底部漏气对旋风分离器分离性能影响

【摘 要】旋风分离器工作时，空气会从排尘口吹入筒体。底部漏气会影响旋风分离器内颗粒的分离性能。利用计算流体动力学软件Fluent 6.3，采用雷诺应力模型和离散相模型建立了旋风分离器的数值模拟模型，研究了底部漏气对内部流场及分离效率的影响。结果表明，漏气率越大，旋风分离器底部外旋流切向速度下降越明显；相同漏气率下颗粒直径越小，分离效率越小；相同直径颗粒漏气量越大，分离效率越小。

【关键词】旋风分离器；底部漏气；分离效率；切向速度

引言

旋风分离器（简称旋分器，下同）是利用含有固体颗粒的气体旋转产生的离心力分离气固两相的装置。由于其具有结构简单紧凑、操作维护方便等诸多优点，所以在石油、化工等行业得到广泛应用。影响旋分器分离性能的因素较多，如气流入口结构[1，2]、底部出灰结构[3]、操作温度、压力[4]以及壁面粗糙度等。

实际监测发现，旋风分离器正常工作时，排尘口附近有一定的负压，若因密封不严等问题导致漏风，就会致使旋风分离器底部漏气。

本文利用计算流体动力学软件Fluent 6.3，建立了旋分器的数值模拟模型，利用数值模拟研究了底部漏气对旋分器流场以及分离效率的影响。

1 旋分器模型建立及验证

1.1 几何模型

建立与文献[5]相同的旋分器几何模型，如图1所示。为了便于分析，在旋分器进料口上端筒体中心位置建立柱坐标系，r-θ平面为筒体上端面，z轴竖直向下。

为了重点考察旋分器底部出现漏气后其内部流场的变化情况，在计算时，将模型的灰斗部分简化为旋分器底部平面，并在计算分离效率时，认定粉尘颗粒达到此平面即被分离出去。

1.2 数值模拟模型

1.2.1 湍流模型

选用雷诺应力模型（RSM），以更真实模拟旋分器内部旋流流场。

1.2.2 边界条件

边界条件设定如图2所示。设置旋分器入口速度Vo=7.5m/s。顶部升气管出口设置为流出边界（Outflow），底部除尘口设置为压力出口（Pressure-Outlet），其余边界为无滑移等温壁面，温度T=300K。离散相颗粒选用滑石粉，密度为2750kg/m3，浓度为9.5g/m3，颗粒直径分别为1.5、1.7、2.0、2.2和2.5μm。采用离散相内的Injection，颗粒在入口边界处以7.5m/s速度喷入旋分器内。不同旋分器壁面设置不同的颗粒运动轨迹，依据实际工况，旋分器壁面设置为反射（Reflect），旋分器底部压力出口边界设置为捕获（Trap），升气管出口边界设置为逃逸（Escape）。

1.3 网格划分及独立性分析

本文采用网格尺寸1mm进行模拟计算。

2 模拟结果及分析

选取旋分器底部z=705 mm、755 mm截面，定量研究不同漏气率下截面的切向速度分布。

试验结果表明：

1）在同一截面上，漏气率越大，旋风分离器底部外旋流切向速度下降越明显，气流旋转越弱，固体颗粒受的离心力越小。

2）不同颗粒直径的粉尘规律类似，分离效率均随着泄漏率的增大迅速降低。例如，固体颗粒直径为1.5μm，漏气率为2%时，分离效率为68%左右，相比无漏气工况下降了16.79%；当泄漏率升至10%时，分离效率下降至约10%，相比无漏气工况下降了74.3%。可见底部漏气对旋分器的分离效率影响很大。

3）相比无漏气工况（漏气率为0），漏气后不同直径的固体颗粒分离效率都有所降低。相同漏气率下，固体颗粒的直径越小，分离效率越低。当漏气率为10%时，2.5μm的固体颗粒分离效率下降了13.52%，而1.5μm的固体颗粒，分离效率下降了74.3%。说明底部漏气对小直径颗粒的分离影响显著。

根据上述分析可知，当旋分器底部发生漏气时，内部流场发生扰动，导致旋分器底部流场外旋流的切向速度降低，固体颗粒受到的离心力变小，同时颗粒受到明显的漏气向上吹动作用，致使分离效率大大降低。颗粒直径越小，这种效果越明显，分离效率越低。因此，旋分器下部颗粒出口的密封非常重要，该位置存在较大的负压，如果该处密封不严将严重影响分离效率。

3 结论

利用计算流体动力学软件Fluent，数值模拟了旋分器内部流场，重点研究了底部漏气对旋分器内部气流切向速度和颗粒分离效果的影响。结果表明，旋分器底部漏气，使底部流场外旋流切向速度降低，是导致分离效率降低的最主要原因。分离效率降低程度与颗粒直径以及漏气率有关。漏气率越大，颗粒直径越小，分离效率越低。在日常巡检及大修时必须对旋分器下部颗粒出口的密封状况进行检查，以保证分离效率。

参考文献：

[1]葛坡，袁惠新，付双成.对称多入口型旋风分离器的数值模拟[J]. 化工进展，2012，31（2）.

[2]李永健，王建军，金有海.入口挡板对旋风分离器内流动分布影响的试验研究[J].当代化工， 2011， 40（3）.

[3]Fraser S M，Abdel-Razek A，Abdullah putational and experi- mental investigations in a cyclone dust separator [J].Journal of Process Mechanical Engineering， 1997，22（4）.

作者简介：

牛振（1985—），男，助理工程师，中国一重大连核电石化事业部。