內循環式除塵器氣固兩相流場數值模擬研究

魏世超 張凱 劉明亞 王煥志

摘要：采用數值模擬方法研究內循環式除塵器內氣固兩相流動情況，分析了切向速度、軸向速度、徑向速度、壓力分布以及分離效率等性能參數。結果表明，除塵器內切向速度分布的軸對稱性較好，軸向速度分為上行流與下行流，徑向速度較小。外旋流壓力較高，內旋流壓力較低，中心處壓力最低。分離效率高于普通工業旋風除塵器，尤其對小粒徑顆粒的捕捉能力顯著增強，10μm顆粒的粒級效率可以達到98.9%。

關鍵詞：除塵器;氣固分離;燃煤鍋爐;數值模擬

目前，我國燃料結構中煤炭占80%左右，以煤為主的特點，在今后相當長的時間內不會有根本的改變[1]。鍋爐是我國煤炭消耗的重要組成部分，燃煤鍋爐排放的煙塵和二氧化硫對大氣的污染日益嚴重。我國中小型燃煤鍋爐具有數量大、分布廣、單臺容量小的特征[2-3]。雖然近年來，隨著環保力度的加強，中小型燃煤鍋爐已退出城市市場，但是，在城鎮和農村中還將廣泛存在和使用。目前市場上的除塵設備價格和功能分布不均[4]，大量中小型企業難以支付高昂的設備費用和維護費用以采購效果好的除塵設備。因此，適用于中小型燃煤鍋爐的高效煙氣除塵器仍然符合市場的迫切需要。

針對此情況，我單位研制一種適用于中小型燃煤鍋爐的內循環式除塵器。為了深入了解該除塵器內氣固兩相的流動情況，本文利用數值模擬方法分析了除塵器內氣固兩相的運動規律。

1? 物理模型

內循環式除塵器主要由上封頭、筒體、錐斗和旁路回流管組成。內部結構從上向下依次設置有排氣管、捕集管、整流罩和擋板。筒體內，與進口管上沿相同高度處設有一隔板，將內部空間分為上下兩個隔離的腔體，通過回流管又將上下兩個腔體連通。上腔體內，捕集管與分離管之間有一間隙。圖1所示為除塵器結構示意圖。

內循環式除塵器工作過程中，可以對顆粒物實現三級分離。氣固混合物由進氣口切向進入下腔體，靠近筒體內壁的煙塵直接沿筒壁旋轉向下。在離心力作用下，密度較大的顆粒被甩向殼壁，由于重力作用下落到殼體底部，完成第一次分離。向下旋轉的混合物在經過整流罩后，形成快速的局部混合流場，使氣體中的微小顆粒發生碰撞凝聚，形成有效沉降，完成第二次分離。繼續旋轉向下的氣流經擋板反向進入捕集管，捕集管內旋轉半徑減小離心作用加強，能夠有效捕集細小顆粒。在上腔體內，捕集管與排氣管間隙處，被捕集的細小顆粒和部分氣體從間隙甩出，完成第三次分離，分離出的顆粒經回流管返回下腔體從殼體底部排出。

2? 數學模型

2.1? 氣相模型

氣相采用歐拉坐標系下的雷諾應力模型，它最大的特點在于完全拋棄了基于各向同性渦粘性的Boussinesq假設，能較好地預測強旋流流場。

2.2? 固相模型

顆粒相采用拉格朗日坐標系下的隨機軌道模型，并考慮氣固兩相間的耦合作用。顆粒受力包括流體曳力、重力、浮力、壓力梯度力、虛假質量力、Basset力等。在除塵器內，由于顆粒粒徑較小且屬于稀疏相，主要受流體曳力，其次是重力，其他力在量級上相比非常小，一般可以忽略不計。

2.3? 數值解法

代數方程組采用分離隱式求解方法，用SIMPLE算法耦合連續性和動量方程。擴散項離散采用中心差分，逐行迭代。為保證解的精度，各控制方程中對流項的離散采用具有二階精度的QUICK格式，壓力差補格式采用PRESTO。

2.4? 邊界條件

2.4.1? 入口邊界

采用速度入口邊界條件，確定湍流的方法選用湍流強度和水力直徑兩個參數。

顆粒相入口邊界條件為將顆粒入口處的射流源設為面源，顆粒均勻分布在整個入口截面的網格上，顆粒的入口速度與氣相入口速度相同。

2.4.2? 出口邊界

氣相出口邊界條件按充分發展的管流條件處理，所有變量在出口截面處的軸向梯度為零。

2.4.3? 壁面邊界

氣相流場在壁面采用無滑移邊界條件，近壁網格采用標準壁面函數近似處理。

3? 結果討論

3.1? 切向速度

顆粒在除塵器內的分離主要通過離心力沉降，因此，切向速度對于顆粒的捕集與分離起主導作用。

圖2所示為除塵器內4個不同高度截面上切向速度沿徑向的分布曲線。從圖中可以看出，整體上，切向速度分布具有較好的軸對稱性，這反映了除塵器內強旋流的特點。

圖3所示為除塵器內部的切向速度場分布云圖。從圖中可以發現，整流罩上方空間切向速度的軸對稱性相對較差。從B-B截面可以看到，氣流進入除塵器后切向速度先增加后減小。在進入主流之前，旋轉氣流與后續進入的氣流存在一個碰撞、匯合的過程，在捕集管外壁面造成局部渦流，如A點，切向速度明顯減小，導致分離效率降低。

而經過整流罩之后，切向速度的對稱性分布變好。而且，氣流經過整流罩后切向速度有顯著提高，這表明，整流罩有利于除塵器內切向速度的均勻分布和顆粒捕集效率的提高。

3.3? 軸向速度

圖4所示是除塵器內4個不同高度截面上軸向速度的分布曲線。從圖中可以看出，氣流的軸向速度基本上呈準軸對稱分布。存在一個軸向速度為零的等值面將軸向速度沿徑向分為上行流和下行流。等值面的內側為上行流區，中心處的軸向速度比較大，沿徑向向外逐漸減小。等值面的外側為下行流區，沿徑向向外，軸向速度逐漸增大。壁面附近的下行流有利于顆粒的捕集和沉降，對顆粒的分離起著極為重要的作用。

3.4? 徑向速度

圖5所示為除塵器內3個不同高度截面上徑向速度分布曲線。從圖中可以看出，相比切向速度和軸向速度，徑向速度較小，有利于防止壁面處顆粒被推向中心，從而減少夾帶，這是分離效率提高的關鍵。而在捕集管與排氣管的間隙處，徑向速度明顯增大，表明氣流透過間隙進入了上腔室，有利于顆粒的第三次分離。

3.5? 壓力場

圖6、圖7所示為靜壓和總壓力場的分布情況。從圖中可以看出，靜壓力場與總壓力場分布情況比較相近。壓力沿徑向的分布呈現較好的軸對稱性，隨半徑的減小急劇降低，中心軸線附近壓力遠低于入口處壓力，在排氣管中心區甚至出現負壓，說明在此位置存在真空區。外旋流的壓力較高，內旋流的壓力較低。同時還能看出壓力沿軸向變化很小，這是因為在強旋流中，壓力一般主要取決于切向速度，徑向速度和軸向速度對壓力的影響很小。

3.6? 顆粒軌跡

圖8表示不同粒徑顆粒的運動軌跡。從圖中可以看出，小直徑顆粒，跟隨性好，夾帶比較嚴重，不易被分離;直徑稍微大一點的顆粒，夾帶現象有所緩解;直徑較大的顆粒，由于重力沉降作用較強，分離性能較好;直徑再大些的顆粒，則因為極強的重力沉降作用而極易分離，被捕集的時間較短。

3.7? 分離效率

圖9表示不同粒徑顆粒在不同進口速度下的粒級效率。從圖中可以看出，在其他條件不變的情況下，相同粒徑顆粒的粒級效率隨進口速度的增大而提高，但提高的幅度逐漸減緩。風速大于10m/s后，顆粒的粒級效率都可達到60%。風速一定時，顆粒的粒級效率隨粒徑的增大而升高。

氣流進口速度15.5m/s時，除塵器對粒徑10μm以下顆粒的粒級效率能夠達到76.5%～89.9%，對粒徑大于10μm顆粒的粒級效率能夠達到100%。整體上，除塵器對所有顆粒的總分離效率為98.1%。

通過上述對比可以得出，內循環式除塵器整體分離性能高于普通工業旋風除塵器，尤其對粒徑小于10μm顆粒的捕捉能力顯著增強。

4? 結論

（1）除塵器內切向速度分布的軸對稱性較好，軸向速度分為上行流與下行流區，徑向速度較小。整流罩有利于切向速度的對稱分布和顆粒捕集效率的提高。

（2）壓力沿徑向分布呈現較好的軸對稱性，外旋流壓力較高，內旋流壓力較低，中心壓力最低。

（3）除塵器的分離效率高于普通工業旋風除塵器，尤其對小粒徑顆粒的捕捉能力顯著增強。

參考文獻：

[1] 崔名雙，周建明，張鑫，等.燃煤工業鍋爐煙氣脫硫技術及經濟性分析[J].潔凈煤技術，2019，25（05）：131-137.

[2] 張裕泰，李鴻濤，鄭曉鵬.中小型燃煤鍋爐的清潔能源改造[J].中國環保產業，2017，（12）：35-37.

[3] 劉妍.中小型燃煤鍋爐脫硫除塵及節能技術[J].黑龍江科技信息，2015，（35）：100.

[4] 劉巖屹.中小型燃煤鍋爐除塵脫硫裝置存在的主要問題分析[J].環境保護科學，2000，12（4）：6-13.