【摘要】： 旋風(fēng)分離器作為一種重要的氣固分離設(shè)備,因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高效、能承受高溫高壓等優(yōu)點(diǎn),在能源、化工、冶金、環(huán)保等許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。旋風(fēng)分離器比較成功的應(yīng)用是PFBC(增壓流化床燃燒)、IGCC(整體氣化聯(lián)合循環(huán))、CFBC(循環(huán)流化床燃燒)以及FCC(催化裂化)裝置等。在這些苛刻的運(yùn)行條件下,旋風(fēng)分離器是唯一一種可以商業(yè)應(yīng)用的除塵和分離設(shè)備。然而,旋風(fēng)分離器的主要缺點(diǎn)是對(duì)于粒徑小于5μm的顆粒除塵效率較低。 要提高旋風(fēng)分離器的分離效率、改進(jìn)結(jié)構(gòu)和優(yōu)化尺寸,必須深入地研究旋風(fēng)分離器內(nèi)湍流流場(chǎng)分布規(guī)律以及氣固兩相分離特性。本文利用試驗(yàn)和數(shù)值模擬兩種途徑分析了不同結(jié)構(gòu)及操作條件旋風(fēng)分離器內(nèi)強(qiáng)旋流場(chǎng)以及氣固兩相分離特性。試驗(yàn)研究包括氣相流場(chǎng)和分離性能的測(cè)試,即應(yīng)用先進(jìn)的粒子圖像測(cè)速技術(shù)(PIV)測(cè)量不同排塵結(jié)構(gòu)旋風(fēng)分離器灰斗及直管內(nèi)的氣相流場(chǎng);測(cè)試了不同排塵結(jié)構(gòu)以及不同入口顆粒濃度下旋風(fēng)分離器的壓力損失和分離效率。數(shù)值模擬時(shí),氣相場(chǎng)采用能反映各向異性湍流的雷諾應(yīng)力輸運(yùn)模型(RSTM),各方程對(duì)流項(xiàng)采用具有二階精度的QUICK差分格式。對(duì)顆粒相的計(jì)算,針對(duì)不同的入口顆粒濃度,分別采用單、雙向耦合的離散顆粒模型以及簡(jiǎn)化的歐拉模型-代數(shù)滑移混合模型(ASMM)。針對(duì)工作在高溫高壓以及高入口顆粒濃度條件下旋風(fēng)分離器非常有限的試驗(yàn)數(shù)據(jù),本文還利用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)不同溫度和壓力下旋風(fēng)分離器分離性能進(jìn)行了預(yù)測(cè),并預(yù)測(cè)了PFBC、IGCC以及CFBC典型工作溫度、壓力以及入口顆粒濃度下旋風(fēng)分離器的分離性能。同時(shí),論文還比較了數(shù)值模擬結(jié)果和相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù),結(jié)果表明: 1、數(shù)值模擬結(jié)果和有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)公式以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較,能獲得更為滿意的結(jié)果,從而也表明,應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)來(lái)研究不同結(jié)構(gòu)和操作條件下旋風(fēng)分離器的分離特性是方便且可行的。 2、旋風(fēng)分離器底部加直管及直管底部少量抽氣使得氣流向下移動(dòng),增加顆粒有效分離空間,有效降低已分離顆粒的二次揚(yáng)塵,改善分離效果。然而,當(dāng)直管長(zhǎng)度增至一定值后,分離效率卻有下降的趨勢(shì)。說(shuō)明,直管有一個(gè)最優(yōu)長(zhǎng)度,對(duì)于一定筒體直徑的旋風(fēng)分離器,其最優(yōu)直管長(zhǎng)度約為2D(D為筒體直徑)。雖然直管太長(zhǎng)反而不利于粉塵的分離,但是,在直管底部抽取一定量的氣體后,又能提高此時(shí)旋風(fēng)分離器的分離效率。抽氣量為2%時(shí)就能明顯提高旋風(fēng)分離器的分離效率。值得注意的是,和直管長(zhǎng)度一樣,抽氣率也有一個(gè)最佳值,超過(guò)這個(gè)最佳值,分離效率增加不明顯。本文中,旋風(fēng)分離器的最佳抽氣量約為2%。 3、壓力損失和分離效率都隨著溫度的升高而降低,而且溫度主要對(duì)粒徑較小顆粒產(chǎn)生影響;壓力增加使得壓力損失和分離效率提高。從這個(gè)意義上看,溫度增加而導(dǎo)致減小的分離效率會(huì)由于操作壓力的提高而得到一定程度的補(bǔ)償; 4、隨入口顆粒濃度的增加,旋風(fēng)分離器分離效率相應(yīng)提高,尤其是小粒徑顆粒,分離效率提高明顯。但是,隨著入口顆粒濃度的進(jìn)一步增加,分離效率增加并不明顯。在本文試驗(yàn)的入口顆粒濃度范圍內(nèi),旋風(fēng)分離器的壓降會(huì)隨入口顆粒濃度的增加而減小; 5、利用簡(jiǎn)化的歐拉模型-代數(shù)滑移混合模型計(jì)算循環(huán)流化床旋風(fēng)分離器不但可以節(jié)省大量的計(jì)算時(shí)間,還能獲得較為滿意的結(jié)果,在實(shí)際應(yīng)用時(shí),可以利用該模型來(lái)定性分析顆粒入口濃度對(duì)旋風(fēng)分離器分離性能的影響。 數(shù)值模擬以及試驗(yàn)所得結(jié)果對(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)不同排塵結(jié)構(gòu)以及操作條件下旋風(fēng)分離器的分離機(jī)理具有一定的指導(dǎo)意義。 通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),對(duì)于常規(guī)旋風(fēng)分離器,其錐體底部以及灰斗內(nèi)仍具有較強(qiáng)的旋流,據(jù)此可以認(rèn)為,常規(guī)旋風(fēng)分離器內(nèi)的渦旋反轉(zhuǎn)點(diǎn)并非停留在錐體部分,如果給其提供分離空間的話,氣流仍會(huì)向下運(yùn)動(dòng)。正是從這一點(diǎn)來(lái)看,可以認(rèn)為,常規(guī)旋風(fēng)分離器的自然旋風(fēng)長(zhǎng)會(huì)大于其本體長(zhǎng)度。本文利用數(shù)值模擬技術(shù),并基于響應(yīng)曲面法對(duì)旋風(fēng)分離器自然旋風(fēng)長(zhǎng)進(jìn)行了較為全面的
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2006
【分類號(hào)】：X701.2

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2795187