细颗粒物在旋风分离器内流动特性_赵海超.pdf

第 卷 第 期 年 月 化 学 工 程（）收稿日期：基金项目：国家自然科学基金青年项目（）；江苏科技大学青年创新项目（）作者简介：赵海超（），男，硕士，研究方向为气固两相流，电话：，：；顾丛汇，女，博士，副教授，通信联系人，：。细颗粒物在旋风分离器内流动特性赵海超，顾丛汇，杜明铺，刘 源（江苏科技大学 能源与动力学院，江苏 镇江）摘要：为了研究操作条件和颗粒特征对细粉体颗粒在旋风分离器中流动状态的影响，文中采用欧拉拉格朗日方法对细颗粒在旋风分离器内的停留时间进行模拟计算。探究入口气速、粉体粒径和固气比对粉体在旋风分离器内的停留时间分布密度函数、平均停留时间和停留时间量纲一方差的影响。结果表明：粉体颗粒在旋风分离器内部的停留时间分布密度函数总体呈正态分布；当入口气速 时，粉体颗粒平均停留时间为 ，停留时间量纲一方差为 ，此时粉体颗粒平均停留时间最长，颗粒运动状态更接近平推流；在模拟工况范围内，随着粉体粒径增大，停留时间量纲一方差增大，颗粒在旋风分离器内的返混程度加剧；颗粒粒径和固气比变化对平均停留时间影响较小。关键词：旋风分离器；计算流体力学；气固两相；停留时间中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：，（，）：，（），（），：；目前全球工业化迅速发展，煤、石油等化石燃料普遍被燃烧使用，排放出大量有害气体和粉尘颗粒，对生态环境带来巨大的污染和危害。在“双碳”工作推进下，对颗粒在高效粉体分离设备内的流动状况展开研究，深入了解粉体在反应器内部的停留时间分布规律，建立合适的流动模型，有助于对现有设备进行结构改进和创新研发，能够有效减少碳排放。旋风分离器结构简单且具有高效的分离效率而被广泛用于工业除尘、物料输送等领域。由于旋流场的变化错综复杂，从实验探究粉体颗粒在旋风分离器内部的运动规律难度较大，目前已有关于旋风赵海超等 细颗粒物在旋风分离器内流动特性 投稿平台：分离器的大多数研究均是采用数值模拟的方法开展。刘英杰等在双流体模型及修正曳力模型的基础上，使用停留时间分布模型对催化裂化装置汽提器内气体和催化剂的停留时间进行计算模拟，发现催化剂的停留时间分布（）曲线呈平滑的单峰分布，并出现了拖尾现象。等基于计算流体力学对旋风太阳能反应器进行停留时间分布模拟分析，发现示踪剂停留时间和方差分布会随流速和气体种类的变化而变化，反应器内的旋风或涡流会延长平均停留时间。王振波等用双流体模型模拟了短接触旋流器内的流动，探究了导流叶片对停留时间的影响，研究发现导流叶片的设置延长了颗粒停留时间 。李安俊等使用双流体模型研究了不同颗粒入口位置下的停留时间，发现随着颗粒入口位置远离轴心，颗粒浓度降低，颗粒停留时间增长。袁世威等用雷诺应力模型对比基准型旋风分离器和双螺旋导流型旋风分离器，发现气流在双螺旋导流型旋风分离器内的停留时间增加 倍，更利于颗粒分离。目前，有关旋风分离器的研究较少涉及颗粒相停留时间。文中基于计算流体力学采用欧拉拉格朗日方法对旋风分离器内部粉体颗粒进行模拟，得到了入口气速、粉体粒径和固气比 个参数变化下颗粒在旋风分离器内部停留时间分布规律，探讨了粉体颗粒在设备内部的流型及运动机理。模型建立与数值方法 几何模型基本参数研究对象旋风分离器进气口尺寸 ，排气口半径为 ，集料口半径为，图 为旋风分离器结构示意图，其几何尺寸见表。图 旋风分离器三维模型 表 旋风分离器结构几何尺寸参数 参数筒体半径筒体高度锥体高度进气口高度进气口宽度排气口半径集料口半径数值 模型基本控制方程文中采用湍流模型为 。连续性方程：（）（）式中：为气体的密度，；为气流运动的时间，。动量方程：（）（）（）（）式中：、为气流速度在、方向的分量，；为气体的压力，；为气体的黏度，；、为气流速度一阶导数在、方向的分量，；表示气流速度一阶导数乘积的时均值。输送方程：（）（）（）（）（）（）式中：、分别为气流位移在、方向的分量，；表示 符号。固相模拟对象为粉体颗粒，采取离散相模型并结合颗粒随机轨道模型对固相颗粒进行模拟，离散相运动方程表示为：（）式中：为颗粒质量，；为颗粒的速度，。、分别为颗粒重力和离心力，。为颗粒在流场受到流体的曳力，文中采用 曳力模型。其表达式为（）（），（）（），（）（）化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：其中：()，()，()（）式中：为颗粒直径，；为气流速度，；为颗粒速度，；为气体空隙率。（）式中：为颗粒运动速度切向分量，；为颗粒所在位置半径，。边界条件及算法设置在生产工艺中物料在旋风分离器集料口被收集，少量颗粒从排气口跟随气流逃逸离开。旋风分离器底部集料口和顶部排气口均设置为，旋风分离器壁面为完全弹性，采用固定无滑移边界。旋风分离器内部流场压力速度耦合采用 算法，时间步长取。计算域网格划分及模型验证首先对旋风分离器进行模型构建，划分网格数为 ，的 种不同网格数量的结构化网格。入口气速为 时，保持其他参数设置一致，当模型网格数量大于 后，旋风分离器压降保持稳定在 ，此时网格数量不再对计算结果产生影响，故最终确定网格数量为 。为验证数值模拟结果的可靠性，将颗粒分离效率与文献实验数据进行对比。如图 所示，模拟计算得到颗粒分离效率与实验误差最大 ，产生误差的原因是颗粒在进气口浓度与实际存在差异，计算模型结果与实验数据能够较好吻合，该计算模型能够比较准确地预测旋风分离器的性能。图 数值模拟和实验数据的分离效率对比 结果与讨论 颗粒停留时间评价指标停留时间是指粉体质点从进气口进入旋风分离器到从集料口离开所用的时间。在操作过程中，物料主要通过集料口被分离。在本文的模拟中，仅在模型设备集料口处统计各个颗粒的时间信息，忽略从排气口逃逸的少量颗粒。粉体颗粒停留时间分布密度函数（）：（）（）（）（）式中：（）为 时刻集料口捕集颗粒数量。颗粒 平 均 停 留 时 间 和 停 留 时 间 方差 ：（）（）（）（）（）为消除时间单位的影响和更清楚地描述颗粒运动时的返混程度，选择使用量纲一方差：（）式中：为量纲一方差，其大小介于 和 之间，反映了粉体颗粒流动时的状态与平推流和全混流 种流型的接近程度。时粉体颗粒不发生混合，颗粒流动状态为平推流；时粉体颗粒完全混合，颗粒流动状态为全混流。入口气速影响粉体粒径为 ，固气比为 时，在不同的入口气速下颗粒在旋风分离器内部的停留时间分布概率密度曲线，如图 所示。颗粒在 种不同气速下的 曲线都近似呈现为正态分布，并且在不同的工况条件下 曲线的峰值与出峰时间都存在较为的明显差异。在气速为 时，颗粒的 曲线峰值最低，出峰时间也最长。当入口气速增大时，颗粒 曲线峰值也随之增高，曲线出峰时间也更早，同时曲线峰值跨度变窄，曲线拖尾越长。因为旋风分离器入口气速越快，颗粒在设备内运动速度越快，从入口运动至出口所花费的时间就越短，大部分颗粒能够更早地在集料口被收集。曲线峰值越高，表明颗粒被气流携带运动时在设备内的扩散性较差，大部分颗粒同时被气流携带至集料口处，在集料口被收集时颗粒更加密集。曲线分布出峰时间越早表明颗粒在旋风分离器内部存在的死赵海超等 细颗粒物在旋风分离器内流动特性 投稿平台：区范围越小，气速越大颗粒短路效应越明显越不容易在内部产生聚集。图 不同入口气速下粉体颗粒停留时间分布密度函数 不同气速下粉体颗粒的停留时间特征参数如表 所示，入口气速为 时颗粒的平均停留时间最长，量纲一方差最小，；入口气速为 时颗粒平均停留时间最短，相比 的平均停留时间缩短了，量纲一方差最大。随着入口气速的增大，粉体颗粒的平均停留时间逐渐缩短，其量纲一方差逐渐增大，此时颗粒混合程度更高，颗粒在旋风分离器的流型向全混流靠近。表 不同气速下粉体颗粒停留时间特征参数 （）粉体粒径影响在入口气速为 ，固气比为 时，不同粒径下粉体颗粒的停留时间分布密度函数如图 所示，颗粒在旋风分离器内 曲线的峰值随粉体粒径的增加整体呈现先降低再升高的变化规律，最后逐渐降低的趋势，曲线出峰时间也随着粉体粒径的增加表现轻微向左偏移，同时粉体粒径越大曲线跨度越宽。粉体粒径为 时，曲线存在 个峰值，第 个峰值位于 之间，第 个峰值位于 之间，此时颗粒平均停留时间为.。第 个峰值为主峰，大部分颗粒速度与气速相接近，以单颗粒沿旋风分离器壁面运动从底部集料口分离出去。小部分的颗粒受颗粒聚集的影响而与气速相差较大因此形成了后面的尾峰。粒径为 和 时颗粒运动轨迹如图 所示，从图中可以看出粉体粒径从 增加到 时，颗粒在旋风分离器筒体的浓度增大。图 不同粒径下粉体颗粒停留时间分布密度函数 图 颗粒运动轨迹 不同粒径下粉体颗粒停留时间特征参数如表 所示。表 不同粒径下粉体颗粒停留时间特征参数 化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：颗粒平均停留时间随粒径增加先缩短后增长，当颗粒粒径小于 时，颗粒平均停留时间最短为。粒径逐渐增大，颗粒停留时间量纲一方差随之增大。粒径由 增加至 时，量纲一方差增加了 ；而粒径由 增加至 时，量纲一方差增加了 。说明此时大粒径颗粒返混程度比小粒径颗粒更剧烈。固气比影响图 为粉体粒径为 ，入口气速为 时，不同固气比下粉体颗粒停留时间分布密度函数。固气比为 时，曲线峰值最低达到，且曲线出峰时间也最晚。固气比增大时，曲线峰值逐渐升高且增加幅度越来越小。当固气比大于 后对颗粒 曲线影响较小，曲线峰值约为 ，出峰时间在 ，二者基本不再变化。图 不同固气比下粉体颗粒停留时间分布密度函数 不同固气比下颗粒在旋风分离器内平均停留时间及量纲一方差如表 所示，在气速和粒径一定的条件下颗粒在不同固气比范围内颗粒平均停留时间约为 ，当固气比由 增大到，由 缓慢增加到 ，表明固气比越大，旋风分离器内颗粒流型越远离平推流。在工况范围内，固气比对颗粒在设备内的平均停留时间影响较小。表 不同固气比下粉体颗粒的停留时间特征参数 固气比 结论（）粉体颗粒在旋风分离器内的停留时间分布密度函数近似呈正态分布，在模拟工况范围内入口气速、粉体粒径和固气比对颗粒停留时间存在不同程度影响，入口气速为主要影响因素，颗粒粒径和固气比对颗粒停留时间影响较小。（）粉体颗粒平均停留时间小于 ，入口气速越大，密度函数曲线出峰更早，颗粒在设备内的平均停留时间越短。粉体颗粒流型为一般流型，且入口气速越大，颗粒流动状态越接近全混流。（）减小颗粒粒径或固气比，能够减弱颗粒运动中的返混行为，使颗粒相流型向平推流靠近。参考文献：杨英明，孙建东，李全生 我国能源结构优化研究现状及展望 煤炭工程，（）：张天诏 浅谈我国能源利用现状及发展趋势 国土与自然资源研究，（）：刘英杰，蓝兴英，刘旭阳，等 工业催化裂化汽提器内气固停留时间的数值模拟 高校化学工程学报，（）：，（）：王振波，朱丽云，黄峰，等 短接触旋流反应器混合区内气固返混特性模拟研究 高校化学工程学报，（）：李安俊，朱丽云，王振波 轴向进剂位置对旋流反应器内流动结构影响 高校化学工程学报，（）：袁世威，刘建新，孙国刚，等 双螺旋导流型旋风分离器的实验和数值模拟研究 炼油技术与工程，（）：，（）：，（）：王海刚，刘石 不同湍流模型在旋风分离器三维数值模拟中的应用和比较 热能动力工程，（）：赵海超等 细颗粒物在旋风分离器内流动特性 投稿平台：彭丽，柳冠青，董方，等 基于 的旋风分离器结构设计优化 中国粉体技术，（）：，（）：，（）：，（）：，（），（）：，（）：【上接第 页】（）平行流冷凝器的流程增加，系统换热性能增强的同时流动阻力也会增加。入口扁管数越多，制冷工质流动越均匀，越利于冷凝器内工质充分换热，并且流动阻力较小。流程数目为 时，冷凝器扁管数目布置为（，）时，系统换热性能最佳。参考文献：，（）：，（）：，：，（）：，：，：，（）：，（）：，：，：王绚，马国远，周峰 泵驱动两相冷却系统性能优化与变工质特性研究 制冷学报，（）：马国远，魏川铖，张双，等 某小型数据中心散热用泵驱动回路热管换热机组的应用研究 北京工业大学学报，（）：，：，：，：沈德昌 当前风电设备技术发展现状及前景 太阳能，（）：马跃征，许树学，马国远，等 磁力泵驱动两相冷却复合制冷系统特性分析和实验研究 制冷学报，（）：杨友进 基于小传热温差的多元平行流换热器传热与流动性能研究 合肥：合肥工业大学，