周發(fā)戚， 孫國(guó)剛， 韓曉鵬， 婁志華， 魏 慶

(1.中國(guó)石油大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院 過(guò)程流體過(guò)濾與分離技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 102249； 2.邯鄲市邯鋼附屬企業(yè)公司， 河北 邯鄲 056000)

旋風(fēng)分離器作為常見(jiàn)的氣-固分離設(shè)備，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分離效率高、壓降適中和造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金和電廠等諸多領(lǐng)域[1]。入口進(jìn)氣形式直接決定著分離器內(nèi)的初始旋流場(chǎng)，是影響分離器壓降和分離效率的重要因素。

旋風(fēng)分離器常見(jiàn)的入口進(jìn)氣形式主要有軸向進(jìn)氣和切向進(jìn)氣2種，切向進(jìn)氣是指氣流由切向入口進(jìn)入分離器后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；軸向進(jìn)氣則指氣流沿軸向進(jìn)入分離器，并通過(guò)葉片的作用將氣流的軸向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍邢蛐D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。2種分離器都是利用含塵氣流旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力對(duì)顆粒進(jìn)行分離。目前，對(duì)于切向進(jìn)氣旋風(fēng)分離器的研究較多[2-6]，且應(yīng)用相對(duì)成熟，對(duì)軸向進(jìn)氣旋風(fēng)分離器的研究較少，主要集中在葉片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[7-10]、分離性能[11-14]以及流場(chǎng)分布等[15-16]。研究者[7-17]基本認(rèn)為，相比較于切向進(jìn)氣分離器而言，軸流導(dǎo)葉式分離器具有壓力損失小、分離效率低的特點(diǎn)。但是，一方面，現(xiàn)有的研究大多是針對(duì)切向進(jìn)氣和軸向進(jìn)氣分離器結(jié)構(gòu)的單獨(dú)研究，較少關(guān)注相同結(jié)構(gòu)參數(shù)下，2種分離器的分離性能和流場(chǎng)的量化比較；另一方面，目前對(duì)于2種分離器，尤其是軸向進(jìn)氣分離器的研究，入口氣速范圍較窄(且最高入口氣速不超過(guò)27 m/s)，故對(duì)于更寬范圍入口氣速，2種分離器的分離性能和流場(chǎng)變化尚未可知。

為此，筆者采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，以相同結(jié)構(gòu)參數(shù)(尤其是相同入口面積)的切向進(jìn)氣分離器和軸向進(jìn)氣旋風(fēng)分離器為研究對(duì)象，在較寬入口氣速下(10.8～42.5 m/s)，對(duì)2種分離器的壓降、分離效率和內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比研究，以期深化對(duì)2種分離器氣-固分離過(guò)程的認(rèn)識(shí)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。系統(tǒng)采用常溫負(fù)壓操作，切向進(jìn)氣分離器模型為筒徑300 mm的Stairmand分離器，軸向進(jìn)氣分離器為軸流導(dǎo)葉式分離器，結(jié)構(gòu)和尺寸如圖2所示。其中，導(dǎo)流葉片為8片，葉片水平傾角為23.5°，入射面積與Stairmand型分離器矩形入口面積相等(面積S為150 mm×60 mm)，2種分離器其他尺寸均相同。

實(shí)驗(yàn)粉料為325目硅微粉，密度2650 kg/m3。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，出口氣速用畢托管測(cè)量，流量通過(guò)出口閘閥控制調(diào)節(jié)，總氣量范圍為352.5～1377 m3/h(對(duì)應(yīng)入口氣速為10.8～42.5 m/s)，入口顆粒濃度為30 g/m3。

利用稱(chēng)重法計(jì)算旋風(fēng)分離器的分離效率(η)，η可表示為

(1)

式中M為實(shí)驗(yàn)中加入旋風(fēng)分離器的顆粒質(zhì)量，kg；m為實(shí)驗(yàn)結(jié)束，灰斗收集的顆粒質(zhì)量，kg。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic drawing of experimental setup

圖2 旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)和尺寸示意圖Fig.2 Sketches of structure and dimension of cyclone separators(a) Stairmand type cyclone separator with tangential inlet； (b) Guide vane cyclone separator with axial inlet

2 數(shù)值模擬

2.1 網(wǎng)格劃分

2種旋風(fēng)分離器網(wǎng)格劃分均為全局六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其中Stairmand型分離器頂蓋和軸流導(dǎo)葉式分離器葉片末端坐標(biāo)一致，且中心處為z=0 mm，沿升氣管軸向向下為負(fù)。2種分離器單個(gè)網(wǎng)格尺寸相同，Stairmand型分離器網(wǎng)格數(shù)為33萬(wàn)左右，軸流導(dǎo)葉式分離器為40萬(wàn)左右。

2.2 數(shù)值模擬

旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)為強(qiáng)旋流流場(chǎng)，從經(jīng)濟(jì)性和準(zhǔn)確性考慮，目前RSM模型被認(rèn)為最適合用于旋風(fēng)分離器的模擬[18-20]。在本研究中，入口邊界條件設(shè)為速度入口，介質(zhì)為常溫常壓空氣，密度為1.225 kg/m3，黏度為1.789×10-5Pa·s；出口邊界條件為自由出流，壁面無(wú)滑移，對(duì)近壁網(wǎng)格采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)近似處理。氣相流場(chǎng)選用QUICK差分格式和SIMPLEC算法求解。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 壓降和分離效率

圖3為2種分離器壓降隨進(jìn)氣量的變化曲線。由圖3可見(jiàn)，2種旋風(fēng)分離器的壓降均隨著進(jìn)氣量的增加呈現(xiàn)非線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，且進(jìn)氣量小于650 m3/h時(shí)，2種分離器壓降大小相當(dāng)，進(jìn)氣量大于650 m3/h時(shí)，軸流導(dǎo)葉式分離器壓降小于Stairmand型分離器，說(shuō)明耗能較少。

圖3 旋風(fēng)分離器壓降隨氣量的變化Fig.3 Pressure drops of two cyclones

圖4為2種分離器分離效率隨進(jìn)氣量的變化曲線。由圖4可知，2種旋風(fēng)分離器分離效率曲線隨進(jìn)氣量的增加差異較大。隨著進(jìn)氣量的增加，Stairmand型分離器分離效率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，存在一最大效率入口氣速(約為22 m/s)，這與Yang等[21]的研究結(jié)果相似。而在本實(shí)驗(yàn)條件下，軸流導(dǎo)葉式分離器分離效率隨著進(jìn)氣量的增加始終增大，并未出現(xiàn)最大效率氣速點(diǎn)。同時(shí)，比較2種分離器分離效率可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)氣量存在一臨界點(diǎn)，約900 m3/h左右，即在較小進(jìn)氣量范圍內(nèi)(<900 m3/h)，Stairmand型分離器分離效率高于軸流導(dǎo)葉式分離器，當(dāng)進(jìn)氣量較大時(shí)(>900 m3/h)，軸流導(dǎo)葉式分離器分離效率大于Stairmand型分離器。

圖4 旋風(fēng)分離器分離效率隨氣量的變化Fig.4 Collection efficiencies of two cyclones

圖5為2種旋風(fēng)分離器分離效率隨壓降的變化曲線。由圖5可知，綜合考慮能耗和分離效率，在較高進(jìn)氣量下(>1720 m3/h)，軸流導(dǎo)葉式分離器具有明顯的分離高效性和能耗經(jīng)濟(jì)性，反之，較低進(jìn)氣量下(<1720 m3/h)，Stairmand型分離器具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖5 旋風(fēng)分離器分離效率隨壓降的變化Fig.5 Collection efficiencies of two cyclones

3.2 切向速度

分別選取進(jìn)氣量648 m3/h和1080 m3/h(入口平均氣速分別為20 m/s和33.3 m/s)，利用數(shù)值模擬的方法考察2種分離器內(nèi)部流場(chǎng)的變化。表1為2種旋風(fēng)分離器壓降的實(shí)驗(yàn)值與模擬值。由表1可知，隨著進(jìn)氣量的增加，2種旋風(fēng)分離器壓降的實(shí)驗(yàn)值和模擬值均增大，且同一旋風(fēng)分離器在相同進(jìn)氣量下，壓降的實(shí)驗(yàn)值和模擬值較為接近，相對(duì)誤差最大不超過(guò)6.5%，表明所采用的計(jì)算模型正確，可以用于旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)的分析。

表1 實(shí)驗(yàn)與模擬壓降對(duì)比Table 1 Comparison of pressure drop between experiments and simulations

圖6為不同進(jìn)氣量下，2種旋風(fēng)分離器筒體(z=-400 mm)和錐體處(z=-800 mm)氣流切向速度沿徑向位置的變化曲線。由圖6可知，2種分離器筒體和錐體內(nèi)切向速度分布形式一致，呈典型的蘭金渦分布。較小進(jìn)氣量下(Q=648 m3/h)，軸流導(dǎo)葉式分離器筒體和錐體處的切向速度明顯小于Stairmand型分離器，筒體和錐體處最大切向速度分別比Stairmand型分離器低4.5 m/s和3 m/s，切向速度越大，顆粒所受的離心力越大，易甩向壁面被捕集下來(lái)，因此Stairmand型分離器分離效率高于軸流導(dǎo)葉式分離器。同時(shí)，較大進(jìn)氣量下(Q=1080 m3/h)，軸流導(dǎo)葉式分離器筒體和錐體處的切向速度均大于Stairmand型分離器，筒體和錐體處最大切向速度分別比Stairmand型分離器高2 m/s和3 m/s。此時(shí)，一方面，軸流導(dǎo)葉式分離器內(nèi)顆粒所受離心力較大，顆粒容易到達(dá)壁面被捕集，有利于提高分離效率；另一方面，相對(duì)于Stairmand型單入口分離器而言，軸流導(dǎo)葉式分離器為多通道進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，增加了流場(chǎng)的穩(wěn)定性和對(duì)稱(chēng)性，顆粒與壁面碰撞反彈后不容易進(jìn)入內(nèi)旋流被帶出分離器，造成分離效率降低的情況。因此較大進(jìn)氣量下，軸流導(dǎo)葉式分離器分離效率優(yōu)于Stairmand型分離器。

圖6 旋風(fēng)分離器不同軸向位置切向速度分布Fig.6 Distribution of tangential velocities at different axial positions in two cyclones Stairmand type cyclone: , ; Axial guide vane cyclone: , (a)Q=648 m3/h; (b)Q=1080 m3/h

3.3 軸向速度

圖7為不同進(jìn)氣量下，2種旋風(fēng)分離器筒體(z=-400 mm)和錐體處(z=-800 mm)氣流軸向速度沿徑向位置的變化曲線。由圖7可知，較小進(jìn)氣量下(Q=648 m3/h)，2種分離器筒體和錐體處的軸向速度大小相當(dāng)；較大進(jìn)氣量(Q=1080 m3/h)，軸流導(dǎo)葉式分離器筒體和錐體處的上行軸向速度明顯小于Stairmand型分離器，這有利于提高顆粒停留時(shí)間，對(duì)顆粒的捕集起到積極作用。同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)，較大進(jìn)氣量下(Q=1080 m3/h)，相比較于Stairmand型分離器，軸流導(dǎo)葉式分離器軸向速度有更好的對(duì)稱(chēng)性。

圖7 旋風(fēng)分離器不同軸向位置軸向速度分布Fig.7 Distribution of axial velocities at different axial positions in two cyclones Stairmand type cyclone: , ; Axial guide vane cyclone: , (a) Q=648 m3/h; (b) Q=1080 m3/h

3.4 旋轉(zhuǎn)中心不穩(wěn)定性分析

圖8為2種分離器在進(jìn)氣量為648 m3/h條件下x=0截面的靜壓云圖。由圖8可知，2種分離器壓力場(chǎng)分布形式基本一致，外旋流區(qū)域?yàn)檎龎簠^(qū)，靜壓為正，內(nèi)旋流區(qū)域?yàn)樨?fù)壓區(qū)，靜壓為負(fù)。同時(shí)還可知，Stairmand型分離器內(nèi)低壓區(qū)旋轉(zhuǎn)中心呈現(xiàn)出擺動(dòng)狀態(tài)，并且沿軸線發(fā)生扭曲；而軸流導(dǎo)葉式分離器內(nèi)基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)稱(chēng)流場(chǎng)，消除了渦核區(qū)的擺動(dòng)和扭曲現(xiàn)象，旋轉(zhuǎn)軸線與分離器幾何中心幾乎重合，有助于保證中心旋流穩(wěn)定，提高分離效率。

圖8 旋風(fēng)分離器x=0截面的壓力分布Fig.8 Pressure distributions at x=0 section of two cyclone separators(a) Stairmand type cyclone separator with tangential inlet; (b) Guide vane cyclone separator with axial inlet

圖9為偏心距方向示意圖。以圖9所示的偏心距方向定義不同結(jié)構(gòu)旋風(fēng)分離器在不同軸向位置上旋轉(zhuǎn)中心偏離幾何中心的情況[22]，并將之連線得到了不同旋風(fēng)分離器旋轉(zhuǎn)中心偏心距的軸向分布規(guī)律，如圖10所示。由各曲線偏離中心程度分析發(fā)現(xiàn)，隨著進(jìn)氣量的增加，軸流導(dǎo)葉式分離器旋轉(zhuǎn)中心偏心距幾乎不變，Stairmand型分離器旋轉(zhuǎn)中心偏心距明顯增大。而且，相同進(jìn)氣量下，軸流導(dǎo)葉式分離器比Stairmand型分離器的軸對(duì)稱(chēng)性有很大提高。當(dāng)進(jìn)氣量Q=648 m3/h時(shí)，導(dǎo)葉式分離器偏心距為0.7～1.73 mm，Stairmand型分離器偏心距為3.27～9.75 mm，軸流導(dǎo)葉式分離器偏心距Δr的平均值也大為減小，相對(duì)Stairmand型減少了39.6%～79.2%；當(dāng)進(jìn)氣量Q=1080 m3/h時(shí)，導(dǎo)葉式分離器偏心距為0.075～1.73 mm，Stairmand型分離器偏心距為1.66～5.11 mm，軸流導(dǎo)葉式分離器相對(duì)于Stairmand型減少了62.7%～99.3%。因此Stairmand型單入口旋風(fēng)分離器流場(chǎng)的非軸對(duì)稱(chēng)性表現(xiàn)較軸流導(dǎo)葉式分離器強(qiáng)，說(shuō)明入口的對(duì)稱(chēng)性進(jìn)氣結(jié)構(gòu)對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)的非軸對(duì)稱(chēng)性影響較大。因此，通過(guò)合理地布置旋風(fēng)分離器入口結(jié)構(gòu)，優(yōu)化進(jìn)氣軸對(duì)稱(chēng)性，有助于抑制旋風(fēng)分離器內(nèi)部的非軸對(duì)稱(chēng)性強(qiáng)旋流動(dòng)，尤其對(duì)于只能使用單入口形式旋風(fēng)分離器的場(chǎng)合，改善進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的軸對(duì)稱(chēng)性是提高分離效率的有效措施之一。

3.5 二次流

圖11為不同進(jìn)氣量下，2種分離器環(huán)形空間以

圖9 偏心距方向示意圖Fig. 9 Sketch of eccentricity direction

及升氣管下端附近的速度矢量圖。由圖11可知，在環(huán)形空間，軸流導(dǎo)葉式分離器流場(chǎng)較為均勻，短路流和縱向環(huán)流明顯小于相同條件下的Stairmand型分離器。短路流和縱向環(huán)流的存在，會(huì)導(dǎo)致環(huán)形空間中的細(xì)顆粒從升氣管逃逸，不利于分離效率的提高。

圖10 旋風(fēng)分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)中心偏心距的軸向分布Fig.10 Axial distributions of rotation eccentricities in two cyclones Stairmand type cyclone: , ; Axial guide vane cyclone: ,

同時(shí)，隨著進(jìn)氣量的增加，Stairmand型分離器短路流和縱向環(huán)流效果明顯增大，而軸流導(dǎo)葉式分離器基本不變。

圖11 升氣管下端附近速度矢量圖Fig.11 Velocity vector near the end of the vortex finder(a) Stairmand type cyclone (Q=648 m3/h); (b) Stairmand type cyclone (Q=1080 m3/h); (c) Guide vane cyclone (Q=648 m3/h); (d) Guide vane cyclone (Q=1080 m3/h)

3.6 顆粒軌跡

圖12為粒徑1 μm和3 μm的顆粒在2種旋風(fēng)分離器內(nèi)的軌跡圖。由圖12可見(jiàn)，較小進(jìn)氣量下(Q=648 m3/h)，Stairmand型旋風(fēng)分離器對(duì)于粒徑為1 μm和3 μm的細(xì)顆粒比軸流導(dǎo)葉式分離器有更好的分離效果；而較大氣量下(Q=1080 m3/h)，軸流導(dǎo)葉式分離器對(duì)粒徑為1 μm和3 μm的細(xì)顆粒的分離效果優(yōu)于Stairmand型分離器。

4 結(jié) 論

通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究的方法比較了不同進(jìn)氣量下，相同結(jié)構(gòu)參數(shù)(尤其是入口面積)的切向入口Stairmand型旋風(fēng)分離器和軸向入口導(dǎo)葉式旋風(fēng)分離器的壓降、分離效率和內(nèi)部流場(chǎng)。在本文研究范圍內(nèi)，得到以下結(jié)論：

(1) Stairmand型分離器分離效率隨進(jìn)氣量先增大后減小，軸流導(dǎo)葉式分離器的效率一直增加，且進(jìn)氣量小于1080 m3/h時(shí)，Stairmand型分離器分離效率較高，進(jìn)氣量大于1080 m3/h時(shí)，軸流導(dǎo)葉式分離器分離效率較高；進(jìn)氣量小于648 m3/h時(shí)，2種分離器壓降大小相當(dāng)，進(jìn)氣量大于648 m3/h時(shí)，軸流導(dǎo)葉式分離器壓降明顯小于Stairmand型分離器。軸流導(dǎo)葉式分離器對(duì)于工業(yè)裝置的節(jié)能降耗，以及在現(xiàn)有裝置基礎(chǔ)上大幅度提高處理能力是非常有利的。

(2)進(jìn)氣量648 m3/h時(shí)，軸流導(dǎo)葉式分離器內(nèi)切向速度小于Stairmand分離器；進(jìn)氣量1080 m3/h時(shí)，軸流導(dǎo)葉式分離器切向速度大于Stairmand型分離器。

圖12 旋風(fēng)分離器內(nèi)顆粒軌跡圖Fig.12 Particle trajectories in two cyclone separators(a) 1 μm particle in Stairmand type cyclone (Q=648 m3/h); (b) 1 μm particle in guide vane cyclone (Q=648 m3/h); (c) 3 μm particle in Stairmand type cyclone (Q=648 m3/h); (d) 3 μm particle in guide vane cyclone (Q=648 m3/h); (e) 1 μm particle in Stairmand type cyclone (Q=1080 m3/h); (f) 1 μm particle in guide vane cyclone (Q=1080 m3/h); (g) 3 μm particle in Stairmand type cyclone (Q=1080 m3/h); (h) 3 μm particle in guide vane cyclone (Q=1080 m3/h)

(3)軸流導(dǎo)葉式分離器采用均勻進(jìn)氣設(shè)計(jì)，基本消除了普通單入口切向進(jìn)氣旋風(fēng)分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)中心與幾何中心不重合產(chǎn)生的渦核擺動(dòng)現(xiàn)象，增強(qiáng)了流場(chǎng)的對(duì)稱(chēng)性，有助于提高分離器分離效率和穩(wěn)定操作。