排气管结构参数对旋风分离器分离性能影响的数值模拟研究

2020-09-01王孝全赵明

能源研究与利用 2020年4期

王孝全，赵明

（山西国锦煤电有限公司，山西交城 030500）

在工业生产中，需要利用旋风分离器对粉尘进行捕集，旋风分离器不仅具有制造安装投资少、运转和维护成本低的优点，而且能够适用于高温和高压等多种复杂工况，被广泛应用于火力发电等行业。为了提高固体燃料的能源利用，循环流化床锅炉被广泛采用。旋风分离器在物料循环过程中发挥重要作用，是维持燃烧室快速流态化的重要设备，其运行工况的好坏对锅炉的运行稳定性和效率有很大影响。由于愈加严格的粉尘排放标准要求，优化旋风分离器的设计和应用迫在眉睫。旋风分离器在维持低成本的前提下，满足高效率和低损失的要求已成为其应用行业的共同目标。

为了提高旋风分离器的分离效率，国内外学者对分离效率的影响因素进行了许多研究，其中排气管直径和插入深度是较为重要的两个因素。吴小林等人[1]通过熵产生法分析了旋风分离器出口管径对熵的影响，当其取值为筒体直径的0.3～0.5 倍时，分离效率较高。Elsayed 等人[2]认为排气管的直径过大或者过小都会导致分离器分离效率降低。此外，还有许多学者对排气管插入深度的影响进行了相关的研究，但仍存在着一定的不确定性。杨景轩等人[3]和周雷等人[4]的研究成果表明：排气管的插入深度对旋风分离器有重要影响，在其研究范围内，排气管插入深度存在最优值。

为了进一步提高旋风分离器的分离性能，需要对排气管直径及其插入深度进行相关的研究和分析。本文采用数值模拟的方法，对某旋风分离器做1:1 建模，探究旋风分离器分离性能随着排气管插入深度和直径的增加而呈现出的变化趋势，以期为旋风分离器的优化设计提供理论依据。

1 数值模拟方法

1.1 选用模型

本文以某旋风分离器为例，在Gambit 软件中构建1:1 模型，旋风分离器结构示意图如图1所示，旋风分离器计算尺寸见表1。本文选用Gidaspow 曳力模型来模拟旋风分离器内气流对颗粒的曳力作用。旋风分离器气相流场的模拟选用雷诺应力模型（RSM）模型，雷诺应力方程各分量的输送方程为[5]：

1.2 计算介质及边界条件

烟气为计算介质，其性质如表2所示。颗粒密度为1 800 kg/m3，碰撞系数为0.95。不同粒径颗粒的体积份额如表3所示。分离器设置边界条件如表4所示。

表1 旋风分离器计算尺寸

表2 烟气性质

表3 不同粒径颗粒的体积份额

表4 分离器设置边界条件

2 结果分析

排气管插入深度对旋风分离器压降及分离效率的影响如图2所示，旋风分离器压降和分离效率随着排气管插入的深度变化趋势较为剧烈。从图2可以看出，当插入深度为0.5a时，旋风分离器压降较小，且分离效率最高。随着插入深度的不断增大时，分离效率先上升再下降。原因是插入深度过大时，容易发生颗粒的二次夹带，同样不利于颗粒分离；插入深度过小时，会形成短路流，导致颗粒难以被有效分离。旋风分离器的压降随着排气管插入深度的增加先上升后下降，这是因为排气管的插入深度分为两个阶段：首先排气管插入深度由较小逐渐增大时，会造成气流内旋流损失提高，在此阶段，压降逐渐上升并且达到峰值；当压降达到峰值后，排气管插入深度继续增大时，旋流损失减小，气流动能耗散会由于切向速度的减小而减小，在此阶段，压降由峰值逐渐降低[6]。

排气管直径对旋风分离器压降及分离效率的影响如图3所示，从图3可以看出，旋风分离器压降和分离效率随排气管直径变化的趋势较为明显，旋风分离器的压降随排气管直径增大而减小，呈现出负相关的特性。分离效率存在最大值98.2%（0.35D），分离效率整体呈现出先上升后下降的变化趋势。在旋风分离器的压降损失中，壁处摩擦引起的旋涡损失以及出口处气体动能的耗散损失是较为重要的耗散损失[7]。当排气管直径增大时，分离器内漩涡流减弱，进而旋涡损失减小。此外，直径增大会导致壁处切向速度减小和气体动能耗散损失减小。排气管直径过大或者过小都无法实现旋风分离器的分离效率最高。当排气管直径过大时，颗粒受到的离心力变小，也不能有效进行二次分离；当排气管直径过小时，会导致颗粒的二次夹带现象，同样不利于颗粒分离。

综上所述，排气管直径和插入深度对分离器的压降和分离效率有十分重要的影响。为了确保该旋风分离器压降小的同时又能保证较高的分离效率，该排气管直径应该选取为0.35D，插入深度为0.5a。