旋風分離器蝸殼半徑對物料分離性能的影響

凌光磊，劉云峰，黃 濤，楊柳松，高延民，任林海

1洛陽礦山機械工程設(shè)計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2智能礦山重型裝備全國重點實驗室 河南洛陽 471039

3洛陽欒川鉬業(yè)集團股份有限公司 河南欒川 471500

旋風分離器是一種將氣體和物料分離的裝置，它利用高速旋轉(zhuǎn)的氣流，使得物料產(chǎn)生離心力，進而物料被分離器收集[1-2]。旋風分離器因其結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、適用各種惡劣環(huán)境，成為礦業(yè)生產(chǎn)當中的重要設(shè)備之一[3-4]。

旋風分離器在工業(yè)生產(chǎn)作業(yè)中，出現(xiàn)了物料返混、頂部積灰等問題，影響其工作效率。這些問題可以通過優(yōu)化旋風分離器的結(jié)構(gòu)進行解決，例如蝸殼半徑、內(nèi)錐筒參數(shù)等。目前國內(nèi)外學者對旋風分離器結(jié)構(gòu)優(yōu)化做了許多努力。K.Elsayed[5]對不同截面入口的旋風分離器進行了數(shù)值模擬，得出結(jié)論：入口寬度越大，壓差越小，但分離效率下降。周發(fā)戚等人[6]為了研究旋風分離器頂部上灰環(huán)現(xiàn)象，采用二次風入口結(jié)構(gòu)，分離器頂部磨損大大降低，分離效率增加 2%，能耗減少 16.8%。金有海等人[7]對旋風分離器進行了結(jié)構(gòu)參數(shù)增大，研究旋風分離器的直徑對分離性能的影響。袁怡等人[8]采用 Stairmand 型旋風分離器進行試驗分析，探究筒徑對旋風分離器性能的影響，認為入口氣速不變，筒體直徑加大，會導致壓差升高、分離效率降低。楊柳松等人[9]采用不同內(nèi)錐長度的旋風分離器進行研究，發(fā)現(xiàn)內(nèi)錐筒長度不影響旋風分離器的分離效率。范軍領(lǐng)等人[10]進行了α型旋風分離器放大效應(yīng)的數(shù)值分析。蝸殼半徑不僅影響分離器的分離效率，對系統(tǒng)的能耗也有重要作用。目前，業(yè)內(nèi)開展旋風分離器蝸殼半徑對其性能的影響研究尚不充分。因此，開展旋風分離器蝸殼半徑變化對其性能的影響研究具有重要意義。

1 研究模型及計算條件說明

1.1 旋風分離器三維模型

為了探究旋風分離器蝸殼半徑對其分離性能的影響規(guī)律，本文以生料粉磨系統(tǒng)配用的 2-6800 型旋風筒為研究對象，開展相關(guān)的研究計算。旋風分離器總體結(jié)構(gòu)相對簡單，主要由入口、內(nèi)錐筒、筒體段及錐體段等部分組成，如圖 1 所示。

圖1 旋風分離器幾何結(jié)構(gòu)及尺寸Fig.1 Geometry and dimension of cyclone separator

1.2 計算湍流模型選擇

旋風分離器內(nèi)部空氣、物料顆粒之間的相互作用十分復雜，通過理論計算對其進行研究十分困難。通過數(shù)值模擬分析軟件對旋風分離器的性能進行研究是一種行之有效的方法，也取得了一系列的研究成果。旋風分離器內(nèi)流體高速旋轉(zhuǎn)流動，研究計算時選用了在分離流方面有著不錯表現(xiàn)的 RNG 模型，粒子入射采用隨機軌道的 DPM 模型。此湍流模型考慮了平均流動中的旋流情況，并且其模型以各向同性渦粘性的Boussinesq 為假設(shè)基礎(chǔ)，主要針對充分發(fā)展的湍流模型，該模型中的k和ε如式 (1)、(2) 所示：

式中：η1=4.28；β=0.015；σk=σε=0.7179；C2'=1.68。

1.3 研究邊界條件及參數(shù)設(shè)定

旋風分離器邊界條件需要結(jié)合實際工況進行設(shè)定，以保證模擬結(jié)果的準確性。旋風分離器中流體設(shè)置為空氣，密度為 1.225 kg/m3；處理風量 (工況) 為 360 000 m3/h；入射氣流含塵質(zhì)量濃度為 500 g/m3；物料顆粒的相關(guān)計算參數(shù)如表 1 所列。

表1 物料顆粒的計算參數(shù)Tab.1 Calculation parameters of material particle

計算邊界的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：入口氣體的速度設(shè)為vin=19.53 m/s，其邊界條件是速度入口，離散相邊界采用 DPM 入射；出口設(shè)置為流出出口 (Outflow)，離散相采用逃跑邊界 (Escape) 邊界；壁面采用標準的反彈函數(shù)進行處理。

2 研究方案及結(jié)果分析

2.1 研究方案說明

以數(shù)值模型方法為手段，研究旋風分離器的蝸殼半徑變化對其壓力場、速度場、壓差、分離效率的影響。本文制定了 4 種蝸殼半徑結(jié)構(gòu)方案如圖 2 所示。分別是結(jié)構(gòu) A、結(jié)構(gòu)B、結(jié)構(gòu) C、結(jié)構(gòu) D，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表 2 所列。結(jié)構(gòu) A 蝸殼半徑數(shù)為 0，也可稱之為直切式旋風分離器。

表2 4 種蝸殼結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)Tab.2 Specific parameters of four kinds of volute

圖2 4 種蝸殼結(jié)構(gòu)方案Fig.2 Structural scheme of four kinds of volute

2.2 網(wǎng)格劃分及無關(guān)性驗證

旋風分離器網(wǎng)格劃分采用的尺寸不同，得到的網(wǎng)格數(shù)量差別很大，對最終的計算結(jié)果和計算量有非常大的影響。在開展相關(guān)研究計算之前，有必要對旋風分離器的網(wǎng)格數(shù)量和計算結(jié)果之間的關(guān)系作出驗證性計算，保證以最合理的網(wǎng)格數(shù)量得到滿足要求精度的計算結(jié)果。通過控制結(jié)構(gòu) C 旋風分離器網(wǎng)格數(shù)目，將入口與出口之間的壓差作為參考值，進行計算驗證，結(jié)果如圖 3 所示。

圖3 不同網(wǎng)格數(shù)量下，進出口壓差的變化 Fig.3 Variation of pressure difference between inlet and outlet at various quantity of grid

由圖 3 可知，隨著網(wǎng)格數(shù)的增加，出入口之間的壓差變化幅值比較大；當網(wǎng)格數(shù)量增大到 230 萬個以上時，出入口之間的壓差趨于定值。

2.3 研究結(jié)果分析

對上述 4 種研究方案進行計算研究，將得到的計算結(jié)果在各個方面進行對比分析，分析過程及結(jié)果如下。

2.3.1 壓力場分析

圖4 所示為不同蝸殼半徑的旋風分離器在中心軸截面 (x=0) 處的靜壓分布云圖。由圖 4 可知，靜壓呈軸對稱分布，壁面處靜壓高，軸心處靜壓低；旋風分離器蝸殼半徑越大，近壁面的靜壓越大；4 種結(jié)構(gòu)的近壁面靜壓依次為pA=1.55 kPa，pB=1.63 kPa，pC=1.75 kPa，pD=2.35 kPa。壁面靜壓越大，顆粒在壁面處受到壓力越大，顆粒更容易沿壁面向下運動，從而被錐體底部收集。在軸心附近存在負壓區(qū)，負壓由內(nèi)錐筒一直延伸到錐體底部，負壓的存在正是旋風分離器內(nèi)錐筒物料顆粒短路的原因。

圖4 不同蝸殼半徑下，旋風分離器靜壓分布云圖Fig.4 Static pressure contours of cyclone separator at various radius of volute

2.3.2 速度場分析

圖5 所示為不同蝸殼半徑的旋風分離器在z=1.2 m 截面速度分布云圖。由圖 5 可知，旋風分離器蝸殼半徑越大，其在z=1.2 m 截面上最大速度越大，4 種結(jié)構(gòu)的速度依次為vA=37.7 m/s，vB=38.8 m/s，vC=40.2 m/s，vD=43.88 m/s；隨著蝸殼半徑的增大，旋風分離器的最大風速區(qū)逆時針偏移，且內(nèi)錐筒壁面處的速度增大。蝸殼結(jié)構(gòu)處的速度增大，使得顆粒在此處獲得的速度增大，有利于提高分離效率；內(nèi)錐筒壁面處的速度增大，減少了顆粒的二次返塵。

圖5 在 z=1.2 m 截面，不同蝸殼半徑下，旋風分離器速度分布云圖Fig.5 Velocity contours of cyclone separator at various radius of volute on section of z =1.2 m

2.3.3 切向速度分析

切向速度是研究旋風分離器分離性能的重要指標。圖 6 所示為不同蝸殼半徑的旋風分離器在中心軸截面 (x=0) 處的切向速度分布云圖?？梢钥闯觯邢蛩俣瘸?Rankine 組合渦特征，最大切向速度在軸線附近，錐體底部速度為負值；隨著蝸殼半徑的增大，氣流的切向速度增大。錐體底部的速度為負值，是由于此處靜壓為負值，它是粉塵返混的重要原因之一。為了更明確蝸殼半徑變化對筒體空間內(nèi)切向速度的影響，分別選取z=4 m、z=5 m、z=6 m、z=6.5 m 截面處的切向速度，進行對比分析。

圖6 不同蝸殼半徑下，旋風分離器切向速度分布云圖Fig.6 Tangential velocity contours of cyclone separator at various radius of volute

圖7 所示為不同蝸殼半徑的旋風分離器在不同高度處切向速度。由圖 7 可得，旋風分離器筒體空間內(nèi)切向速度呈軸對稱分布，壁面處切向速度為零，軸心處速度較??；隨著蝸殼半徑的增大，最大切向速度增大，這是由于在蝸殼結(jié)構(gòu)內(nèi)切向加速度不變，蝸殼半徑增加，加速距離增大，導致切向速度增大；當蝸殼半徑為 4 420 mm，切向速度有較大幅度的增長；筒體切向速度增大，使得環(huán)形空間內(nèi)的顆粒的離心力增大，顆粒移動到壁面，顆粒從而沿著壁面向下運動，因此提高分離效率。軸心處切向速度較小，顆粒易被上行流攜帶向上運動，從內(nèi)錐筒排出，從而造成短路。

圖7 不同蝸殼半徑下，旋風分離器在不同高度時的切向速度Fig.7 Tangential velocity at various height of cyclone separators and various radius of volute

2.3.4 軸向速度分析

旋風分離器的氣流可以分為近壁面的下行流和中心區(qū)的上行流，下行流是顆粒被收集的主要原因。圖 8 所示為不同蝸殼半徑的旋風分離器在不同高度處的軸向速度。由圖 8 可知，軸向速度呈 M 形分布，隨著蝸殼半徑的增大，最大軸向速度增大；隨著截面高度的增大，軸向速度增大。z=6 m 截面鄰近內(nèi)錐筒進口，因而選擇此截面進行分析。由圖 8(b) 可知，隨著蝸殼半徑的增大，軸心處的軸向速度減小 (結(jié)構(gòu) D，在 4 420 mm 此處發(fā)生了特異情況)，減少短路的可能，提高了旋風分離器的分離效率。

圖8 不同蝸殼半徑下，旋風分離器在不同高度時的軸向速度Fig.8 Axial velocity of cyclone separator at various height of cyclone separator and various radius of volute

2.3.5 分離效率與壓差

旋風分離器中有三部分顆粒：進入顆粒 (mf)、捕集顆粒 (mc) 和排放顆粒 (me)，三者之間的關(guān)系為

分級效率是指收集的某一粒徑范圍內(nèi)物料顆粒占總物料的比值，其公式為

式中：Xf、Xc、Xe為進入、收集和逃逸顆粒某一粒徑下的質(zhì)量分數(shù)。

圖9 所示為不同蝸殼半徑的旋風分離器的顆粒分級效率。由圖 9 可知，隨著旋風分離器蝸殼半徑的增大，分離效率增大，對于粒徑大于 25 μm 顆粒，分離效率為 100%。旋風分離器分級效率從小到大依次為結(jié)構(gòu) A、結(jié)構(gòu) B、結(jié)構(gòu) C、結(jié)構(gòu) D；粒徑為 5 μm 顆粒時，分級效率依次為結(jié)構(gòu) A 為 36.3%，結(jié)構(gòu) B 為 58%，結(jié)構(gòu) C 為 63.8%，結(jié)構(gòu) D 為 84.2%；粒徑為 15 μm 顆粒時，分級效率依次為結(jié)構(gòu) A 為 70.3%，結(jié)構(gòu) B 為 81.1%，結(jié)構(gòu) C 為 89.9%，結(jié)構(gòu) D為 100%。由此可見，蝸殼半徑的增加對分離效率有明顯的提高，特別是對于粒徑較小的顆粒。

圖9 不同蝸殼半徑下，旋風分離器的分級效率Fig.9 Separation efficiency of cyclone separator at various radius of volute

圖10 所示為旋風分離器不同蝸殼半徑對進出口壓差影響。由圖 10 可知，旋風分離器蝸殼半徑增加，進出口的壓差增加；當蝸殼半徑為 4 420 mm 時，壓差顯著增加。其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，旋風分離器蝸殼半徑增加，旋風分離器內(nèi)氣體體積增大，氣流與壁面接觸面積增大，此時壓差增高，系統(tǒng)阻力增大，系統(tǒng)能耗升高。

圖10 不同蝸殼半徑下進出口壓差Fig.10 Pressure difference between inlet and outlet at various radius of volute

由上述分析可知，旋風分離器的蝸殼半徑越大，分離效率越高，但同時壓差增大，導致系統(tǒng)能耗也增大。在實際生產(chǎn)中，對于粒徑大于 25 μm 顆粒，選擇直切式旋風分離器，分離效率高，制造成本低，能耗低；對于粒徑小于 25 μm 顆粒，選擇蝸殼式旋風分離器，鑒于系統(tǒng)能耗，應(yīng)選擇合適的蝸殼半徑。

3 結(jié)論

本文采用 RNGk-ε模型以及 DPM 模型，對 4 種結(jié)構(gòu)的旋風分離器內(nèi)流場進行數(shù)值模擬，并以分離效率與壓差為評價指標，探究旋風分離器蝸殼半徑對物料分離性能的影響，得到以下結(jié)論。

(1) 蝸殼半徑對旋風分離器速度場和靜壓有一定的影響。其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，旋風分離器蝸殼半徑增大，筒體內(nèi)流場速度增大，壁面處靜壓增大，因而顆粒受到離心力增大，減少了顆粒短路，進而提高物料分離效率。

(2) 旋風分離器蝸殼半徑越大，物料分離性能越好。粒徑為 5 μm 顆粒時，旋風分離器的分級效率依次為結(jié)構(gòu) A 為 36.3%，結(jié)構(gòu) B 為 58%，結(jié)構(gòu) C 為 63.8%，結(jié)構(gòu) D 為 84.2%；粒徑為 15 μm 顆粒時，旋風分離器的分級效率依次為結(jié)構(gòu) A 為 70.3%，結(jié)構(gòu) B 為 81.1%，結(jié)構(gòu) C 為 89.9%，結(jié)構(gòu) D 為 100%。

(3) 旋風分離器蝸殼半徑越大，進出口壓差越大。其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，旋風分離器蝸殼半徑增加，旋風分離器內(nèi)氣體體積增大，氣流與壁面接觸面積增大，此時壓差增高，系統(tǒng)阻力增大，系統(tǒng)能耗升高。