旋風分離器分離效率關鍵影響因素研究

楊柳松，劉云峰，孫潞潞，胡向軍

1洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

旋風分離器具有結構簡單、設備緊湊、制造成本低和維修方便等優點，適用于高溫、高壓和腐蝕性等環境，是礦山及其他工業生產中常用的氣固分離設備之一[1]。它利用設備內產生的高速旋轉氣流，來帶動氣流中被裹挾的物料發生旋轉，產生慣性離心力，從而將物料從旋轉氣流中分離出來。物料旋轉產生的慣性離心力的大小與顆粒質量、旋轉速度等因素有關，而且旋風分離器內不同粒徑物料的分離效果差別很大；因此研究旋風分離器不同結構形式、設計參數等因素對物料分離效果的影響就顯得很重要。由于旋風分離器內部氣流的流動狀況非常復雜，因此在過去較長的一段時期內，對旋風分離器的研究只能依靠理論推導和試驗研究這 2 種方法，研究效率低，且對研究成果難以對比驗證。近年來，計算流體力學及相關計算軟件的迅速發展，使得利用數值模擬技術對旋風分離器進行研究成為可能。該技術不僅可以縮短研究時間，還可以大大降低研究成本[2-5]。

筆者借助 CFD 模擬仿真技術，通過對比不同內錐長度下，旋風分離器的內部流場分布以及不同粒徑物料的分離效率，得到了內錐長度對旋風分離器性能的影響規律；同時，還研究了不同進風結構對分離效率、阻力等參數的影響，通過比較不同結構的旋風分離器分離效率的變化，探討了影響旋風分離器分離效率的因素，為后續旋風分離器的優化設計提供指導。

1 旋風分離器性能判別指標及計算條件說明

1.1 性能判別指標

攜塵氣流進入旋風分離器后，在入口結構的作用下，氣流裹挾物料做高速旋轉運動。此時，氣流中的物料由于旋轉產生了離心力，而向分離器壁面運動，物料觸碰到壁面后失去離心力，在重力作用下沿壁面向下運動落入料斗，氣流則通過分離器中心位置的內錐管道排出，達到氣固分離的目的。理想狀態下，旋風分離器可以將所有物料分離留下，氣體排出，實現100%的氣固分離。但這種理想狀態在實際應用中無法實現，設計人員只能盡量對旋風分離器設備進行優化設計，使設備性能盡量貼近理想狀態。分離效率用來表征旋風分離器對不同粒徑物料的分離效果，指的是分離操作后物料被分離下來的部分占原有物料的質量分數，是評價旋風分離器性能的重要工藝參數之一。

分離效率

式中：m為分離后各粒徑物料的質量，kg；m0為分離前各粒徑物料的質量，kg。

將氣流攜帶的不同粒徑物料的分離效率，以物料粒徑為橫坐標，以分離效率為縱坐標，做出旋風分離器的分離效率變化曲線，該曲線可用來判別旋風分離器的性能。

1.2 計算模型及條件說明

旋風分離器的研究計算需要用到的模型有三維實體模型和 CFD 計算湍流模型等。在以下的分項研究中，所用到的三維模型并不一樣，將在相應分析中逐一說明。使用 CFD 軟件對旋風分離器研究計算時，入口采用速度入口 (Velocity)，出口采用自由流出口(Outflow)，湍流模型采用適用于復雜剪切流動、旋流和分離流預測的 RNGκ-ε模型，物料采用 DPM 入射流分別設置，分離效率采用粒子追蹤得到。

除此之外，研究計算還需要確定其他一些基本輸入參數，包括入射物料粒徑分布、各粒徑質量流、處理風量等，具體如表 1 所列。

表1 旋風分離器研究所用的基本參數Tab.1 Basic parameters of cyclone separator used for research

2 內錐長度對分離效率的影響

2.1 三維模型及研究方案說明

對旋風分離器內錐長度的研究所用三維模型如圖1 所示，圖中所示H為內錐長度。旋風分離器整體結構可分為圓柱體+圓錐體，其中上部結構為圓柱體，設備的進出風口位于上部結構；下部結構為倒置的圓錐體，主要起到集料和排料的作用。

圖1 旋風分離器三維模型Fig.1 Three-dimensional model of cyclone separator

設備工作時，裹挾物料的氣流從進風口以切向圓柱體的方向進入分離器后，大部分氣流沿邊壁螺旋向下運動，經過內錐筒下部開口時，氣流發生折返并螺旋向上運動，形成內螺旋氣流[4]。旋風分離器內錐長度不同，氣流折返的高度不同，對旋風筒內部的流場產生的影響也不同。為研究內錐筒長度對整體設備選粉效率的影響，設計了 7 種不同內錐長度的旋風分離器，分別計算并對比計算結果。7 種設計方案如表 2所列。

表2 7 種內錐長度的旋風分離器研究方案Tab.2 Research schemes of cyclone separator with seven length of inner cone

2.2 內錐長度變化對比研究

旋風分離器內部流場分布情況是研究設備分離效率的基礎，要完成 7 種方案的對比研究，需要計算旋風分離器內部流場。旋風分離器近似于旋轉結構，內部各個過中心軸截面上的流場分布呈相似規律。為了便于分析不同內錐長度的旋風分離器內部流場，這里只取一個過中心截面上的流場分布云圖，具體如圖 2所示。

由圖 2 可以看出：旋風分離器內部流場整體呈旋轉分布，靠近筒壁區域流速高，大粒徑物料受到的離心力更大，有助于其析出；中心位置存在低風速區域，此區域上下貫通分布；靠近內錐出風口區域，風速略有提高，且此區域位置隨內錐長度變化而變化。

圖2 不同內錐長度下的流場分布圖Fig.2 Flow field analysis diagram at various length of inner cone

為了更清楚地對比內部流場的變化，將旋風分離器中心軸線位置的風速 (絕對速度) 隨位置變化的曲線輸出做對比，結果如圖 3 所示。

由圖 3 可以看出：各方案得到的中心軸風速分布曲線具有相似性，說明了內錐長度對中心位置流場分布的影響不大。

圖3 不同內錐長度下的風速-位移變化曲線Fig.3 Variation curve of air velocity with displacement at various length of inner cone

旋風分離器是常用的氣固分離設備，最主要的評價指標是對氣固兩相的分離效果，即對氣流中裹挾的各粒徑物料的分離效率，因而需要求出分離器對各粒徑物料的分離效率。按照該思路，輸出了各方案的分離效率曲線，如圖 4 所示。

圖4 7 種方案的分離效率曲線Fig.4 Curves of separation efficiency of seven kinds of schemes

由圖 4 可以看出：7 種方案得到的分離效率曲線呈相同的變化趨勢，說明旋風分離器內錐長度對氣固兩相的分離效率沒有影響。

內錐長度對旋風分離器的分離效率沒有影響，不代表對整個分離器沒有影響。為了研究內錐長度對旋風分離器其他方面的影響，輸出了上述各方案的進出風口之間的壓差，如圖 5 所示。

圖5 不同內錐長度下的進出風口壓差Fig.5 Pressure difference between air inlet and outlet at various length of inner cone

由圖 5 可以看出：旋風分離器內錐長度加長，增加了氣流在設備內的停留時間和排出設備的阻力；對整個旋風分離器而言，進出風口之間的壓差隨著內錐長度的增大而增大，系統阻力也隨之增大，相應的系統能耗就會升高。

3 進風結構對分離效率的影響

3.1 三維模型說明

旋風分離器進風一般采用蝸殼結構，此結構有助于更好地改變進入氣流的流動狀態，將切向流入氣流變為旋轉流動。實際應用較多的有旋向 270°的大蝸殼結構和旋向 180°的小蝸殼結構，其三維模型如圖 6所示。

圖6 不同進風結構的旋風分離器三維模型Fig.6 Three-dimensional models of cyclone separators with various inlet structure

3.2 進風結構對性能的影響

評價旋風分離器性能最直接的方法，就是求出不同進風結構的分離器對不同粒徑物料的分離效率以及對氣流流動的阻力。采用表 1 中的數據，計算這兩種不同進風結構的旋風分離器的分離效率，結果如圖 7所示。

圖7 不同進風結構的旋風分離器分離效率曲線Fig.7 Curve of separation efficiency of cyclone separators with various air inlet structure

由圖 7 可以看出：對于30 μm 以下粒徑物料，小蝸殼結構比大蝸殼結構有更高的分離效率；對于30μm 及以上粒徑的物料，二者都具有高的分離效率。

在實際使用中，如果被處理物料的粒度較細，推薦選用小蝸殼進風結構的分離器；如果被處理物料的粒度較粗，則兩種結構的旋風分離器沒有差別。

在相同計算條件下，小蝸殼進風結構的旋風分離器進出口之間的壓差約為 3 860 Pa，而大蝸殼進風結構的旋風分離器進出口之間的壓差約為 1 030 Pa，說明采用大蝸殼進風結構，系統在能耗上的表現要優于小蝸殼進風結構。

4 結論

(1) 旋風分離器內錐長度對分離效率沒有影響，但對系統阻力有影響；隨著內錐長度的增加，旋風分離器進出風口之間的壓差變大，阻力也隨之增大，系統能耗增加。

(2) 對于30 μm 以下粒徑物料，小蝸殼進風結構有更高的分離效率；對于30 μm 及以上粒徑的物料，二者都具有高的分離效率。

(3) 大蝸殼進風結構的系統阻力小，分離系統在能耗上的表現要優于小蝸殼進風結構。