（机械设计及理论专业论文）双排灰旋风除尘器的结构改进和性能研究.pdf

摘要 摘要 旋风除尘器是一种利用气固两相流体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。它具有结构简单，维护方便，耐高温、高压，造价低等优点， 在环保、粉体、石油、化工、冶金、材料等许多领域有着广泛的应用，使得旋风除尘器 越来越受到重视。 本研究选取了对旋风除尘器有重要影响的锥体部分作为研究对象，对锥体部分的二 次扬尘现象加以深入分析研究，总结出了锥体部分影响除尘效率的因素，为了避免二次 扬尘的产生，本文提出了一种全新的双排灰思想。其主要思路是将粉尘提前排入灰斗， 避免内外旋涡的干扰，得到规整的流场分布。 在双排灰思想的指导下，本文研究出了新型结构的双排灰旋风除尘器。其结构主要 是增设了内锥和倒锥。然后应用f l u e n t 软件对双排灰旋风除尘器的流场、颗粒轨迹进 行了仿真模拟，并与普通旋风除尘器的模拟结果进行了对比，从而更好地研究了双排灰 旋风除尘器的性能。最后通过实验验证，得出双排灰旋风除尘器确实比普通高效旋风除 尘器提高了除尘效率。 因此，双排灰思想是正确可行的，这一全新的思想为进一步挖掘旋风除尘器的潜能 开辟了新的思路。 关键词：旋风除尘器；双排灰；锥体部分；二次扬尘 a b s tr a c t q 一1 0 n ed l l s tc o l l e 0 ri sak i 】n do fe q u i p m e l l tt l l a tu s e sr o t a r ym o t i o no fg 弱一s 0 l i d 伽o - p h 嬲ef l u i dt 0m a l ( e 廿l es o l i dp 枷c l es 印删e d 自o mt l l eg a sn o wb yc 既t r i 如g a lf o r c e i t h 嬲al o to fa d v 锄t a g e s ，s u c h 嬲s i m p l es t m c t l l r e ，c o n v e i l i 锄t l ym a i n t a i n e d ，h i g l lt e m p m 鹏 a i l dp r e s s u r er 懿i s t e d ，l o wm 咖f a c 删n gc 0 s t 觚ds oo n i th 嬲埘d e l yu s e di nm e 矗e l d so f e 1 1 们r o n m 锄t a lp r o t e c t i o n ，p o w d e r ，p e 仃d l e 哪，c h e i l l i s 仃y ，m e t a l l w g ya n dm a t 甜a 1 a l l t h e s el e tt l l es t u d yo f c y c l o n ep a i da t t t i o nb ym er e s e a r c l lp e r s o r u l d t h ei n n u e n c ef a 优o r so fr e 即t r a i m n e n to fc y c l o n ed u s tc 0 l l e c t o rw e r e 锄a l y z e d t h e r c s u l ts h o w e dm a tt h e 咖c t u l 哈o fc o n i c a lp a no fc 0 l l e c t o ri n n u e l l c e ds 印删i o ne 伍c i c y a r e ri n v 鹤t i g a t i o n 锄da i l a l y z i n gd u s tr e e i l 仃a i l l l l l e n ti nt 1 1 ec y c l o n ed u s tc o l l e c t o r c o n i c a l p a r t ，m i ss u b j e c t sc 饥仃a lw o r ki st 0p u tf o n ) l ，a r dan e wi d e aa n dac r e a t i o n a 巧m e a 跚r et 0 s o l v et h 懿ep r o b l e m s 锄di m p r 0 v e c y c l o n e sp e 墒m a i l c e t h em a i ni d e ai st oa d v a n c ei n t o t h e 蓼a yd u s th o p p t 0a v o i dt h ev o n e xi n s i d e 锄do u t s i d ei n t e 一研e n c e ，b er e g u l a rn o wo f d i s t r i b u t i o n d o u b l e 嬲hd i s c h a r g e ，u i l d e rt h eg u i d 锄c eo ft h i sp 印e rt ow o r ko u tan e ws t r i l c t l j r eo f m ec y c l o n ed u s tc o l l e c t o r t h es 咖c t u r ei sa d d e dw i m i nt h ec o n e 锄di n v e n e dc o n e b vu s e o ff l u e n ts o f h a r e ，t h en o wa n dp a n i c l et r a j e c t o r yw 鹤t or e s e a r c h w i t hc o m p 鲫e do f g e n 硎c y c l o n ed u s tc 0 1 l e c t o r ，w eg e tt h ep e r f 0 肌a n c eo fd o u b l e 蠲hd i s c h 榷eb e t t e r f i n a l l y ，t e s tv 嘶f i c a t i o nw a s t op r o v e dt h a tt h ed u s tr e m o v a le 衔c i e n c yh a sb e e i lr a i s c d t h e r e f o r e ，m en e wi d e ai sr i g l l t 柚dt l l er e l l o v a t i o np r o v i d 酣an e ww a yt od e v e l o pm e p o t e n c yo fc y c l o n ed u s tc o l l e c t o r k e y w o r d s ：c y c l o n ed u s tc o l l e c t o r ；d o u b l ea s hd i s c h 砸g es t r u c m r e ；c 0 m c a lp a n ； r e e n t r a i n m 朗t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是泰人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件争磁盘，允 许论文被查阅和借阏，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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签 名： 墨壹坚 导师签名： 日 期： 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 作为一种重要的气固分离装置一旋风分离器已日益引起有关方面的普遍关注，特别 是在高温高压的一些苛刻运行条件下，旋风分离器是唯一一种可以商业应用的除尘和分 离设备。因此对旋风分离器进一步进行研究仍然具有十分重要的意义。 1 2 研究和开发旋风除尘器的意义 旋风分离器应用于工业生产以来，已有百余年的历史，对于捕集、分离5 1 0 棚以 上的颗粒效率较高。与其它各类分离器相比，具有结构简单、维修方便、造价低廉、占 地省等优点。由于适用于高温、高压和腐蚀性环境及各种粉尘。因此它广泛应用在化工、 冶金、电力、石油、建筑、机械、轻纺、食品等工业部门。特别是在工业锅炉的烟气除 尘、高温高压气体的能量回收及新一代流态化催化反应技术及水泥生产的预热和预分解 技术中更是得到了广泛应用。 目前，我国能源及原材料供应日趋紧张，人们的环保意识也越来越强，为了进一步 实施可持续发展的战略，我们国家已经采取了一系列措施来严格控制工业部门的颗粒物 排放。虽然工业排放气的除尘方式主要有旋风除尘器、文丘里水膜除尘器、静电除尘器 和布袋除尘器等，但是后三种方式全面推广却并不可行，除了经济上的原因外，技术上 也有一定的困难，例如，湿式除尘器的水处理问题，布袋除尘器内易发生的结露和糊袋 问题，静电除尘投资费用高，且不宜用于易燃易爆场所问题等，都限制了它们的推广应 用。所以随着应用场合特殊化( 例如在高温高压的操作条件下) 和结构微型化( 例如可吸 入颗粒物的采样) 等的发展趋势，旋风除尘器已显示了独特的不可替代的作用。 尽管如此，旋风分离器的一些主要缺点尚未得到圆满地解决，对于捕集微细粉尘 ( d ，者，向外推移作用 大于向内漂移作用，结果被推移到旋风除尘器壁附近，粉尘浓度大到运载介质的极限负 荷浓度时，则粉尘被分离出来。相反，儿d d 。者被截留在筛网的一面而d 1 0 0 0 颗粒宙话数 舻掣 2 。， 其中，“p 、一分别是颗粒瞬时轴向、径向、切向速度； 材、，、w 一分别是气体三个方向上的时均速度； ”、y 。、一分别是气体三个方向上的脉动速度。 当颗粒与流场中的某个随机湍流涡团相遇时，对甜、，。、w 可作如下的随机取样： “= f ( 刮，y = f ( ) 凡，= f ( ) 1 2 ( 3 2 1 ) 江南大学硕士学位论文 ：三七( 3 2 2 ) 假定f 为服从标准g a u s s i a n 分布的随机数。空间各点脉动速度的均方值可通过代 数r e y n o l d s 应力模型计算得到。颗粒与湍流随机涡团的相互作用时间和空间距离 k 应分别不超过随机涡团的生存周期和空间尺度，即： t = 删妻 ( 3 2 3 ) 厶n t t ：彭譬 ( 3 2 4 ) 颗粒在空间运动的轨道可按下式计算： 2p 膨。2 胍巳2 j 慨2 5 ) 3 4 4 颗粒相边界条件 ( 1 ) 筒壁边界 在旋风除尘器的计算中需要处理粉尘撞击壁面的反射问题。将筒壁设为反弹边界条 件：颗粒撞击到壁面发生反弹，产生动量变化，变化量由反弹系数确定，如图3 1 所示： 定： 图3 1 离散相的“r e n e c t ”边界条件 颗粒在与壁面发生碰撞之后，其垂直于壁面方向的动量变化率由弹性恢复系数确 巳= 监= 1 o o 4 1 5 9 q o 4 9 9 4 砰+ o 2 9 2 口 屹一 ( 3 2 6 ) q = 堕= 1 o 一2 1 2 q + 3 0 7 7 5 钟一1 1 砰 m ， 式中：，一法向( 切向) 恢复系数。等于1 表示颗粒在碰撞前后没有动量损失( 完全 弹性碰撞) ；等于0 表示颗粒在碰撞后损失了所有的动量； h 。、v 2 。一匕为垂直壁面的法向速度分量，下标1 ，2 分别表示碰撞前后的量。 3 2 第三章c f d 在旋风除尘器中的应用研究 、一v 为切向速度分量，下标l ，2 分别表示碰撞前后的量。 鼠一颗粒碰壁前速度和壁面切向之间的夹角； 幺颗粒碰壁后速度和壁面切向之间的夹角。 在本计算中，假设灰尘撞击旋风筒壁面是弹性撞击，即撞击前后动量不变。 ( 2 ) 颗粒相入口边界条件 颗粒相入口边界条件为将颗粒入口处的射流源设为面源，颗粒均匀地分布在整个入 口截面的网格上，由每一个网格中心射入， 计算过程中颗粒无质量变化，无热量传递， ( 3 ) 排气口边界条件 设定颗粒的入口气速与气相入口速度相同。 所以只设定颗粒密度。 将排气口设为逃逸边界条件，在出口处终止颗粒的轨道计算，并将颗粒运动轨迹的 结果记为“逃逸”。 ( 4 ) 灰斗边界条件 一般认为颗粒和灰斗壁面碰撞即被捕集，但是由于常规旋风除尘器灰斗中仍具有很 强的涡旋，灰斗中的颗粒撞击其侧壁某点，然后重新回到灰斗空间的机会很大，因此更 为合理的边界条件应该是颗粒和灰斗侧壁碰撞认为是弹性碰撞而仅仅认为和灰斗底边 碰撞的颗粒才被捕集。灰斗底部即为排料口，设为捕捉边界条件，在灰斗底部终止颗粒 的轨道计算，并将颗粒运动轨迹的结果标记为“捕捉”。 3 5 本章小结 本章主要通过分析各种流体模型，选择出适合于描述旋风除尘器内流场的湍流模 型；建立了气相湍流流动模型，并列出了模型的控制方程组；建立了颗粒相的运动模型， 并列出了模型的控制方程组。 江南大学硕士学位论文 第四章s t air m a n d 旋风除尘器数值模拟及二次扬尘机理分析 4 1 前言 本章主要对s t a i r m a n d 型旋风除尘器内的三维气固两相流动进行数值模拟。通过分 析模拟结果中的速度、压力等一些特征参数，得到普通旋风除尘器内的气流流动规律， 以及采用f l u e n t 软件提供的离散相模型( d p m ) ，得到典型粒径颗粒的运动轨迹，揭示 出锥体部分二次扬尘产生的机理。为本课题的双排灰旋风除尘器的设计研究提供对比分 析。 4 2 物理模型 s t a i n i l a n d 型旋风除尘器是一种典型的高效旋风除尘器。这种旋风器通常可以用简 体直径口为比值的结构参数( 无因次结构参数) 来设计。由于s t a i 肌a n d 型( 高效型) 研究 数据比较完整和应用中的有效性，许多研究者把自己改进后的旋风器与其作性能对比。 但是，分析国内外的有关旋风除尘器的数值模拟模型，很少考虑灰斗对其流动形式的影 响，实际上，这部分结构会对旋风除尘器的流场以及分离效率产生重要影响，而且本文 所作的结构改进一方面是针对灰斗返混所作的改进，基于这些考虑，本文选择s t a i 肌锄d 型高效旋风除尘器加灰斗作为比较对象。 典型旋风除尘器各部分的结构尺寸都存在一定的比例关系，s t a i n n a n d 型高效旋风除 尘器各部分的比例关系如下表4 1 ： 表4 1 结构尺寸 圆筒直径 排气管直径d 。 o 5 战圆锥高度( 日一 )2 5 或 d 0 d 0 进口宽度6排气管插入深度 排灰口直径d 2 0 3 7 5 0 2 域 o 5 域 办。 d o 进口高度口圆筒高度j i l半锥角口1 4 0 0 5d 01 5d o 本章以筒体直径为2 0 0 所所的s t a i m a n d 高效旋风除尘器为基本模型，灰斗尺寸为： 高度3 0 0 ，l m ，半径1 0 0 聊聊。具体的结构和尺寸如图4 1 ：( 取x = 0 的截面，水平向右 为y 轴正方向，竖直向上为z 轴正方向) ： 第四章s t a i n n 柚d 旋风除尘器数值模拟及二次扬尘机理分析 4 3 网格划分 1 一排气口 2 一进气口 3 一简体 4 一锥体 5 一排尘口 6 一灰斗 图4 1s t 抽n a n d 高效旋风除尘器结构示意图 要进行流场的数值模拟计算，首先需要将所要计算的空间或区域离散化，区域的网 格化是把微分方程离散化并奠定数值求解的基础，网格化的方式将直接影响到方程离散 化的难易，影响计算速度和所需的存储量，并影响数值解的收敛性和准确性。因此，许 多学者在研究流体力学计算方法的同时，也在研究网格的生成技术。 分块结构化网格是解决此问题的方法之一，将一个形状不规则或者很复杂的物理区 域分离成各个规则的计算区域，从而在各个区域中生成结构化网格。为了使划分的每一 个区域都比较规则，提高网格质量，本文根据s t a i 衄a n d 型旋风除尘器的结构特点，将 整个计算区域分为入口段和环形体、简体和排气管、锥体、灰斗四个部分。 本文利用网格生成软件g a m b i t 2 2 3 0 做前处理，遵循以上几点对模型进行网格划 分，从而形成了非均匀的六面体网格。依据上述原则建立的网格体系能够很好地适应模 型的几何结构及流动特性。同时，进行了网格无关性验证，即在增加网格数量的情况下， 切向和轴向速度分布并没有明显变化。 如图4 2 所示，整个三维计算域划分为2 3 9 2 0 0 网格单元。 南大学碰学位比立 图42s t d 型旋风除尘器网格划分示意圈 4 4 气相流场数值模拟 4 41 边界条件 气相模拟为常温下( 2 0 。c ) 的空气，密度p = l2 0 5 姆m3 ，动力黏度 = 1 49 1 0 m 2 5 入i j 韧始速度( 模型q j 入口速度方向为+ x 向) ：1 5 m s 。根抽 上 章公式计算入口处的水力学直径和湍流强度分别为 d ：丝：! ：竺1 1 塑：5 7 1 4 卅 “ d + 64 0 + 1 0 0 = 0 1 6 f 5 7 5 2 35 一“= 00 4 1 0 0 = 4 = 导= 篇署警硼s ：” 4 42 数值模拟可靠性验证 图d3 为除尘器几何模型中x = 0 ( x 坐标值为o ) 截【( 【i 上d 条直线的他胃分靠，取4 条直线上切向速度的数值计算结粜都呈现出旋风除尘器山双涡的典型结构，从m 正明了 小次数值模拟的r t j 辘性。 了_】-r【_llinil 习1一li- 第四章s d 旋r 除尘嚣数值檀拟敷= 次扬尘机理分析 ：鲳i + 0 0 0 图4 3x = 0 截面上的所取直线分布图 a 垂a 径向目r ( 图4 一 不同高度处切向速度沿径向分布围 4 4 3 气相流场模拟结果分析 切向速度和径向速度的大小，直接影响颗粒分离效率；另外，轴向速度分布影响了 颗粒在旋风除尘器内部有效分离区域内的停留时间，必然对除尘器的分离效率产生重要 影响。故下面对s 协兀t i a n d 型旋风除尘器几个截面上的速度矢量图进行分析，以得到旋 风除尘器的性能影响规律。 涡流也称为二次涡流，在旋风除尘器中称次流，它由轴向速度与径向速度构成涡 流对旋风除尘器的性能，尤其是分离效率，影响较大。图4 - 5 为本模型中x = o 截面上切 向速度的矢量图，改图可以看出在旋风除尘器顶板，排气管外壁与简体内壁之间，由 于径向速度与轴向速度的存在将形成局部涡流，央带着相当数量的颗粒向中心流动， 并沿排气管外表面下降，最后随中心上升气流逸出排气口，从而影响分离效率。下面着 重分析锥体部分的涡流情况，从图4 5 ( 图中黑点为笔者所注涡核) 中放大圈( a ) 中可 以看出排! 牡口下部耿斗内内存在明显的涡旋流，这部分涡流是由于部分外旋流进入扶 南 学碗学位论文 斗形成内旋流产生的，这部分涡流是造成灰斗返混的主要原因，：图( b ) 中看出在旋风 除尘器的底部。存在明显的涡旋流。这部分涡流是由于进入灰斗内的气流从中心部位折 返回至除尘器锥体，与高速旋转的内旋流混合，产生强烈的动量交换及湍流能量损失， 形成偏心环流，偏心环流与锥壁接触时将已分离下来的粉尘重新卷入内旋流，是排尘口 粉尘二次夹带的主要原因：图( c ) 中形成了两个串联的涡流，分别来之中心内旋气流 和壁面附近，也称为外旋流中的局部旋涡，它的存在将使被分离到壁面的粉尘重新卷入 内旋气流而排出旋风除尘器。 b d 图4 5x o 截面上切向速度的是量囤 从图中可以看出，旋风除尘器的中心气流，在锥体部分产生了扭曲，俗称“摆尾”， 这种现象在工程上一种广泛的解释是在圆锥的底部下旋的外旋流和上旋的内旋流相互 重叠，旋转气流中心受非平衡的力和力矩的作用，使得内旋流的中心偏离了装置的几何 中心，从模拟的结果可以看出，中心气流扭曲的强度由下至上逐渐减弱，流线曲度逐渐 降低，且在拐点处剐好形成了不对称的涡流，造成两侧压力不同形成了气流横向运动的 动力，最终使气柱偏离中心。对于粉尘最集中的区域，锥体排尘口，偏心的气流会触及 器壁从而将已分离的粉尘颗粒扬起t 形成排尘口处的二次扬尘现象。 图4 6 为x = 0 平面上轴向速度分布云图，在锥体部分取x = 0 截面上的4 条直线， 得到轴向速度沿径向的速度分布图，可以看出：轴向速度表明气体在外部区域沿轴向向 下运动，在内部区域向上运动。器壁附近向下的轴向速度对将颗粒传输到排扶口起重要 作用。由图4 6 所示，除尘器内的轴向速度可以分为两部分：内侧的上行气流和外侧的 f 行气流。外侧f 行气流的流量沿轴向向下运渐减小，太部分气流到选底部后，通过向 懑鬻懑遵烈彬陵蓬鼗窿 第四章s m m d 旋目除器数值模拟且= 次机4 分析 心径向气流而变成向上的内旋流 围4 6x ，0 平面上轴向速虚分布云图 旋风除尘器内流场是强旋转端流流动，而湍流运动是造成一些颗粒扩散和返混的原 因，一般认为，在气体的流动状态发生急剧变化的时候，湍流动能往往会变大。图4 7 为旋风除尘器x = o 平面上湍动能等值线圈。从图中看出在锥体壁面附近的湍动能要远 大于锥体内部的湍动能。这说明近壁面区域是高湍流的频发区，小颗粒容易受湍流的影 响而难以沉积在壁面。 勇 圈_ _ 江南 学矾1 学位论史 图4 7x ；0 平面上端动能等值线圈 这些因素都影响了除尘器的效率，并且还会增加流动的能量耗散，影响分离器监力 降。如何有效的解决这些矛盾、抑制这世不利的流动是丌发更高效旋风除尘器的关键。 4 5 颗粒离散相的数值模拟 4 5 1 边界条件 气相场收敛后，加入分敞相。根据网格划分的情况进【l 截面上共有1 6 0 个点源，每 个点源产生1 个颗粒t 共对1 6 0 个颗粒轨迹进行追踪。颗粒密度为9 8 0 堙，入口速 度与进口j 扎速相同：1 5 m j 。 4 5 2 颗粒轨迹模拟分析 对旋肛i 除尘器性能的研究必须包含对大量各种粒径颗粒的运动轨迹的跟踪。通过模 拟颗粒在除尘器内的运动轨迹，町以直观的履示胜风除尘器的工作过程，揭示旋风除尘 器内t 、同分离的理论。 由于n 旌风除尘器r f 】，颗粒 要受到离心力，o ：型掣和流体对颗粒的曳力 0 r ( s t o c h 阻力) 厶= 3 印。以的作用，颗粒的运动轨迹的蹙化实际j ：足这两种力在流 场。 ，不同他首动态作用的结粜而返两种山在流体的辩艘、颗粒的密度及流场不变时， 在同入口位臣进入颗粒的轨迹便取决1 颗粒的粒径卑l 湍流的影l 响。也就是随旧位肖1 粒 亡； 1 h ，【r 受湍流的影响，运动轨迹会不同，最终的 t 1 = 背出会小h 。幽19 ( a ) ( d ) 所给m 的是丰立径为l 卅的颗粒l j 枇同位置八射，其旧 l | l 轨迹彼此蓐川就很大。而 一 。嗣y少止、一瀑刚趱 第四口轧l h 如d 旋风除尘器数值模拟厦= 扶插尘机理n 析 对于粒径较大的的颗粒图4 9 ( e ) 一( h ) 所示为粒径为5 一的颗粒由相同位置入射 其运动轨迹差别不大。 o 鸯 蓬 围4 8 颗粒运动轨迹图 图( a ) 所示颗粒是已被分离下来的颗粒，它在被锥体下行气流带到灰斗的过程中。 又被扶斗返气的上旋气流夹带返混回来了，形成排尘口返混。这种颗粒从排尘口向上运 动的过程中，又受到离心力作用而向外运动部分较大的颗粒可被二次分离出柬，而部 分较小的颗粒则被带入排气管逃逸。图( b ) 所示的颗粒直接被带入排气管。图( c ) 所 示颗粒被扶斗捕集。图( d ) 所示颗粒在也是在靠近锥体底部时被内旋流带出排气管。可 爹笛o。一蓦国 爹蔼蠹。一雾 蒙 o。一蓦一 零 江南大学硕士学位论文 见，虽然收缩锥体有利于捕集颗粒，但由于使得小颗粒容易碰壁被反弹再次混入分离中 间，因而对颗粒捕集也有不利的一面。图( e ) 一图( f ) 所示颗粒轨迹差别不大，最终也 都被灰斗捕获。但是分析图( e ) 可以看出，大颗粒一进入除尘器，便碰壁，直接沿器壁 回转向下进入灰斗。图( f ) 可以看出，颗粒开始运动路径与图( e ) 所示一样，很快碰壁并 沿器壁进入灰斗，但是被内旋气流带出灰斗，由于颗粒粒径比较大，颗粒在二次分离过 程中重新被收集。 分析不同粒径颗粒的运动情况可见：从同样位置入射，粒径小的颗粒旋转的螺距较 小，它离开( 被捕集或逃逸) 除尘器的时间较长( 图中颜色表示颗粒停留在除尘器内的 时间) ，分离过程中很容易受到湍流的影响。而大颗粒旋转的螺旋较大，很快便贴壁回 转而下，进入灰斗被捕集，受湍流的影响很小。 4 6 二次扬尘产生机理 分析模拟的结果，我们可以看出，锥体部分的流场很复杂。实际中，锥体部分的作 用除了便于使外旋流转变为内旋流外，还为了使粉尘向中心靠拢，向下部中心排出。但 是通过上面的分析可以知道，在锥体处不仅存在二次涡流，并且气流非常接近高湍流， 而粉尘由此排出时，二次扬尘的现象就会产生，上升的内旋流将会带走大量粉尘，大大 降低除尘效率。所以分析锥体下部二次扬尘产生的机理对改进旋风除尘器结构，避免二 次扬尘产生是很有必要的。 -1 ，2 ( 1 ) 根据流体动力学理论，作用于直径d 颗粒上的离心力是z = 等d 3 ( 辟一p ) 导， o 心 阻力形= 3 掣v ：d ( 注：z 一离心力，n ；成，p 一分别为固体颗粒及气体的密度，堙m 3 ； d 一粉尘颗粒直径，m ：；r 一假想圆筒直径，m ；v ，一半径r 处的切向速度，聊s ；w 一阻 力，n ； 一气体黏度，心s ；v 以一半径r 处的径向速度，川s ；) 可知作用在粉尘粒 子上的离心力随着粒子的切向速度是呈立方增长，而阻力是呈线性增长。所以粉尘颗粒 在进入旋风除尘器后，大粒子很快就被分离下来。而小粒子由于离心力小，所用时间比 大粒子长，所以沉积在旋风除尘器壁面上的粉尘相比之下是小颗粒。以一般除尘器而言， 5 所以上的颗粒很快沉积到壁面，灰尘表面大约是3 5 m 的粒子。这样，由于粉尘表 面沉积的是细粉，二次扬尘产生时，表面粒子的惯性力小，所以比较容易被卷走。 ( 2 ) 旋风除尘器圆锥的下部半径是逐渐变小的，所以分离下来的粉尘颗粒从圆筒 段到圆锥段是在慢慢增厚的，尤其到圆锥的下部分时，粉尘达到一定厚度，才会慢慢落 入灰斗，这样，沉积在的圆锥下部的粉尘就很容易被内旋气流带走。 ( 3 ) 根据前面的模拟结果图4 5 ，在旋风除尘器的锥体部分存在着局部涡流，从 而使中心气流在锥体部分产生了扭曲。这就使得内旋流的中心偏离了装置的几何中心， 并且周期型地把排尘口处的粉尘扫下来而，作为粉尘最集中的区域，这会将大部分已分 4 2 第四章s 协i 呻柚d 旋风除尘器数值模拟及二次扬尘机理分析 离的粉尘颗粒重新扬起，形成排尘口处的二次扬尘现象。 ( 4 ) 在旋风分离器内，从气流中得以分离并浓集在器壁处的粉尘主要依靠下行气 流的推动排入灰斗。这样，不可避免地会有一部分气流进入灰斗，而后再返回分离器内。 从灰斗返回的这部分气流总会夹带回灰斗内已分离的部分粉尘，进入内旋流而从排气口 排出。 ( 5 ) 从湍流图可以看到锥体壁面附近的湍流运动变得剧烈。湍流是不规则的运动， 使颗粒在壁面附近跳跃，反复地向壁面靠近，又离开，直到被分离下来。所以受湍流及 锥体结构的影响，一部分粒子没有沉积到锥体壁面就被上升的内旋气流带走了。 4 7 本章小节 本章采用上一章介绍的模型，对s t a i n l l a n d 旋风除尘器的气一固两相流流场进行了数 值模拟，揭示了二次扬尘现象产生的机理，为后面双排灰旋风除尘器的研究提供了参考。 4 3 江南大学硕士学位论文 5 1 前言 第五章双排灰旋风除尘器的机理分析及模拟 上文通过对s t a i 册锄d 典型旋风除尘器内部流场的模拟，分析总结出了旋风除尘器 圆锥部分产生二次扬尘现象的机理。针对分析出的机理，本章提出一种有效避免二次扬 尘现象产生的方法一双排灰思想。根据这一思想，设计出一种新型的旋风除尘器结构， 并通过数值模拟研究来考察双排灰思想的可行性。 5 2 解决锥体部分二次扬尘的思路 通过分析锥体部分二次扬尘产生的机理，可以发现，避免二次扬尘现象的产生，必 须从两方面着手，一是避免粉尘颗粒在圆锥段与气流的二次混合，二是尽量减少锥体部 分的涡流和湍流。 根据上一章二次扬尘机理的分析，旋风除尘器的中心气流在锥体部分产生了扭曲， 而且扭曲的强度由下至上逐渐减弱，流线曲度逐渐降低，这样加之锥体部分半径的逐渐 减小，强的摆尾现象很容易卷走壁面上粉尘。那么如果在摆尾扭曲严重之前，把沉积在 壁面上的粉尘提前排入灰斗，就可以有效避免粉尘被二次扬起，这是解决锥体部分二次 扬尘的指导思想之一。 另一方面，由于流场的不稳定，锥体部分产生的涡流和湍流会影响锥体壁面附近的 粉尘，使颗粒不容易沉积，而是被重新卷入上旋气流排出除尘器。所以，最大程度避免 涡流和湍流的产生，得到稳定的内部流场是研制新型旋风除尘器的另一指导思想。 因此，基于上述两个方面可以假设：在不改变旋风除尘器除尘机理的前提下，如果 能将沉积在锥体部分的粉尘提前排入灰斗，同时有效减少涡流和湍流对粉尘颗粒的影 响，使粉尘颗粒在旋风除尘器中有规律运动，由此来提高除尘效率，这就是双排灰的思 想。 5 3 双排灰旋风除尘器的几何结构 根据本文提出的双排狄思想，对s t a i 锄a 1 1 d 型旋风除尘器进行了一种全新的改进措 施，具体的改进措施如下： ( 1 ) 在粉尘大量沉积在锥体底部以前开出环形缝隙，使大量粉尘提前排入灰斗， 减少锥体底部进入到涡流和湍流中的粉尘量，最大限度减少因二次扬尘带走的粉尘。 ( 2 ) 为了不影响上旋气流的运动形式，圆筒内增设一内锥，旋转气流到达小锥后 折返向上形成上旋气流，最终从排气管排出。 ( 3 ) 考虑到锥体底部的二次扬尘现象，还包括旋转向下的气流进入到灰斗内时， 形成旋转向上的气流时所带走的灰斗内的一部分粉尘，即狄斗返混。所以，在内锥套到 旋风除尘器的下部后，在其下面，再套一个比较大的倒锥，伸入狄斗内一部分，使从环 第五章双排灰旋风除尘器的机理分析及模拟 形缝隙排出的粉尘可以依靠惯性落入灰斗，而从小锥内折返向上形成的内旋流则可以避 免将已沉积在灰斗壁面上的粉尘重新卷起。 改进后的双排灰旋风除尘器结构如图5 1 所示，结构尺寸如表5 1 ： 1 一排气口 2 一进气口 3 一简体 4 一锥体 5 一小锥体 6 一小圆筒 7 一排尘口 8 一倒锥 9 一灰斗 图5 1 双排灰旋风除尘器的结构示意图 表5 1 双排灰旋风除尘器的结构尺寸( m m ) 圆筒直径 2 0 0 排气管直径1 0 0 圆锥高度 3 4 0 进口宽度 4 0 排气管插入深度 1 0 0 小圆筒高度 1 6 0 进口高度 1 0 0 圆筒高度 3 0 0 内锥高度 1 6 0 小圆筒直径 1 2 0 内锥上底直径 9 2 内锥下底直径 7 5 倒锥高度 1 3 0 倒锥上底直径7 5 倒锥下底直径 1 6 0 5 4 双排灰旋风除尘器的除尘机理分析 4 5 江南大学硕士学位论文 图5 2 双排灰旋风除尘器除尘机理示意图 根据图5 2 ，双排灰旋风除尘器的除尘机理可叙述为：改进后的旋风除尘器是通过 提前排灰，隔离内、外旋流来达到分离气流中颗粒的目的的。含尘气流进入旋风筒后旋 转向下运动，在旋转过程中产生很大的离心力，由于颗粒的密度比空气大很多倍，因此 旋转的尘粒在很大的惯性离心力作用下，从气流中分离出来甩向器壁。尘粒一旦与器壁 接触后便失去惯性离心力作用而靠入口速度的动能和自身的重力势能沿器壁旋转下落， 落入锥体。大部分粉尘会经过内锥与小圆筒形成的环形缝隙提前排到灰斗内；而小部分 粉尘则由内锥排入灰斗。由于外旋气流一部分经环形缝隙进入灰斗，一部分则在小锥内 形成返转向上的内旋流，所以部分粉尘会由内旋流经内锥带出，但是由于惯性离心力的 作用，这部分粉尘又会被甩向器壁，进入外旋流，最后经过环形缝隙进入灰斗，从而得 到了二次分离。由于内锥隔开了粉尘和内旋流运动路径，所以有效地抑制了锥体下部的 二次扬尘。同时，在内锥口处采用锥段结构，加装一个下底半径大于内锥的倒锥，一方 面迫使经环形缝隙进入灰斗内的外旋流也将从内锥折返向上，而不经过环形缝隙进入锥 体；另一方面，使灰斗上部壁面的粉尘在向中心气流运动过程中发生折转重新向灰斗壁 面运动，以削弱灰斗返混。 5 5 双排灰旋风除尘器模拟计算 5 5 1 网格划分 由于双排灰旋风除尘器锥体下部增设了内件，使得网格划分比普通旋风除尘器大为 增加，因此，分区域画网格时，为了使划分的每一个子区域都比较规则，分出一半径小 于锥体底出口、自上而下与除尘器同轴的圆柱，然后纵向上用两个互相垂直过轴心的平 面将旋风除尘器分成对称的四部分，再将这四部分从排气芯管下端面、简体下端面、锥 墨至里翌堡壅壁璺竖圭堂盟墨些盐堑丝塑型 体下端面分隔开，这样整个旋风除尘器都可以划分出质量很高的六面体网格。同样本节 网格也进行了网格无关性验证即在增加网格数量的情况下，切向和轴向速度分邗并没 有明显变化。 如图5 3 所示，整个三维计算域划分为3 1 0 6 8 8 网格单元。 囤53 肛排友旋风除尘器网格剐分囤 5 5 2 模拟结果可靠性验证 图5 4 为除尘器几何模型中x = 0 ( x 屯标值为o ) 截面上4 条直线的位置分咖，这4 条直线取与s t a i r m a n d 型旋风除尘器同样的位胃，4 条直线上切向速度的数值计算结果 都呈现出旋j 】叱除尘器内双涡的典型结构，从而旺明了本次数值模拟的可靠性。 江南人学颇 ：学论女 囤5 4x = 0 截面上4 争直线的位置示意图 5 53 气相场模拟结果比较 图5 5 切向速度沿径向分布囤 。h 第j 章双捧灰旋风除尘器的机理分析及模拟 ”1 口6061 0 2 5 t a n g e 嘣a lv e i o c l 婶( r 眺) 图5 6 是x 1 0 平面上切向速度云围和分布直方囤 圈5 6 为改进后的双排扶旋风除尘器的切向速度云图从图中可咀看出，流场比较 规整，中心气柱在环形缝隙以上的部分没有大的偏移，只是在内锥内有偏移，但是由于 大部分灰尘从环形缝隙排入了伙斗，所以偏移的中心气流在内锥内不会扬起太多粉尘。 图5 7 是x = 0 平面上切向速度矢量图，从局部放大图看出，进入_ 吓形缝隙的气体量 比较少，大部分气量从内锥向下运动并在内锥折返向上，所以内锥内气流呈s 型。进入 环形缝隙内的气流都呈向f 运动的趋势，这样粉尘经过环形缝隙时不会受到向上气流的 干扰，而顺利地排入伙斗。同时，我们还可以注意到，折返向上的气流从内锥流出时， 一部分气流又被外旋向下的气流重新带入环形缝隙向下运动，这将为从内锥带出的粉尘 提供二次分离的机会。 l j 图5 7x = 0 平面上切向速度矢量图 淼燃徽戮鼍l徽ii燃僦 _ 一， 、瞳 嬲麓端端裟麓麓；l裟ii 量强 江南 学删i = 学位论空 图52x - 0 平面上轴向速度矢量图 再看般排灰旋风除尘器的轴向速度矢量图58 ，从圈中可以明姓看出环形缝隙部分 气流的走向。从图中看出，气流在倒锥与扶斗间的运动是向f 运动的，然后在倒锥的下 部，一部分气流会紧贴锥擘向上从内锥排出，一部分气流则还是旋转向f 运动，但是由 1 。倒锥与驮斗在扶斗上部形成了较小的环形空间迫使这部分气体在向扶斗壁面运动运 动后，难以彤成沿壁面向上的气流，最终还是向倒锥内部运动而折返向上。( b ) 图中看 出，在排尘门与扶斗相接的地方，扶斗内形成了一小部分涡流，这部分涡流足由于排尘 口与扶+ 相接的部分空间突然扩大，气流速度变大，突然碰壁返同束的气流所彤成的。 于缝隙内没有向r 的运动气流而都是向下的气流，所以叩使粉小n 这部分受涡流影响 m j 运动j 舌跃，最终还是会被向f 的气流带入灰斗内。 刚j9 是s t a lr i t l a n d 型和般排扶型旋风除尘器的湍动能分扣云罔。肌h ( a ) 中可以 看出t sc a l n n a n d 型锥体f 部和排半口处灰斗卜部湍动能比较大，达到e + 0 1 数量级， 而且湍，山能分柑小均匀，扶斗底音| ：的湍动能最小。从削( b ) 烈排扶型分布图中可以看 h ，湍功能较大的地方在内锥雨l 倒锥内部，似是只有叶0 0 数嚣级，相比s 缸l a n d 型小 了许多。司时，环形缝隙内的湍动能存旋风除小器的整体部分是最小的这为粉7 l 的顺 利排放提供丁很好的条件。 对 匕斟( a ) 和l 刳( b ) i 以芨现，双排版型的湍动能蛙人值比s t 洲a n d 州小r 许 多，町_ l 最小龃也减小r ，匣明湍流埘烈排版旋风除乍擀的影刊减小了。对比锥体内阜l 扶：l 山的湍；：! ；c 分* ，t ，t 以开，双排版型的内锥和倒锥内足湍流远动激烈f n 邴似，环形 _|川川引嘲舅州引刚刚u 第i $ m 捧痰旋风除尘# 的机4 分析驶模拟 缝隙湍流却很弱，这正好为粉尘的捧出提供了有利的条件。但是双排扶型扶斗底部的湍 动能相比较比较大，说明由于内锥和倒锥的加入使气流运动延长，在灰斗底部也没有 平静下来。所以应当对双排灰旋风除尘器的灰斗加长，这样可以避免湍流在灰斗底部的 剧烈运动而影响粉尘的沉积。 5 5 4 颗粒轨迹模拟结果 x j 0 平面上湍动能分布云图 图5 一l o 为粒径分别为05 卢m ，1 m ，2 卅，5 m 的粒子从进气口同一位置进入职 排灰旋风除尘器的运动路径：从中看出粒子在进入双排扶旋风除尘器后的运动轨迹，不 论较小或者较大的颗粒，颗粒一般是从环形缝隙进入扶斗而被捕集。 。一 oo g 蘑鬣， o 。 o !? 矗；2 n 固g 围5 一l0 颗粒运动轨迹围 门川川酬引吲豳日一l 犟一。罗矽营 挈薯 南人学碗i 学位论文 圈5 一i l 为05 口m 的粒子在s t a l n 姐d 型和双排款型旋风除尘器的运动路径，为了 更好地对比粒子的运动轨迹进气口都释放i o 个颗粒。图( a ) 为传统型，图m 1 为双排 灰型。对比排气口处的颗粒轨迹线，可以看出进入s 协i 衄a n d 型旋风除尘器的颗粒大部 分都从排气口逃逸了，而双排灰旋风除尘器捕捉了大部分颗粒，只有个别颗粒从排气口 逃逸。 a b 图5 1 l 05 朋 颗粒运动轨迹图 5 55 颗粒分离效率的模拟计算 为分析不同粒径的颗粒在旋风除尘器中的分离效率，选取几种不同粒径的颗粒，均 匀地从进气口入射。从上一章粒径从小到大的颗粒的运动轨迹图可以看出随着粒径的增 大，颗粒的分离效果越好，另外，可以我们从捕集的颗粒数日以及进气口入射的颗粒数 目，得出旋风除尘器对不同粒径颗粒的分离效率。设从进气口进入旋风除尘器的粒径为 d 的颗粒数目为，被灰斗捕集的颗粒数目为一，则分级效率可以用r 而式子计算： ”= 二1 0 0 ( 51 ) 山于旋风除尘器内的湍流作闱是复杂的，颗粒从进气口进入后，有u t 能被捕集也有 可能不被捕集到。通过多次试射统汁粉尘被捕集到的次数，取其平均次数，然后按式 计算这种粒径的分离效率，得到的被捕集概率叫以在定程度卜反映此粒径粉尘的收集 能力。本文的计算模型入 截面部是1 6 0 个瞥区，即从进气口释放1 6 0 个颗粒，分别试 射5 次，得到被捕集的颗粒平均数井计算分离效率。 时s t a l 皿姐d 旋m 除尘器进行分离效率模拟算，从进l 1 分别释放o5 “卅，1 口， i 5 ，2 m ，25 f m ，3 一m ，35 掣卅，4 口，5 一m ，6 p ，7 m 返1 1 种粒径的颗 k 胁 爹 墓蓄孽萋 第五章捧藏旋风障尘器的机理分析技模拟 粒，每种颗粒试射5 次，取平均数得到被捕集颗粒数，利用公式5 1 计算分级效率，结 果如下表所示： 表5 1 乱蛐d 型旋风除尘器分级嫂率敏据表 o 5 1l5 225335456 7 u mm“m“m“m“mm“州 n5 16 l7 18 29 71 1 61 3 3 1 4 51 5 5 1 5 71 6 0 _ 3 1 73 834 4 45 116 067 228 339 079 6 79 831 0 0 对双排灰型旋风除尘器进行模拟计算得到下表数据 袁5 2 鼠辛| 灰型旋风除生器分级效率数据表 o5 l15 2 25 3354567 “小“m“m“m“m“卅枷m“州 n8 01 0 31 3 01 4 41 “1 4 81 5 5 1 5 61 6 0 1 6 01 6 0 5 06 啦48 1 | 39 09 09 2 ，59 7 19 7 5】0 0j 0 0l o o 对比两种旋风除尘器的颗粒捕集数目和分离效率，如图5 1 2 和图5 1 3 所示 图5 一l2s i a i 咖柚d 型和取钟灰型捕椠颗粒敷对比囤 江南太学顸十学位论z 1 2 0 1 0 0 8 0 篡e o 4 0 2 0 0 7 0 p 一 _ 一改进后 l ：靴b l d ul2345678 颗粒直径 图5 13s t a l 皿蚰d 型扣双排灰型分级技率对比图 从图5 - 1 3 可以看出，随着颗粒粒径的逐渐减小，颗粒的分级效率随着粒径的减小 而减小。在5 “m 以下时，双排扶旋风除尘器的分离效率明显高于普通旋风除尘器的效 率；增加i 到颗粒粒径为5 以后，两种结构的旋风除尘器分级效率就近似一样可见， 叔排版旋风除尘器对细粉有很好的分离效率。 5 6 双排灰型旋风除尘器的性能分析 根据设计确定尺寸建立三维双排扶旋风除尘器模型，并进行刚格的划分添加模拟边 界条件。通过对双排扶型旋风除尘器的数值模拟，并将结果与s t m 皿a n d 型旋风除尘器 模拟结果相比较，可以总结卅双排扶旋风除尘器分离效率高于s t a i f l i l a n d 型旋j ) 吨除尘器