新型旋风分级器流场特性及颗粒分级性能

针对传统旋风分级器分级效率较低的难题,本文设计了一种中部进风、顶部重力进料式新型旋风分级器,利用数值模拟和试验手段对其流场特征及分级性能进行了研究。模拟结果表明,新型旋风分级器内存在若干旋涡,主气流进入分级器后形成由上、下两个旋涡构成的主分级流场,上部旋涡均为上行气流,下部旋涡为切流返转形式;二次气流形成的细颗粒淘洗旋涡具有近壁面处高转速、中心区快速上升的特点,最大轴向速度达16.5m/s,可强化对边壁处浓集颗粒的剪切分散和淘洗作用,对主分级流场切向速度影响较小,但可使其轴向速度值最大增加100%,这将缩短细颗粒的停留时间;主分级流场与淘洗流场相互作用形成分区流动,具有较明显的动态边界,为粗、细颗粒的定向分离提供了力场基础。试验表明,二次气量占比约20%,主、二次气流气速分别为14m/s和20m/s时,牛顿分级效率可达88%,分级精度指数K值最小为1.84,此时新型旋风分级器具有较高的分级精度。     

流场形态对旋风分级器性能的影响

气流分级器性能的优劣很大程度上取决于流场分布,改变常规旋风分级器的切向进风口位置,在分级空间建立不同类型的离心流场,采用数值模拟和分级试验手段分析了分级流场形态对颗粒运动过程和分级性能的影响。结果表明,传统旋风分级器边壁下行流造成粗粉中细颗粒夹带较多,影响分级精度;新型旋风分级器内形成上下两个旋涡,上旋涡均为上行气流,其流量约占总风量的80%,下旋涡携带细颗粒较少,降低了细颗粒进入粗组分的概率;上旋涡可实现对边壁区的细颗粒的轴向淘洗、再分级,提高了分级精度。试验结果表明,入口气速从10m/s增加至22m/s。相较于传统旋风分级器,新型旋风分级器的分级性能明显改善,分级精度指标平均提高27%,压降损失为传统旋风分级器的53%~62%。     

进料位置与风速对旋风分级器颗粒分级效果的影响

根据旋风分级器内气流速度分布特点进行了进料区域划分,运用非稳态离散相模型和分级实验对比了3个代表性进料位置对颗粒运动轨迹及分级精度的影响,分析了1 μm和10 μm颗粒在不同区域内的受力情况。结果表明,边壁区域进料造成粗组分中细粉夹带现象严重,分级精度差;中部进料区域内流场强度大,粗颗粒受离心力强,细颗粒受轴向气流曳力大,有利于减少颗粒在分级区的停留时间,实现粗、细颗粒的快速分级,对改善分级精度有利;中心位置进料延长了粗颗粒的分级运动路程,增加了粗组分跑损的概率,模拟计算15 μm的粗颗粒进入细组分的质量分数达到11.7%。经实验验证,入口气速在10～22 m·s^-1,中部区域进料时分级后粗、细组分粒度分布曲线重合区面积最小,分级粒径比率值平均提高了25.3%,研究结果为离心气流分级设备的进料位置设计提供了一定的指导。     

不同形式导流板对旋风器性能影响的试验研究

通过对加设不同形式导流板的旋风器进行试验研究,结果表明:不同形式导流板均不同程度地降低了旋风器阻力,同时也对分离效率产生了不同的影响.其中3#、4#导流板降阻幅度较大,但分离效率相对较低;2#的降阻效果强于1#,但弱于3#、4#,同时并没有降低分离效率;1#导流板只在一定限制条件内有减阻效果,其总体分离效率却比较高.     

螺旋型减阻器对旋风分离器减阻作用的研究

本文根据对旋风分离器内流场中切向速度及全压压降分布特性的分析，认为旋风分离器压降主要集中在对分离无效的内旋涡区和出口带走的气流旋转功能损失。据此提出一种抑制内旋涡流动并回收出口气流旋转动能的螺旋减阻装置。本文研究了这种装置的减阻特性，获得了降低压降４０％、而对分离效率影响＜１％的显著效果。     

防返混锥对双循环旋风器性能的影响研究

前面的研究表明,双循环旋风分离器的设计使得大于3μm颗粒的分离效率接近100%。本文通过CFD模拟软件Fluent 6.2对带有防返混锥的双循环旋风分离器内的压力场和颗粒轨迹进行了数值模拟,并与实验结果进行了比较,模拟结果和实验结果基本一致。模拟得出防返混锥可使分离器的阻力系数增加12%,并减小灰仓内3μm以下颗粒的返混量。实验结果表明,进口气速在8～21m/s时,防返混锥可使主进口和回流口的阻力系数分别增加14.6%和11.8%;当进口平均气速在15～19m/s时,若采用主进口进料,防返混锥可使总分离效率提高0.15%～0.2%;若采用回流口进料,可提高1.5%～2%。     

双循环旋风分离器除尘机理的数值模拟

双循环旋风分离器通过将主进口设置在筒体中部,将顶部进气口设置为回流口,消除了进气口附近的二次流,避免了短路流,将大于3μm颗粒的分离效率提高至接近100%,并避免了少量11—15μm颗粒的短路逃逸。为了探索该设备的除尘机理,借助CFD软件,通过数值模拟研究的方式,辅助分析了2种进气口在分离性能上不同,传统旋风分离器不能完全分离3—8μm和11—15μm颗粒的机理,以及消除二次流的方法。计算结果表明:当回流气速低于主进气速时,会产生类似于顶端进气口的现象,即二次流、灰环和短路流,降低了小于6μm颗粒的分离效率。当回流气速略大于主进气速时,可以完全消除主进气口附近的二次流,使得所有粒径颗粒的分离效率都较高。模拟结果与实验结果从定性的角度符合较好。     

局部磨损对α型旋风分离器内流场及分离性能的影响

以α型旋风分离器为研究对象,基于欧拉-拉格朗日方法,采用雷诺应力模型（RSM）、颗粒离散相模型（DPM）、E/CRC磨损方程对分离器内流场与磨损特性进行数值模拟。通过分析速度矢量、切向速度、颗粒运动轨迹等参数的分布规律,研究了局部磨损对设备内流场及分离性能的影响。结果表明,α型旋风分离器入口正对壁面磨损最为严重,最大磨损率约为1.4×10^-5kg/(m²·s)。磨损引起壁面几何结构的改变,导致气流方向发生偏转,不利于主流的稳定与固体颗粒的分离。随局部磨损的加剧,排气管下口短路流急剧增大,从而导致排气管下口以下区域流体流量减少,外涡切向速度降低;细颗粒的逃逸现象更加明显,粗颗粒运动轨迹趋于重合,更易形成高浓度灰环加剧壁面磨损。与未磨损时相比,局部磨损厚度50mm时,3μm粒径颗粒的分离效率由74.38%降低至54.97%,分割粒径d₅₀由0.73μm增大至2.36μm;设备压降降低了约15.41%。     

中心棒对石膏旋流器工作性能的影响

针对火电厂石膏旋流器运行中存在空气柱及底流夹细等问题,设计倒锥形中心棒取消空气柱,改善石膏旋流器的工作性能。采用实验方法分析不同入口压强下石膏旋流器性能的变化情况,得到无中心棒、圆柱形中心棒、倒锥形中心棒对生产能力、底流浓度、底流含固量以及底流浆液中石膏颗粒分布的影响。结果表明：与无中心棒相比,采用倒锥形中心棒能够使生产能力提高18%,底流含固量增大22%,分级性能对入口压强具有良好的适应性,并能够有效缓解底流夹细现象。     

带导流叶片的JLX型旋风分离器数值模拟研究

为了确保IGCC燃气轮机长时间平稳运行,IGCC粗煤气需要在进入燃气轮机前将气流中携带的尘粒脱除。文中针对IGCC特定的工艺条件,开发了一种新的JLX型径向进口旋风分离器,并采用Fluent软件进行了数值模拟,研究了相关参数对分离器性能的影响。结果表明:螺旋导流叶片可有效改善流场分布,并实现对粉尘颗粒的预分离;随着导流叶片旋转圈数的增加,压力损失和切向速度随之增加,粒级效率先增加后趋于平缓,1.5圈为最优旋转圈数;随着导流叶片螺旋倾角的增加,环形空间切向速度和压力损失也随之减小,而较小的导流叶片螺旋倾角对提高粒径大于7μm的粉尘颗粒粒级效率是有利的。     

Function and effect of the inner vortex on the performance of cyclone separators

The inner vortex plays a key role in the performance of cyclone separators. To explore the function and effect of the inner vortex in cyclone separators, a series of metal rods and metal blades are inserted in the typical Lapple cyclone separator to reduce the intensity of the inner vortex. First, the changes in general performance of cyclones are measured by experimental methods after insertion of the metal rods and metal blades. The flow field and particle motion are then simulated, respectively, by means of a Reynolds stress model (RSM) and a Lagrangian particle tracking (LPT) model. The results show that when the length of the metal blades is less than the boundary between the inner and outer vortexes, that is, the outer vortex remains unchanged and the inner vortex is destroyed partly, the separation efficiency remains constant and the pressure drop significantly decreases. When the length of the metal blades exceeds the boundary, the inner vortex is completely destroyed, and the outer vortex is significantly damaged, which results in sharp decrease of both the separation efficiency and pressure drop. The results indicate that the inner vortex has a notable effect on the pressure drop and virtually none on the separation efficiency. © 2017 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 63: 4508–4518, 2017     

旋风分离器分离性能的数值模拟与分析

以XLPB-5.0和XCX-5.0两种旋风分离器为原型,采用CFD软件对这两种旋风分离器进行了流场与分离效率的数值模拟,初步探讨了入口蜗壳形式与芯管结构对分离效率的影响。模拟结果显示:旋风分离器内流场呈各向异性分布特点,切向速度是影响分离效率的首要因素,径向速度的存在会造成"流场短路"现象,使轴向速度呈不对称分布,导致分离效率的降低。轴向速度与径向速度的共同作用促使颗粒在旋风分离器内做螺旋运动;XLPB-5.0和XCX-5.0的分离效率分别为92.55%和94.96%,与实验结果基本吻合,且不同芯管参数下XCX型的分离效率比XLPB型高;螺旋式入口蜗壳(XCX-5.0型)对旋风分离器上部流场的影响相比直流式入口蜗壳(XLPB-5.0型)复杂;对于两种旋风分离器,随着芯管直径的增大,分离效率逐渐变小;随着芯管深度的增大,分离效率先增大后减小。     

MVR系统中管柱式气液旋流分离器性能研究

机械式蒸汽再压缩技术中,蒸发器产生的蒸汽进入压缩机前需要进行气液分离,考虑到结构紧凑性与分离稳定性,本文提出采用管柱式气液旋流分离器进行此操作,对其进行了结构参数设计和Fluent数值计算。经过研究：发现溢流管和底流管尺寸对分离器性能影响较大,改变二者数值大小,当溢流管直径为50mm、底流管直径为40mm时,溢流管和底流管的气、液相体积分数可分别达到1,且满足文献中对于出口流速的要求;证明了分离器流场内外旋流与内旋流的运动规律,两者旋向相同,运动方向相反;相比较单入口,采用双入口的管柱式气液旋流分离器,内部流场参数分布高度对称,分离过程更加稳定;适当增加旋流器直径,可降低流体通过压降,缩短纯液相区与纯气相区间过渡区域,改善分离器性能。     

Numerical and experimental study on the effect of solid particle sphericity on cyclone pressure drop

The continuous flow inside cyclone separator is usually simulated by solving the Reynolds averaged Navier–Stokes equations in Eulerian reference frame whereas the dispersed phase is modeled using Lagrangian approach. Although these methods have had a remarkable success, more advanced ideas are needed to model particulate phase in cyclones, especially the non-spherical shaped particles. Numerical simulation is verified with experimental results for the gas-solid flow in a cyclone separator. Reynolds Averaged Navier–Stokes equations (RANS) employing the RNG-based k–ε turbulence model are used to simulate the gas phase. 3-D particle tracking procedure is used for the solid phase. Three different equations for the drag coefficient are utilized in the numerical modeling to acquire more understanding of the behavior of non-spherical particles in cyclones. Computations resulted in the difference of pressure between the inlet and exit of the cyclone, and results are compared with experimental data. Experiments included measuring the separation efficiency of different shapes and sizes of particles. The results indicate that the CFD simulation can effectively reveal the pressure drop behavior as well as separation efficiency of gas-non-spherical particle flow in cyclone.     

防返混锥对旋风除尘器内二次流的抑制效果研究

旋风除尘器下部灰斗内存在的二次流会引起被捕集颗粒重新进入气流,进而导致旋风除尘器除尘效率下降。为有效抑制灰斗内二次流,采用内置防返混锥的手段,对不同防返混锥几何尺寸与安装位置的旋风除尘器进行两相流数值模拟。结果表明,内置防返混锥减少了灰斗内流场的切向、轴向速度及湍流强度,对旋风除尘器灰斗内二次流所引起的颗粒返混现象有显著的抑制作用。模拟结果推荐防返混锥最佳几何尺寸的顶角角度为80°,最佳安装位置为底面与锥口的垂直距离0.375B≤Bs≤0.5B。在入口速度为12 m/s时,与原结构相比,总除尘效率提高11.50%,压降增加8.29%。     

差异旋风分离器并联性能测量及流场分析

通过改变旋向和芯管直径,设计了3种差异旋风分离器,并按中心对称方式组成了3种并联方案：相同分离器、旋向差异分离器和芯管差异分离器并联。在冷态实验装置上,测量了单分离器和并联分离器的性能,并利用FLUENT软件分析了并联分离器的流场。结果表明,并联分离器的效率均高于单分离器,且效率-气速曲线未出现“驼峰”;与相同分离器并联相比,旋向交替变化时并联总压降较小,分离效率也更低,但各分离器流量分配均匀,未发现“窜流”现象;当芯管有差异时,并联总压降增大,各分离器进口流量分配不均匀,且进、出口流量平均相差6.0%,公共灰斗中存在“窜流”,旋流稳定性变差,效率降低。为了保证并联分离器的性能,应采用相同分离器对称并联的方式。