秦明坤

（菏澤市環(huán)境保護科學(xué)研究所，山東 菏澤274010）

在許多旋風(fēng)分離器中，侵蝕磨損是工廠運行和維修部門最關(guān)心的問題[1]。由于磨損問題的存在，使得旋風(fēng)分離器在使用時頻繁更換旋風(fēng)分離器中心筒和出口轉(zhuǎn)向室，或者需要不斷對筒體磨損部位進行修補，過程費時費力耗材，它是造成主機設(shè)備非計劃停機的主要原因之一[2-3]。

研究發(fā)現(xiàn)，固體顆粒沉積較多的部位也是磨損較嚴重的地方[1]。旋風(fēng)分離器壁面磨損呈不均勻分布，但主要的磨損位置為分離器頂板、環(huán)形空間上部以及錐體的底部附近[4-6]。通常采用的防磨措施分為2種：1)降低旋風(fēng)分離器的風(fēng)速，這意味著增加入口和出口面積，同時風(fēng)速降低，分離效率也隨之降低，這種方法對于已建設(shè)施而言很少采用；2)通過改進設(shè)施來減少旋風(fēng)分離器的磨損[3]。典型的硬件改造方法有安裝防磨板，用厚板更換磨損部位，完善設(shè)計缺陷，使用新型耐火耐磨材料等。然而，頻繁更換防磨板造成的非計劃停機和采用高性能防磨材料所帶來的成本增加往往超出企業(yè)預(yù)算。

筆者根據(jù)分離器內(nèi)顆粒運動特性設(shè)計了1種筒體側(cè)壁開縫式旋風(fēng)分離器，能夠?qū)⑹軕T性力作用明顯的大顆粒及時從壁面排出，減輕了大顆粒的壁面沉積特性，降低了壁面顆粒濃度，起到防磨作用。并基于CFD軟件分析了開縫對旋風(fēng)分離器內(nèi)氣相流場分布、顆粒含量分布和分離效率的影響，驗證了其可行性。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計及數(shù)值模擬

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

普通式旋風(fēng)分離器由進氣管、筒體、錐體和排氣管等組成。開縫式旋風(fēng)分離器是針對普通分離器壁面磨損嚴重的問題而提出的，在其基礎(chǔ)上對筒體側(cè)壁開縫，并在開縫外圍設(shè)置顆粒沉降室，見圖1。

圖1 旋風(fēng)分離器設(shè)計Fig 1 Design of cyclone separator

其運行原理同普通旋風(fēng)分離器相同，含塵氣流進入旋風(fēng)分離器后，沿外壁由上向下做旋轉(zhuǎn)運動，同時有少量氣體沿徑向運動到中心區(qū)域。當(dāng)旋轉(zhuǎn)氣流的大部分到達錐體底部后，轉(zhuǎn)而向上沿軸心旋轉(zhuǎn)，最后經(jīng)排氣管排出。他們的不同之處在于：大顆粒進入分離器后受離心力作用，在筒體壁面就已經(jīng)大量沉積，造成壁面的磨損，在筒體位置開縫，可以將這部分沉積的大顆粒及時排出，可以避免它與筒體和錐體壁面的持續(xù)接觸，從而有效減輕磨損程度。由于開縫很小，經(jīng)開縫排出的大顆粒很難再返回筒體內(nèi)，并且氣體在沉降室中的運動近似滯止?fàn)顟B(tài)，因此很容易實現(xiàn)顆粒在沉降室中的收集。

設(shè)計分離器應(yīng)用于蒸發(fā)量75t/h的鍋爐煙氣處理，需要處理的煙氣體積流量約為115.2×103m3/h。為避免分離器尺寸過大，防止運行過程中產(chǎn)生振動，提高設(shè)備運行的安全性，設(shè)置4個相同的旋風(fēng)分離器并聯(lián)，每個旋風(fēng)分離器的處理煙氣體積流量約為8m3/s。

參照旋風(fēng)分離器設(shè)計型號XLP/B，并且綜合考慮旋風(fēng)分離器設(shè)計應(yīng)遵循的相關(guān)原則[7]：

2)為避免過高的壓力損失，要保證a≤(D-d)/2；

3)為保持渦流的終端在錐體內(nèi)部，要保證H1+H2≥3D；

4)為利于粉塵易于滑落，要保證錐角在7°～8°；

5)為獲得最大除塵效率，(H1+H2)/d≈8～10，d=(0.4～0.65)/D，b/a=2.2～2.5；

6)通常旋風(fēng)分離器入口速度選擇在12～25m/s；最終確定尺寸見表1。

表1 旋風(fēng)分離器設(shè)計參數(shù)Tib 1 Parameters of the cyclone separator

1.2 模型及簡化假設(shè)

分離器內(nèi)離散相體積分數(shù)普遍小于10%，對連續(xù)相和離散相的模擬采用Euler-Lagrange方法較準確，過程控制方程遵循流體動力學(xué)基本方程。湍流模型選擇RNGk-epsilon。分離器內(nèi)的流動為強旋流，因此在RNG選項中將計算區(qū)域考慮為SwirlDominatedFlow。連續(xù)相和離散相雙向耦合，忽略質(zhì)量交換和熱量交換，只考慮2相間的動量交換。并且由于顆粒項非常稀薄，不考慮顆粒與顆粒之間的相互作用。通過隨機軌道模型計算足夠多的代表性顆粒的軌跡（即“numberoftries”，本研究設(shè)置為5），從而將湍流對顆粒的隨機性影響考慮進模型。

模擬煙氣溫度為120℃下的氣固相材料物性參數(shù)見表2。連續(xù)相為空氣，慣性顆粒材料選擇coalhv，設(shè)顆粒都是球形顆粒，粒徑服從Rosin-Rammler分布。

表2 材料物性參數(shù)Tab 2 Physical parameters of materials

Rosin-Rammler分布假定顆粒直徑d與大于此直徑的顆粒的質(zhì)量分數(shù)wd之間存在指數(shù)關(guān)系：

智能建筑系統(tǒng)工程施工中的質(zhì)量問題與設(shè)計人員的設(shè)計圖紙好壞有很大關(guān)系。在設(shè)計過程中，智能系統(tǒng)的不正確設(shè)計或缺乏智能系統(tǒng)的詳細操作說明都有可能導(dǎo)致施工細節(jié)不到位而出現(xiàn)問題。一些建筑業(yè)主為獲得更多的經(jīng)濟效益盲目縮短設(shè)計周期，邊設(shè)計邊施工，沒有對智能建筑系統(tǒng)工程做出整體規(guī)劃，導(dǎo)致設(shè)計中存在不成熟的方案。而且，近年來，建筑市場的競爭越來越激烈，但是相關(guān)建筑規(guī)范仍不成熟，沒有明確的體系對違規(guī)行為進行約束，市場監(jiān)管不到位對施工質(zhì)量產(chǎn)生了很大影響[3]。因此，應(yīng)認真落實圖紙設(shè)計方面的工作，這是一個工程的起點，要想贏在起跑線上，應(yīng)保證其設(shè)計合理。

式中，d為顆粒中位粒徑，n為顆粒尺寸分布指數(shù)，本模型中平均粒徑為91μm，n≈3.3445。

1.3 網(wǎng)格及邊界條件

由于分離器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，故均采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，普通式分離器網(wǎng)格數(shù)約18萬個，開縫式約36萬個，以保證顯示的清晰度。

入口設(shè)定速度和湍流強度，壓力出口，靜壓為280Pa，近壁面采用標準壁面修正函數(shù)。顆粒碰壁發(fā)生反彈，切向和法向反彈系數(shù)設(shè)置為常數(shù)0.9，分離器底面和沉降室壁面邊界類型為trap，入口和出口邊界認為顆粒發(fā)生逃逸。壓力速度耦合方式為SIMPLE。為提高計算精度，對流項采用2階迎風(fēng)差分格式，將壓力亞松弛因子調(diào)至0.1，動量亞松弛因子根據(jù)殘差曲線從0.02調(diào)至0.1以獲得收斂解。

2 結(jié)果及分析

2.1 開縫對氣相流場的影響

圖2為不同高度位置2種分離器徑向總壓p分布對比（取z分別為2、4、6、7m截面位置對比）。

由圖2可知，z=7m處徑向總壓分布，速度入口至開縫處總壓分布趨勢和大小接近，可認為開縫對此處壓力分布無影響；z=6m處筒體內(nèi)徑向壓力分布也相同，而對于開縫分離器，沉降室中切向速度很小，總壓較低，只有約100Pa；z分別為2、4m處受開縫影響，軸心和壁面處總壓力差減小。而分離器內(nèi)的阻力損失并沒有因為開縫和沉降室的存在發(fā)明顯改變，普通式旋風(fēng)分離器阻力損失為454.1Pa，開縫式為456.3Pa。

圖2 分離器內(nèi)徑向總壓分布Fig 2 Total pressure distributions along the radial direction in the separator

圖3為2種分離器不同高度位置切向速度vt分布對比（取z分別為2、4、6、7m截面位置進行對比）。

由圖3可知，開縫式分離器內(nèi)的切向速度的分布普遍低于普通式分離器，原因是開縫破壞了壁面附近的無滑移邊界層厚度，部分高速氣體由開縫進入沉降室，在沉降室中不斷回旋（z=6m處的模擬結(jié)果顯示回旋速度約為6m/s），使得分離器內(nèi)整體切向速度大小下降約2～3m/s，從而使得顆粒受到的離心力下降，理論上對提高分離效率不利；另一方面，開縫的存在使得大顆粒由開縫排出，壁面顆粒含量下降，顆粒在排氣管下端由于短路造成的返混現(xiàn)象減輕，有力于提高分離效率。

2.2 開縫對顆粒含量分布的影響

圖4給出開縫對壁面附近顆粒質(zhì)量濃度分布的影響大小。

圖4 開縫對壁面附近顆粒質(zhì)量濃度分布的影響Fig 4 The effects of slotting on the distributions of particles concentration near separator wall

由圖4可知，開縫下方顆粒含量較普通式分離器大幅度降低，高含量分布區(qū)域在開縫壁面截止。普通式分離器內(nèi)高顆粒含量區(qū)域主要分布于分離器頂部、中間和錐體部位，這與工程實際檢測給出的磨損位置相同，也驗證了模擬結(jié)果的可靠性[2-3]。錐體部分顆粒濃度會隨著顆粒的不斷沉積急劇增大，模擬結(jié)果中顯示最高質(zhì)量濃度可達13kg/m3，這也是造成分離器磨損的主要原因之一[3]。此外，趙新學(xué)、金有海等人針對分離器壁面磨損的數(shù)值研究也得到了相同的結(jié)論[1,5]。

圖5進一步給出了不同顆粒含量在壁面處的分布顆粒的分布情況。

圖5 不同顆粒質(zhì)量濃度在壁面處的分布狀況Fig 5 The distribution status of different particles mass concentration at the wall

由圖5可知，大部分顆粒都能夠經(jīng)開縫排至沉降室得到有效收集，但是仍有一部分顆粒運行至錐體段，理論上這部分顆粒為微細顆粒物，旋風(fēng)分離器對該類顆粒物脫除效果本來就很低，不過這部分顆粒濃度已經(jīng)很低，認為不構(gòu)成壁面磨損的主要因素，針對不同粒徑顆粒在開縫式旋風(fēng)分離器中運行軌跡的研究還應(yīng)進一步展開。

2.3 開縫對分離效率的影響

開縫式旋風(fēng)分離器在起到降低壁面磨損的作用時，還必須要保證分離效率。表3給出了普通分離器和開縫式分離器入口和出口顆粒質(zhì)量濃度，可知分離器的分離效率接近100%，開縫并沒有造成分離效率的下降。由于粒徑分布服從Rosin-Rammler，該案例尚未對分級效率進行研究，不過該結(jié)果已經(jīng)明顯體現(xiàn)出筒體側(cè)壁開縫旋風(fēng)分離器在應(yīng)用中的優(yōu)勢。

表3 分離效率數(shù)據(jù)統(tǒng)計Tab 3 Statistics of separation efficiency

3 結(jié)論

旋風(fēng)分離器筒體側(cè)壁開縫能夠及時排出大部分顆粒，有效降低壁面處顆粒濃度，減輕壁面磨損程度；開縫不改變分離器內(nèi)切向流速和壓力分布的趨勢，但其數(shù)值會稍有減??；開縫不會造成總分離效率的下降，對分級效率的影響尚須進一步研究。

模擬結(jié)果顯示，沉降室中的氣流會有約6m/s的回旋流動，并且顆粒經(jīng)開縫進入沉降室后也會由于慣性而不斷旋轉(zhuǎn)，這不利于沉降室中顆粒的捕集。因此改進方案可以在沉降室中設(shè)置4塊豎直擋板，這樣既可以在室內(nèi)形成一個有利于顆粒重力沉降的滯止氣流封閉腔，又可以使顆粒發(fā)生慣性碰撞，從而得到順利捕集。

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