉能力顯著增強(qiáng)，10μm顆粒的粒級(jí)效率可以達(dá)到98.9%。

關(guān)鍵詞：除塵器;氣固分離;燃煤鍋爐;數(shù)值模擬

目前，我國(guó)燃料結(jié)構(gòu)中煤炭占80%左右，以煤為主的特點(diǎn)，在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)不會(huì)有根本的改變[1]。鍋爐是我國(guó)煤炭消耗的重要組成部分，燃煤鍋爐排放的煙塵和二氧化硫?qū)Υ髿獾奈廴救找鎳?yán)重。我國(guó)中小型燃煤鍋爐具有數(shù)量大、分布廣、單臺(tái)容量小的特征[2-3]。雖然近年來，隨著環(huán)保力度的加強(qiáng)，中小型燃煤鍋爐已退出城市市場(chǎng)，但是，在城鎮(zhèn)和農(nóng)村中還將廣泛存在和使用。目前市場(chǎng)上的除塵設(shè)備價(jià)格和功能分布不均[4]，大量中小型企業(yè)難以支付高昂的設(shè)備費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用以采購(gòu)效果好的除塵設(shè)備。因此，適用于中小型燃煤鍋爐的高效煙氣除塵器仍然符合市場(chǎng)的迫切需要。

針對(duì)此情況，我單位研制一種適用于中小型燃煤鍋爐的內(nèi)循環(huán)式除塵器。為了深入了解該除塵器內(nèi)氣固兩相的流動(dòng)情況，本文利用數(shù)值模擬方法分析了除塵器內(nèi)氣固兩相的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

1? 物理模型

內(nèi)循環(huán)式除塵器主要由上封頭、筒體、錐斗和旁路回流管組成。內(nèi)部結(jié)構(gòu)從上向下依次設(shè)置有排氣管、捕集管、整流罩和擋板。筒體內(nèi)，與進(jìn)口管上沿相同高度處設(shè)有一隔板，將內(nèi)部空間分為上下兩個(gè)隔離的腔體，通過回流管又將上下兩個(gè)腔體連通。上腔體內(nèi)，捕集管與分離管之間有一間隙。圖1所示為除塵器結(jié)構(gòu)示意圖。

內(nèi)循環(huán)式除塵器工作過程中，可以對(duì)顆粒物實(shí)現(xiàn)三級(jí)分離。氣固混合物由進(jìn)氣口切向進(jìn)入下腔體，靠近筒體內(nèi)壁的煙塵直接沿筒壁旋轉(zhuǎn)向下。在離心力作用下，密度較大的顆粒被甩向殼壁，由于重力作用下落到殼體底部，完成第一次分離。向下旋轉(zhuǎn)的混合物在經(jīng)過整流罩后，形成快速的局部混合流場(chǎng)，使氣體中的微小顆粒發(fā)生碰撞凝聚，形成有效沉降，完成第二次分離。繼續(xù)旋轉(zhuǎn)向下的氣流經(jīng)擋板反向進(jìn)入捕集管，捕集管內(nèi)旋轉(zhuǎn)半徑減小離心作用加強(qiáng)，能夠有效捕集細(xì)小顆粒。在上腔體內(nèi)，捕集管與排氣管間隙處，被捕集的細(xì)小顆粒和部分氣體從間隙甩出，完成第三次分離，分離出的顆粒經(jīng)回流管返回下腔體從殼體底部排出。

2? 數(shù)學(xué)模型

2.1? 氣相模型

氣相采用歐拉坐標(biāo)系下的雷諾應(yīng)力模型，它最大的特點(diǎn)在于完全拋棄了基于各向同性渦粘性的Boussinesq假設(shè)，能較好地預(yù)測(cè)強(qiáng)旋流流場(chǎng)。

2.2? 固相模型

顆粒相采用拉格朗日坐標(biāo)系下的隨機(jī)軌道模型，并考慮氣固兩相間的耦合作用。顆粒受力包括流體曳力、重力、浮力、壓力梯度力、虛假質(zhì)量力、Basset力等。在除塵器內(nèi)，由于顆粒粒徑較小且屬于稀疏相，主要受流體曳力，其次是重力，其他力在量級(jí)上相比非常小，一般可以忽略不計(jì)。

2.3? 數(shù)值解法

代數(shù)方程組采用分離隱式求解方法，用SIMPLE算法耦合連續(xù)性和動(dòng)量方程。擴(kuò)散項(xiàng)離散采用中心差分，逐行迭代。為保證解的精度，各控制方程中對(duì)流項(xiàng)的離散采用具有二階精度的QUICK格式，壓力差補(bǔ)格式采用PRESTO。

2.4? 邊界條件

2.4.1? 入口邊界

采用速度入口邊界條件，確定湍流的方法選用湍流強(qiáng)度和水力直徑兩個(gè)參數(shù)。

顆粒相入口邊界條件為將顆粒入口處的射流源設(shè)為面源，顆粒均勻分布在整個(gè)入口截面的網(wǎng)格上，顆粒的入口速度與氣相入口速度相同。

2.4.2? 出口邊界

氣相出口邊界條件按充分發(fā)展的管流條件處理，所有變量在出口截面處的軸向梯度為零。

2.4.3? 壁面邊界

氣相流場(chǎng)在壁面采用無滑移邊界條件，近壁網(wǎng)格采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)近似處理。

3? 結(jié)果討論

3.1? 切向速度

顆粒在除塵器內(nèi)的分離主要通過離心力沉降，因此，切向速度對(duì)于顆粒的捕集與分離起主導(dǎo)作用。

圖2所示為除塵器內(nèi)4個(gè)不同高度截面上切向速度沿徑向的分布曲線。從圖中可以看出，整體上，切向速度分布具有較好的軸對(duì)稱性，這反映了除塵器內(nèi)強(qiáng)旋流的特點(diǎn)。

圖3所示為除塵器內(nèi)部的切向速度場(chǎng)分布云圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，整流罩上方空間切向速度的軸對(duì)稱性相對(duì)較差。從B-B截面可以看到，氣流進(jìn)入除塵器后切向速度先增加后減小。在進(jìn)入主流之前，旋轉(zhuǎn)氣流與后續(xù)進(jìn)入的氣流存在一個(gè)碰撞、匯合的過程，在捕集管外壁面造成局部渦流，如A點(diǎn)，切向速度明顯減小，導(dǎo)致分離效率降低。

而經(jīng)過整流罩之后，切向速度的對(duì)稱性分布變好。而且，氣流經(jīng)過整流罩后切向速度有顯著提高，這表明，整流罩有利于除塵器內(nèi)切向速度的均勻分布和顆粒捕集效率的提高。

3.3? 軸向速度

圖4所示是除塵器內(nèi)4個(gè)不同高度截面上軸向速度的分布曲線。從圖中可以看出，氣流的軸向速度基本上呈準(zhǔn)軸對(duì)稱分布。存在一個(gè)軸向速度為零的等值面將軸向速度沿徑向分為上行流和下行流。等值面的內(nèi)側(cè)為上行流區(qū)，中心處的軸向速度比較大，沿徑向向外逐漸減小。等值面的外側(cè)為下行流區(qū)，沿徑向向外，軸向速度逐漸增大。壁面附近的下行流有利于顆粒的捕集和沉降，對(duì)顆粒的分離起著極為重要的作用。

3.4? 徑向速度

圖5所示為除塵器內(nèi)3個(gè)不同高度截面上徑向速度分布曲線。從圖中可以看出，相比切向速度和軸向速度，徑向速度較小，有利于防止壁面處顆粒被推向中心，從而減少夾帶，這是分離效率提高的關(guān)鍵。而在捕集管與排氣管的間隙處，徑向速度明顯增大，表明氣流透過間隙進(jìn)入了上腔室，有利于顆粒的第三次分離。

3.5? 壓力場(chǎng)

圖6、圖7所示為靜壓和總壓力場(chǎng)的分布情況。從圖中可以看出，靜壓力場(chǎng)與總壓力場(chǎng)分布情況比較相近。壓力沿徑向的分布呈現(xiàn)較好的軸對(duì)稱性，隨半徑的減小急劇降低，中心軸線附近壓力遠(yuǎn)低于入口處壓力，在排氣管中心區(qū)甚至出現(xiàn)負(fù)壓，說明在此位置存在真空區(qū)。外旋流的壓力較高，內(nèi)旋流的壓力較低。同時(shí)還能看出壓力沿軸向變化很小，這是因?yàn)樵趶?qiáng)旋流中，壓力一般主要取決于切向速度，徑向速度和軸向速度對(duì)壓力的影響很小。

3.6? 顆粒軌跡

圖8表示不同粒徑顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。從圖中可以看出，小直徑顆粒，跟隨性好，夾帶比較嚴(yán)重，不易被分離;直徑稍微大一點(diǎn)的顆粒，夾帶現(xiàn)象有所緩解;直徑較大的顆粒，由于重力沉降作用較強(qiáng)，分離性能較好;直徑再大些的顆粒，則因?yàn)闃O強(qiáng)的重力沉降作用而極易分離，被捕集的時(shí)間較短。

3.7? 分離效率

圖9表示不同粒徑顆粒在不同進(jìn)口速度下的粒級(jí)效率。從圖中可以看出，在其他條件不變的情況下，相同粒徑顆粒的粒級(jí)效率隨進(jìn)口速度的增大而提高，但提高的幅度逐漸減緩。風(fēng)速大于10m/s后，顆粒的粒級(jí)效率都可達(dá)到60%。風(fēng)速一定時(shí)，顆粒的粒級(jí)效率隨粒徑的增大而升高。

氣流進(jìn)口速度15.5m/s時(shí)，除塵器對(duì)粒徑10μm以下顆粒的粒級(jí)效率能夠達(dá)到76.5%～89.9%，對(duì)粒徑大于10μm顆粒的粒級(jí)效率能夠達(dá)到100%。整體上，除塵器對(duì)所有顆粒的總分離效率為98.1%。

通過上述對(duì)比可以得出，內(nèi)循環(huán)式除塵器整體分離性能高于普通工業(yè)旋風(fēng)除塵器，尤其對(duì)粒徑小于10μm顆粒的捕捉能力顯著增強(qiáng)。

4? 結(jié)論

（1）除塵器內(nèi)切向速度分布的軸對(duì)稱性較好，軸向速度分為上行流與下行流區(qū)，徑向速度較小。整流罩有利于切向速度的對(duì)稱分布和顆粒捕集效率的提高。

（2）壓力沿徑向分布呈現(xiàn)較好的軸對(duì)稱性，外旋流壓力較高，內(nèi)旋流壓力較低，中心壓力最低。

（3）除塵器的分離效率高于普通工業(yè)旋風(fēng)除塵器，尤其對(duì)小粒徑顆粒的捕捉能力顯著增強(qiáng)。

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