（化工过程机械专业论文）逆装直筒导叶式三相旋流器流场特性研究.pdf

青岛科技大学研究生学位论文 逆装直筒导叶式三相旋流器流场特性研究 摘要 逆装直筒导叶式三相旋流器是w x u 型湿法脱硫装置的关键部件，主要用来 分离烟气中夹带的脱硫洗涤液，对该部件内部的流场特性进行研究，有助于其结 构优化设计，提高气液分离效率，进而改善w x u 型湿法脱硫装置的操作性能。 本文以逆装直筒导叶式三相旋流器与离心风机的组合模型为研究对象，采用 软件p r o e 和g a m b i t 建立了逆装直筒导叶式三相旋流器和离心风机的几何组合模 型，进行了网格划分及边界条件设置；然后导入f l u e n t 软件中，以三维时均n s 方程、r s m 湍流模型和多参考坐标系模型为基础，对该组合模型内部气相流场进 行数值模拟，研究了逆装直筒导叶式三相旋流器的结构参数( 导向叶片出口角度、 主简体长度、导流棒长度) 及进气速度对流场特性的影响；最后在已完成的气相 流场基础上，采用离散相模型研究组合模型对于不同粒径液滴的分离情况，得出 如下结论： 导向叶片的出口角度越小，主筒体内切向速度越大，轴向速度越小并且 在筒体中心的反向速度越小；旋流器进出口压降随着导向叶片出口角度的增大而 不断减小；导向叶片出口角度d 为2 6 0 时的分离效果最好。 随着主简体长度的减小，切向速度不断增大，在靠近主筒体中心的轴向 速度不断增大，中心处的轴向反向速度不断减小，回流现象越弱；主筒体长度为 3 2 0 0 m m 时压降最小；而主筒体长度为3 6 0 0 m m 时分离效果最好。 随着导流棒长度的增加，主简体内轴向速度不断增大，并且中心处轴向 反向速度不断减小，即回流现象不断减弱。导流棒长度为9 0 0 m m 、1 8 0 0 m m 时的 压降都较小，但较长的导流棒相当于减小了主筒体内的分离空间，不利于分离； 导流棒长度为6 0 0 m m 时分离效果最好。 随着进气速度的增大，主筒体内切向速度和轴向速度都不断增大。逆装 直筒导叶式三相旋流器的进出口压降随着进气速度的增大而增大，并且当进气速 度为6 m s 时压降急剧增大；迸气速度为5 m s 时分离效果最好。 关键词：逆装式三相旋流器r s m 湍流模型流场特性数值模拟 青岛科技大学研究生学位论文 i n v e s t i g a t i o no nt h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c s o ft h ei n v e r s ea n dc y l i n d r i c a lt h r e ep h a s e c y c l o n ew i t hg u i d ev a n e s a bs t r a c t 硼1 ei n v e r s ea n dc y l i n d r i c a lt h r e ep h a s ec y c l o n ew i t hg u i d ev a n e si st h ek e y c o m p o n e n to fw x i 7w e td e s u l f u r i z a t i o ne q u i p m e n tw h o s em a i nf u n c t i o ni st os e p a r a t e d e s u l f u r i z a t i o nw a s h i n gd r o p l e tf r o mf l u eg a s t h er e s e a r c ho fi t si n t e m a lf l o w c h a r a c t e r i s t i c si sc o n t r i b u t e dt oo p t i m i z i n gt h ed e s i g no fs t n 】c 臼l r e i m p r o v i n gt h e s e p a r a t i o ne f f i c i e n c ya n dp e r f e c t i n gt h eo p e r a t i n gp e r f o r m a n c eo ft h ew x i ，w e t d e s u l f u r i z a t i o ne q u i p m e n t i nt h i sp a p e rt h ec o m b i n e dm o d e lo fi n v e r s et h r e ep h a s ec y c l o n ea n dc e n t r i f u g a l f a nw a st h er e s e a r c ho b j e c t ，t h eg e o m e t r i c a lc o m b i n e dm o d e lw a se s t a b l i s h e d ，m e s h e d a n dt h eb o u n d a r yc o n d i t i o n sw e r es e t b a s e do nt h es o f t w a r ep r o ea n dg a m b i t a f t e r t h a t ，i nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ei n t e r n a lg a sp h a s ef l o wf i e l do ft h ec o m b i n e d m o d e l ，t h et h r e e - d i m e n s i o n a lt i m ea v e r a g e dn - se q u a t i o n ，r s mt u r b u l e n tm o d e la n d m u l t i p l er e f e r e n c ef r a m ew e r eu s e d ，b a s e do nt h es o f t w a r ef l u e n t t h ei n f l u e n c eo f t h es t r u c t u r ep a r a m e t e r s ( t h ee x p o r ta n g l eo fg u i d ev a n e ，t h el e n g t ho fm a i nc y l i n d e r a n dt h el e n g t ho fg u i d er o d ) a n dg a si n l e tv e l o c i t yo fi n v e r s ea n dc y l i n d r i c a lt h r e e p h a s ec y c l o n ew i t hg u i d ev a n e so nt h ef l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i e sw e r es t u d i e d f i n a l l y , o nt h eb a s i so ft h ec o m p l e t e dg a sp h a s ef l o wf i e l d ，u s i n gd p mm o d e l ，s e p a r a t i o n e f f i c i e n c yo fd i f f e r e n ts i z ed r o p l e t sw a si n v e s t i g a t e db yc h a n g i n gt h ed r o p l e td i a m e t e r i nt h i sc o m b i n e dm o d e l t h ec o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) w i t ht h ed e c r e a s i n go ft h ee x p o r ta n g l eo fg u i d ev a n e ，t h et a n g e n t i a lv e l o c i t y o fm a i nc y l i n d e rw o u l dg r a d u a l l yi n c r e a s e ，w h i l et h ea x i a lv e l o c i t ya n dt h er e v e r s e v e l o c i t yw o u l dr e d u c eg r a d u a l l y ；t h el a r g e rt h ee x p o r ta n g l eo fg u i d ev a n e ，t h es m a l l e r t h ep r e s s u r eo fi n v e r s et h r e ep h a s ec y c l o n e i tc o u l dg e tt h eb e s ts e p a r a t i o ne f f i c i e n c y w h e nt h ee x p o r ta n g l eo fg u i d ev a n ep = 2 6 0 ( 2 ) w i t ht h em a i nc y l i n d e rl e n g t hd e c r e a s i n g ，t h et a n g e n t i a lv e l o c i t ya n dt h ea x i a l v e l o c i t yc l o s e dt ot h ec e n t e ro fm a i nc y l i n d e rw o u l dg r a d u a l l yi n c r e a s e w h i l et h e r e v e r s ev e l o c i t ya tt h ec e n t r a lp l a c ea n dt h eb a c k f l o ww e a k e n i n gw o u l db ew e a k e n e d w h e nt h el e n g t ho fm a i nc y l i n d e rw a s3 2 0 0 m m ，t h ep r e s s u r ed r o pw a sm i n i m u m ，b u t t h eb e s ts e p a r a t i o n e f f i c i e n c yc o u l db eo b t a i n e dw h e nt h el e n g t ho fc y l i n d e ri s 3 6 0 0 m m i i i 逆装直筒导叶式三相旋流器流场特性研究 ( 3 ) w i t ht h el e n g t ho fg u i d er o di n c r e a s i n g ，t h ea x i a lv e l o c i t yo fm a i nc y l i n d e r w o u l db e c o m el a r g e r , w h i l et h er e v e r s ev e l o c i t yi nt h ec e n t r a lp o s i t i o nw o u l dg e t w e a k e d ，a n dt h a tm e a n st h eb a c k f l o wp h e n o m e n o nw e a k e d t h ep r e s s u r ed r o pw i t h g u i d er o dl e n g t ho f9 0 0 m ma n d18 0 0 m mi sv e r yl o w b u tt h el o n g e rg u i d er o dm a y r e d u c et h es e p a r a t i n gs p a c eo ft h em a i nc y l i n d e r , w h i c hh a sb a de f f e c t so ns e p a r a t i o n t h eg u i d er o dw i t ht h el e n g t ho f6 0 0 m mh a st h eh i g h e s ts e p a r a t i o ne f f i c i e n c y ( 4 ) t h et a n g e n t i a la n da x i a lv e l o c i t yi nt h em a i nc y l i n d e rw o u l db e c o m el a r g e r 、析t l lt h ei n l e tv e l o c i t yi n c r e a s i n g t h ep r e s s u r ed r o po ft h ei n v e r s et h r e ep h a s ec y c l o n e b e t w e e nt h ei n l e ta n do u t l e tg e t sl a r g e rw h e nt h ei n l e tv e l o c i t yi n c r e a s e s i nt h ec a s eo f 6 m s ，t h ep r e s s u r ed r o ps u r g e s i nt h ec a s eo f5 m s ，t h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c yi st h e h i g h e s t k e yw o r d s ：i n v e r s et h r e e p h a s ec y c l o n e r s mt u r b u l e n tm o d e l f l o wc h a r a c t e r i s t i c sn u m e r i c a ls i m u l a t i o n w 青岛科技入学研究生学位论文 1 绪论 1 1s 0 2 污染现状 二氧化硫是具有强烈刺激性气味的无色气体，对大气危害极为严重。随着社 会的发展，人类对周围环境的改变日益加深，导致大气中s 0 2 的含量极度超杯， 这对人类自身健康、工农业生产、牛态环境、建筑材料等许多方面造成损高。特 别是当大气中的s 0 2 形成酸雨时，- 对人类自身和周围环境的破坏更为严霞。铡如， 酸雨会导致土壤酸性化，肥力降低，破坏农作物的根系；杀死水巾的部分生物， 并减少鱼类的食物来源，损害了水生态，还污染了地表的各类淡水源，直接或间 接对人类身体健康造成危害；洗淋植物表面，对其造成直接或间接的伤害，导致 森林的衰亡；对石料、金属等许多建材都有强烈的腐蚀作用。图1 1 1 3 为3 个 酸雨危害的例证。 图1 1 爱酸雨侵蚀的德国石雕 f i g ，1 - 1t h eg e r m a ns t o n ec o r r o d e db ya c i dr a i n 图1 2 遭受酸雨慢蚀的文物， f i g i 一2t h ec u l t u r a lr e l i cc o r r o d e db ya c i dr a i n 飘代的湖泊扣氨锥 l 图1 - 3 遭受酸雨侵蚀的湖泊和森林 f i g 1 3 f h el a k ea n df o r e s tc o r r o d e db ya c i dr a i n 目前，我国的酸雨区域覆蓣四川、广东、广西、江两、湖南、湖北、浙江、 江苏和青岛等省市部分地区，面税商达2 0 0 多万平方公里，酸雨画积占到匮土面 积的近3 0 ，它是世界上三大酸南区之一。我国的酸谢区域面积扩张速度极快、 逆装直筒导叶式三相旋流墨流场特性研究 雨水酸化程度越来越高j 这在世界上是极其罕见的。过多的酸性降雨，已经成为 制约我国经济和社会发展的一个重要因素，因此我国政府十分重视酸阿和二氧化 硫的污染问题。图l _ 4 为2 0 1 0 年我国全国降水p h 年均值等值线图。大量研究表 明，我国的酸性降雨属于硫酸型酸雨【，抑制我国酸雨污染的关键是控制s 0 2 的 捧放量。 雪 圈1 毋 、* ， 7 誊一 ：匿堕璺l 图1 - 42 0 1 0 年全国降水p h 年均值等值线圈 f i g 1 - 4t h ei s o l i n ef i g u r eo fc h i n e s ep r e c i p i t a t i o np hf o ra n n u a la v e r a g ev a l u ei n2 0 10 1 。2 烟气脱硫技术与装置的应用现状 1 2 1 国内烟气脱硫现状 能源的消耗是产生s 0 2 的主要来源，其中煤炭的消耗在我国的能源产业和消 费结构中一直是占主导地位的，相关研究表明在今后的很长一段时间内，煤炭在 能源产业和消费结构中的地位不会发生根本性的变化。 我国的煤炭资源、动力煤、炼焦煤和商品煤的平均含硫量均在1 慨以上，这 造成了我国二氧化硫和酸雨的严重污染【2 】。2 0 1 0 年中国的s 0 2 排放量为2 1 8 5 1 万 吨，已居世界第一位。产生s 0 2 的主要来源是燃煤火电行业( 占5 0 以上) 和燃煤 工业锅炉( 占3 6 5 以上) 1 3 , 4 1 。s 0 2 的大量排放直接影响到了我国大气环境质量 的改善和电力行业的可持续发展。我国十分重视燃煤电厂的锅炉烟气脱硫，对火 电厂的s 0 2 的排放制定了严格的标准。- 火电厂大气污染物排放标准即 g b l 3 2 2 3 2 0 0 3 已于2 0 0 4 年1 月起正式实施，捧放标准为烟气中s 0 2 含量小于 4 0 0 m g m 3 。近年来，国家又不断出台了一系列相关的法律法规、规划、技术政策， 对火电厂大气污染物的排放制定了更高要求的标准，g b l 3 2 2 3 2 0 0 3 已无法适应新 形势下对环保的要求。国家相关部门子2 0 0 6 年就发布了对火电厂大气污染物排 放标准修订的任务，2 0 1 1 年1 月已取得二次征求意见稿，它对火电厂大气污染 物捧放限制标准提出了更高的要求，烟气中s 0 2 含量小于2 0 0 m 咖3 。 我国把燃煤锅炉划分为电厂锅炉( 大于2 0 万k w 机组的燃煤锅炉) 和大中 型锅炉( 小于2 0 万k w 的机组以及热电联产锅炉) 两部分，并对其烟气脱硫控 2 青岛科技大学研究生学位论文 制使用不同的治理措施。针对电厂锅炉的烟气脱硫，国外因起点高，其烟气脱硫 装置已经在系列化、成套化、机电一体化和自动控制上都取得了快速的发展。近 年来，我国政策是引进国外先进的脱硫技术及装置，对其进行消化吸收，以此促 进我国电厂锅炉烟气脱硫的发展，并逐渐实施国产化。 通过引进、消化吸收国外技术和自主开发，我国已拥有了3 0 万千瓦级火电 机组自主知识产权的烟气脱硫主要工艺技术，并且历经了超过一年的工程实践检 验。例如，苏源环保工程股份有限公司研制的具有自主知识产权的石灰石石膏湿 法烟气脱硫技术，已在太仓港环保发电有限公司二期2 x 3 0 0 m w 烟气脱硫工程中 被成功的应用；北京国电龙源环保工程有限公司对德国技术进行消化、吸收并再 创新，开发了具有自有知识产权的石灰石一石膏湿法烟气脱硫技术，并己投产于 江阴苏龙发电有限公司的第三期2 x 3 3 0 m w 烟气脱硫工程。 我国对于大中型燃煤锅炉的烟气脱硫的政策是鼓励自主研发脱硫除尘一体 化技术。近来，我国通过对大中型燃煤锅炉的烟气脱硫的大量研发，已取得了很 大的发展，并形成了一定的自有知识产权成果，其中某些成果已被用于工程应用 和拓广。例如液柱喷射脱硫装置、旋流板塔脱硫装置，此外还有循环流化床和电 子束方法等一些干法脱硫设备。研发具有自有产权的锅炉烟气脱硫技术与装置已 成为我国今后烟气脱硫发展的必然趋势。 1 2 2 燃煤设备的脱硫技术 燃煤设备的脱硫技术主要有三大类：燃烧前脱硫、燃烧中脱硫和燃烧后烟气 脱硫。其中常用的是燃烧后脱硫，即烟气脱硫( f g d ) ，它是脱硫效率最高和控制 酸雨最重要的技术手段，在工程实践中被广泛的使用。因其技术成熟、成本低廉 的优点，烟气脱硫是目前治理燃煤锅炉烟气脱硫的最重要的技术与工艺。它分为 干法脱硫、半干法脱硫和湿法脱硫三种。其中湿法烟气脱硫技术最为成熟可靠， 如石灰( 石灰石) 石膏工艺己研制出了出第二代乃至第三代工艺系统，极大地改 善了传统湿法脱硫工艺中的堵塞、结垢等问题【5 ，6 】。近年来我国实际工程应用的脱 硫工艺基本上都是湿法脱硫工艺。湿法脱硫工艺依据吸收剂的不同可分为石灰 ( 石灰石) 石膏法、双碱法、海水法及氧化镁法等【7 1 。 1 2 3 典型的湿法脱硫装置 作为反应和吸收装置的脱硫塔是湿法脱硫工艺的核心。吸收剂和s 0 2 的混合 与传质程度决定了其脱硫效率的高低。依据气液接触方式的差异，脱硫塔可划分 为喷淋塔、格栅填料塔、旋流板塔、液柱喷射塔、鼓泡反应器和文丘旱洗涤器等， 文献 8 ，9 对这些反应器脱硫工艺和结构做了详细的介绍，在此不再叙述，仅对课 题组研发的w x u 型脱硫装置进行介绍。 逆装直筒导叶式三相旋流器流场特性研究 1 2 3 1w x i7 型脱硫装置 文丘里洗涤器是一种高效的湿式洗涤器，烟气经过收缩段之后获得了较高的 流速，在喉口处将吸收液雾化成细小液滴，并与液滴处于高度湍流状态，进而得 到较高的传质效果。文丘里洗涤器具有结构简单、成本低廉、占地面积小及净化 效率高等优点。近年来，人们不断的关注其在脱除s 0 2 方面的应用，以文丘里洗 涤器为核心元件，与其它设备构成不同的组合形式，进而研发出不同结构的脱硫 装置【1 0 1 。例如，美国f o u rc o m e r s 电厂把文丘里与石灰浆料循环系统联用改造成 的脱硫除尘一体化装置【1 1 1 。美国道肯公司研发的文丘里式脱硫塔内安置了一层两 排的文丘里棒栅，可根据烟气负荷调整活动栅，从而保证在低负荷时能使烟气在 塔截面上均匀分布，形成强烈湍流，保证较高的脱硫效率。我国也有一些有关使 用文丘里洗涤器进行锅炉烟气脱硫的报道。例如，米铁等试验并研究了文丘里格 栅的除尘脱硫性能及操作参数的影响【1 2 1 。许灵群等对锅炉烟气脱硫系统中将文丘 里洗涤器与旋流板组合使用进行了研究和工程应用【l 引。 课题组以文丘里洗涤器和旋流分离器为核心元件，开展了新型脱硫装置的研 发工作。考虑到文丘里洗涤器压降较大的特点，建立了半工业规模的脱硫实验平 台。首先对文丘里洗涤器的结构尺寸进行了优化研究，提出了可作为工程设计或 优化操作时文丘里洗涤器压力损失的预测模型【1 4 1 6 】，然后对结构优化后的文丘里 洗涤器进行了脱硫除尘性能实验，并得到了优化后的脱硫除尘操作参数1 1 7 , 1 8 】。根 据分析比较，选用如图1 5 所示的直筒型导叶直流式三相旋流器( 以下简称三相旋 流器) 作为文丘里洗涤器的配套装置，其主要功能是对文丘里洗涤器排出气体中 的残余尘粒和液滴进行分离。课题组搭建了三相旋流器工业规模的实验平台，对 三相旋流器的结构和操作参数进行了优化，还对三相旋流器的内部流场进行了实 验研究及数值模拟i 拶删。 ”厂 。卜_ j 彳 、i 。 ， l 一 1 ：2 图l 5 三相旋流器结构简图 f i g 1 - 5s t r u c t u r ed i a g r a mo f t h r e ep h a s ec y c l o n e 在上述基础上，课题组研制了文丘里脱硫除尘洗涤器和直通式三相旋流分离 器专有技术。并将两部件进行串联，研发了如图1 - 6 所示的w x 型脱硫除尘装置( w 表示文丘里洗涤器，x 表示三相旋流器) 。w x 型脱硫装置采用捆绑式的结构形式 将多个主体单元并联组装在一起，如同多管除尘器一样，在满足烟气处理量的前 提下缩小文丘里洗涤器和旋流分离器的几何尺寸，减少了单组件的工程放大效 4 青岛科技人学研究生学位论文 应，以达到并联组合与单管脱硫及分离效率相同但处理量增大的目的。该套设备 成功地运用于0 。7 1 4 k w h 的小型锅炉。 分气箱 文匠里管旋流器分水器 图1 - 6w x 型脱硫装置主体单元示意图 f i g 1 - 6s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ep r i n c i p a le l e m e n to fw xd e s u l f u r i z a t i o ne q u i p m e n t s 此后为进一步提高脱硫效率，对图1 - 6 所示的结构进行了优化设计，提出了如 图1 7 所示w x u 型脱硫除尘一体化装置。 旋流分 离器组 沈涤液 图1 - 7w x u 型脱硫装置主体单元示意图 f i g 1 7s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ep r i n c i p a le l e m e n to fw x ud e s u l f u r i z a t i o ne q u i p m e n t s 在w x u 型脱硫装置中，经过文丘旱洗涤器反应吸收后的烟气依靠液滴自身 的重力和惯性作用与进入逆装式三相旋流器的气体进行初步分离后，进入设备的 右侧向上流动，与自上而下的洗涤液形成逆流反应吸收，最后经过逆装式三相旋 流器后由其顶部的出气口排出。由于烟气自进入脱硫设备主体单元至出口的流动 路线为一个u 字形，为与原w x 型脱硫装置有所区别，将改进后的脱硫设备称之为 w x u 型脱硫装- 置1 2 1j 。w x u 型脱硫装置同其他脱硫装置相比较，具有以下特点： ( 1 ) 主体单元采用组与组对应的分体结构，即采取捆绑式的结构将多个文 丘里洗涤器并联安装在一起，并联组合与单管有同样的脱硫及分离效率，处理量 却增大了，逆装式旋流分离器组采用类似的方法安装，无放大效应的影响。 ( 2 ) 核心部件文丘里洗涤器与逆装式旋流分离器可采用化工瓷土烧制成型， 不但能防止设备腐蚀，主体设备成本也大幅度降低，形成了良好的性价比。 ( 3 ) 将三相旋流器进行逆装，气流运动方向为下进上出。进入逆装式三相 旋流器的液滴被分离后即顺壁面向下方流动，避免了气液运动时再次返混的影 响，提高了分离效率。 ( 4 ) 不设前除尘器，该装置具有脱硫除尘一体化的作用。 逆装直筒导叶式三相旋流器流场特性研究 为t - 与w x u 型脱硫工艺路线相配合，w x u 型脱硫装置中将三相旋流器进行 逆装，即将三相旋流器反转1 8 0 。安装，改变原三相旋流器的气流运动方向，变上 进下出 为“下进上出 ，称之为逆装直筒导叶式三相旋流器( 以下简称逆装式 三相旋流器) 。 f 进气口 图1 - 8 逆装式三相旋流器结构简图 l 进气口固相出口管3 导向叶片流棒5 旋流器主筒体h 非气管 h 主筒体长度l 导流棒长度r l 导流棒半径d 一主筒体直径d e 一出气管直径 a 排气管插入深度时向叶片出口角度 f i g 1 - 8s t r u c t u r ed i a g r a mo f i n v e r s et h r e ep h a s ec y c l o n e l - a i ri n l e t2 - e x p o r tp i p eo fl i q u i d - s o l i dp h a s e3 一g u i d ev a n e4 - g u i d er o d 5 m a i nc y l i n d e ro f c y c l o n e6 一g a se x h a u s tp i p e h l e n g t ho f m a i nc y l i n d e rl l e n g t ho f g u i d er o dr i - r a d i u so f g u i d er o d d - d i a m e t e ro fm a i nc y l i n d e rd e - d i a m e t e ro fg a se x h a u s tp i p e a - i n s e r t i o nd e p t ho fg a se x h a u s tp i p e i b - o u t l e ta n g l eo fg u i d ev a n e 逆装式三相旋流器是w x u 型脱硫装置的关键部件，主要用来分离烟气中夹 带的脱硫洗涤液。逆装式三相旋流器的分离机理和旋风分离器、水力旋流器一样， 都是利用离心力场完成分离任务的，在具体的几何结构、流场结构、能耗及分离 性能等方面的研究方法也有相通之处，可以互相借鉴。但逆装式三相旋流器的出 气口是采用离心风机进行引风，这使得单纯依靠旋风分离器和水力旋流器的已有 研究成果无法合理的解释装置运行中出现的各种复杂现象，从而影响了设备的优 化和改进。 研究资料表明，旋风分离器气固两相的流场与纯气相流场的结构大体相同， 只是某些数值略有差异。因此可以通过对气相流场的研究结果( 速度场、压力场) 6 青岛科技大学研究生学位论文 的修正间接得到气固两相的流场情况。对逆装式三相旋流器而言，由于液相含量 较小，通过研究气相流场分布的方法来研究实际流场分布是可行的。 1 3 三相旋流器的研究现状 有鉴于国内外学者已经对旋风分离器和水力旋流器进行了许多成熟的理论、 实验和数值模拟研究，可充分借鉴前人的研究成果，用来对本文所研究的逆装式 三相旋流器进行指导。下面重点介绍导叶式直流旋风分离器和轴流导叶式气液旋 流器这两种和逆装式三相旋流器十分相似的装置。 1 3 1 导叶式直流旋风分离器的研究现状 旋风分离器依据气体在旋风分离器内的流动状况，可划分为逆流反转式与直 流式。其中直流式旋风分离器尽管压降损失不大，但是除尘效率较低一直未被人 们广泛应用。但近年来，随着人们对降低能耗重视程度的不断提高，直流式旋风 分离器又开始逐步地吸引人们的关注与研究。 直流旋风分离器据其入口气流进入方式又分为切向进入式与轴向进入式。依 靠导向叶片使得气流进行旋转的轴向进入式也被叫做导流叶片旋转式，相比于切 向进入式，在同样的压力损失条件下，其处理气体量较大，并且它的气流也更加 容易被均匀的分配，故在处理气体总量较大的场合，主要使用它来构成多管除尘 器。在导叶式直流旋风分离器中，是以导向叶片来进行起旋的，气流( 内含固相 颗粒) 由轴向进入分离器中，在导流叶片的作用下产生了向前的螺旋式前行运 动，从而进行分离。净化后的气体经对面中心位置的排气管直接流出，颗粒在离 心力的作用下向器壁滑动，进而沿着器壁运动至排尘口，最后经尘口排出。其分 离原理如图1 - 9 所示【2 引。 巍会气体 _ - - - _ - 净化爵气体 - _ - _ _ _ 糕控 图1 - 9 导叶式直流旋风分离器 f i g 1 - 9t h eg u i d ev f l l e su n i f l o wc y c l o n e 随着人们对降低能耗要求的不断提高，导叶式直流旋风分离器近年来倍受一 些国外公司的关注，工程中的应用也逐步增多，例如美国u o p 公司研发了一种用 于进行催化裂化的导叶式直流旋分单管，其总体结构尺寸较小、分离效率高，空 气阻力不大。俄罗斯某公司生产的高效直流式旋风分离器用于进行工艺气体的净 化，该设备已经被成功地用于矿物肥料氯化钾的生产等一些领域中，其装置的工 作气速高于1 2 1 4m s ，针对直径为1 0 3 0 1 t m 的固体颗粒，其回收效率可达到9 2 ， 7 逆装直筒导叶式三相旋流器流场特性研究 压力损失通常小于5 0 0 - - 6 0 0 p a 。由h a y w a r d t 业品公司研制的w r i g h t - a u s t i n 型 3 1 l c l c 液旋风分离器是一种导叶式直流旋风分离器，它利用导向叶片把通过的 气液混合物进行起旋来实现分离的目的，其水平安装和垂直安装均可，然而垂直 安装对排液更为有利田j 。 近年来，我国非常重视引进国外的相关旋风分离技术并加以消化与吸收，众 多学者为开发适合于具有我国自主知识产权的旋风分离器及其设计方法【2 4 乃】，做 了大量的研究工作。 时铭显院士针对直筒型导叶式旋风管的流场特性进行了测定和分析【2 6 1 ，用实 验阐明了该装置的流场特点，并使用平均速度场和常涡动粘度假设对雷诺方程进 行了化简，对径向速度的假设进行了改良，依据由实验确定的参数，给出了该装 置流场速度的数值解。姬忠礼等人对其流场进行了进一步的优化设计，提出了用 各向异性的k e 模型来代替各向同性的。k - e 模型，并针对p v 型旋风分离器的各项 速度场应用各向异性的k e 模型，结果表明，强旋转流场采用各向异性的k e 模 型是十分合理的【2 7 2 引。 华东工业大学【2 9 】针对一种具体的直流式旋风分离器的流场进行了测试，结果 表明该装置内存在扰乱的气体旋转现象，对该装置分离性能影响很大的是稳流锥 和排气管的长度。 文献f 3 0 】对如图1 1 0 所示的轴流旋风分离器作了探讨，在低雷诺数的条件下 用实验和数学模型对前人的一些结论进行了论证，并考虑到应采用实际的大雷诺 数，在实际工况下通过试验得出其分离性能，进而拓广其应用范围。但文献没有 提及叶片的明确结构，无法确定其具体的进气方式。 图1 1 0 轴流旋风分离器示意图 f i g 1 1 0s e h e m a t i cd i a g r a mo f c y c l o n ew i t i la x i a lf l o w 青岛科技大学研究生学位论文 余战英，奚金祥等人测量了下排气旋风分离器流场并进行了数值模拟，结果 表明：在环形区域内气流轴向速度是整体向下的；切向速度可看成由导流体附近 的准强制涡和外筒壁区域的准自由涡组成；径向速度的分布情况和上排气型是相 反的；分离器的压力损失主要发生在导流体与排气口之削3 l 】。 王海刚，刘石对旋风分离器的单相流场分别使用标准k e 模型，r n gk e 模型以 及r s m 模型，进行了数值模拟。该旋风分离器采用分块划分技术和贴体坐标对网 格进行划分。模拟结。果与试验相比较表明，这三种湍流模型中r s m 模型的模拟结 果比其它两个更为合理，并指明了雷诺应力的各向异性特征，但由于该湍流模型 自身、入口边界条件和网格划分大小等缘故，与实验还是有一些差别的【3 2 】。 1 3 2 轴流导叶式气液旋流器的研究现状 水力旋流器有两种离心分离方式：一种是依靠气流本身在固定设备内通过强 烈旋转运动，产生离心力实现两相分离，称之为主动旋转分离，如图1 1 1 左侧所 示；另一种是在装置内设固定的导向叶片，使流体由轴向运动变成旋转运动，进 而达到两相分离的目的，称它为被动旋转分离，如图1 1 1 右侧所示【3 3 1 。许多学者 对属于被动旋转分离的轴流导叶式气液旋流分离器的进口叶片形式和装置分离 性能进行了大量的研究工作。 图l 1 1 不同的离心分离形式 f i g 1 - 11d i f f e r e n tt y p e so fc e n t r i f u g a ls e p a r a t i o n 在上世纪5 0 年代，就有学者开始对导叶式气液分离器的结构与分离效率的 关系进行了研究。d a n i e l s ( 1 9 5 7 ) 指明，导向叶片与轴向的夹角越大，旋转速度 就越大，从而产生的离心力就越大，分离程度更好，但是该角度存在极值，由于 夹角度数越大则产生的压降就更大，这会致使分离器的效率降低p 4 1 。a k i y a m a 等 人( 1 9 8 6 ) 认为该分离器的分离效率与导向叶片类型( 含叶片的切向角度和个数) 有关p5 。a k i y a m a 与m a o r i ( 1 9 8 9 ) 指出分离区域长度近三倍于涡旋运动直径比 较好，大的导向叶片对涡旋运动更为有利【3 6 1 。l a c k l u j s z o 等人研制了一种固定 导叶式的分离装置，在该装置中，涡旋运动是由固定导向叶片产生的：研究者对 9 逆装直筒导叶式三相旋流器流场特性研究 影响分离的关键因素( 涡旋直径、叶片外形、气速等) 进行了实验研究和数值模 拟，点明了这些因素对压降与分离效率的影响规律；指出气体流动区域的减小是 产生压降的主要原因，一切使得气体流动区域改变的设计都会导致压降发生改变 印删。t h u n d i lr 等人采用不同的叶片个数和叶片形状对涡旋强度的影响进行了研 究 3 9 1 ，结果表明出现环向回流区的原因是沿喷射反方向的压力梯度和气流轴向动 能的不平衡。 文献【4 0 】认为旋流器的内部流场是三维强旋湍流场，液相的运动很复杂并有 随机性，湍流结构呈现明显的各向异性特征。在模拟过程中，由于雷诺应力模型 ( r s m ) 彻底摆脱了各向同性的涡黏假设，并且对流线极度弯曲、漩涡强烈的三 维流动很适合，因此采用r s m 模型对旋流器内部强旋流流场进行模拟应是首选 的方法。 周力行等人对旋流器的数值模拟做了许多的研究【4 5 1 。文献1 4 3 对环形流体 区域内的旋流流动，采用r e y n o l d s 应力模型( 基于湍流脉动各向异性) 进行了模 拟研究，考察了旋流数、进口气速等参数对环形流道内湍流涡旋流动的影响。结 果表明，轴向与切向速度在环形流道中心的大多区域内较均匀，而在内外壁面附 近变化较大的特征。湍能分布呈现出近壁处较高、中心区较低、内壁比外壁较低。 在固定其它参数的前提下，环形流道内气流的切向速度和近壁面处的径向梯度及 湍动能是与旋流数成正比的，轴向速度分布的变化则不明显。增大旋流数能显著 强化环形流道壁面的传热作用。在不改变其它参数的前提下，气流轴向和切向速 度都随着入口气速的增加而变大。文献【4 4 】针对旋流分离管的强涡旋流场采用 r n gk - e 湍流模型进行数值计算，其结果表现出r n gk - e 模型相比于标准k e 模 型更能对模型进行有效地表达，故该模型的适用性更好，并改进了对涡旋流与浮 力流等各向异性湍流的预测性能。因r n gk - e 模型仅是标准k - e 模型的一类改进 形式，并没有完全放弃各向同性的设定，应用地仍是具有标量形式的有效涡粘性 系数概念，从而使得该模型仍有一定的局限性，其模拟结果还是有着一些不合理 性，所以采用以各向异性湍流为前提条件的应力模型是十分有必要的。 李晓钟，陈文梅等人认为，旋流分离器的能量损失主要是局部阻力与摩擦阻 力损失、湍动能消耗州。在气体的粘度值较小条件下，局部阻力损失与湍动能耗 远大于摩擦阻力损失。叶片出口角度增大会导致旋流器内气体轴向速度变大、在 装置中的滞留时间减少，气流在该装置中的摩擦阻力损失会变小，但也会使得气 流轴向和切向速度夹角变大，从而导致湍动能耗、局部阻力损失都会有所增高， 增加了旋流器内部的能耗。 栾一刚研制出了一种高效的管式气液分离器，并采用数值模拟方法对该装置 的关键部件一旋流片进行了单相和两相模拟研究 4 7 1 。研究表明，随着气流运动方 青岛科技大学研究生学位论文 向，压力整体上是下降的，有较大的压力梯度出现在叶片进口与其后部中- t l , 区域， 并且叶片后静压值要比与排气管出口相连接的整流段内压力值低。而节流口锥度 的增加，会使得流体的回流得到缓和。在纵向截面上，离散相颗粒的浓度分配杂 乱，主流区域远低于近壁面处，并且分离效率随颗粒粒径增大而升高的趋势是不 断变缓的。 王振波、金有海设计了一种直径为5 0 m m 的导叶式气液旋流分离器，并进行 了数值模拟研究j 。试验中着重分析了该分离装置的导向叶片出口角度、锥体角 度、入口速度和初始液含量对其分离性能的影响。结果表明，不大的叶片出口角 b 和锥体角度0 可以提高分离效率和降低压力损失；对于结构规格确定的分离器， 叶片出口速度有一极值，分离器的分离效率随着初始液含量的增加而有所提高， 达至最高值后随含液含量的持续增大而表现出下降的趋势：若初始液含量高，为 了得到更好的分离效果则应选择较大规格的分离器。 金向红等人对轴流式旋流分离器进行了一系列研究1 4 9 ，结果表明，对分离器 性能起关键性作用的是导向叶片外缘出口角度，该角度对特定设备的分离效率有 一最佳值，随着该值的增大或减小，其分离效率都会下降；在流量不变的条件下， 轴流式旋流器的压降与导向叶片角度的大小成反比；若分离器的导向叶片结构相 同，在入口含液浓度一定的条件下，当气速低于临界气速时，分离效率随气体流 速的增大而升高，当达至临界气速后，分离效率随气速的变大，而不断降低；当 气体流动速度确定时，其分离效率随着入口含液浓度的升高而提高；旋流器结构 对其临界气速起关键的影响；导向叶片角度确定时，分离器的压降随气体流速的 增大而升高，其计算结果与局部压降公式相一致；在入口含液浓度不高并且气速 不变的条件下，入口含液浓度的变化几乎不会对压降产生影响。 文献【5 0 】对不同简体结构的轴流式气液旋流器的分离效率和阻力损失性能进 行了实验研究，结果表明，在小流速的条件下，管柱式旋流器的分离效率要比管 锥式低，然而在较高流速下，管锥式旋流器的分离效率则更低。当流速一定时， 管柱式旋流器的压损要比管锥式高。 1 3 3 三相旋流器研究现状 w x 系列脱硫除尘一体化装置是课题组研发的具有自主知识产权的高效湿法 脱硫装置。研发初期主要是如图1 6 所示的w x 型装置，采用的是直筒导叶式三 相旋流器结构，为了获取工程应用的数据，因此对该结构进行了系统的研究。蔡 文彬主要对考察了三相旋流器的气相和液相的分离过程中的阻力损失，研制了直 径为0 1 8 m 的有机玻璃管模型，分析了不同参数及其它们之间的相互作用对阻力 系数的影响，研究表明三相旋流器的阻力系数相对于花瓣型导叶反转式旋风分离 逆装直筒导叶式三相旋流器流场特性研究 器较小，进而大大降低能耗【5 1 1 。刘磊在对该旋流器的研究中，考察了旋流器结构 参数及操作参数对分离效率的影响，推导了三相旋流器的分级效率公式【