（动力机械及工程专业论文）电厂燃煤飞灰取样与分离性能研究.pdf

： 一 f 0 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 导师签名： 签字日期：力和年月矽日 ，一 - f 北京交通大学 硕士学位论文 电厂燃煤飞灰取样与分离性能研究 s t u d yo ns a m p l i n ga n ds e p a r a t i n gp e r f o r m a n c eo f f l y - a s hi np o w e r p l a n t 作者姓名：张伟 导师姓名：杨弓 学位类别：工学 学科专业：动力机械及工程 学号：0 8 1 2 1 9 2 6 职称：蚕i j 教覆 学位级别：硕士 研究方向：电厂节能 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 ，j 致谢 本论文的工作是在我的导师的悉心指导下完成的，教授严谨的治学态度和科 学的工作方法给了我极大的帮助和影响，在学习上和生活上都给予了我很大的关 心和帮助。在此衷心感谢两年来导师对我的关心和培养。 在实验室工作及撰写论文期间，实验室的其他老师对我的论文研究工作给予 了悉心指导，大唐国际发电厂的工程师提供了一些技术指导，同学潘绪霞、李苗 倩、杨小龙、师弟余长海给予了热情帮助，在此一并向他们表达我衷心的感激与 诚挚的敬意。 感谢我的父母、亲人、以及所有给予我鼓励和支持的老师和朋友。 l- 一、 ， 卜 i 中文摘要 中文摘要 摘要：随着低碳经济的深入发展，对电力行业节能减排提出了更高的要求。飞灰 含碳量作为燃煤锅炉的一项主要运行经济指标和技术指标，对电厂节能工作的合 理开展具有重要意义。本文就电厂燃煤飞灰取样与分离性能开展研究，主要工作 成果总结如下。 通过对取样嘴内压力损失的理论研究，确定了飞灰取样嘴的内补偿结构。用 数值模拟的方法分析了内补偿结构对静压的影响，研究结果表明：对于1 0 - 2 0 m s 的等速取样工况，静压在距取样嘴约0 0 1 5 m 处得到了补偿，从而确定了内静压 测孔的位置。通过对取样过程中飞灰颗粒的运动轨迹进行研究，结果表明，细小 颗粒受取样不等速率的影响较大，而对于大于2 0 1 a m 的颗粒，几乎不受影响。通 过在发电厂进行的飞灰取样试验表明：本文设计的取样嘴与自动等速取样装置取 到的飞灰粒度分布比较一致，能够反映烟道飞灰颗粒的真实组分。 本文通过数值模拟的方法对飞灰旋风分离器内气流的动力学特性进行了研 究，分析了其内部的速度分布、压力分布和湍流结构。研究发现：旋风分离器的 中心为向上旋转的强制涡，外部为向下旋转的准自由涡。 通过对飞灰颗粒的运动轨迹和分离性能研究发现：小于3 1 m a 的颗粒由于受到 排气管短路流和排尘口二次返混的影响，分离效率较低；锥型和e t 型排气管分 离效率比d x = 6 0 m m 的圆柱型排气管的效率提高了2 0 左右，而压降仅升高了4 左右。 课题设计的等速取样装置已经在有些电厂飞灰取样设备中得到应用，对飞灰 分离性能规律的研究为旋风分离器的结构改进和性能提高提供了指导。 关键词：燃煤飞灰；等速取样嘴；内补偿结构；旋风分离器；数值模拟 1一rr、 垒呈璺! ! 坠堡! 一一一 _ _ _ - _ - - _ _ _ _ - - _ - _ _ _ 一一 a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h o r o u g h l yd e v e l o p m e n t o fl o w - c a r b o ne c o n o m y , h i g h e r r e q u i r e m e n t sf o re n e r g y s a v i n ga n de m i s s i o n - r e d u c i n gh a v eb e e np u t f o r w a r di n p o w e rp l a n t s a sam a j o re c o n o m i c a la n dt e c h n i c a li n d i c a t o r o fc o a l f i r e db o i l e r , c a r b o nc o n t e n ti nf l y a s hi so fi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o rt h ep o w e rp l a n t st oc a r r yo u t ar e a s o n a b l ee n e r g y s a v i n gp l a n s a m p l i n ga n ds e p a r a t i n gp e r f o r m a n c eo ff l y 。a s hw a s s t u d i e di nt h i sp a p e r , a n dt h em a i n w o r ka n dr e s u l ta r es u m m a r i z e da sf o l l o w s t h r o u g ht h ep r e s s u r e l o s st h e o r e t i c a ls t u d yo ft h es a m p l i n gn o z z l e ，t h ei n n e r c o m p e n s a t i o n s t r u c t u r eo ff l y a s hs a m p l i n gn o z z l ew a sd e t e r m i n e d n u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o dw a su s e dt oa n a l y z et h ei n f l u e n c eo fi n n e rc o m p e n s a t i o ns t r u c t u r e o nt h es t a t i cp r e s s u r e t h er e s u l t ss h o w e dt h a ti n 10 - 2 0 m si s o k i n e t i cs a m p l i n g c o n d i t i o n s ，s t a t i cp r e s s u r ew a sc o m p e n s a t e da tt h ed i s t a n c eo f 0 015 mf r o ms a m p l i n g n o z z l e ，t h e r e f o r et h el o c a t i o no fi n n e rs t a t i cp r e s s u r et e s th o l ew a sd e t e r m i n e d as t u d y w a sc a r r i e do u tt ot r a c kt h et r a j e c t o r yo ff l y - a s hp a r t i c l e s ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h a t s m a l lp a r t i c l e sa r el l i g l l l yi m p a c t e db yn o n - i s o k i n e t i cs a m p l i n gr a t e ，b u tt h e r ei s l i t t l e e f l e e tt ot h ep a r t i c l e sw h o s ee q u i v a l e n td i a m e t e r sa r el a r g e rt h a n2 0 1 a m a ne x p e r i m e n t o ft h ef l y a s hs a m p l i n gw a sc a r r i e do u ti nap o w e rp l a n t , a n dt h er e s u l t ss h o wt h a ti ti s a l m o s ti d e n t i c a lo ft h ef l y a s hp a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o nb yt h es a m p l i n gn o z z l eu s e di n t h i sp a p e ra n da u t o m a t i ci s o k i n e t i cs a m p l i n gd e v i c ea n dt h er e a lc o m p o n e n t so ff l y 一嬲h p a r t i c l e sc a nb e r e f l e c t e d i nt h i sp a p e r , t h ed y n a m i c so fa i r f l o wi nt h ec y c l o n es e p a r a t i o nw a ss t u d i e db y t l l e m 甜l o do fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a n di t s i n t e r n a lv e l o c i t yd i s t r i b u t i o n , p r e s s u r e d i s t r i b u t i o na n dt u r b u l e n c es t r u c t u r ew e r ea n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l y i ti sf o u n dt h a t ：t h e c e n t e ro ft h ec y c l o n es e p a r a t i o ni saf o r c e du p w a r dr o t a t i o nv o r t e x ；t h ee x t e r n a li sa q u a s i f r e ed o w n w a r d r o t a t i o nv o r t e x s t u d yo nt h et r a j e c t o r yo ff l y a s hp a r t i c l e sa n dt h es e p a r a t i o np e r f o r m a n c ef o u n d t h a t s e p a r a t i o ne f f i c i e n c yo fl e s st h a n3 1 a mp a r t i c l e sa r e l o wd u et oe f f e c t so ft h e e x h a u s tp i p es h o r t c i r c u i tf l o wa n ds e c o n db a c k - m i x i n go fd u s tp o r t t h es e p a r a t i o n e f f i c i e n c yo fc o n ea n de te x h a u s tp i p ew a si m p r o v e db ya b o u t2 0 t h a nd x = 6 0 m m c y l i n d r i c a le x h a u s tp i p e ，w h i l et h ep r e s s u r ed r o p p e do n l yi n c r e a s e sb ya b o u t 4 i s o k i n e t i cs a m p l i n gd e v i c et h i sp a p e rd e s i g n e dh a sb e e nu s e di nf l y a s hs a m p l i n g e q u i p m e n to fs o m ep l a n t s t h es t u d y o nl a wo ff l y a s hs e p a r a t i o np e r f o r m a n c e v -1r 北京交通大学硕士学位论文 p r o v i d e sg u i d a n c e f o r t h es t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n to fc y c l o n e k e y w o r d s ：f l y a s h ；i s o k i n e t i cs a m p l i n g ；i n n e rc o m p e n s a t i o ns 仃删：眦；c y c l o n e s e p a r a t o r ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，一、 目录 目录 中文摘要i i i a b s t r a c t 。v 1 绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 飞灰取样研究现状2 1 2 2 旋风分离器研究现状5 1 3 论文的主要工作1 0 2 飞灰等速取样嘴的设计与试验研究1 1 2 1 等速取样嘴的初步设计。1 l 2 1 1 等速取样原理。11 2 1 2 设计的基本思想与理论依据。1 2 2 1 3 取样嘴结构设计。1 5 2 2 取样嘴的优化设计。1 7 2 2 1 取样嘴数值模拟研究方法17 2 2 2 模型的建立及边界条件的设置。1 9 2 2 3 取样嘴锥角的影响一2 0 2 2 4 等速取样工况的压力分布。2 2 2 2 5 内补偿设计对压力的影响。2 4 2 2 6 静压测孔位置的确定一2 6 2 2 7 取样嘴性能分析。2 7 2 3 飞灰颗粒在取样过程中的运动轨迹研究。2 8 2 3 1 计算方法一2 9 2 3 2 几何模型及边界条件的设置。2 9 2 3 3 结果与分析3 0 2 4 飞灰取样试验研究。3 3 2 4 1 试验意义和目的。3 3 2 4 2 飞灰取样器的结构与工作原理3 3 2 4 3 取样器的安装及影响因素。3 5 2 4 4 飞灰颗粒的取样过程3 6 北京交通大学硕士学位论文 2 4 5 飞灰粒度分析试验3 6 2 5 本章小结。4 1 3 旋风分离器内气相流场的数值模拟4 3 3 1 旋风分离器内气相流场数值模拟的求解方法4 3 3 1 1 标准k 模型4 4 3 1 2r n gk 吨模型4 4 3 1 3 动量方程离散格式和压力插补格式的选择4 5 3 1 4 压力与速度的耦合4 6 3 2 几何模型的建立及边界条件设置。4 7 3 2 1 几何模型的建立与网格划分4 7 3 2 2 边界条件的设置4 8 3 3 旋风分离器流场的速度分布4 8 3 4 1 切向速度分布4 9 3 4 2 轴向速度分布5 1 3 4 3 径向速度分布5 2 3 5 流场的湍流结构。5 3 3 5 1 湍流动能5 4 3 5 2 湍动能耗散率。5 5 3 6 旋风分离器压降的研究5 6 3 7 本章小结6 1 4 飞灰颗粒在旋风分离器内运动规律及分离性能研究。6 3 4 1 旋风分离器两相流计算方法及边界条件的设置6 3 4 1 1 欧拉欧拉模型6 3 4 1 2 欧拉一拉格朗日模型。6 3 4 1 3 两相材料的设置6 4 4 1 4 两相边界条件的设置6 5 4 2 旋风分离器内飞灰颗粒轨迹的研究。6 6 4 3 操作参数对飞灰分离性能的影响。7 0 4 3 1 不同粒径颗粒对分离效率的影响7 0 4 3 2 入口速度对分离性能的影响7 1 4 4 旋风分离器结构参数对飞灰分离性能的影响7 3 4 4 1 排气管插入深度对分离性能的影响7 3 4 4 2 排气管直径对分离性能的影响7 7 4 4 3 排气管结构改进对分离性能的影响8 0 目录 4 5 本章小结8 2 5 全文总结与展望8 5 5 1 全文总结。8 5 5 2 展望。8 7 参考文献8 9 作者简历9 3 独创性声明9 5 学位论文数据集9 7 绪论 1 1 研究背景及意义 1 绪论 低碳经济是以低能耗、低污染、低排放为基础的经济模式，是人类社会发展 的重大进步。低碳经济的深入发展，对电力行业节能减排提出了更高的要求。我 国电力行业是一个典型依赖煤炭生存的行业，每年开发的煤炭有近一半用于发电， 这也意味着通过燃烧煤炭排放的二氧化碳，有一半来自于电力行业。而全国7 0 的能源来自于煤炭，如果按照现有的火电比例推算，全国至少四分之一的二氧化 碳排放来自于电力行业。因此，电力行业节能减排亟待加强。 我国是一个煤炭资源相对丰富的国家，通过用煤炭在锅炉中燃烧产生蒸汽推 动蒸汽轮机带动发电机组是我国电力提供的主要方式，其次是水力发电、核电与 风力发电。2 0 0 8 年统计的我国电力装机容量构成中，火电约占7 6 ，水电约占2 2 ， 核电接近2 ，其余为风力等其他电力。随着国民经济的快速发展，国内发电行业 在今后一段时期内仍将同步增长，火力发电占国内发电量3 4 的份额的主导地位不 会有太大的改变。根据第十届世界动力会议预测，即使到2 0 2 0 年，全世界仍然有 7 5 的电力来自以燃煤为主的火力发电机组。 对燃煤火电厂来说，煤耗约占生产成本的8 0 ，因而促进煤炭完全燃烧，降 低发电煤耗，提高燃煤火电厂的效率一直是人们关注的焦点。锅炉的热损失主要 来自排烟损失g ，和机械不完全燃烧损失吼两部分。其中排烟损失由于排烟温度关 系不能无限降低，因此目前大部分电厂都通过降低机械不完全燃烧损失来提高锅 炉的效率。锅炉机械不完全燃烧损失是指由于燃煤飞灰中含有未燃尽的碳形成的 热损失。减少吼的前提是精确和及时地监测飞灰中的含碳量。 燃煤电厂飞灰是指燃料在锅炉炉膛燃烧后随烟气进入尾部烟道的细小灰粒。 飞灰中未燃尽碳的质量占飞灰量的百分率叫飞灰含碳量。锅炉飞灰含碳量是燃煤 锅炉的主要运行经济指标和技术指标之一，是指导锅炉燃烧、评价燃烧优劣的依 据，也是发电厂开展运行经济考核的原始数据之一。因此，飞灰含碳量就成为反 映锅炉机械不完全燃烧的主要参量，并且从环保的角度来说，当飞灰含碳量小于 3 时就很容易进入建材市场，实现变废为宝，把火电厂的主要固体污染物变成优 质的建工材料，极大地提高了发电厂运行的经济性和环保性。 飞灰含碳量的实时监测需要对锅炉烟道飞灰进行取样与分离。飞灰取样器虽 然是火电厂燃煤锅炉的一个简单设备，但它却起着非常重要的作用。在燃煤锅炉 北京交通大学硕士学位论文 日常运行中，需要定时的采集飞灰样品来测定飞灰含碳量，以便监督锅炉燃烧工 况的质量，及时改进运行操作，实现电厂节能。飞灰取样器通常安装在锅炉烟气 排放的尾部，通过对燃煤锅炉燃烧后产生的烟气排放物飞灰进行收集取样， 进而化验并计算出飞灰中可燃物的百分含量。根据飞灰可燃物百分含量的多少来 判断一台锅炉煤粉的完全燃烧程度，为电厂开展节能工作提出依据。因此，锅炉 的飞灰取样器能否准确取样，能否通过对飞灰的全面监控和分析来掌握锅炉的燃 烧工况，对于提高一台锅炉的经济性至关重要。 传统的飞灰含碳量的测量在实验室进行，采用化学烧失称重法。该方法对灰 样的代表性要求较高、分析结果滞后，难以快速反映锅炉燃烧工况。目前飞灰含 碳量在线监测技术发展较快，但作为其中一部分的飞灰取样器国内外研究较少， 目前电厂投用的锅炉飞灰含碳量监测装置多采用撞击式或外抽离心式方法取样分 析，由于所采用方法不能实现等速取样，造成所采集的灰样颗粒较大，因而影响 飞灰取样的代表性，导致经常提供虚假的测量数据，影响使用效果。 飞灰的取样与分离性能直接影响着样品能否反映锅炉烟道飞灰的真实颗粒组 分。等速取样嘴的设计与旋风分离器的研究对于飞灰含碳量在线监测具有重大意 义。对于飞灰取样装置的基本要求是：保证飞灰颗粒样品具有代表性，能够真实 反映烟道中颗粒的真实水平。本课题设计了一种全新的等速取样嘴，通过计算和 模拟确定了其结构。旋风分离器对飞灰的分离起着重大作用，研究旋风分离器的 流场分布及颗粒运动对于其结构的改善和进一步的设计具有深远意义。 本课题是应对电力行业节能减排的形势，与燃煤电厂合作开展的，具有理论 价值和实际意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 飞灰取样研究现状 ( 1 ) 飞灰取样器的类型与简介 目前常用的实现飞灰取样的装置主要有以下几种n 嘲： 简单型取样装置取样时需要预先用毕托管测定烟道截面上的速度值，然后把 取样嘴放在同一处进行取样，这个方法的优点是简单、经济，但其主要的缺点是 很难将取样嘴重新放置在测速时的同一点，引起取样误差。 速度型取样嘴与毕托管( s 型) 结合成一体，将它放置在一定位置后，由总压 头和静压头确定其流速后，以同一速度取样时，这种取样嘴较前一种准确，但存 2 绪论 在流速变化时取样误差较大的弊端。 静压型取样嘴具有两个环形通道连接取样嘴内外测孔，当等速取样时这两个 测孔的压差近似为零，由于结构受到限制，测孔离取样口的距离不可能很小，故 在取样管内存在一定的压损，另外在取样口还存在局部阻力损失和速度再分布损 失，故实际上内外的测孔静压差不可能为零，不能实现准确取样。 撞击式飞灰取样器( 如图1 1 所示) 安装在锅炉空气预热器出e l 烟道上，利用撞击 及重力作用进行分离的简易飞灰取样器。为使得取样更具代表性，在烟道内部取 灰管道上也可设置2 3 个取样孔，以使得取样粒度分布的代表性更好一些，但是 这种取样方法是不可能做到取样的等速性。这种取样器结构简单，属于第一代取 样装置。该取样装置属于单点取样法，其采集点单一固定，灰样量少，特别是在 锅炉负荷不确定的条件下( 机组调峰运行) ，其灰样就更缺乏代表性。采集到的主要 是较粗颗粒的飞灰，小颗粒则随烟气带走，故测得的飞灰可燃物含量一般偏高3 0 以上，而其偏差值与负荷成非线性关系，很难用一个固定的修正系数来给予修正， 样品的可信性较差。 取 吹扫孔 图1 1 撞击式飞灰取样器 图1 2 外抽离心式飞灰取样器 f i g 1 1s a m p l e ro fi m p a c t i n gt y p ef i g 1 2s a m p l e ro f e x t e r n a ls u c t i o na n dc e n t r i f u g a lt y p e 外抽离心式飞灰取样器的结构如图1 2 所示，由于主要设备处于烟道外，温度 较低，抽出的烟气在系统内到达这些低于其露点温度的冷表面，所含的硫酸和水 蒸汽将会凝结在上面，因而发生飞灰粘附现象，造成取样系统堵塞。为避免这类 情况，应将系统设备( 包括取样管露出炉外部分、旋风分离器、中间灰斗及整个管 路和阀门) 全面妥善保温，使所有部件壁温处于烟气露点以上，但这一措施实现较 为困难。这种取样器存在的另一个问题是：当吸风机( 或排粉机等) 的负压不足以克 服取样系统的总阻力时，则需利用专门的抽气装置。由于系统采用了喷射泵等部 3 北京交通大学硕士学位论文 件，大大增加了系统的复杂程度，也增加了整个系统的维护和检修量。 自抽式飞灰取样器可不需抽气泵作为动力源，在负荷大于7 0 时，具有自等速 调节功能，运行可靠，操作简便，无需专人维护，是目前国内外应用较多的一种 飞灰取样装置。但这种取样器所用的取样嘴由于忽略了取样嘴处的能量损失，导 致取样误差较大因而取样代表性差。本课题对于取样嘴的研究就是针对的这种型 式的取样器，通过取样嘴结构的设计实现其比较好的取样性能。 ( 2 ) 飞灰取样研究现状 w h i t e l e y 口1 等人专门研究了取样嘴形状对取样准确性的影响，认为取样嘴头部 锥角不应大于1 2 0 度，锥角在1 8 0 度时即使在等速情况下取样误差也很大。 颜安哺1 也专门研究了取样嘴形状和1 3 径对取样误差的影响。他对 6 m m ，8 m m ，1 0 m m 直径的采样嘴在等速情况下进行试验得出结论：口径越 小，相对来说壁厚就越大，头部的滞留区就越大，流动的扰动大，小颗粒易随气 流偏移，引起的误差越大，他建议采用较大口径的取样嘴。 y o s h i d a 呻1 等人专门研究了取样口径对取样误差的影响，对直径为1 0 0 1 m m ， 1 3 8 4 m m ，1 5 7 0 m m 直径的取样嘴进行了试验发现。其平衡浓度已基本不变，说 明大于1 0 m m 的取样嘴基本上不会引起取样误差。他们以1 0 m m 直径的取样嘴为 标准和另外一种直径的取样嘴对称布置在管道中进行取样试验，得出这样一些结 论，对于3 5 m 的颗粒，当取样嘴直径小于5 m m 时所测得的浓度标准偏差大于 2 0 ，而对于2 4 m 的颗粒偏差为1 0 ，他们建议使用大于5 m m 的取样口直径。 另外他们认为尖形进口边缘的取样嘴能更好地准确取样，此时在取样口处的流体 速度分别不会引起等速取样的误差。 b a d z i o c h n 们等人采取固定取样速度而改变来流速度的方法对小颗粒5 am ， 1 0 z m 的颗粒做了试验，又对大颗粒7 6 m 和1 5 m 的颗粒进行了试验，结果 对于小颗粒而言，当取样速度大于气流速度时，颗粒浓度误差较小。而对大颗粒 而言，当取样速度小于气流速度时颗粒的重量误差较小。 v i t o l s n 妇用极限轨迹的方法得出了浓度比与速度比的数据和曲线，他的计算结 果与b a d z i o c h 的试验结果吻合较好。v i t o l s 的结论是：非等速取样误差的理论计 算与均一球形的颗粒实验结果能较好地吻合；用理想流体近似模拟实际流体与取 样误差的理论值偏大；应用到未加修正的非球形和非均一粒度的含尘气流取样误 差的理论值也将偏大；诸多的因素都引起非等速取样的误差偏大，v i t o l s 的研究， 尽管在假定上有不合理处，如流体的无粘性，不考虑湍流。在计算颗粒轨迹时不 考虑其自身的重力影响，但他的结果仍能与b a d z i o c h 、h e m e o n 和h a i n e s 的实验 结果较好地吻合。 4 绪论 b e l y a e v l e v i n n 2 3 在非等速取样误差矫正方面进行了大量的研究，他们采用了 闪光拍摄颗粒流向采样嘴情况的照片，在照片上定出极限颗粒子轨迹以及计算出 浓度比。颗粒的运动速度也从照片上得到。这是一种特殊的实验研究方法，其突 出的优点是：无须测量粉尘管道中的浓度；不存在由于颗粒向采样嘴壁面沉积和 碰撞的误差。这张方法计算的误差主要来自：湍流的影响：极限颗粒轨迹尺寸误 差；系统自身的误差，实验用的是1 0 m m 的薄壁取样嘴。 1 2 2 旋风分离器研究现状 ( 1 ) 旋风分离器工作原理简介 旋风分离器是一种利用气固两相流的旋转运动，使固体颗粒在离心力的作用 下从气流中分离出来的设备。由于它结构简单、设备紧凑、无相对运动部件、价 格低廉、操作维修方便，且可以满足不同生产中的特殊要求，因而成为最常用的 一种分离、除尘设备，已被广泛地应用于气体净化、固体颗粒的分离回收、环境 保护等方面的工作。 普通旋风分离器的结构如图1 3 所示，一般都是由进气管、圆筒体、圆锥体、 排气管和排尘管这几个部分组成。各部分的结构都有多种形式，从而组成了各种 类型的旋风分离器，但是它们的分离原理都是一样的，只是在性能上有些差异， 来满足各种不同的需要。 切流式旋风分离器的几何尺寸主要有八个尺寸：本体直径d ( 指分离器筒体 截面的直径) ；总高h ( 从分离器顶板到排尘口) ；排气管直径d x ：排气管插入深 度s ( 从分离空间顶板算起) ；入口截面的高度a 和宽度b ；锥体段高度h e ：排尘 口直径d d 。 盯d - 1 益广1 们i d _ 一 t u u 工 入口 排 图1 3 旋风分离器示意图 f i g 1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fc y c l o n es e p a r a t o r 管 北京交通大学硕士学位论文 当含尘气体沿顶部切向进入分离器后，由于分离器壁面的约束，首先由直线 运动转变为圆周运动，旋转气流绝大部分沿轴向作向下的螺旋运动，朝锥体流动， 这通常被称为外旋涡，这时气体中的颗粒在旋转运动过程中受到离心力。这时， 大于气体重度的颗粒甩向分离器壁，通过与壁面的碰撞，动量一步步损失掉，并 随着外旋涡气流最终落入排尘口而被分离出来。旋转而下的外旋涡气流到达锥体 时，由于圆锥体外形的收缩，气流的切向速度不断提高。另外，外旋涡气流运动 使得周边气流压力升高，这样在锥体中心部分形成了低压区，当气流到达锥体下 部的某一位置时，便向分离器中心集中，以相同的旋转方向在分离器内部由下而 上螺旋流动，这通常被称为内旋涡。最终，部分未被捕集的颗粒跟净化气流经排 气管排出旋风分离器外。 ( 2 ) 分离机理及数值模拟研究现状 旋风分离器内的气流及颗粒运动都十分复杂，迄今尚无准确可靠的能反映各 种影响因素的分离理论，于是对于颗粒的分离捕集机理就不得不做出许多简化假 设，从而形成各种不同的分离机理模型。 r o s i n 等n 3 一钔提出的转圈理论是在重力沉降室分离理论的基础上发展来的。 在沉降室中，粉尘受重力作用向下沉降，同时粉尘又以水平方向速度向前移动， 只要沉降室有足够的长度，则粉尘颗粒就能在到达沉降室出口以前到达沉降室底 板而分离。旋风分离器也有径向向外的离心沉降速度，也有旋转切向速度，如果 旋转圈数足够多，即展开后的长度相当于水平沉降室的长度，则粉尘就能从内筒 半径到达外筒边壁处的分离界面而分离。这种理论实际上是一种塞流模型。显然， 转圈理论从层流沉降理论出发，对于旋风分离器内的流场认识是不够全面的。理 论分析和实测结果表明，在旋风分离器筒内不仅有旋涡流场，而且还存在着径向 汇流和类汇流，在圆筒下面的圆锥筒中，这种现象更为明显；其次，该理论认为颗 粒分离只在圆柱段进行，而实际气体旋转将延伸到近锥体，圆锥长度对粉尘分离 也有一定的影响。因此该理论的偏差是很大的。 b a r t h 等n5 1 8 3 提出的筛分理论指出：旋涡流场产生的离心力使颗粒受到向外推 移的作用，同时汇流场产生的s t o k e s 阻力又使颗粒受到向内漂移的作用。离心力 的大小与颗粒的大小有关，颗粒越大，受到的离心力越大，因而必定有一分割粒 径，使离心力向外推移的作用正好与向内漂移的作用相等，从而达到平衡，而平 衡轨道往往看作是排气管下端由最大切向速度的各点连接起来的一个假想圆筒。 凡是粒径大于分割粒径者，向外推移的作用大于向内漂移的作用，结果被推移到 旋风分离器器壁附近，粉尘浓度大于运载介质的极限负荷时，粉尘被分离捕集下 6 绪论 来。该理论虽然对流场考虑较全面，但在计算中，常将径向速度视作等速，这与 实际有一定的误差。因为假想圆筒面上的向心流未必是以相等速度流经假想圆筒 的全侧面。所以该理论也具有一定的局限性。 d l e i t h 与w l i c h t n 刀类比静电除尘器的分离机理而提出横向渗混模型，认为 在分离器的任一横断面上，任意瞬时气流中颗粒浓度是均匀分布的，但在近壁处 的边界层内，是层流流动，只要颗粒在离心效应下浮游进入此边界层内，就可以 被捕集分离下来，这就是边界层分离理论。由于该理论考虑了所有几何尺寸的影 响，因而结果与实际较吻合，是比较完善的理论，目前已被广泛应用。 旋风分离器内的湍流为强旋转湍流，属于复杂剪切流的一种。与简单的湍流 剪切流动相比，旋涡流动增加了离心力引起的附加应力项，这些项的极小变化即 可引起湍流结构的很大变化。由于数值计算结果的好坏在很大程度上取决于湍流 模型的性能，所以湍流模型是主要的研究课题。自6 0 年代出现数值模拟以来，发 展到现在已经历了4 0 多年，大概经历了三个阶段。 r e y d o n n 羽对旋风分离器的研究能够代表其发展的第一阶段。他对旋风分离器 中数量级最大的切向速度进行了近似计算。首先他将流场分为外部自由涡区和内 部强制涡区，并作了几条假设：方程不依赖于时间，即达到稳定状态：忽略体积 力；各物理量随角度变化为零，即为轴对称流动；根据实验结果，假设切向速度， 轴向速度和径向速度的轴向梯度远小于它们的径向梯度；密度和湍流总粘度为常 数。r e y d o n 在上面几条假设的基础上对n s 方程做了大量的简化处理，得到了一 个极为近似的计算切向速度的关系式，并通过他们以前做的大量实验数据对这一 关系式作了修正，从而得到了一个依赖于实验的半经验公式。 b o y s a n ，a y e r sw i t h e n b a n k n 钔对旋风分离器的研究能够代表其发展的第二阶 段，b o y s a n 于1 9 8 2 年首次将c f d 技术用于模拟旋风分离器的气相流场。在旋风 分离器优化设计上，他不仅在气体流场的数值计算方面，而且在气固两相流的数 值计算上都做了大量的工作。他认为气体流场的三维效应仅限制在气体的切向入 口附近，而旋风分离器中的主体流场应非常接近于轴对称。根据这一思想，他把 控制方程中与角度有关的项去掉，从而使方程得到了简化。在湍流模型的选择方 面，作者考虑到标准k - e 双方程模型在计算强旋流流场方面的缺陷，转而用了能 反映湍流各向异性的代数应力模型。他将整个装置中常用的灰斗略去，并将旋风 分离器简化为二维形式，这样所计算出来的流场并不是真正旋风分离器中的三维 流场，而仅仅是一个二维流场，这主要是受当时计算机条件的限制。但即使是这 样，计算得到的速度场也能反映出分离器内部切向速度的刚体涡与自由涡的组合 结构。 h i d a t oy o s h i d a 瞳们的研究将旋风分离器的数值模拟带入了第三阶段。他计算的 7 北京交通大学硕士学位论文 是带直切入口并在锥体下部带有灰斗的旋风分离器。在生成网格方面，他分别用 了贴体坐标网格和阶梯形网格进行计算，并认为采用贴体坐标网格计算出来的结 果更能得到合理的解释。所用的湍流模型是未加修正的标准的i ce 双方程模型。 从计算结果来看，作者确实得到了跟角度有关的三维流场，但由于作者采用的湍 流模型是标准的h 双方程模型，而这种模型在计算强旋流流场的分布时存在着 一些缺陷，如使得中心流区域减短或不能预测。 毛羽、李仁年等隆k 玑玑州用数值模拟方法计算了旋风分离器内的湍流过程。 对湍流的处理分别采用了标准的k - e 模型和r n gk - e 模型。与实测速度分布对比 结果表明：r n gk - e 模型计算结果与实测值吻合较好，标准加模型计算结果与实 测值吻合较差，可以将r n gk - e 模型作为研究旋风分离器分离性能、能量损耗的 工具。 d i e t z 嘶1 于1 9 8 1 年基于t e r l i n d e n 的实验结果，将旋风分离器内的气固两相 分离区域划分为三个区域即：入口分离区域、下降流分离区域和上升流分离区域， 并根据d l e i t h 和w l i c h t 的横向混合模型的思想，推导出了旋风器内气固两相分 离模型。在简体直径为2 0 0 m m 的旋风器上，采用燃煤飞灰作为固相颗粒进行分 离实验时，模型的预测结果与实测结果比较吻合。 m o t h e s 和l o f t i e r 啪儿州于1 9 5 5 年将d i e t z 三分离区域的假设扩展为四分离区 域，即在原有基础上增加了排气芯管分离区域，从而修正了d i e t z 模型对于分离 过程预测的不连续性，引入粒子沉降系数修正了旋风器内、外涡固相的浓度扩散 效应，并考虑了排尘口底部的返混现象和浓度的径向梯度变化，提出了另一分离 模型，模型的假设条件比较接近旋风器内实际的分离状况且考虑较为全面。在简 体直径为1 9 0 m m 的旋风器上，该模型的预测结果与实测结果相吻合。 c l i f t 等1 9 9 1 年根据已有的实验数据比较了d l e i t h 和w l i c h t 模型、d i e t z 模型及m o t h e s 和l o f t i e r 模型三种旋风器内气固两相分离模型。结果表明，d l e i t h 和w l i c h t 模型在计算气流在旋风器内的平均停留时上有一定的局限性，并在其 假设条件下重新推导了d l e i h t 和w l i c h t 模型，计算结果表明分级效率图为s 形 曲线；d i e z t 模型亦存在同样的问题，但在小直径旋风器的固相颗粒物分级效率预 测上，d i e z t 模型仍具有一定的准确性；而m o t h e s 和l o f t i e r 模型总体上优于其它 两个模型。 w s k i m 和j w l e e 1 于1 9 8 9 年同时考虑湍流扩散和边界层固相颗粒的沉降 作用，将旋风器内部分为两个主要的分离区域即湍流核心区和近壁边界层区，根 据m o t h e s 和l o f t i e r 以及e n l i a n g 和y i n g m i n 分离模型，推导出了基于边界层特性 的旋风器气固两相分离模型，并于2 0 0 1 年在此基础上进行了改进m 1 。与实验对比 的结果表明该模型的实用性较好。但其边界层条件的简化仍需进一步探讨。 8 绪论 国内关于旋风器分离模型的研究较晚，大约始于2 0 世纪9 0 年代，并有相当 一部分借鉴了国外旋风器分离模型的研究思想，代表性的研究有： 向晓东口u 于1 9 9 0 年考虑固相颗粒在旋风除尘器内的输运过程，引入了分离空 间的概念。通过建立气体流动和颗粒运动的数学模型，得出在适当边界条件下的 旋风器分离效率计算公式，并与国内外典型的实验结果比较验证，结果较为一致。 陈建义、时铭显口列于1 9 9 3 年认为l e i t h 和w l i c h t 以及m o t h e s 和l o f t i e r 模 型对于尺寸较大、流量也较大的旋风分离器的计算结果误差较大，并在p v 型高 效旋风分离器内部流场及浓度场测定的基础上，考虑了旋风分离器的短路流、颗 粒间的相互碰撞、返混等对分离性能的影响，建立了旋风分离器分级效率的多区 计算模型，该模型在p v 型旋风分离器上与实测结果较为一致，但在其它类型旋 风分离器上的适用性仍需进一步探讨。 张从智等1 于1 9 9 6 年在边界层分离理论的基础上，考虑了旋风器内部主要结 构参数以及固相颗粒的特性和运行参数的影响，以及旋风器内的三维速度分布规 律，建立了旋风器分级效率的数学模型。该模型计算结果与长锥型和直锥型旋风 器的实验结果符合较好，而且与d 型、b 型旋风器的实验结果也符合较好。 刁永发等m 1 于2 0 0 0 年以平衡尘粒模型以及