粉煤热解系统旋风分离器流场的数值模拟研究

张宏伟，陈水渺，耿层层，梅 磊，张安强，肖 磊，吴道洪

(1.北京神雾环境能源科技集团股份有限公司，北京 100200；2.北京市低变质煤与有机废弃物热解提质工程技术研究中心，北京 100200)

粉煤热解系统旋风分离器流场的数值模拟研究

张宏伟1，2，陈水渺1，2，耿层层1，2，梅 磊1，2，张安强1，2，肖 磊1，2，吴道洪1，2

(1.北京神雾环境能源科技集团股份有限公司，北京 100200；2.北京市低变质煤与有机废弃物热解提质工程技术研究中心，北京 100200)

为了进一步了解粉煤热解系统旋风分离器的流场分布规律，在根据旋风分离器实物建模的基础上，选用RSM湍流模型、离散对流项QUICK格式、压力梯度项PRESTO格式对其流场进行数值模拟。对于旋风分离器的切向速度分布、轴向速度分布及流场湍流结构的模拟分析说明，通过该数值模拟方法能够得到合理的流场分布规律，这为后续的颗粒场模拟奠定了基础。

粉煤热解；旋风分离器；数值模拟；湍流模型

随着煤炭开采机械化程度的提高，粉煤产量在逐年增加，目前其产量占煤炭总产量的80%左右。热解是煤炭分质高效清洁转化利用的重要手段之一，粉煤热解后可产出清洁的气、固、液三种产品，能够实现对煤炭不同成分的分质利用[1]，因此以粉煤为原料的热解工艺必将成为研究与应用的热点。国内外开发的粉煤热解工艺(Garrett工艺、L-R工艺、DG新法干馏工艺等)均完成了过程的放大，而含尘挥发分的除尘技术是粉煤热解工艺普遍遇到的技术难题[2-3]。现阶段业内普遍采用旋风分离技术处理粉尘[4]，旋风分离器是基于旋风分离技术的设备。目前旋风分离器的设计主要依赖于试验和经验，而开发高性能的旋风分离器需要了解其内部流场分布规律，但通过试验方法难以得到[5-6]。数值模拟方法具有重要的工程应用价值[7-8]，通过严格求解紊流多相流的控制方程组，可以研究旋风分离器内部的流场分布规律，不但可为设备的性能优化提供理论支持，而且可使设备研发周期大大缩短。

很多研究者对旋风分离器进行过数值模拟研究，但由于选用的湍流模型不尽相同，研究结果差异较大[9-11]。根据文献[6]和[12]，通过对不同湍流模型、差分格式、压力插补格式比较可知：标准k-ε模型在预报切向速度时过分夸大了准强制涡，RNGk-ε模型在预报轴向速度中心低谷现象时失真严重，一阶差分格式不适用于旋风分离器这种复杂流场的模拟，二阶差分格式在预报轴向速度的中心低谷现象时误差较大，压力插补格式中Standard格式和BFW格式的结果均没给出外部准自由涡的结构。

为了深入了解粉煤热解系统旋风分离器的流场分布规律，根据实物建模，选用RSM模型、离散对流项QUICK格式、压力梯度项PRESTO格式对其内部流畅进行数值模拟，并将模拟结果与文献[13-14]的结论进行比较，以验证模型选择的准确性，从而获得旋风分离器的三维流场分布规律，为该设备的优化提供理论依据与数据支撑，也为后续颗粒相的除尘模拟奠定基础。

1 模型的建立

1.1 数值计算方法

在对旋风分离器进行数值模拟时选用的模型与方法为: 选用雷诺应力(RSM)湍流模型，离散格式中对流项采用QUICK格式和压力插补格式PRESTO格式控制，数值计算方法选用非交错网格下的SIMPLEC算法。

RSM湍流模型为：

(1)

为了使方程组封闭，对公式右侧各项建立模型，可分别表示为：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

1.2 计算模型的几何结构

旋风分离器主要由入料管道、排气管道、筒体、锥体四部分组成，在工作过程中，含尘气体由入口管道进入设备内部，经过净化处理后，净化气体由排气管道排出，颗粒由锥体段底端排出。旋风分离器整体结构图如图1所示，其模型各部分尺寸如表1所示。

图1 旋风分离器整体结构图

筒体直径/m升气管直径/m排尘口直径/m升气管插入深度/m入口截面高度/m入口截面宽度/m总高度/m锥体段高度/m0703250159085035022952

1.3 网格划分与边界条件

通过网格生成软件Gambit2.4.6进行前处理，将计算域分成五个子区域，分别为进口段、出口段、环形空间段、圆柱分离空间段、圆锥分离空间段；采用非均匀的六面体网格对其进行划分，网格数量为63 763个。旋风分离器的整体网格如图2所示。

图2 旋风分离器的整体网格

入口气流为流动速度20 m/s的常温空气，入口湍流的指定方法为湍流强度I和水力直径DH；排气口边界为出口处湍流流动达到充分发展状态，即各变量的法向梯度为零；将灰斗最底端设为出口边界，因为几乎没有气流从底部流出，故气流流量为0；壁面采用无滑移边界，粗糙度为0.5，壁面效应采用标准壁面函数法。

2 模拟结果与分析

2.1 切向速度分布

在旋风分离器内切向速度具有非常重要的作用，其带动颗粒做高速旋转运动，并在离心效应下将颗粒甩向器壁，从而实现固、液、气三相体的分离。旋风分离器不同截面示意图如图3所示。

图3 旋风分离器截面示意图

旋风分离器的切向速度云图和切向速度分布图如图4、图5所示。由图4、图5可知：排气管下部分离空间内切向速度的轴对称性较好，其呈现出明显的“驼峰”形分布，即每侧存在一个最大切向速度点，所有最大切向速度点形成一个分界面；分界面将旋风分离器内的流场分为中心准强制涡和外部准自由涡，中心区域强旋涡运动的离心作用有利于颗粒向外部运动，而旋流强度较低的准自由涡区域对颗粒的携带作用减弱，这样便于颗粒在壁面附近被捕集。这种流动结构十分有利于物料的分离，该结论与文献[13-15]的实测结论一致，能够验证所选数值模拟方法的正确性。

图4 旋风分离器的切向速度云图

图5 旋风分离器的切向速度分布图

与图4、图5对应的旋风分离器切向速度梯度分布直方图如图6所示。

图6 旋风分离器的切向速度分布直方图

由图6可知：切向速度绝大部分为负值，这是因为柱坐标系中切向速度的正方向是由右手定则确定的，且研究中以z=0为基准面；极小部分流体的切向速度方向为正，这说明流场中存在局部二次涡流；旋风分离器内切向速度分布较均匀，80%以上的切向速度在入口气速的0.5～1.8倍范围内，且数值分布合理，有利于不同物料的分离。

旋风分离器的最大切向速度沿轴向分布情况如图7所示。

图7 旋风分离器的最大切向速度沿轴向变化曲线

由图7可知：最大切向速度沿轴向从顶部(z=2.95 m)到底部(z=0 m)呈现递增的趋势，顶部的切向速度增幅较大，靠近底部的切向速度有所增大。这是因为旋风分离器内的流场较复杂，内部存在局部紊流。

旋风分离器的局部二次涡示意图如图8所示。由图8可知：该旋风分离器内的主流为双层旋流，外部流向下旋转，中心流向上旋转，主流上存在许多局部二次涡。部分气体由进料口进入并沿壁面向上流动，在顶部反转后沿着排气管外壁向下流动，从而形成环形空间内的纵向涡流(图8(a))；由于排气管下端附近的径向速度较大，小部分流体通过进料口直接进入排气管，从而形成短路流(图8(b))；进入灰斗的部分气体从中心部位返回分离器，与锥形管下段高速旋转的内旋流混合，偏斜的内旋流的下段呈现出“摆尾”现象，并周期性的扫到器壁上，从而形成若干个偏心的纵向环流(图8(c))。

图8 旋风分离器的局部二次涡示意图

2.2 轴向速度分布

旋风分离器的轴向速度等直线图和轴向速度分布图如图9和图10所示。由图9、图10可知：轴向速度沿径向轴对称性较好，其可分为下行流和上行流，二者的分界面是流场内部所有轴向速度为零的点所形成的面，即零轴速包络面(图11)。零轴速包络面在筒体部分呈现为圆柱面，在锥体部分呈现为锥角小于锥体顶角的圆锥面，从而使锥体部分仍有部分下行流，这有利于己被分离到边壁处的颗粒向下流动。

以零轴速包络面为界，其两侧的轴向速度由近到远先增大后减小，直至减小到零附近。旋风分离器的轴向速度分布为：中心轴线附近存在一个波谷，最低点接近零，少数截面上会出现负值，即存在滞流或回流现象，所选模型可以较好地预报切向速度的双涡结构和强旋转下的滞留或回流现象。

图10 旋风分离器的轴向速度分布图

图11 旋风分离器的零轴速包络面图

2.3 流场的湍流结构

湍动能主要来自湍流脉动，通过雷诺切应力做功为其提供能量。旋风分离器的湍动能分布云图和湍动能分布图如图12、图13所示。由图12、图13可知：湍动能主要集中在出口分离段附近，分离器外壁面处、中心区域内的湍动能较小，圆柱分离空间的环形区域内的湍动能较大。因此，湍流在这个柱状环形区域内损失的能量较大。

图12 旋风分离器的湍动能分布云图

图13 旋风分离器的湍动能分布图

湍动能耗散是指湍流动能与分子动能之间发生输运，最终将这些能量转化成热能。旋风分离器的湍动能耗散云图和湍动能耗散率分布图如图14和图15所示。由图14、图15可知：靠近排气管壁面处的湍动能耗散率很大，其数量级高达104m2/s3。

图14 湍动能耗率云图

图15 湍动能耗散率分布图

3 结论

选用RSM湍流模型，离散对流项采用QUICK差分格式、压力梯度项采用PRESTO格式，对旋风分离器的流场进行数值模拟，可得出如下结论：

(1)切向速度呈现出明显的“驼峰”形分布，即每侧存在一个最大切向速度点，80%以上的切向速度为入口气流速度的0.5～1.8倍；主流为双层旋流，主流上存在许多局部二次涡。

(2)零轴速包络面在筒体部分呈现为圆柱面，在锥体部分呈现为圆锥面；以零轴速包络面为界，其两侧的轴向速度由近到远先增大后减小，直至减小到零附近。

(3)湍动能在外壁面处、中心区域内较小，在圆柱分离空间的环形区域内较大；靠近排气管壁面处的湍动能耗散率较大，为了提高分离效率，可以减少或者推迟湍流的发生。

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Study and numerical simulation of flow field of cyclone separator in pulverized coal pyrolysis system

ZHANG Hong-wei1,2,CHEN Shui-miao1,2,GENG Ceng-ceng1,2,MEI Lei1,2, ZHANG An-qiang1,2,XIAO Lei1,2,WU Dao-hong1,2,

(1.Beijing Shenwu Environment & Energy Technology (Group) Co., Ltd., Beijing 100200,China;2.Beijing Low Rank Coal with Organic Waste Pyrolysis Upgrading Engineering Technology Research Center, Beijing 100200,China)

In order to bring to light the law governing the distribution of flow field of the cyclone separator in powdered coal pyrolytic system, a RSM turbulent model is established with the cyclone separator in field use as object.The numerical simulation of the separator's flow field is conducted using the QUICK format for the discrete convection term and the PRESTO format for the pressure gradient term.The analysis made on distributions of tangential velocity and axial velocity, and turbulent structure of the flow field indicates that by using the numerical simulation method, the law governing the distributions of the tangential velocity and axial velocity, and the turbulent structure of the flow field can rationally be revealed.This provides a basis facilitating the subsequent modeling of particle field.

pyrolysis of coal fines; cyclone separator; numerical simulation; turbulence model

1001-3571(2016)01-0004-06

TQ536

A

2016-01-20

10.16447/j.cnki.cpt.2016.01.002

中小企业发展专项资金(SQ2013ZOA000003)

张宏伟(1985—)，男，天津市人，助理工程师，硕士，从事煤炭快速热解仿真计算研究。

E-mail：zhanghw445@163.com Tel：010-60751999-2266