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不同入口截面角旋风分离器分离特性的研究

黄星玮  
【摘要】:旋风分离器作为一种重要的气固分离设备,因其具有结构简单、高效、耐高温高压等优点,在能源、化工、冶金、环保等许多领域有着广泛的应用。旋风分离器比较成功的应用是PFBC(增压流化床燃烧)、IGCC(整体气化联合循环)、CFBC(循环流化床燃烧)以及FCC(催化裂化)等装置。在这些严苛的运行条件下,旋风分离器是唯一一种可以投入商业应用的除尘和分离设备。然而,旋风分离器的主要缺点是对于粒径小于5μm的颗粒除尘效率较低。 为了有效地提高旋风分离器的分离效率,本文从结构改进的角度出发,先通过数值模拟的方法详细地分析了入口截面角分别为0°、30°和45°的旋风分离器内部的三维两相湍流流场,又通过实验和建立数学模型两种途径针对这三种旋风分离器对颗粒的分离性能做更进一步的研究。在数值模拟过程中,气相场采用能反映各向异性湍流的雷诺应力输运模型(RSTM),各方程对流项采用具有二阶精度的QUICK差分格式。而对颗粒相的计算则采用了离散相模型,并控制三种情况下的入口风速和颗粒浓度均相同。这样更利于对比旋风分离器在其他条件保持不变而只改变入口截面角的情况下其内部流场的变化情况。另外,本文还建立了一个小型的实验台,制作了三个与模拟中所用尺寸完全相同的旋风分离器模型,通过使用控制入口颗粒浓度不变、只改变入口风速的方法,对三种入口截面角的旋风分离器在不同工况下的分离性能进行测试,结果表明,随着入口角度的增加,其效率可提高5%以上,而本体的阻力损失则可降低10%以上。最后,本文基于响应曲面法建立了不同入口截面角时芯管底部的短路流量模型,在此基础上并基于边界层分离理论建立了一个针对不同入口截面角旋风分离器分级效率的数学模型。该模型反映了入口角度,芯管插入深度及芯管直径三者对旋风分离器分离性能的影响,对于进一步研究不同入口角度及结构尺寸旋风分离器的分离效率有着重要的意义。 以上是本文中所采用的关于研究不同入口截面角旋风分离器分离性能的三种途径,通过对比其结果,基本达到了该课题提出时的预期目的:与传统的切向入口的旋风分离器相比,具有一定入口截面角旋风分离器的分离效率有了明显的提高,而其芯管底部的短路流量和本体阻力损失则有所降低


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