旋风除尘器的结构设计与内部流场数值模拟

旋风除尘器的结构设计与内部流场数值模拟穆传冰【摘要】介绍了旋风除尘器的结构和主要特点,利用流体有限元计算分析软件对其内部流场进行了数值模拟，得出煤气在旋风分离器中的流动状态、压力场、速度场等分布情况，并在流场计算结果的基础上对其结构设计进行了有关分析与讨论.【期刊名称】《化工设备与管道》【年(卷)，期】2013(050)005【总页数】6页(P35-40)【关键词】旋风除尘器;有限元;结构设计;数值模拟【作者】穆传冰【作者单位】北京首钢国际工程技术有限公司，北京100043【正文语种】中文【中图分类】TQ028;TH122旋风除尘器与其他除尘器相比，具有结构简单、造价便宜、维护管理方便以及适用面广等特点。自1886年Morse设计的第一台圆锥形旋风分离器问世以来，旋风分离器经历了不同的发展阶段，出现了传统型、螺旋型、旁路型、涡旋型、扩散型等各种样式的旋风分离器。其中，传统型旋风分离器的应用最为广泛，发展也日臻成熟。一般用于捕集5~15pm以上的颗粒，除尘效率可达80%以上，近年来经改进后的特制旋风除尘器，其除尘效率可达95%以上。传统型旋风除尘器的缺点是捕集微粒小于5pm的效率不高。但其结构简单，造价低廉，可以作为高浓度除尘系统的预除尘器与其他类型高效除尘器组合使用。传统型旋风分离器，其结构如图1所示，三维实体结构见图2所示。旋风式除尘器由筒体、锥体、进气管、排气管和排灰口等组成。图1旋风分离器的结构Fig.1Cyclonedustcollectorstructuraldrawing图2旋风分离器的三维实体结构Fig.2Cyclonedustcollector3-Dstructuraldrawing1旋风除尘器的特点1.1旋风分离器工作原理如图3所示，当含尘气体由切向进气口进入旋风除尘器时，气流由直线运动变为圆周运动，旋转气流的绝大部分沿除尘器内壁呈螺旋形向下、朝向锥体流动，通常称此为外旋气流。含尘气体在旋转过程中产生离心力，将相对密度大于气体的粉尘粒子甩向除尘器内壁面。粉尘粒子一旦与除尘器壁面接触，便失去径向惯性力而依靠向下的动量和重力作用沿壁面下落，进入排灰管。旋转下降的夕卜旋气流到达锥体时，因圆锥形的收缩而向除尘器中心靠拢。根据旋矩不变原理，其切向速度不断提高，粉尘粒子所受离心力也不断加强。当气流到达锥体下端某一位置时，即以同样的旋转方向从除尘器中部由下反转向上继续做螺旋形运动，构成内旋气流。最后净化气体经排气管排出，但仍有小部分未被捕集的粉尘粒子也随之排出。自进气管流入的另一小部分气体则向除尘器顶盖流动，然后沿排气管外侧向下流动。当到达排气管下端时，即反转向上跟随上升的内旋气流一同从排气管排出，分散在这一部分气流中的粉尘粒子也随同被带走［1］。图3旋风分离器的内部流场示意图Fig.3InternalflowfieldofCyclonedustcollectorsketchdrawing1.2旋风分离器的结构特点旋风除尘器具有结构简单、占地面积小、投资低，操作维修方便以及适用面广的诸多优点。适用于工业炉窑烟气除尘和工业通风除尘和工业气力输送系统气固两相分离与物料气力烘干回收。(2)传统型旋风除尘器的除尘效率一般能达到85%左右。高效的旋风除尘器对于输送、破碎、卸料、清扫等工业生产过程产生的含尘气体除尘效率可达95%~98%。对于燃煤炉窑产生烟气的除尘效率可以达到92%~95%。传统型旋风除尘器捕集小于5pm颗粒的效率并不高，所以一般仅作为高浓度除尘系统的预除尘器，再与其他类型的高效除尘器结合使用。旋风除尘器适宜于高温高压含尘气体的除尘。选择时还要综合考虑气体的含尘浓度、烟气温度和其他性质以及收集粉尘的处理、运行费用等多项因素［2］。2旋风除尘器的结构设计2.1几何参数的确定某煤气净化工程中硫铵回收工段需要使用的旋风分离器，去除硫铵工段尾气中的硫铵颗粒，操作工况条件如表1和表2所示。表1旋风分离器工况条件Table1Technologicalconditionofcyclonedustcollector名称数量处理气量Q/(m3-h-1)1300空气密度p/(kg-m-3)1.29粉尘密度pc/(kg・m-3)1770空气黏度p/(P・s)1.8x105进口尘浓度c/(g-m-3)100表2入口粉尘粒级分布条件Table2Powdersizegradingofinlet平均粒径/pm51020304050粒级分布，％102020202010根据表1所列工况，由文献［3］的论述并结合工程实际得出旋风除尘器的主要尺寸如表3和图4所示。图4旋风分离器的结构尺寸示意图Fig.4Cyclonedustcollectorstructuralsizedrawing表3旋风分离器外形尺寸Table3Externaldimensionofcyclonedustcollector名称数值/mmDo1200De620Dd400L800H4400Hc2400a500b4002.2压力损失计算压力损失是衡量旋风分离器的结构设计是否合理的重要参数指标，研究者利用实验方法总结出很多计算公式，其重点是阻力系数Z的确定，主要有Shepherd-Lapple,First,Alexander,Stairmand,Barth等方法，其中Shepherd-Lapple方法的计算公式简单，精度尚可，是最常使用的压力降计算公式。对于标准切向进口K=16；压力损失的计算公式为vj 进口速度，m/s。代入表1和表3的相应数值，计算得出”8.325,Ap=1740Pa2.3除尘效率的计算除尘效率也是衡量旋风分离器的结构是否合理的主要参数，最常用的计算公式是Leith-Licht式中C——尺寸比例函数；①——修正惯性系数；n——速度分布指数。代入公式计算出的除尘效率结果见表4。表4除尘效率的计算结果Table4Calculationresultofdustremovalefficiencyf-qr,%5101075.57.551020309118.220205095.219.0430207098.319.6640209099.519.9501010010010总效率，％q=^qrf=94.35(%)平均粒径d/pm粒级分布f,%累计粒级分布f',%分级除尘效率nx,%3旋风除尘器内部流场模拟3.1工艺参数的确定根据工艺计算结果和实际生产条件，确定的工艺参数见表5。表5旋风分离器的工艺参数Table5Technologicalparameterofcyclonedustcollector名称数值入口速度/(m-s-1)18出口压强/Pa2x104参考压强/Pa1x105空气温度/1253.2内部流场模型的建立CFD是计算流体动力学(Computationalfluiddynamics)的缩写，是预测流体流动、传热传质、化学反应及其他相关物理现象的一门学科。CFD-般要通过数值方法求解的控制方程组，主要有质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、组分守恒方程、体积力等。CFD求解器是基于有限体积法，在计算域离散化为一系列控制体积，在这些控制体上求解质量、动量、能量、组分等的通用守恒方程；将偏微分方程组离散化为代数方程组；再利用数值方法求解代数方程组以获取流场解。目前，旋风分离器中气相旋流数值模拟的计算模型主要有标准k-£模型、RNGk-£模型、雷诺应力模型(RSM)和代数应力模型(ASM)[4]。各种计算模型有如下特点：(1)标准k-£模型具有简单、计算速度快等优点。但是它基于各向同性假设，对于各向异性湍流的强湍流分离器流场的模拟偏差较大。RNGk-8模型来源于标准k-8模型，但其考虑了湍流漩涡，并给出了湍流Prandtl数的解析公式，其适应范围较标准k-s模型更广。代数应力模型ASM能够模拟湍流各向异性，但对各向异性特征的描述能力有限。RSM模型虽然是最适合求解各向异性湍流运动的，但RSM模型在三维情况下需要求解7个方程，比双方程模型多了3倍多，计算量比较大。综上分析，RSM模型的计算精度高，但计算复杂，多用于理论计算；k-£模型和ASM模型计算能力有限；RNGk-8双方程湍流模型与RSM模型相比计算误差在10%左右［5］，满足工程计算精度的需要，其计算效率是后者的3倍以上。因此本次模拟将采用RNGk-8双方程湍流模型进行模拟。RNGk-8双方程湍流模型的控制方程是：旋风分离器内的固相对于气相来说是非常稀疏的，所以本模拟将采用Euler-Lagrange方法，固相颗粒采用随机轨道模型。固相颗粒在Lagrangian坐标系下的运动方程为：式中：其中：M是气体的分子粘性系数，p、pp分别为气体与颗粒的密度，dp为颗粒直径，CD是颗粒粘滞系数。颗粒轨道可以通过式得到［6］。利用计算流体力学软件的建模模块进行模型建立、网格划分；利用软件的计算模块进行边界条件定义，得到的流场模型结果如图5所示。本模型采用RNGk-8模型，主要模拟含硫铵颗粒的尾气在旋风分离器内部的流动情况，为了保证计算的可行性和经济性，做了以下简化和假设：（1）模型的上下部边界是以旋风分离器的排风口与排灰口为界确定。（2） 除气体出入口以外的所有壁面均为刚性光滑表面。（3） 壁面采用无滑移边界条件，湍流采用标准壁面函数法处理。（4） 采用两相流模型，采用颗粒轨迹跟踪的方法计算灰尘的流动轨迹。（5） 颗粒之间没有碰撞和相互作用力，忽略重力和浮力的影响。（6） 颗粒在尾气入口的分布条件按表2所列的数值确定。气体入口采用速度初始条件，气体出口采用平均压强初始条件，这样的设置更容易得到收敛的结果［7］。计算方式采用双精度条件的有限体积法，迭代次数为500次。图5旋风分离器内部流场模型Fig.5InternalflowfieldmodelofCyclonedustcollector3.3气体流场的数值模拟结果经过有限元软件计算得到了尾气在旋风分离器内部的计算结果。为了直观地显示其内部流场的结果，选取了两个截面，分别是YZ截面，对应于X方向；XY截面，对应于Z方向，分别向截面赋予流体轨迹线、速度、压强等结果。3.3.1流体轨迹线如图6所示，由流体轨迹线可以得到尾气在旋风分离器内部的流动情况，尾气以切线方向进入旋风器，沿外壁面向下做旋转运动，进入圆锥段后形成旋流向上运动，进入内筒以螺旋流动的方式从排气口流出。图6尾气在旋风分离器内部的轨迹线Fig.6TrajectoryoffluidinsideCyclonedustcollector3.3.2速度分布由图7切向速度分布可知，尾气在旋风分离器中部流动速度较慢，底部锥壳部分的中心出现速度为零的区域，并且流动呈现不对称分布的形态，符合实际的运动规律。3.3.3压强分布由图8平均压强分布可知，在旋风分离器外筒体近壁面处压强较大，沿径向压强随着半径减小而减小，最小压强出现在排气管的进口部位。图7尾气在旋风分离器截面的切向速度分布Fig.7Whirlvelocitydistributionofcyclonedustcollectorcross-section3.4颗粒流场的数值模拟结果通过提取计算模型中的颗粒跟踪结果，将其分成区间，分别为5个区间来表示不同粒径的灰尘在旋风分离器中的轨迹分布情况，如图9a~e所示图8尾气在旋风分离器截面的平均压强分布Fig.8Pressuredistributionofcyclonedustcollectorcross-section可以看出以下现象：在颗粒直径小于10pm的区间内大部分颗粒没有被捕集，并形成了切线速度很快的内旋流；(2)在颗粒直径大于10pm小于40pm的区间内颗粒捕集效果很好，但出现了部分上旋流情况；在颗粒直径大于40pm的区间内，颗粒捕集最好，没有明显出现上旋流的情况。3.5结果的讨论3.5.1沿径向(X)的分布情况以XY面为基础平面选取距旋风分离器直筒段底部0m、0.5m、1.0m、1.5m四个位置，分别赋值速度和压力结果，得到图10与图11所示的结果。图9颗粒在旋风分离器内的轨迹分布Fig.9TrajectoryofpowderinsideCyclonedustcollector图10尾气在不同Y向截面的速度分布Fig.10Velocitydistributionofdifferentcross-sections通过图10所示的结果可以看出，在旋风分离器内部中心部位的速度最慢；沿着径向速度不断增加，在近壁面位置速度迅速下降为零；x=1.5m位置速度处出现M形分布是由于该位置与排气口内伸管的位置很近造成的，符合实际流体的流动规律。通过图11所示的结果可以看出，在旋风分离器内部中心部位的压强最小，沿着径向压强不断增加；x=1.5m位置压强处出现较大梯度是由于该位置与排气口内伸管的位置很近造成的，符合实际流体的流动规律。图11尾气在不同Y向截面的压力分布Fig.11Pressuredistributionofdifferentcross-sections3.5.2压力降Ap的数值模拟情况利用数值模拟的结果，提取入口处的总压数值以及出口处的总压数值，分别为pi=3565Pa;pc=1763Pa数值模拟的压力降：Ap=pi-pc=1802Pa该结果与理论计算结果Ap=1740Pa的误差只有2.2%，验证了模拟结果的准确性。3.5.3除尘效果n的数值模拟情况利用数值模拟的结果，提取入口和出口处以及出口处的质量流率数值，分别为Vim=0.036kg/s;Vom=0.0031kg/s数值模拟的除尘效率：该结果与理论计算结果n=93.5%的误差只有3.1%，进一步验证了模拟结果的准确性。3.6有关的结论根据计算结果和相关经验得出的数据可以得出以下几点结论：(1)在大于临界粒径的范围，随着粉尘粒径的增大，粉尘在旋风分离器内部的捕集效果越好。在合理范围内入口尺寸a和b的比值越大，粉尘颗粒的捕集效果越好，但过大的a值会使旋转圈数减少，除尘效率下降，工程中常采用的比例为a:b=2:1。De的取值不宜过小，太小会加大动能消耗，增加设备的负担，工程中常采用的Do:De的比例为2.5~3之间，必要时可以在出口下端增加收缩管，既降低阻力损失又不影响除尘效率。Dd的取值与圆锥段半锥角a有关，一般认为半锥角a不宜大于30°,在工程设计时通常取13。~15。°H的取值一般取4倍Do为宜，Hc则为2倍Do,这样既可以保证在圆筒段有足够的自然长度便于粉尘的分离，又可以利用圆锥段的作用将气体快速旋出，避免二次粉尘的影响。L的深入长度过浅，会造成旋流核心破坏，插入过深会造成旋流圈数过少，造成除尘效率下降，目前工程上常采用L<0.8a［8］。4总结旋风分离器已经历了近150年的发展，其设计和制造经验已经相当丰富。许多研究者已经利用实验