粉煤熱解系統旋風分離器流場的數值模擬研究

張宏偉，陳水渺，耿層層，梅 磊，張安強，肖 磊，吳道洪

(1.北京神霧環境能源科技集團股份有限公司，北京 100200；2.北京市低變質煤與有機廢棄物熱解提質工程技術研究中心，北京 100200)

粉煤熱解系統旋風分離器流場的數值模擬研究

張宏偉1，2，陳水渺1，2，耿層層1，2，梅 磊1，2，張安強1，2，肖 磊1，2，吳道洪1，2

(1.北京神霧環境能源科技集團股份有限公司，北京 100200；2.北京市低變質煤與有機廢棄物熱解提質工程技術研究中心，北京 100200)

為了進一步了解粉煤熱解系統旋風分離器的流場分布規律，在根據旋風分離器實物建模的基礎上，選用RSM湍流模型、離散對流項QUICK格式、壓力梯度項PRESTO格式對其流場進行數值模擬。對于旋風分離器的切向速度分布、軸向速度分布及流場湍流結構的模擬分析說明，通過該數值模擬方法能夠得到合理的流場分布規律，這為后續的顆粒場模擬奠定了基礎。

粉煤熱解；旋風分離器；數值模擬；湍流模型

隨著煤炭開采機械化程度的提高，粉煤產量在逐年增加，目前其產量占煤炭總產量的80%左右。熱解是煤炭分質高效清潔轉化利用的重要手段之一，粉煤熱解后可產出清潔的氣、固、液三種產品，能夠實現對煤炭不同成分的分質利用[1]，因此以粉煤為原料的熱解工藝必將成為研究與應用的熱點。國內外開發的粉煤熱解工藝(Garrett工藝、L-R工藝、DG新法干餾工藝等)均完成了過程的放大，而含塵揮發分的除塵技術是粉煤熱解工藝普遍遇到的技術難題[2-3]。現階段業內普遍采用旋風分離技術處理粉塵[4]，旋風分離器是基于旋風分離技術的設備。目前旋風分離器的設計主要依賴于試驗和經驗，而開發高性能的旋風分離器需要了解其內部流場分布規律，但通過試驗方法難以得到[5-6]。數值模擬方法具有重要的工程應用價值[7-8]，通過嚴格求解紊流多相流的控制方程組，可以研究旋風分離器內部的流場分布規律，不但可為設備的性能優化提供理論支持，而且可使設備研發周期大大縮短。

很多研究者對旋風分離器進行過數值模擬研究，但由于選用的湍流模型不盡相同，研究結果差異較大[9-11]。根據文獻[6]和[12]，通過對不同湍流模型、差分格式、壓力插補格式比較可知：標準k-ε模型在預報切向速度時過分夸大了準強制渦，RNGk-ε模型在預報軸向速度中心低谷現象時失真嚴重，一階差分格式不適用于旋風分離器這種復雜流場的模擬，二階差分格式在預報軸向速度的中心低谷現象時誤差較大，壓力插補格式中Standard格式和BFW格式的結果均沒給出外部準自由渦的結構。

為了深入了解粉煤熱解系統旋風分離器的流場分布規律，根據實物建模，選用RSM模型、離散對流項QUICK格式、壓力梯度項PRESTO格式對其內部流暢進行數值模擬，并將模擬結果與文獻[13-14]的結論進行比較，以驗證模型選擇的準確性，從而獲得旋風分離器的三維流場分布規律，為該設備的優化提供理論依據與數據支撐，也為后續顆粒相的除塵模擬奠定基礎。

1 模型的建立

1.1 數值計算方法

在對旋風分離器進行數值模擬時選用的模型與方法為: 選用雷諾應力(RSM)湍流模型，離散格式中對流項采用QUICK格式和壓力插補格式PRESTO格式控制，數值計算方法選用非交錯網格下的SIMPLEC算法。

RSM湍流模型為：

(1)

為了使方程組封閉，對公式右側各項建立模型，可分別表示為：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

1.2 計算模型的幾何結構

旋風分離器主要由入料管道、排氣管道、筒體、錐體四部分組成，在工作過程中，含塵氣體由入口管道進入設備內部，經過凈化處理后，凈化氣體由排氣管道排出，顆粒由錐體段底端排出。旋風分離器整體結構圖如圖1所示，其模型各部分尺寸如表1所示。

圖1 旋風分離器整體結構圖

筒體直徑/m升氣管直徑/m排塵口直徑/m升氣管插入深度/m入口截面高度/m入口截面寬度/m總高度/m錐體段高度/m0703250159085035022952

1.3 網格劃分與邊界條件

通過網格生成軟件Gambit2.4.6進行前處理，將計算域分成五個子區域，分別為進口段、出口段、環形空間段、圓柱分離空間段、圓錐分離空間段；采用非均勻的六面體網格對其進行劃分，網格數量為63 763個。旋風分離器的整體網格如圖2所示。

圖2 旋風分離器的整體網格

入口氣流為流動速度20 m/s的常溫空氣，入口湍流的指定方法為湍流強度I和水力直徑DH；排氣口邊界為出口處湍流流動達到充分發展狀態，即各變量的法向梯度為零；將灰斗最底端設為出口邊界，因為幾乎沒有氣流從底部流出，故氣流流量為0；壁面采用無滑移邊界，粗糙度為0.5，壁面效應采用標準壁面函數法。

2 模擬結果與分析

2.1 切向速度分布

在旋風分離器內切向速度具有非常重要的作用，其帶動顆粒做高速旋轉運動，并在離心效應下將顆粒甩向器壁，從而實現固、液、氣三相體的分離。旋風分離器不同截面示意圖如圖3所示。

圖3 旋風分離器截面示意圖

旋風分離器的切向速度云圖和切向速度分布圖如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可知：排氣管下部分離空間內切向速度的軸對稱性較好，其呈現出明顯的“駝峰”形分布，即每側存在一個最大切向速度點，所有最大切向速度點形成一個分界面；分界面將旋風分離器內的流場分為中心準強制渦和外部準自由渦，中心區域強旋渦運動的離心作用有利于顆粒向外部運動，而旋流強度較低的準自由渦區域對顆粒的攜帶作用減弱，這樣便于顆粒在壁面附近被捕集。這種流動結構十分有利于物料的分離，該結論與文獻[13-15]的實測結論一致，能夠驗證所選數值模擬方法的正確性。

圖4 旋風分離器的切向速度云圖

圖5 旋風分離器的切向速度分布圖

與圖4、圖5對應的旋風分離器切向速度梯度分布直方圖如圖6所示。

圖6 旋風分離器的切向速度分布直方圖

由圖6可知：切向速度絕大部分為負值，這是因為柱坐標系中切向速度的正方向是由右手定則確定的，且研究中以z=0為基準面；極小部分流體的切向速度方向為正，這說明流場中存在局部二次渦流；旋風分離器內切向速度分布較均勻，80%以上的切向速度在入口氣速的0.5～1.8倍范圍內，且數值分布合理，有利于不同物料的分離。

旋風分離器的最大切向速度沿軸向分布情況如圖7所示。

圖7 旋風分離器的最大切向速度沿軸向變化曲線

由圖7可知：最大切向速度沿軸向從頂部(z=2.95 m)到底部(z=0 m)呈現遞增的趨勢，頂部的切向速度增幅較大，靠近底部的切向速度有所增大。這是因為旋風分離器內的流場較復雜，內部存在局部紊流。

旋風分離器的局部二次渦示意圖如圖8所示。由圖8可知：該旋風分離器內的主流為雙層旋流，外部流向下旋轉，中心流向上旋轉，主流上存在許多局部二次渦。部分氣體由進料口進入并沿壁面向上流動，在頂部反轉后沿著排氣管外壁向下流動，從而形成環形空間內的縱向渦流(圖8(a))；由于排氣管下端附近的徑向速度較大，小部分流體通過進料口直接進入排氣管，從而形成短路流(圖8(b))；進入灰斗的部分氣體從中心部位返回分離器，與錐形管下段高速旋轉的內旋流混合，偏斜的內旋流的下段呈現出“擺尾”現象，并周期性的掃到器壁上，從而形成若干個偏心的縱向環流(圖8(c))。

圖8 旋風分離器的局部二次渦示意圖

2.2 軸向速度分布

旋風分離器的軸向速度等直線圖和軸向速度分布圖如圖9和圖10所示。由圖9、圖10可知：軸向速度沿徑向軸對稱性較好，其可分為下行流和上行流，二者的分界面是流場內部所有軸向速度為零的點所形成的面，即零軸速包絡面(圖11)。零軸速包絡面在筒體部分呈現為圓柱面，在錐體部分呈現為錐角小于錐體頂角的圓錐面，從而使錐體部分仍有部分下行流，這有利于己被分離到邊壁處的顆粒向下流動。

以零軸速包絡面為界，其兩側的軸向速度由近到遠先增大后減小，直至減小到零附近。旋風分離器的軸向速度分布為：中心軸線附近存在一個波谷，最低點接近零，少數截面上會出現負值，即存在滯流或回流現象，所選模型可以較好地預報切向速度的雙渦結構和強旋轉下的滯留或回流現象。

圖10 旋風分離器的軸向速度分布圖

圖11 旋風分離器的零軸速包絡面圖

2.3 流場的湍流結構

湍動能主要來自湍流脈動，通過雷諾切應力做功為其提供能量。旋風分離器的湍動能分布云圖和湍動能分布圖如圖12、圖13所示。由圖12、圖13可知：湍動能主要集中在出口分離段附近，分離器外壁面處、中心區域內的湍動能較小，圓柱分離空間的環形區域內的湍動能較大。因此，湍流在這個柱狀環形區域內損失的能量較大。

圖12 旋風分離器的湍動能分布云圖

圖13 旋風分離器的湍動能分布圖

湍動能耗散是指湍流動能與分子動能之間發生輸運，最終將這些能量轉化成熱能。旋風分離器的湍動能耗散云圖和湍動能耗散率分布圖如圖14和圖15所示。由圖14、圖15可知：靠近排氣管壁面處的湍動能耗散率很大，其數量級高達104m2/s3。

圖14 湍動能耗率云圖

圖15 湍動能耗散率分布圖

3 結論

選用RSM湍流模型，離散對流項采用QUICK差分格式、壓力梯度項采用PRESTO格式，對旋風分離器的流場進行數值模擬，可得出如下結論：

(1)切向速度呈現出明顯的“駝峰”形分布，即每側存在一個最大切向速度點，80%以上的切向速度為入口氣流速度的0.5～1.8倍；主流為雙層旋流，主流上存在許多局部二次渦。

(2)零軸速包絡面在筒體部分呈現為圓柱面，在錐體部分呈現為圓錐面；以零軸速包絡面為界，其兩側的軸向速度由近到遠先增大后減小，直至減小到零附近。

(3)湍動能在外壁面處、中心區域內較小，在圓柱分離空間的環形區域內較大；靠近排氣管壁面處的湍動能耗散率較大，為了提高分離效率，可以減少或者推遲湍流的發生。

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Study and numerical simulation of flow field of cyclone separator in pulverized coal pyrolysis system

ZHANG Hong-wei1,2,CHEN Shui-miao1,2,GENG Ceng-ceng1,2,MEI Lei1,2, ZHANG An-qiang1,2,XIAO Lei1,2,WU Dao-hong1,2,

(1.Beijing Shenwu Environment & Energy Technology (Group) Co., Ltd., Beijing 100200,China;2.Beijing Low Rank Coal with Organic Waste Pyrolysis Upgrading Engineering Technology Research Center, Beijing 100200,China)

In order to bring to light the law governing the distribution of flow field of the cyclone separator in powdered coal pyrolytic system, a RSM turbulent model is established with the cyclone separator in field use as object.The numerical simulation of the separator's flow field is conducted using the QUICK format for the discrete convection term and the PRESTO format for the pressure gradient term.The analysis made on distributions of tangential velocity and axial velocity, and turbulent structure of the flow field indicates that by using the numerical simulation method, the law governing the distributions of the tangential velocity and axial velocity, and the turbulent structure of the flow field can rationally be revealed.This provides a basis facilitating the subsequent modeling of particle field.

pyrolysis of coal fines; cyclone separator; numerical simulation; turbulence model

1001-3571(2016)01-0004-06

TQ536

A

2016-01-20

10.16447/j.cnki.cpt.2016.01.002

中小企業發展專項資金(SQ2013ZOA000003)

張宏偉(1985—)，男，天津市人，助理工程師，碩士，從事煤炭快速熱解仿真計算研究。

E-mail：zhanghw445@163.com Tel：010-60751999-2266