（环境工程专业论文）轴对称旋转流气固分离理论与技术.pdf

轴对称旋转流气固分离理论与技术1 摘要 旋转流气固分离器( 旋风器) 作为重要的多用途气固两相分离设备，已广泛 应用于气固分离、物料回收、颗粒分级和污染控制等领域，并已显示了独特的不 可替代的作用。针对高温高压分离技术的要求、流态化技术的发展、能源有效利 用矛盾的突出以及环境保护问题( 微型化分离技术) 的需要等问题，本文提出一 种新型具有轴对称蜗向进口通道的旋风器，并通过试验研究、理论解析和数值计 算方法对其分离机理和过程等性能特性进行较为深入系统的研究。 首先，在总结与回顾不同旋风器进口结构型式研究现状的基础上，本文提出 了新型具有轴对称蜗向进口型式的s t a i r m a n dh e 型旋风器。采用质量分析法和 压差法等试验研究的方法测定了包括直接式和渐缩通道式新型进口结构在内的 四种旋风器的分离特性和阻力特性，分析对比了不同进口结构型式、不同流量条 件下旋风器性能的变化规律。在此基础上应用灰色综合评价模型评价了各旋风器 的性能，指出轴对称蜗向进口通道结构型式的旋风器具有较优的性能。 其次，为对旋风器的性能评估和设计方法提供理论依据，本文采用理论解析 的方法对具有轴对称蜗向进口通道旋风器的分离特性和阻力特性进行了研究，提 出其理论计算模型并与试验值进行了比较。其中，在柱坐标系下详细分析了气固 两相流场中固相颗粒的受力情况，突破了基于旋风器内径向截面上固相颗粒浓度 分布均一的假设并认为径向浓度梯度对于分离效率的影响不可忽视，同时发展了 空间定点分离的概念与理论，首次提出采用临界粒径分离理论、边界层分离理论 和固相颗粒粒径分布规律相结合的新型理论与方法来推导旋风器的分离理论模 型并将模型的计算结果与试验结果进行比较和分析，结果表明理论与试验结果符 合较好；同时结合旋风器内部流场特性，详细分析旋风器内部阻力的产生机理与 构成因素，将旋风起内部的阻力构成分为进口阻力、摩擦阻力、涡流阻力和出口 阻力，首次从新的角度给出新型旋风器阻力的分步计算模型，并将计算结果与不 同结构的旋风器阻力的试验结果进行比较，结果表明理论值与试验值取得较好一 致。从而进一步验证了分离模型和阻力模型的准确性与有效性。 再次，为深入详细的探讨新型进口结构旋风器内部气固两相的分离机理，本 文应用计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，c f d ) 技术对新型旋风器 内部的气固两相流动规律进行数值模拟。在建立新型旋风器的物理模型并对其进 行网格划分的基础上，应用e u l e r l a g r a n g e 气固两相流理论，以雷诺应力模型 ( r e y n o l d ss t r e s sm o d e l ，r s m ) 模拟气相、颗粒追踪技术( p a r t i c l et r a c k i n gm e t h o d p t m ) 模拟颗粒相，同时采用有限体积法和s i m p l e 压力速度耦合算法分析讨论 了新型旋风器内部的气相流场的压力分布、三维速度分布和固相颗粒轨迹，并在 此基础上提出旋风器分离效率和阻力的数值计算方法。数值模拟结果与试验结果 取得较好的一致，同时表明c f d 作为一种更为基础的理论和方法，可更为有效 的模拟旋风器内部的气固两相三维强旋湍流流动。 东华大学博士学位论文创新资助项目( 编号y c x 0 3 1 4 ) 然后，为在工程实践中指导与评估新型进口结构旋风器的性能指标，本文根 据相似理论中的量纲分析方法，应用b u c k i n g h a m 的丌定理并结合具有轴对称蜗 向进口通道旋风器内气固两相流动的特点，推导旋风分离器内气固两相流动的相 似准则，分析并确定相应的相似模化与放大条件即所需要遵循的相似准则数并应 用这方法指导旋风器设计。 最后，在以上对于新型旋风器的结构和性能的试验和理论研究的基础上，本 文参照具体的工业示范工程应用分析，对新型具有轴对称蜗向进口通道旋风分离 技术的设计方法与应用情况进行归纳和总结。 综上所述，本文提出的新型具有轴对称蜗向进口通道旋风分离技术使气固旋 风分离理论与技术的发展取得一定进展，理论与试验研究表明其分级效率比常规 分离器分级效率可提高5 - 2 0 ，该技术具有高效廉价的特点，同时也具有显著的 经济社会效益和广阔的应用前景。 关键词：分离效率；旋风器：数值模拟；阻力；相似准则；轴对称旋转流 论文类型：应用基础 t h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i e so fg a s - s o l i d s e p a r a t i o ni ns y m m e t r i c a ls w i r l i n gf l o w c y c l o n es e p a r a t o r s ，a si m p o r t a n tg a s s o l i dp h a s es e p a r a t i o ne q u i p m e n t s ，h a v eb e e n w i d e l yu s e di nt h ef i e l do fg a s - p a r t i c l es e p a r a t i o n ，p r o d u c tr e c o v e r y , p a r t i c u l a t es i z e c l a s s i f i e r sa n d p o l l u t i o n c o n t r 0 1 a tp r e s e n t ，c y c l o n e s e p a r a t o r s h a v ea l s o d e m o n s t r a t e dt h ei r r e p l a c e a b l eu s ev a l u e i no r d e rt oa d a p tw e l lt ot h ee x t r e m e l yh a r s h o p e r a t i n gc o n d i t i o n sa n ds p e c i a lr e q u i r e m e n t si n c l u d i n gt h eh i 曲t e m p e r a t u r ea n d h i g hp r e s s u r e ，f l u i d i z a t i o n ，e n e r g yu t i l i z a t i o na n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，an o v e l c y c l o n es e p a r a t o rw i t hs y m m e t r i c a ls p i r a li n l e tc h a n n e l ( s s l c ) i sc o n c e i v e da n d d e s i g n e df o re n g i n e e r i n ga n dp r o c e s s i n ga p p l i c a t i o n t h ep e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c s i n c l u d i n gc o l l e c t i o ne f f i c i e n c ya n dp r e s s u r ed r o p f o rt h i s c y c l o n es e p a r a t o ri s i n v e s t i g a t e db yu s i n gt h ee x p e r i m e n t a l ，t h e o r e t i c a la n dn u m e r i c a lm e t h o d si nt h i s w o r k f i r s t l y ，o nb a s i so ft h eo v e r v i e wo fc u r r e n ts t a t u so nc y c l o n es e p a r a t o rg e o m e t r i e s ，a n e wc y c l o n es e p a r a t o rw i 血s y m m e t r i c a ls p i r a li n l e ti sp r e s e n t e di nt e r m so ft h e s t a l r m a n dh i 【g he f f i c i e n c yc y c l o n ec o n f i g u r a t i o n t h es e p a r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n d p r e s s u r ed r o pc h a r a c t e r i s t i c sf o rf o u rk i n d so fc y c l o n es e p a r a t o r sw i t hd i f f e r e n ti n l e t t y p ea r em e a s u r e db yu s i n gm a s sa n a l y s i sm e t h o da n dd i f f e r e n t i a lp r e s s u r em e t h o d ， a n da r ec o m p a r e da sf u n c t i o n so fi n l e tt y p ea n df l o wr a t e m o r e o v e r , t h ep e r f o r m a n c e s o f c y c l o n es e p a r a t o r sa r ee v a l u a t e da c c o r d i n gt ot h eg r e yc o r r e l a t i o ne v a l u a t i o nm o d e l t h er e s u l t ss h o wt h ec y c l o n es e p a r a t o rw i t hs y m m e t r i c a ls p i r a li n l e tc h a n n e lp r o v i d e s t h eo p t i m i z e dp e r f o r m a n c e s e c o n d l y , t h e o r e t i c a li n v e s t i g a t i o no nb o t l lt h ec o l l e c t i o ne 伍c i e n c yc h a r a c t e r i s t i c s a n dp r e s s u r ed r o pc h a r a c t e r i s t i c sa r ec a r r i e do u tf o rs y m m e t r i c a ls p i r a li n l e tc h a n n e l c y c l o n er e s p e c t i v e l y an e wt h e o r e t i c a lm e t h o df o re v a l u a t i n gc y c l o n ee 珩c i e n c yi s d e v e l o p e db a s e do i lt h ei n v e s t i g a t i o no f f l o wp a t t e r n ，t h e c r i t i c a lp a r t i c l es i z e s e p a r a t i o nt h e o r ya n dt h eb o u n d a r yl a y e rs e p a r a t i o nt h e o r y t h er a d i a lp a r t i c l e c o n c e n t r a t i o ng r a d i e n t ，i n s t e a do ft h eu s u a l l ya s s u m e du n i f o r mr a d i a 】p a r t i c l e c o n c e n t r a t i o nw i t h i nt h ec y c l o n e i sc o n s i d e r e di nt h i sm a t h e m a t i c a lm o d e l t h e1 0 c a l p a r t i c l ec o n c e n t r a t i o na n dt h ec y c l o n eg r a d ee f f i c i e n c yc a nb et a l c u l a t e do nt h eb a s e o fat i m e o f - f l i g h tm o d e li nt e r m so f 也ep a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o no ft h ef e e d t h e a v a i l a b i l i t yo f t h em e t h o di sv e r i f i e db yc o m p a r i s o no f t h ec a l c u l a t e dg r a d ee f f i c i e n c y w i t he x p e r i m e n t a ld a t aa n dt h e o r e t i c a lc o u n t e r p a r t si nt h el i t e r a t u r e o nt h eo t h e rh a n d an e wt h e o r e t i c a lm o d e lw a s d e v e l o p e df o rp r e d i c t i o no fp r e s s u r ed r o da c r o s sc y c l o n e s e p a r a t o r s t h i sm o d e li n c l u d e st h ee f f e c to ft h eg e o m e t r i c a ld i m e n s i o n sa n df l o w p a r a m e t e r s ，a n da s s u m e st h a tt o t a lp r e s s u r ed r o pc o n s i s t so ff i v em a i np a r t i a lp r e s s u r e d r o p sd u e t og a se x p a n s i o na tt h es e p a r a t o re n t r a n c e ，w a l lf r i c t i o nw i t h i nt h es e p a r a t o r , s w i r l i n gm o t i o no fg a s g a sf l o wt h r o u g ht h eo u t l e tp i p e t h ea v a i l a b i l i t yo ft h e m e t h o di sv e r i f i e db yc o m p a r i s o no fc a l c u l a t e dv a l u ew i t he x p e r i m e n t a ld a t aa sw e l l a sw i t ht h eo t h e rm o d e l sf o rd i f f e r e n td i m e n s i o n so fc y c l o n e s 丁h eb o t ht h e o r e t i c a l r e s u l t si n d i c a t eag o o da g r e e m e n tw i t l lt h ee x p e r i m e n t a ld a t a t h i r d l y ，t oa n a l y z et h es e p a r a t i o nm e c h a n i s m so fs y m m e t r i c a ls p i r a li n l e tc h a n n e l c y c l o n e ，ac o m p u t a t i o nf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) s i m u l a t i o ni sp e r f o r m e df o r p r e d i c t i o no fg a sf l o wp a t t e ma n dp a r t i c l ec o l l e c t i o ne f f i c i e n c yi nt h i sn e wt y p e c y c l o n es e p a r a t o r t h eg o v e r n i n gg a sf l o w e q u a t i o n s a l o n g 、啊t 1 1 t h e t h r e e d i m e n s i o n a lr e y n o l d ss t r e s sm o d e l ( r s m ) ，a r es o l v e du s i n gt h ef i n i t ev o l u m e m e t h o da n dt h es i m p l ep r e s s u r e v e l o c i t 7c o u p l i n ga l g o r i t h mi nab o d y - f i t t e d c o o r d i n a t es y s t e m ap a r t i c l et r a c k i n gm e t h o d ( e t m ) i se m p l o y e dt oc a l c u l a t et h e p a r t i c l eg r a d ee f f i c i e n c y n l en u m e r i c a lf l o ws i m u l a t i o n sc o n f i r mt h em a i n c h a r a c t e r i s t i c so f v o r t e xs t r u c t u r ea n dp a r t i c l es e p a r a t i o ni n s i d et h em a i nb o d yo ft h e c y c l o n e o nt h i sb a s i s an u m e r i c a lm e t h o df o rc a l c u l a t i n gt h ec o l l e c t i o ne m c i e n c y a n dp r e s s u r ed r o pi sp r o p o s e d t h ec o m p a r i s o n sb e t w e e nn u m e r i c a la n de x p e r i m e n t a l r e s u l t sh a v et ob er e g a r d e da sar e a s o n a b l ea g r e e m e n t ，a n da l s od e m o n s t r a t ec f di sa l i a b l et e c h n i q u eo f m o d e l i n gf l o wp a t t e r ni nc y c l o n es e p a r a t o r s f o u r t h l y , i no r d e rt oe s t i m a t et h en e wt y p ec y c l o n es e p a r a t o r , t h es c a l i n gr a l e si s d e r i v e dt oa c c o r d i n gt od i m e n s i o n a la n a l y s i sm e t h o do fs i m i l a r i t yt h e o r y , b yu s i n g b u c k i n g h a m s 石l a wa l o n gw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fg a s s o l i df l u i df l o w s t h e s c a l i n gr u l e sn u m b e ri sr e c o m m e n d e dt os e l e c ta n de m p l o yt h ec y c l o n es e p a r a t o ri n p r a c t i c e a f t e ra l l ，o i lt h eb a s i so ft h ee x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i e a ls t u d yo ng e o m e t r ya n d p e r f o r m a n c eo fs y m m e t r i c a ls p i r a li n l e tc h a n n e lc y c l o n e ，t h ed e s i g n i n gm e t h o da n d a p p l i c a t i o nc a s ei ss u m m a r i z e di nt h i ss e c t i o n i ng e n e r a l ，t h ed e v e l o p m e n to fn e wt y p ec y c l o n es e p a r a t o rw i ms y m m e t r i c a ls p i r a l i n l e tc h a n n e li m p r o v e st h eg a s - s o l i ds e p a r a t i o nt h e o r ya n dt e c h n o l o g y e x p e r i m e n t a l a n dt h e o r e t i c a lr e s u l t ss h o wt h i sc y c l o n es e p a r a t o rc a l lp r o v i d et h ek g h e rf r a c t i o n a l e f f i c i e n c yt h a nt h a to ft h ec u r r e n tc y c l o n es e p a r a t o rb y5 - 2 0 i ti so b v i o u st h a tt h e f e a t u r e so fh i 吐e re 伍c i e n c i e sw i t hl o w e rc o s t s ，s i g n i f i c a n te c o n o m i ca n ds o c i a l b e n e f i t s ，a n dw i d ea p p l i c a t i o n si sp r e s e n t e db yu s i n gt h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i e so f s y m m e t r i c a ls p i r a li n l e tc h a n n e lc y c l o n es e p a r a t o r b yb i n g t a oz h a o e p a r t m e n to fe n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db y p r o f e s s o r h e n 2 笆e n s h e n k e y w o r d s ：c o l l e c t i o ne f f i c i e n c y ；c y c l o n es 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 ；p r e s s u r e d r o p ；s c a l i n gr u l e s ；s y m m e t r i c a ls w i r l i n gf l o w 主要符号表 n o m e n e l a t u r e d b b 主要符号表 旋风器进口高度 旋风器进口宽度 固相颗粒出口直径 旋转流校正系数 固相颖粒浓度 固相颗粒初始浓度 c u n n i n g h a m 修正系数 固相颗粒直径 固相颗粒质量中位径 旋风器筒体直径 旋风器排气管直径 体积( 质量) 力 f r o u d e 数 重力加速度 旋风器简体高度 旋风器高度 湍流强度 自然旋风长度 固相颗粒质量数 固相颗粒初始质量数 有效旋转圈数 压强 气体与壁面间动量交换系数 气相体积流量 固相颗粒初始半径 旋风器简体半径，d 2 旋风器排气管半径，口2 r e y n o l d s 数 旋风器排气管深度 s t o k e s 数 时间 温度 速度 x 坐标位置 y 坐标位置 z 坐标位置 【m 】 【m 】 【m 】 【 k g m 3 】 k g m 5 】 0 叫叫叫叫m 1姒叫叫州叫嘲蚓1 m一m昌叫圳叫圳一斟豳“圳州圳 h州咖h啡m m m嘲嘲h刚hf嘲嘲嘲h嘲h阱陶州 c c e q d 如d 4 f n g厅h，上虮以p p q r r船s础，丁v z y = 希腊字符表 g r e e kl e t t e r s s 刁 g 口 岛 良 p 。 盯 卸 下标 s u b s c r i p t s d c v i r m l 1 v 0 l o f o u t p r s t v f w o 上标 s u p e r s c r i p t s x 旋风器锥体倾角 分离效率 气体动力粘度 角度坐标 固相颗粒初始角度 总旋转角度 固相颗粒密度 固相颗粒粒径分布几何标准差 切应力 壁面摩擦系数 阻力系数 阻力，压力损失 增量 旋风器直径 排气管 外涡 摩擦 气相，重力 旋风器进口 第i 个 内涡 出口局部 出口摩擦 出口 固相颗粒 径向坐标 蜗向进口通道 总量 涡流 壁面处 切向坐标 无穷大 参考值 平均值 脉动值 础州删删删蜘蹦1州。 嘲m阶删删州h黔h h 阶h 图表目录 插图 f i g u r e so fl i s t 图1 1d e o t t e 旋风器及其进口结构3 图1 2 m o o r e 旋风器及其进口结构3 图1 3g a u t a m 旋风器及其进口结构4 图1 4l i r a 旋风器及其进口结构“4 图1 5y o s h i d a 旋风器及其进口结构4 图1 6k e n n y 旋风器进口结构一5 图1 7a b r a h a m s o n 旋风器及其进口结构5 图1 8p l o m p 等旋风器及其进口结构一5 图1 9z h u 旋风器及其进口结构6 图1 】0 长锥体蜗向双进口旋风器进口结构一6 图1 1 l 轴对称切向进口旋风器及其进口结构7 图1 1 2p v 型双进口直切式旋风器及其进口结构7 图1 1 3 双切向环流式旋风器及其进口结构7 图1 1 4 典型旋风器进口结构9 图2 1 典型旋风器进口结构型式“ 图2 2 试验装置图 图2 3 试验测试系统 图2 4 试验用新型旋风器进口结构 图2 5 管道进口集流器 图2 6 出口蜗壳连接 图2 7 风机和电机” 图2 8 引射式发尘器 图2 9 试验分析系统 图2 1 0 干湿球温度计 图2 1 1y m 3 型空盒式大气压力表 图2 1 2d p l 0 0 0 i i i c 型数字微压计一 图2 13y j b 2 5 0 0 型补偿式微压计 图2 1 4 烘干箱 图2 1 5 干燥皿 图2 1 6h c t p l l 一1 0 型托盘天平 图2 1 7t g 3 2 8 a 型分析天平- 图2 1 8y f j 型b a h c o 离心式粉尘分级仪 图2 1 9 固相颗粒粒径分布 图2 2 0 旋风器阻力与进口速度关系 图2 2 1 旋风器阻力与流量关系 图2 2 2 总效率与进口速度关系 图2 2 3t s i 旋风器的分级效率 1 2 一1 3 ”j 3 一1 3 - t 1 4 - - - 1 4 一1 4 一1 4 “1 5 1 5 ”1 5 一1 5 一1 5 - - - - t 1 5 一1 5 1 5 一1 6 一1 6 一1 6 一1 9 一1 9 一2 0 一2 1 图2 2 4s s i 旋风器的分级效率 图2 2 5d s s i 旋风器的分级效率 图2 2 6c s s i 旋风器的分级效率 图2 2 7 进口速度1 1 9 9 m s 时的分级效率 图2 2 8 进口速度1 6 0 4 m s 时的分级效率 图2 2 9 进口速度2 0 1 8 m s 时的分级效率 图2 3 0 进口速度2 3 8 5 m s 时的分级效率 图2 3 15 0 切割粒径 一2 1 2 1 一2 1 ”2 1 2 1 ”2 2 一2 2 一2 2 图3 1 常规旋风器的结构型式3 3 图3 2 旋风器分离断面示意图3 9 图3 3 具有轴对称蜗向进口通道旋风器的结构型式4 0 图3 4 轴对称蜗向进口通道分离断面示意图4 1 图3 5 分离模型的计算流程图“ 图3 6c t s i 旋风器俯视颗粒轨迹( v i 。= 2 0 1 8 m s ) 4 5 图3 7c s s i 旋风器俯视颗粒轨迹( v i 。- - 2 0 1 8 m s ) 4 5 图3 8 进口速度对c t s i 旋风器颗粒轨迹影响( 疵= 1 0 a n ) 4 5 图3 9 进口速度对c s s i 旋风器颗粒轨迹影响( d p = l o a m ) “4 5 图3 1 0 进口结构对颗粒轨迹的影响( v i n = 2 0 1 8 m s ，a d = l o , u r n ) 4 6 图3 1 1c t s i 旋风器固相颗粒浓度的径向分布( v m = 2 0 1 8 m s ) 4 7 图3 1 2c s s i 旋风器固相颗粒浓度的径向分布( o i 。- - 2 0 1 8 m s ) 4 7 图3 1 3c t s i 旋风器固相颗粒临界粒径的径向分布( v m = 2 0 1 8 m s ) 4 7 图3 1 1 4c s s i 旋风器固相颗粒临界粒径的径向分布( v i 。= 2 0 1 8 m s ) 4 7 图3 1 5c t s i 旋风器固相颗粒浓度的切向分布( v i n = 2 0 1 8 m s ) - 4 8 图3 1 6 c s s i 旋风器固相颗粒浓度的切向分布( v l n = 2 0 1 8 m s ) 4 8 图3 1 7c t s i 旋风器固相颗粒临界粒径的切向分布( v i 。= 2 0 1 8 m s ) - 4 9 图3 1 8c s s i 旋风器固相颗粒临界粒径的切向分布( v i = 2 0 1 8 m s ) 4 9 图3 1 9 进口速度对c t s i 旋风器颗粒浓度分布的影响( 0 = 3 5 7 周) 4 9 图3 2 0 进口速度对c s s i 旋风器颗粒浓度分布的影响( 0 = 3 5 7 周) 4 9 图3 2 1 进口结构固相颗粒浓度径向分布的影响( 0 = 3 5 7 周) 5 0 图3 2 2 进口结构对固相颗粒浓度切向分布的影响( r = 0 1 2 m ) 5 0 图3 2 3 进口速度对c t s i 旋风器分离效率的影响5 0 图3 2 4 进口速度对c s s i 旋风器分离效率的影响5 0 图3 2 5 分离效率的理论值与试验值比较- 5 1 图3 2 65 0 切割粒径的理论值与试验值比较5 1 图3 2 7 进口速度对c s s l 分离效率的影响5 2 图3 2 8 进口速度对c s s i 切割粒径的影响5 2 图3 2 9 阻力模型的计算流程图，5 9 图3 3 0c t s i 阻力构成及其比例6 1 图3 3 1c s s i 阻力构成及其比例一6 1 图4 1 旋风器网格划分 图4 2 标量输运方程离散的控制体积 图4 3 静压等值线分布 6 5 一7 5 - - 7 8 图4 4 动压等值线分布” 图4 5 切向速度等值线分布一 图4 6 切向速度分布 图4 7 轴向速度等值线分布” 图4 8 轴向速度分布一 图4 9 径向速度等值线分布“ 图4 1 0 径向速度分布 图4 1 1 湍流动能等值线分布 图4 1 2 湍流动能分布 图4 1 3 湍流耗散率等值线分布 图4 1 4 湍流耗散率分布 图4 1 5 固相颗粒轨迹 图4 1 6 分级效率的数值预测 图5 1c s s i 旋风器模化计算流程一 图6 1 酸再生系统工艺流程9 5 图6 2 进口固相颗粒粒径分布曲线9 7 图6 3 分级效率比较9 9 图6 4 分离系统总图1 0 0 矽趴叭跑驼黔黔蚪弭踮踮 鲍 附表 t a b l e so fl i s t 表1 + 1 旋风器结构改变对性能的影响 表2 1 各典型旋风器的进口结构型式1 2 表2 2 典型旋风器结构尺寸1 2 表2 3 固相颗粒物理性质1 6 表2 4 旋风器进口阻力系数1 9 表2 5 不同进口结构旋风器的主要技术经济指标2 5 表2 6 序列的规范化处理2 5 表2 7 绝对值差及其最大值最小值2 6 表2 8 关联系数2 6 表2 9 判断矩阵标度及其含义- 2 7 表2 1 0 判断矩阵的平均随机一致性指标2 7 表3 1 不同结构旋风器阻力系数比较( d - - 0 3 m ) 6 0 表3 2 不同阻力理论模型的比较6 0 表6 1 原旋风器结构尺寸9 6 表6 2 进口固相颗粒粒径分布9 7 表6 3 各方案结构方式9 8 表6 4 各方案单体结构参数9 8 表6 5 各方案主要技术指标9 9 表6 6 各方案主要经济指标9 9 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本版权书。 不保密匦。 学位论文作者签名：儆海指导教师签名：k 砌像1 日期：2 口。年年1 1 月1 0 日日期：2 4 年l1 月i o 日 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的 学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的 成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本 人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：做诗 日期： 2 d 一年f1 月f p 日 东华大学博士学位论文 i i 1 1 引言 第1 章绪论 旋转流气固分离器( 以下简称旋风器) 及旋转流气固分离技术作为一种重要的气固两相 分离设备和技术已经广泛的应用于电力、石化、冶金、建材、能源和环保等领域，并且往往 成为系统经济、安全、稳定运行的关键设备和技术。随着高温高压分离技术的要求、流态化 技术的发展、能源有效利用矛盾的突出以及环境保护问题( 微型化分离技术) 的需要在节 省能耗、回收有用原料和燃料以及环境监测等方面，旋转流气固分离器及分离技术已显示了 独特的不可替代的作用。因此，仍有必要继续对旋风器这种具有无运动部件、能适应严苛操 作条件、结构简单和维护方便等特征的气固分离器及分离技t - 进一步深入的研究和探讨。 为此，本文试图通过提出新型进口结构所形成的轴对称旋转流来改善旋风器的性能，通 过试验、理论和数值的方法研究其内部气固两相的流动特性和规律，并将结果付诸于典型的 工程实践，从而为整体分离系统的合理设计与经济运行提供理论与实践依据。 1 2 研究背景与意义 1 高温高压分离技术的需要 在以电力工业、石化工业、冶金工业和建材工业等为代表的国民经济支柱产业中存在大 量的高温烟气分离问题。由于工艺要求、原料回收以及环保排放标准等都需对这些高温含尘 气体进行气固两相分离，又由于在高温高压的操作条件下，气相粘滞力有较大变化，湿度大 幅下降，细颗粒凝聚现象大为降低，所以对固相颗粒的分离有较高的难度。此外，高温高压 条件下所采用的设备材质、结构形式以及热膨胀等工程问题往往影响设备的有效正常运行。 电力工业中，当前我国是世界上第三大能源生产国和第二大电力生产国，以煤为主燃料 的现状在相当长的一段历史时期内不会改变，煤炭己占中国总能源的3 4 ，燃煤电力提供了 9 0 以上的热力和电力，煤电约占总电力生产的8 0 ，如何充分、合理地利用资源是中国 乃至世界各国都十分重视的一大技术课题。因此，发展洁净煤技术是实现工业可持续发展的 重大战略步骤，其中一个关键在于高温气固分离技术的研究和开发。例如煤的加压流态化燃 烧及整体煤气化联合循环发电技术( p b f c ，【g c c ) 是世界上许多先进国家大力发展的一项 高新技术，该技术不仅可以大大地提高发电厂的