旋风分离器内流场特征的数值模拟

为了优化旋风分离器结构和操作条件,采用数值方法分析了旋风分离器进口速度变化对其内流场特征的影响。计算模型为直段直径300 mm的旋风分离器,常温常压下进口空气速度范围为15~30 m/s,模拟结果与文献数据吻合良好。分析可知分离器压降主要由排气管口、排气管内和排尘管口等部位的高湍动能损失组成。一定轴向距离上,不同进口速度时的切向速度分布和轴向速度分布分别具有相似性特征。切向速度最大值和最小值的径向位置在r≈0.6R1和r≈0处。轴向速度两种分布形态的过渡发生在轴向距离Z≈-500 mm处。进入分离器气体的运动轨迹和停留时间与气体在进气管的进入位置和气体速度相关。基于上述研究结果,可对旋风分离器进行定性或定量的优化设计,并为分析旋风分离器多相流的流场特征和分离特征奠定了基础。     

旋风分离器入口上侧收缩角对流场影响研究

为了改善旋风分离器内部流场的不对称性并提高分离效率,提出在旋风分离器的入口上侧设置收缩角,并采用Fluent软件的雷诺应力模型（RSM）对入口上侧带收缩角的旋风分离器进行数值模拟。结果表明:设置入口上侧的收缩角,可使旋风分离器近壁面区域的静压明显增加,中心轴线上的静压波动减小,并且排尘口附近的负压值变大,有利于改善颗粒返混现象;入口收缩角使入口截面逐渐变小,入口气流逐渐加速,而压降大致与入口速度的平方成正比,导致压降升高;入口收缩角没有改变短路流发生的区域,积分截面都在排气管末端下方15 mm处,但是改进后的旋风分离器短路流量减少,切向速度变大,有利于颗粒分离。     

入口收缩角度对旋风分离器分离性能的影响

入口收缩角度对旋风分离器内流场及分离性能有着重要影响,从而影响循环流化床(CFB)机组的运行性能。本文以临清三和280 t/h CFB锅炉的旋风分离器为例,采用数值模拟的方法对入口收缩角度a为14°、20°、25°、30°、34°这5种旋风分离器进行研究。结果表明:当烟气流量恒定时,入口收缩角度越大,切向速度越大,颗粒所受到的离心力也越大;轴向速度的下行流速度也越来越大而上行流速度越来越小;分离器的压降越来越高,而分离效率先逐渐升高后逐渐下降。进一步研究收缩角度和缩口速度对分离效率的影响,收缩角度和缩口速度都存在优化值,在本研究范围内,该型旋风分离器收缩角度和缩口速度的优化值分别为30°、20 m/s。     

蜗壳式旋风分离器内的湍流特性（Ⅰ）——分离空间

采用激光多普勒测速系统测试了蜗壳式旋风分离器内的流场，分析了最主要的分离空间内湍流特性，内旋流区、排尘口附近、近壁处以及上下行流交界点和内外旋流交界点等处的湍流度变化非常剧烈，而且数值上也大得多，比较轴向和切向湍流度得知表明分离空间的湍流是各向异性的，Reynolds应力值在内旋流区大于外旋流区，而且在排尘口附近、排气管下口附近都有陡增，湍流黏性系数也反映了这个特点。     

循环流化床锅炉旋风分离器内流场数值计算与结构优化

采用FLUENT软件随机轨道模型,在拉格朗日坐标系下运用跟踪颗粒运动的方法描述颗粒的运动轨迹,对旋风分离器内的流场进行模拟,分析当旋风分离器的切入角和外简直径变化时对速度场和分离效率的影响,为旋风分离器的结构设计提供理论依据。     

方形分离器的试验研究与分析

在自制的多功能多相流试验台上对下排气下出料式方形分离器进行了试验研究,结果表明该分离器在正常运行条件下具有较高的分离性能。在对其内部三维流场的分布情况进行了详细分析,以及与圆形分离器对比的基础上得出方形分离器内部造成颗粒与气流分离的机理与圆形分离器基本上一致,均为离心力的作用产生分离效果,但方形分离器在拐角处的分离效果更强,而且方形分离器内部切向速度不再分为涡核区和势流旋转区,径向与轴向速度的规律则仍与下排气圆形分离器大体相同。其分离效果受风速和入口颗粒浓度的影响均存在着一临界值,低于该临界值分离效果随风速和浓度的增加而急剧上升,大于此临界值后则有缓慢下降趋势。     

旋风分离器的入口烟道布置对性能的影响

大型循环流化床锅炉都采用多个旋风分离器并联布置在炉膛出口,这些旋风分离器的入口烟道受锅炉空间的限制都是短入口烟道,不同的入口烟道布置方式会直接影响旋风分离器的性能。在筒体直径为1 m的旋风分离器实验台上设计了内侧式与外侧式2种短入口烟道,对比研究入口烟道布置方式对旋风分离器性能的影响。实验结果表明,入口烟道布置方式显著影响旋风分离器的性能;在相同条件下,内侧式入口烟道的旋风分离器的分离效率比外侧式的高,压降也比外侧式略高。数值模拟结果显示,入口烟道布置方式对颗粒在短入口烟道中的分布有直接的影响;采用外侧式入口烟道时,颗粒流股在短入口烟道内无法贴向外壁,部分颗粒直接冲击排气管,导致分离效率降低。     

锅炉汽水分离器的数值模拟仿真研究

为探讨某热电厂循环流化床锅炉汽包内旋风汽水分离器结构对其分离效率的影响,通过应用Ansys-Fluent模拟软件分析其内部流体流速、压力状况及汽水分离状况,提出并确定新型汽水分离器的改造方案,对比分析两种结构的旋风汽水分离器的压降及分离效率。模拟结果表明:改造后的旋风汽水分离器较改造前压降有所降低、分离效率有所增强。     

六个旋风分离器并联布置循环流化床的实验研究

大型循环流化床锅炉采用多个旋风分离器与炉膛出口并联布置实现气l分离.入口烟道的布置方式(入口角度和位置)对旋风分离器的性能有显著影响.针对600 MW超临界循环流化床锅炉,对6个旋风分离器并联布置方式进行了实验研究和数值模拟.实验结果表明,6个旋风分离器之间存在着分配不均现象;在相同条件下,不同位置的旋风分离器压降和返料流率均有一些差异,在炉膛同一侧,位于中间的旋风分离器的压降和返料流率均低于位于两端的旋风分离器的压降和返料流率.数值模拟结果显示,不同位置的旋风分离器之间气相流率分配基本均匀,在炉膛同一侧,进入两端的旋风分离器的颗粒流率要高于进入中问的旋风分离器的颗粒流率;位于两端的旋风分离器,颗粒贴着入口烟道外壁进入,处于较好的分离状态,而位于中间位置的旋风分离器,有部分颗粒冲击入口烟道内壁,不利于分离.     

并联双旋风分离器气固分布分析

循环流化床锅炉常采用多个并联分离器来实现气固分离,然而运行中多存在气固两相流动分布不均的现象。以某300MW亚临界循环流化床锅炉的旋风分离器为研究对象,基于Chen-Shi压降关联式,研究并联双分离器中气体速度、入口颗粒浓度和分离器阻力特性曲线变化趋势对气固分布规律的影响。此外,通过改变结构参数探究其对气固分布的影响。研究发现,入口颗粒浓度和拐点浓度共同决定了气固分布的均匀性。减小芯筒直径和增大进口宽度,有利于增大双分离器内气固均匀分布的几率。     

旋风分离器性能优化技术的研究进展

旋风分离器是一种结构简单,制造及维护成本低廉的气固分离装置。对旋风分离器进行性能优化主要以提升其分离效率和降低其运行压降为目标,从而在确保循环灰流率,减少尾部受热面磨蚀的同时,降低系统运行能耗,保障系统运行的可靠性和经济性。基于国内外学者对分离器性能的研究成果,对分离器性能的影响因素和优化方法进行了总结分析,从而为提升旋风分离器设计水平,改良运行现状不佳的旋风分离器提供了指导依据。     

基于边界层理论旋风分离器分离效率的改进模型

针对工业上广泛应用的旋风分离器结构(除了筒体和锥体外，还应包括料腿和灰斗)，利用最新的旋风分离器自然旋风长预测模型修正了 Leith & Licht模型中有关气流的停留时间；分析了边界层中颗粒的受力情况，认为由于边界层中较高的速度梯度会导致颗粒受力的改变，即除了受到离心力和阻力外，还会受到这种速度差所导致的升力作用。在此基础上基于边界层理论，文中改进了旋风分离器分离效率模型，并将所得模型的计算结果和有关试验数据进行比较。结果表明：改进的分离模型和试验数据吻合较好。和其它经典的分离模型相比，改进模型在预测旋风分离器分离效率方面更具优势。     

基于FLUENT的旋风分离器流场数值分析

建立循环流化床锅炉机组中三维旋风分离器物理模型,并在Simple算法的基础上,运用RNG k-ε湍流方程,与有限体积法相结合对控制方程做出离散处理,从而完成旋风分离器内部流场模拟。在TMCR、75%TMCR与50%TMCR等3种不同工况下,对旋风分离器入口烟道流速进行计算,然后对其速度场与湍流强度分布状况进行对比分析,最后通过采集现场数据做出进一步的验证。从结果可见:伴随着旋风分离器入口烟道流速的增大,其内部流场分布趋势逐渐平稳。     

双轴向粗粉分离器流动特征研究

为研究双轴向粗粉分离器流动特征,利用计算流体力学方法研究现有轴向粗粉分离器内气体速度、压降、湍流强度等流动特征以及颗粒浓度和流线图,结果表明,轴向粗粉分离器的煤粉细度大、粉管浓度偏差大,进粉口、顶盖处等有效空间没有得到充分利用,分离器顶端积粉严重且出口压降大.提出了优化方案并进行了示范应用,制粉系统性能指标显著提高.     

搭接量对螺旋折流板换热器壳程性能的影响

对螺旋折流板换热器进行数值模拟,研究相同螺旋角时搭接量对壳程对流传热充分发展段流动与传热性能的影响。结果表明,随搭接量的增大,同流量下壳程传热系数与压降均增大,而同压降下的传热系数降低。连续搭接时,轴向速度沿壳体径向逐渐降低;交错搭接后,轴向速度在搭接点前后变化趋势不同,分布均匀性变差。三角区漏流的切向速度方向与主流相反,强化了中心区域传热;而搭接区漏流的切向速度方向与主流相同,会增大螺旋旁流,不利于传热。搭接量越大,换热管表面换热量沿径向的不均匀性越强。     

方形扩散式旋风分离器的实验研究

通过性能实验测定了方形扩散式旋风分离器的分离效率和流动阻力,用PDA系统测试并分析了方形扩散段几个不同截面的流场分布。结果表明,方形扩散式旋风分离器的结构能够改善其性能,在较低入口速度下仍有较高的分离效率;扩散段各截面上流场呈不对称分布,角区对分离效率和阻力的影响很大,角涡有利于细颗粒的团聚与脱除。     

旋风分离器壁面磨损数值模拟研究

壁面磨损是制约旋风分离器发展的突出问题,基于计算流体力学方法研究入口速度和颗粒粒径对分离器壁面磨损及分离效率的影响。研究发现,环形空间壁面沿圆周方向的磨损速率分布规律不随入口速度变化而改变,180°至260°方位角区间磨损较严重;分离空间筒体壁面的磨损速率沿圆周方向呈现较均匀分布,锥体壁面的磨损速率随高度的减小而增大。不同单一粒径下环形空间壁面沿圆周方向磨损速率先增加后减小,且粒径较大时磨损峰值对应的方位角更小;分离空间壁面磨损速率在锥体下部达到磨损峰值,且在粒径大于30μm时会明显增加。当颗粒粒径处于8～30μm之间时,增大入口速度是提高分离器效率的有效方法;当颗粒粒径大于50μm时分离效率接近100%。     

循环流化床锅炉旋风分离器分离特性的研究

通过对220 t/ h 循环流化床锅炉高温旋风分离器进行的试验研究,得出了旋风分离器的分离效率、分级分离效率及一些因素如入口风速、飞灰浓度、粒径大小、烟气温度等对分离器性能的影响;以及分离性能对循环倍率、炉内燃烧等锅炉运行特性的影响。试验结果表明:烟气温度升高会减少分离效率; 分离器的分离效率随进口烟速的增大而增大、随飞灰浓度的增加而增大、随飞灰粒径的增加而增大;循环倍率越高,要求的分离效率越高; 燃料中灰分越高,所要求的循环倍率越大。     

基于多结构因素的气-液旋流分离器结构优化设计

气-液旋流分离器内部流场复杂,结构尺寸等因素对其分离效率影响较大。针对排气管直径、插入深度、偏置角度、偏置距离以及增设底流口防返混锥5个结构因素进行正交试验设计,利用Fluent软件对16组有代表性的水平组合模型进行数值模拟,用极差法找出各因素优化水平组合以及各因素对分离效率和压降的主次影响顺序,最后通过综合平衡法找到最优组合,并分析了优选结构下液滴粒径和入口速度对分离效率的影响。     

双进口方形分离器内气固两相流动的数值模拟

采用雷诺应力模型对双进口方形分离器的气相流场进行了数值模拟,同时用拉格朗日法模拟了分离器内颗粒的运动轨迹。数值计算的分离器效率和压降与试验结果基本吻合。结果表明,双进口方形分离器的流场具有Rankine涡的特点,但是在边角处出现局部小漩涡。同时采用数值模拟的方法对分离器结构进行优化,研究了中心筒插入深度、入口尺寸、直筒段长度、锥体长度对分离效率的影响。通过结构优化,分离器的切割粒径可在6μm左右。方形分离器内旋流较弱,压降较小,可以认为不是分离器性能的主要影响因素。