旋風(fēng)除塵器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與內(nèi)部流場數(shù)值模擬

旋風(fēng)除塵器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與內(nèi)部流場數(shù)值模擬穆傳冰【摘要】介紹了旋風(fēng)除塵器的結(jié)構(gòu)和主要特點,利用流體有限元計算分析軟件對其內(nèi)部流場進行了數(shù)值模擬，得出煤氣在旋風(fēng)分離器中的流動狀態(tài)、壓力場、速度場等分布情況，并在流場計算結(jié)果的基礎(chǔ)上對其結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了有關(guān)分析與討論.【期刊名稱】《化工設(shè)備與管道》【年(卷)，期】2013(050)005【總頁數(shù)】6頁(P35-40)【關(guān)鍵詞】旋風(fēng)除塵器;有限元;結(jié)構(gòu)設(shè)計;數(shù)值模擬【作者】穆傳冰【作者單位】北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司，北京100043【正文語種】中文【中圖分類】TQ028;TH122旋風(fēng)除塵器與其他除塵器相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、造價便宜、維護管理方便以及適用面廣等特點。自1886年Morse設(shè)計的第一臺圓錐形旋風(fēng)分離器問世以來，旋風(fēng)分離器經(jīng)歷了不同的發(fā)展階段，出現(xiàn)了傳統(tǒng)型、螺旋型、旁路型、渦旋型、擴散型等各種樣式的旋風(fēng)分離器。其中，傳統(tǒng)型旋風(fēng)分離器的應(yīng)用最為廣泛，發(fā)展也日臻成熟。一般用于捕集5~15pm以上的顆粒，除塵效率可達(dá)80%以上，近年來經(jīng)改進后的特制旋風(fēng)除塵器，其除塵效率可達(dá)95%以上。傳統(tǒng)型旋風(fēng)除塵器的缺點是捕集微粒小于5pm的效率不高。但其結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，可以作為高濃度除塵系統(tǒng)的預(yù)除塵器與其他類型高效除塵器組合使用。傳統(tǒng)型旋風(fēng)分離器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，三維實體結(jié)構(gòu)見圖2所示。旋風(fēng)式除塵器由筒體、錐體、進氣管、排氣管和排灰口等組成。圖1旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)Fig.1Cyclonedustcollectorstructuraldrawing圖2旋風(fēng)分離器的三維實體結(jié)構(gòu)Fig.2Cyclonedustcollector3-Dstructuraldrawing1旋風(fēng)除塵器的特點1.1旋風(fēng)分離器工作原理如圖3所示，當(dāng)含塵氣體由切向進氣口進入旋風(fēng)除塵器時，氣流由直線運動變?yōu)閳A周運動，旋轉(zhuǎn)氣流的絕大部分沿除塵器內(nèi)壁呈螺旋形向下、朝向錐體流動，通常稱此為外旋氣流。含塵氣體在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生離心力，將相對密度大于氣體的粉塵粒子甩向除塵器內(nèi)壁面。粉塵粒子一旦與除塵器壁面接觸，便失去徑向慣性力而依靠向下的動量和重力作用沿壁面下落，進入排灰管。旋轉(zhuǎn)下降的夕卜旋氣流到達(dá)錐體時，因圓錐形的收縮而向除塵器中心靠攏。根據(jù)旋矩不變原理，其切向速度不斷提高，粉塵粒子所受離心力也不斷加強。當(dāng)氣流到達(dá)錐體下端某一位置時，即以同樣的旋轉(zhuǎn)方向從除塵器中部由下反轉(zhuǎn)向上繼續(xù)做螺旋形運動，構(gòu)成內(nèi)旋氣流。最后凈化氣體經(jīng)排氣管排出，但仍有小部分未被捕集的粉塵粒子也隨之排出。自進氣管流入的另一小部分氣體則向除塵器頂蓋流動，然后沿排氣管外側(cè)向下流動。當(dāng)?shù)竭_(dá)排氣管下端時，即反轉(zhuǎn)向上跟隨上升的內(nèi)旋氣流一同從排氣管排出，分散在這一部分氣流中的粉塵粒子也隨同被帶走［1］。圖3旋風(fēng)分離器的內(nèi)部流場示意圖Fig.3InternalflowfieldofCyclonedustcollectorsketchdrawing1.2旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)特點旋風(fēng)除塵器具有結(jié)構(gòu)簡單、占地面積小、投資低，操作維修方便以及適用面廣的諸多優(yōu)點。適用于工業(yè)爐窯煙氣除塵和工業(yè)通風(fēng)除塵和工業(yè)氣力輸送系統(tǒng)氣固兩相分離與物料氣力烘干回收。(2)傳統(tǒng)型旋風(fēng)除塵器的除塵效率一般能達(dá)到85%左右。高效的旋風(fēng)除塵器對于輸送、破碎、卸料、清掃等工業(yè)生產(chǎn)過程產(chǎn)生的含塵氣體除塵效率可達(dá)95%~98%。對于燃煤爐窯產(chǎn)生煙氣的除塵效率可以達(dá)到92%~95%。傳統(tǒng)型旋風(fēng)除塵器捕集小于5pm顆粒的效率并不高，所以一般僅作為高濃度除塵系統(tǒng)的預(yù)除塵器，再與其他類型的高效除塵器結(jié)合使用。旋風(fēng)除塵器適宜于高溫高壓含塵氣體的除塵。選擇時還要綜合考慮氣體的含塵濃度、煙氣溫度和其他性質(zhì)以及收集粉塵的處理、運行費用等多項因素［2］。2旋風(fēng)除塵器的結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1幾何參數(shù)的確定某煤氣凈化工程中硫銨回收工段需要使用的旋風(fēng)分離器，去除硫銨工段尾氣中的硫銨顆粒，操作工況條件如表1和表2所示。表1旋風(fēng)分離器工況條件Table1Technologicalconditionofcyclonedustcollector名稱數(shù)量處理氣量Q/(m3-h-1)1300空氣密度p/(kg-m-3)1.29粉塵密度pc/(kg?m-3)1770空氣黏度p/(P?s)1.8x105進口塵濃度c/(g-m-3)100表2入口粉塵粒級分布條件Table2Powdersizegradingofinlet平均粒徑/pm51020304050粒級分布，％102020202010根據(jù)表1所列工況，由文獻［3］的論述并結(jié)合工程實際得出旋風(fēng)除塵器的主要尺寸如表3和圖4所示。圖4旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)尺寸示意圖Fig.4Cyclonedustcollectorstructuralsizedrawing表3旋風(fēng)分離器外形尺寸Table3Externaldimensionofcyclonedustcollector名稱數(shù)值/mmDo1200De620Dd400L800H4400Hc2400a500b4002.2壓力損失計算壓力損失是衡量旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理的重要參數(shù)指標(biāo)，研究者利用實驗方法總結(jié)出很多計算公式，其重點是阻力系數(shù)Z的確定，主要有Shepherd-Lapple,First,Alexander,Stairmand,Barth等方法，其中Shepherd-Lapple方法的計算公式簡單，精度尚可，是最常使用的壓力降計算公式。對于標(biāo)準(zhǔn)切向進口K=16；壓力損失的計算公式為vj 進口速度，m/s。代入表1和表3的相應(yīng)數(shù)值，計算得出”8.325,Ap=1740Pa2.3除塵效率的計算除塵效率也是衡量旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)是否合理的主要參數(shù)，最常用的計算公式是Leith-Licht式中C——尺寸比例函數(shù)；①——修正慣性系數(shù)；n——速度分布指數(shù)。代入公式計算出的除塵效率結(jié)果見表4。表4除塵效率的計算結(jié)果Table4Calculationresultofdustremovalefficiencyf-qr,%5101075.57.551020309118.220205095.219.0430207098.319.6640209099.519.9501010010010總效率，％q=^qrf=94.35(%)平均粒徑d/pm粒級分布f,%累計粒級分布f',%分級除塵效率nx,%3旋風(fēng)除塵器內(nèi)部流場模擬3.1工藝參數(shù)的確定根據(jù)工藝計算結(jié)果和實際生產(chǎn)條件，確定的工藝參數(shù)見表5。表5旋風(fēng)分離器的工藝參數(shù)Table5Technologicalparameterofcyclonedustcollector名稱數(shù)值入口速度/(m-s-1)18出口壓強/Pa2x104參考壓強/Pa1x105空氣溫度/1253.2內(nèi)部流場模型的建立CFD是計算流體動力學(xué)(Computationalfluiddynamics)的縮寫，是預(yù)測流體流動、傳熱傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)及其他相關(guān)物理現(xiàn)象的一門學(xué)科。CFD-般要通過數(shù)值方法求解的控制方程組，主要有質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程、組分守恒方程、體積力等。CFD求解器是基于有限體積法，在計算域離散化為一系列控制體積，在這些控制體上求解質(zhì)量、動量、能量、組分等的通用守恒方程；將偏微分方程組離散化為代數(shù)方程組；再利用數(shù)值方法求解代數(shù)方程組以獲取流場解。目前，旋風(fēng)分離器中氣相旋流數(shù)值模擬的計算模型主要有標(biāo)準(zhǔn)k-￡模型、RNGk-￡模型、雷諾應(yīng)力模型(RSM)和代數(shù)應(yīng)力模型(ASM)[4]。各種計算模型有如下特點：(1)標(biāo)準(zhǔn)k-￡模型具有簡單、計算速度快等優(yōu)點。但是它基于各向同性假設(shè)，對于各向異性湍流的強湍流分離器流場的模擬偏差較大。RNGk-8模型來源于標(biāo)準(zhǔn)k-8模型，但其考慮了湍流漩渦，并給出了湍流Prandtl數(shù)的解析公式，其適應(yīng)范圍較標(biāo)準(zhǔn)k-s模型更廣。代數(shù)應(yīng)力模型ASM能夠模擬湍流各向異性，但對各向異性特征的描述能力有限。RSM模型雖然是最適合求解各向異性湍流運動的，但RSM模型在三維情況下需要求解7個方程，比雙方程模型多了3倍多，計算量比較大。綜上分析，RSM模型的計算精度高，但計算復(fù)雜，多用于理論計算；k-￡模型和ASM模型計算能力有限；RNGk-8雙方程湍流模型與RSM模型相比計算誤差在10%左右［5］，滿足工程計算精度的需要，其計算效率是后者的3倍以上。因此本次模擬將采用RNGk-8雙方程湍流模型進行模擬。RNGk-8雙方程湍流模型的控制方程是：旋風(fēng)分離器內(nèi)的固相對于氣相來說是非常稀疏的，所以本模擬將采用Euler-Lagrange方法，固相顆粒采用隨機軌道模型。固相顆粒在Lagrangian坐標(biāo)系下的運動方程為：式中：其中：M是氣體的分子粘性系數(shù)，p、pp分別為氣體與顆粒的密度，dp為顆粒直徑，CD是顆粒粘滯系數(shù)。顆粒軌道可以通過式得到［6］。利用計算流體力學(xué)軟件的建模模塊進行模型建立、網(wǎng)格劃分；利用軟件的計算模塊進行邊界條件定義，得到的流場模型結(jié)果如圖5所示。本模型采用RNGk-8模型，主要模擬含硫銨顆粒的尾氣在旋風(fēng)分離器內(nèi)部的流動情況，為了保證計算的可行性和經(jīng)濟性，做了以下簡化和假設(shè)：（1）模型的上下部邊界是以旋風(fēng)分離器的排風(fēng)口與排灰口為界確定。（2） 除氣體出入口以外的所有壁面均為剛性光滑表面。（3） 壁面采用無滑移邊界條件，湍流采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理。（4） 采用兩相流模型，采用顆粒軌跡跟蹤的方法計算灰塵的流動軌跡。（5） 顆粒之間沒有碰撞和相互作用力，忽略重力和浮力的影響。（6） 顆粒在尾氣入口的分布條件按表2所列的數(shù)值確定。氣體入口采用速度初始條件，氣體出口采用平均壓強初始條件，這樣的設(shè)置更容易得到收斂的結(jié)果［7］。計算方式采用雙精度條件的有限體積法，迭代次數(shù)為500次。圖5旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場模型Fig.5InternalflowfieldmodelofCyclonedustcollector3.3氣體流場的數(shù)值模擬結(jié)果經(jīng)過有限元軟件計算得到了尾氣在旋風(fēng)分離器內(nèi)部的計算結(jié)果。為了直觀地顯示其內(nèi)部流場的結(jié)果，選取了兩個截面，分別是YZ截面，對應(yīng)于X方向；XY截面，對應(yīng)于Z方向，分別向截面賦予流體軌跡線、速度、壓強等結(jié)果。3.3.1流體軌跡線如圖6所示，由流體軌跡線可以得到尾氣在旋風(fēng)分離器內(nèi)部的流動情況，尾氣以切線方向進入旋風(fēng)器，沿外壁面向下做旋轉(zhuǎn)運動，進入圓錐段后形成旋流向上運動，進入內(nèi)筒以螺旋流動的方式從排氣口流出。圖6尾氣在旋風(fēng)分離器內(nèi)部的軌跡線Fig.6TrajectoryoffluidinsideCyclonedustcollector3.3.2速度分布由圖7切向速度分布可知，尾氣在旋風(fēng)分離器中部流動速度較慢，底部錐殼部分的中心出現(xiàn)速度為零的區(qū)域，并且流動呈現(xiàn)不對稱分布的形態(tài)，符合實際的運動規(guī)律。3.3.3壓強分布由圖8平均壓強分布可知，在旋風(fēng)分離器外筒體近壁面處壓強較大，沿徑向壓強隨著半徑減小而減小，最小壓強出現(xiàn)在排氣管的進口部位。圖7尾氣在旋風(fēng)分離器截面的切向速度分布Fig.7Whirlvelocitydistributionofcyclonedustcollectorcross-section3.4顆粒流場的數(shù)值模擬結(jié)果通過提取計算模型中的顆粒跟蹤結(jié)果，將其分成區(qū)間，分別為5個區(qū)間來表示不同粒徑的灰塵在旋風(fēng)分離器中的軌跡分布情況，如圖9a~e所示圖8尾氣在旋風(fēng)分離器截面的平均壓強分布Fig.8Pressuredistributionofcyclonedustcollectorcross-section可以看出以下現(xiàn)象：在顆粒直徑小于10pm的區(qū)間內(nèi)大部分顆粒沒有被捕集，并形成了切線速度很快的內(nèi)旋流；(2)在顆粒直徑大于10pm小于40pm的區(qū)間內(nèi)顆粒捕集效果很好，但出現(xiàn)了部分上旋流情況；在顆粒直徑大于40pm的區(qū)間內(nèi)，顆粒捕集最好，沒有明顯出現(xiàn)上旋流的情況。3.5結(jié)果的討論3.5.1沿徑向(X)的分布情況以XY面為基礎(chǔ)平面選取距旋風(fēng)分離器直筒段底部0m、0.5m、1.0m、1.5m四個位置，分別賦值速度和壓力結(jié)果，得到圖10與圖11所示的結(jié)果。圖9顆粒在旋風(fēng)分離器內(nèi)的軌跡分布Fig.9TrajectoryofpowderinsideCyclonedustcollector圖10尾氣在不同Y向截面的速度分布Fig.10Velocitydistributionofdifferentcross-sections通過圖10所示的結(jié)果可以看出，在旋風(fēng)分離器內(nèi)部中心部位的速度最慢；沿著徑向速度不斷增加，在近壁面位置速度迅速下降為零；x=1.5m位置速度處出現(xiàn)M形分布是由于該位置與排氣口內(nèi)伸管的位置很近造成的，符合實際流體的流動規(guī)律。通過圖11所示的結(jié)果可以看出，在旋風(fēng)分離器內(nèi)部中心部位的壓強最小，沿著徑向壓強不斷增加；x=1.5m位置壓強處出現(xiàn)較大梯度是由于該位置與排氣口內(nèi)伸管的位置很近造成的，符合實際流體的流動規(guī)律。圖11尾氣在不同Y向截面的壓力分布Fig.11Pressuredistributionofdifferentcross-sections3.5.2壓力降A(chǔ)p的數(shù)值模擬情況利用數(shù)值模擬的結(jié)果，提取入口處的總壓數(shù)值以及出口處的總壓數(shù)值，分別為pi=3565Pa;pc=1763Pa數(shù)值模擬的壓力降：Ap=pi-pc=1802Pa該結(jié)果與理論計算結(jié)果Ap=1740Pa的誤差只有2.2%，驗證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。3.5.3除塵效果n的數(shù)值模擬情況利用數(shù)值模擬的結(jié)果，提取入口和出口處以及出口處的質(zhì)量流率數(shù)值，分別為Vim=0.036kg/s;Vom=0.0031kg/s數(shù)值模擬的除塵效率：該結(jié)果與理論計算結(jié)果n=93.5%的誤差只有3.1%，進一步驗證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。3.6有關(guān)的結(jié)論根據(jù)計算結(jié)果和相關(guān)經(jīng)驗得出的數(shù)據(jù)可以得出以下幾點結(jié)論：(1)在大于臨界粒徑的范圍，隨著粉塵粒徑的增大，粉塵在旋風(fēng)分離器內(nèi)部的捕集效果越好。在合理范圍內(nèi)入口尺寸a和b的比值越大，粉塵顆粒的捕集效果越好，但過大的a值會使旋轉(zhuǎn)圈數(shù)減少，除塵效率下降，工程中常采用的比例為a:b=2:1。De的取值不宜過小，太小會加大動能消耗，增加設(shè)備的負(fù)擔(dān)，工程中常采用的Do:De的比例為2.5~3之間，必要時可以在出口下端增加收縮管，既降低阻力損失又不影響除塵效率。Dd的取值與圓錐段半錐角a有關(guān)，一般認(rèn)為半錐角a不宜大于30°,在工程設(shè)計時通常取13。~15?！鉎的取值一般取4倍Do為宜，Hc則為2倍Do,這樣既可以保證在圓筒段有足夠的自然長度便于粉塵的分離，又可以利用圓錐段的作用將氣體快速旋出，避免二次粉塵的影響。L的深入長度過淺，會造成旋流核心破壞，插入過深會造成旋流圈數(shù)過少，造成除塵效率下降，目前工程上常采用L<0.8a［8］。4總結(jié)旋風(fēng)分離器已經(jīng)歷了近150年的發(fā)展，其設(shè)計和制造經(jīng)驗已經(jīng)相當(dāng)豐富。許多研究者已經(jīng)利用實驗