不同排尘结构及操作条件旋风分离器分离特性的研究

论文摘要

旋风分离器作为一种重要的气固分离设备,因其具有结构简单、高效、能承受高温高压等优点,在能源、化工、冶金、环保等许多领域有着广泛的应用。旋风分离器比较成功的应用是PFBC（增压流化床燃烧）、IGCC（整体气化联合循环）、CFBC（循环流化床燃烧）以及FCC（催化裂化）装置等。在这些苛刻的运行条件下,旋风分离器是唯一一种可以商业应用的除尘和分离设备。然而,旋风分离器的主要缺点是对于粒径小于5μm的颗粒除尘效率较低。要提高旋风分离器的分离效率、改进结构和优化尺寸,必须深入地研究旋风分离器内湍流流场分布规律以及气固两相分离特性。本文利用试验和数值模拟两种途径分析了不同结构及操作条件旋风分离器内强旋流场以及气固两相分离特性。试验研究包括气相流场和分离性能的测试,即应用先进的粒子图像测速技术（PIV）测量不同排尘结构旋风分离器灰斗及直管内的气相流场;测试了不同排尘结构以及不同入口颗粒浓度下旋风分离器的压力损失和分离效率。数值模拟时,气相场采用能反映各向异性湍流的雷诺应力输运模型（RSTM）,各方程对流项采用具有二阶精度的QUICK差分格式。对颗粒相的计算,针对不同的入口颗粒浓度,分别采用单、双向耦合的离散颗粒模型以及简化的欧拉模型-代数滑移混合模型（ASMM）。针对工作在高温高压以及高入口颗粒浓度条件下旋风分离器非常有限的试验数据,本文还利用数值模拟技术对不同温度和压力下旋风分离器分离性能进行了预测,并预测了PFBC、IGCC以及CFBC典型工作温度、压力以及入口颗粒浓度下旋风分离器的分离性能。同时,论文还比较了数值模拟结果和相关的试验数据,结果表明:1、数值模拟结果和有关的经验和半经验公式以及试验数据比较,能获得更为满意的结果,从而也表明,应用数值模拟技术来研究不同结构和操作条件下旋风分离器的分离特性是方便且可行的。2、旋风分离器底部加直管及直管底部少量抽气使得气流向下移动,增加颗粒有效分离空间,有效降低已分离颗粒的二次扬尘,改善分离效果。然而,当直管长度增至一定值后,分离效率却有下降的趋势。说明,直管有一个最优长度,对于一定筒体直径的旋风分离器,其最优直管长度约为2D（D为筒体直径）。虽然直管太长反而不利于粉尘的分离,但是,在直管底部抽取一定量的气体后,又能提高此时旋风分离器的分离效率。抽气量为2%时就能明显提高旋风分离器的分离效率。值得注意的是,和直管长度一样,抽气率也有一个最佳值,超过这个最佳值,分离效率增加不明显。本文中,旋风分离器的最佳抽气量约为2%。3、压力损失和分离效率都随着温度的升高而降低,而且温度主要对粒径较小颗粒产生影响;压力增加使得压力损失和分离效率提高。从这个意义上看,温度增加而导致减小的分离效率会由于操作压力的提高而得到一定程度的补偿;4、随入口颗粒浓度的增加,旋风分离器分离效率相应提高,尤其是小粒径颗粒,分离效率提高明显。但是,随着入口颗粒浓度的进一步增加,分离效率增加并不明显。在本文试验的入口颗粒浓度范围内,旋风分离器的压降会随入口颗粒浓度的增加而减小;5、利用简化的欧拉模型-代数滑移混合模型计算循环流化床旋风分离器不但可以节省大量的计算时间,还能获得较为满意的结果,在实际应用时,可以利用该模型来定性分析颗粒入口浓度对旋风分离器分离性能的影响。数值模拟以及试验所得结果对进一步认识不同排尘结构以及操作条件下旋风分离器的分离机理具有一定的指导意义。通过数值模拟和试验研究发现,对于常规旋风分离器,其锥体底部以及灰斗内仍具有较强的旋流,据此可以认为,常规旋风分离器内的涡旋反转点并非停留在锥体部分,如果给其提供分离空间的话,气流仍会向下运动。正是从这一点来看,可以认为,常规旋风分离器的自然旋风长会大于其本体长度。本文利用数值模拟技术,并基于响应曲面法对旋风分离器自然旋风长进行了较为全面的

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 旋风分离器结构改进的研究现状和发展趋势
• 1.3 旋风分离器内涡旋反转的研究现状和发展方向
• 1.4 旋风分离器气固两相流数值模拟研究进展及发展方向
• 1.4.1 常温常压旋风分离器气固两相数值模拟研究进展
• 1.4.2 高温高压旋风分离器气固两相数值模拟研究进展
• 1.4.3 高入口颗粒浓度旋风分离器气固两相数值模拟研究进展
• 1.5 旋风分离器流场测试研究现状及发展趋势
• 1.6 论文研究的目的与主要工作
• 1.6.1 试验研究主要工作
• 1.6.2 理论分析主要工作
• 参考文献
• 第二章 旋风分离器不同长度直管内气相流场的可视化试验研究
• 2.1 引言
• 2.2 PIV 测试系统
• 2.2.1 测试系统介绍
• 2.2.2 测量原理
• 2.2.3 互相关法图像处理
• 2.3 流场测试系统
• 2.4 测量结果与分析
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 不同排尘结构旋风分离器分离性能的测试
• 3.1 试验目的及方案
• 3.2 试验装置与方法
• 3.2.1 试验系统
• 3.2.2 试验对象及粉尘用料
• 3.2.3 供风系统及风量测量
• 3.2.4 直管底部抽气率的控制
• 3.2.5 加料系统及浓度控制
• 3.2.6 效率和压力的测定
• 3.3 试验结果与分析
• 3.3.1 不同排尘结构旋风分离器的压力损失
• 3.3.2 不同直管长度旋风分离器的分离效率
• 3.3.3 直管底部不同抽气率时旋风分离器的分离效率
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 基于边界层分离理论旋风分离器分离效率的改进模型
• 4.1 引言
• 4.2 旋风分离器的自然旋风长
• 4.3 模型理论
• 4.3.1 停留时间
• 4.3.2 颗粒运动
• 4.3.3 分离效率
• 4.4 结果与讨论
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 不同排尘结构旋风分离器气固两相流动的数值模拟
• 5.1 计算模型
• 5.1.1 湍流模型
• 5.1.2 离散相受力分析
• 5.1.3 颗粒的湍流扩散
• 5.1.4 边界条件
• 5.1.5 计算工况
• 5.1.6 网格划分
• 5.2 气相流场计算结果与分析
• 5.2.1 气相流场计算结果验证
• 5.2.2 不同直管长度时的流场形式
• 5.2.3 不同直管底部抽气率时的流场形式
• 5.3 气固两相流动分析
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 高温高压条件下旋风分离器分离性能的经验模型与数值预测
• 6.1 引言
• 6.2 数值计算模型
• 6.2.1 切向进口旋风分离器
• 6.2.2 蜗壳进口旋风分离器
• 6.2.3 模型的建立及边界条件
• 6.3 旋风分离器的经验模型
• 6.3.1 流场模型
• 6.3.2 分离效率
• 6.3.3 压力损失
• 6.4 计算结果与分析
• 6.4.1 温度对流场的影响
• 6.4.2 温度对压力损失的影响
• 6.4.3 温度对分离效率的影响
• 6.4.4 温度和压力对分离效率的综合作用
• 6.4.5 温度和压力对分离器压降的综合作用
• 6.5 本章小结
• 参考文献
• 第七章 入口颗粒浓度对旋风分离器分离性能影响的研究
• 7.1 试验研究
• 7.1.1 试验装置与试验条件
• 7.1.2 不同入口颗粒浓度时旋风分离器分离性能
• 7.2 气固两相计算方法
• 7.2.1 欧拉-拉格朗日模型
• 7.2.2 欧拉-欧拉模型
• 7.2.3 模型的选择原则
• 7.3 数值计算模型
• 7.3.1 双向耦合离散颗粒模型
• 7.3.2 代数滑移混合模型
• 7.3.3 计算工况设计
• 7.3.4 边界条件
• 7.4 碰撞系数的确定
• 7.5 不同入口颗粒浓度旋风分离器计算结果与分析
• 7.5.1 工况1 计算结果和试验值比较
• 7.5.2 入口颗粒浓度对切向速度的影响
• 7.5.3 入口颗粒浓度对旋风分离器内颗粒体积份额分布的影响
• 7.5.4 入口颗粒浓度对旋风分离器分离效率的影响
• 7.5.5 入口颗粒浓度对旋风分离器压力损失的影响
• 7.6 本章小结
• 参考文献
• 第八章 结论与展望
• 8.1 全文总结
• 8.1.1 试验研究方面
• 8.1.2 理论研究方面
• 8.2 展望
• 8.2.1 试验方面
• 8.2.2 数值模拟方面
• 附录：基于响应曲面法旋风分离器的自然旋风长
• 1 旋风分离器相似分析
• 2 响应曲面设计
• 3 CFD 模型
• 4 响应与因素
• 5 结果与分析
• 6 比较与讨论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 国内外期刊论文
• 国内国际会议论文
• 致 谢