旋風(fēng)分離器壓降及分離效率計(jì)算模型

于 洲 馬春元

（山東大學(xué)，燃煤污染物減排國家工程實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250061）

旋風(fēng)分離器由于其較低的制造和維護(hù)成本，穩(wěn)定可靠的分離性能從面世以來就在諸如火力發(fā)電廠、焚燒廠、礦石冶煉廠、砂廠、水泥廠和粉體加工廠等領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用。從1886年O Morse獲得第1個(gè)旋風(fēng)分離器專利以來，旋風(fēng)分離器技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了 100多年的發(fā)展，Eugan Feifel、C J Stairmand、Water Barth和 Edgar Muschelknautz等人的重要貢獻(xiàn)使人們對(duì)分離過程有了逐漸深入的理解。隨著相關(guān)領(lǐng)域日益苛刻的分離要求，旋風(fēng)分離器經(jīng)歷著不斷的發(fā)展提高，但對(duì)于旋風(fēng)分離器來說，裝置的壓降和分離效率仍是最重要的2個(gè)技術(shù)指標(biāo)。本文總結(jié)了旋風(fēng)分離器主要的改進(jìn)方向以及具有代表性的裝置壓降和分離效率的理論計(jì)算方法，展望了未來旋風(fēng)分離器的應(yīng)用與性能。

1 基本結(jié)構(gòu)和分離原理

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的逆流旋風(fēng)分離器，通過入口結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)迫使氣流切向進(jìn)入旋風(fēng)分離器內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。入口一般為如圖1所示的矩形截面。

氣流在作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)沿分離器的外側(cè)空間向下運(yùn)動(dòng)。通常將分離器的流型劃分為“雙旋渦”，即軸向向下運(yùn)動(dòng)的外旋渦和向上運(yùn)動(dòng)的內(nèi)旋渦。凈化氣體經(jīng)過升氣管排出，升氣管為分離器頂板中心向下延伸部分。除了將排氣管稱作升氣管外，還有其他一些叫法，有時(shí)還常稱為芯管。入口氣體中的含塵顆粒在分離器內(nèi)離心力場作用下向邊壁運(yùn)動(dòng)，同時(shí)由邊壁附近向下運(yùn)動(dòng)的氣體將其帶到分離器排塵口。

圖1 旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)Fig 1 Structure of cyclone separator

2 發(fā)展方向

近幾十年來，工業(yè)發(fā)展的相關(guān)要求，傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器已逐漸難以滿足相關(guān)領(lǐng)域日益苛刻的要求，大批學(xué)者積極從事旋風(fēng)分離器性能改進(jìn)方面的基礎(chǔ)研究，這些工作基本上可以分成2部分，一方面改進(jìn)旋風(fēng)分離器的配置和幾何尺寸，如Stairmand進(jìn)行了高效旋風(fēng)分離器的尺寸改進(jìn)設(shè)計(jì)，時(shí)銘顯等人進(jìn)行了一系列基本結(jié)構(gòu)尺寸原始優(yōu)化工作，Hsiao等人也在前人的基礎(chǔ)上優(yōu)化了升氣管長度和筒體幾何尺寸，Su等人對(duì)筒體進(jìn)行了改造，研究了方形旋風(fēng)分離器的流場及分離特性，Arkadiusz kepa進(jìn)行了大尺寸工業(yè)級(jí)旋風(fēng)分離器的尺寸優(yōu)化研究[1-4]。

然而大量的研究表明，僅僅對(duì)裝置的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，難以滿足對(duì)微細(xì)顆粒物日益嚴(yán)苛的分離要求。因此，另外一批學(xué)者開始進(jìn)行在旋風(fēng)分離器中加入額外部件的相關(guān)研究，如Chmielniak和Bryczkowski設(shè)計(jì)了一種加入動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)子的軸流順流式旋風(fēng)分離器，并進(jìn)行了試驗(yàn)和理論研究，得出了相應(yīng)的分離效率及裝置壓降[5-6]。Ray等人在排氣管的上部設(shè)置了一個(gè)后旋風(fēng)分離裝置，能夠收集從排氣管逃逸的部分顆粒[7]。Jiao等人也對(duì)動(dòng)態(tài)旋風(fēng)分離裝置進(jìn)行了一系列的研究，得出了幾何系數(shù)與分離效率的關(guān)系，并模擬了流場分布[8-9]。Brouwers等人在普通旋風(fēng)分離器上添加了密排毛細(xì)管、同心圓管、密排拋物線管等結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種旋轉(zhuǎn)顆粒分離裝置，并研究了理論和實(shí)驗(yàn)分離效率以及旋轉(zhuǎn)與固定部件之間的密封情況[10-12]。國內(nèi)學(xué)者陳海焱將旋風(fēng)分離器的排氣管改為旋轉(zhuǎn)渦輪，用電機(jī)帶動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，做成一種最簡單的動(dòng)態(tài)旋風(fēng)分離器[13]。同時(shí)中國石油大學(xué)（北京）也進(jìn)行了管式轉(zhuǎn)子和葉輪式轉(zhuǎn)子的研究[14-15]。

這一系列的研究工作，大幅度的提高了旋風(fēng)分離器對(duì)于粒徑5 μm以下細(xì)粉的分離效率[16]。因此，旋風(fēng)分離器未來的主要發(fā)展方向?qū)⒓性趯?duì)旋風(fēng)分離器中加入額外部件的相關(guān)研究上。

3 理論計(jì)算模型

盡管隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，旋風(fēng)分離器已不局限標(biāo)準(zhǔn)逆流這一基本形式，但標(biāo)準(zhǔn)逆流式旋風(fēng)分離器仍然占有市場主導(dǎo)地位，且多數(shù)改進(jìn)構(gòu)型以此形式為基礎(chǔ)，因此對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器的研究仍有其現(xiàn)實(shí)意義。旋風(fēng)分離器最主要的技術(shù)指標(biāo)為裝置壓降和分離效率，通過理論計(jì)算的方法預(yù)先得出裝置的壓降和分離效率一方面能夠更好的指導(dǎo)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；另一方面也能推動(dòng)旋風(fēng)分離器優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)性的目的。下面對(duì)現(xiàn)有的，廣泛使用的，壓降和分離效率的理論計(jì)算模型進(jìn)行了綜述。

3.1 壓降理論計(jì)算模型

旋風(fēng)分離器壓降主要通過量綱分析的方法來研究，無量綱的壓降系數(shù)ξc習(xí)慣上以入口速度為參照來進(jìn)行定義，其主要與旋風(fēng)分離器幾何機(jī)構(gòu)、進(jìn)口弗勞徳數(shù)Frc、進(jìn)口粉料質(zhì)量濃度ρsi、進(jìn)口雷諾數(shù)Rec和固氣密度比相關(guān)。

在多數(shù)情況下，旋風(fēng)分離器運(yùn)行時(shí)，裝置內(nèi)的氣流為湍流狀態(tài)，因此裝置的Rec基本上接近于某一個(gè)特定值，因此可以忽略雷諾數(shù)對(duì)于裝置壓降的影響[17]；而對(duì)于 Frc（=vi2/(gDc)）和 ρs/ρg來說，對(duì)于特定的旋風(fēng)分離器在特定的操作工況下運(yùn)行時(shí)，以上2個(gè)參數(shù)的變化對(duì)于壓降的影響也可以忽略不計(jì)。因此對(duì)于旋風(fēng)分離器壓降的影響主要剩下2方面：裝置的幾何結(jié)構(gòu)和進(jìn)口粉料含量。因此壓降系數(shù)可以化簡為公式(2)：

ξg為純氣體情況下裝置的壓降，經(jīng)驗(yàn)公式如表1所示；而ξs可以看作是當(dāng)粉料含量較高時(shí)，對(duì)裝置壓降的修正系數(shù)。

表1式(3)～(7)總結(jié)了目前廣泛使用純氣體壓降系數(shù)公式，其中部分公式為簡單的經(jīng)驗(yàn)公式例如公式(3)和公式(7)，也有諸如Barth方法的較為復(fù)雜的計(jì)算方法。Barth模型本質(zhì)是建立在耗散損失基礎(chǔ)上的模型，他把旋風(fēng)分離器的壓降分為3部分，入口、旋風(fēng)分離器本體和升氣管，而入口壓力損失可以通過合理設(shè)計(jì)的方法減小，本體壓降是根據(jù)摩擦面積概念進(jìn)行計(jì)算，從表1的ξg理論計(jì)算匯總實(shí)際的計(jì)算結(jié)果來看，本體部分的壓損比升氣管的壓損小1個(gè)數(shù)量級(jí)。而Muschelknautz和Kambrock方法則在一定程度上借鑒了Barth方法。

通過對(duì)諸多壓降計(jì)算方法的對(duì)比，筆者發(fā)現(xiàn)一些壓降理論方法的推導(dǎo)前提是水利光滑的旋風(fēng)分離器在高雷諾數(shù)、常溫和低粉料含量的情況下運(yùn)行，而在此情況下，ξg成為一個(gè)只與幾何結(jié)構(gòu)相關(guān)的系數(shù)。顯然這種推導(dǎo)的前提是存在局限性的，而Alexander則考慮了溫度變化對(duì)氣體黏度的影響。另外Barth以及Muschelknautz和Kambrock在旋風(fēng)分離器壓降的計(jì)算中引入壁面粗糙系數(shù)，完善了計(jì)算。

而當(dāng)粉料含量較高時(shí)，粉料含量會(huì)對(duì)裝置壓降產(chǎn)生一定的影響，因此需要考慮ξs修正系數(shù)。在通常情況下ξs≤1，所以高的粉料含量會(huì)降低旋風(fēng)分離器的壓降，一般來說當(dāng)粉料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過25～50 g/kg時(shí)需要考慮修正，主流的理論公式綜述在表2中，通常把ξs表示成只與進(jìn)口粉料質(zhì)量濃度ρsi相關(guān)的方程。

3.2 分離效率理論計(jì)算模型

分離效率理論計(jì)算公式匯總于表3中。

一般在進(jìn)行分離效率理論計(jì)算過程中首先默認(rèn)進(jìn)行了如下假設(shè)[30]：1)重力場與離心力場相比忽略不計(jì)；2)氣體密度與顆粒密度相比忽略不計(jì)；3)顆粒為球形且顆粒的尺寸和相對(duì)速度符合斯托克斯定律；4)相對(duì)速度是完全徑向的。旋風(fēng)分離器的分離效率的理論分析主要可以分為2種思路Barth的平衡軌道模型和Lapple的停留時(shí)間模型，通過2種模型計(jì)算得出的切割粒徑代入分級(jí)效率曲線函數(shù)中：

表1 旋風(fēng)分離器壓降系數(shù)ξg理論計(jì)算匯總Tab 1 The theoretical calculation summary of pressure drop coefficient ξgof cyclone separator

表2 粉料質(zhì)量濃度壓降修正系數(shù)ξg理論計(jì)算匯總Tab 2 The theoretical calculation summary of pressure drop coefficient of correctiont ξs of powder mass concentration

表3 分離效率理論計(jì)算公式匯總Tab 3 The summary of theoretical calculation formula of the separation efficiency

式中，m的取值，對(duì)于設(shè)計(jì)和制造的比較好的旋風(fēng)分離器一般取為6.4，而對(duì)于那些大尺寸、內(nèi)壁有襯里或是實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)和制造的比較粗糙的旋風(fēng)分離器一般取為 2～4[31]。

Barth的平衡軌道模型的中心思想就是旋風(fēng)分離器中顆粒所受到的向外的離心力和向內(nèi)的（斯托克斯）阻力平衡，而在離心力的計(jì)算過程中忽略了氣體密度。而Lapple的停留時(shí)間模型則是假設(shè)顆粒到達(dá)旋風(fēng)分離器底部所需的時(shí)間等于顆粒到達(dá)器壁所需的時(shí)間，在計(jì)算的過程中引入了Nc表示顆粒旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到旋風(fēng)分離器底部的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。之后根據(jù)停留時(shí)間模型又發(fā)展出了Leith和Licht模型，并經(jīng)過了Clift修正，該模型不再僅僅考慮單顆粒移動(dòng)，而是對(duì)整個(gè)顆粒群進(jìn)行分析，在模型推導(dǎo)過程中認(rèn)為顆粒在徑向是完全混合而在軸向則不發(fā)生混合。

4 結(jié)語與展望

對(duì)旋風(fēng)分離器壓降和分離效率的理論計(jì)算模型進(jìn)行了全面綜述，并指出未來旋風(fēng)分離器的改良將向著在標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器上添加額外部件的方向發(fā)展，改進(jìn)型旋風(fēng)分離器將打破旋風(fēng)分離器技術(shù)不能有效分離5 μm以下粒徑顆粒的傳統(tǒng)限制。旋風(fēng)分離器分離效率的提高，旋風(fēng)分離技術(shù)將更加廣泛的應(yīng)用在石油和天然氣領(lǐng)域，例如流化、催化、裂化裝置，以及化學(xué)品制造領(lǐng)域，例如塑料、高彈體、聚合物加工。

符號(hào)意義

a，進(jìn)口高度；

AS，旋風(fēng)分離器內(nèi)部摩擦面積；

b，進(jìn)口寬度；

Dc，旋風(fēng)分離器本體直徑；

De，升氣管直徑；

fg，Alexander壓降模型參數(shù)；

Frc，進(jìn)口弗勞徳數(shù)，F(xiàn)r=vi2/(gDc)；

H，旋風(fēng)分離器總高度；

K，Barth壓降經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖禂?shù)；

p，壓力；

Rec，旋風(fēng)分離器雷諾數(shù)，Rec=Dcρgvi/μg；

S，升氣管高度；

tres，空氣停留時(shí)間；

T，絕對(duì)溫度；

V，旋風(fēng)分離器容積；

qV，體積流量；

vi，進(jìn)口氣速；

vte，入口渦旋切向速度；

vtw，邊壁速度；

vze，升氣管軸向氣速；

xi，顆粒粒徑；

x50，顆粒切割粒徑。

希臘字母：

εstr孔隙率；

η，總分離效率；

ηi，粒徑i的分級(jí)分離效率；

λ，摩擦因子；

μg，氣體動(dòng)力黏度；

ρg，氣體密度；

ρs，固體密度；

ρsi，進(jìn)口粉料質(zhì)量濃度；

ξc，旋風(fēng)分離器壓降因子；

ξe，旋風(fēng)分離器排氣管壓損系數(shù)。

下標(biāo)：

b，旋風(fēng)分離器本體；

c，旋風(fēng)分離器；

e，升氣管；

g，氣體；

i，進(jìn)口；

s，固體；

t，切向；

w，壁面。

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