褐煤干燥提質(zhì)使用的旋風分離器流場數(shù)值模擬研究

劉雁鵬

（中國煤炭科工集團唐山研究院，河北省唐山市，063012）

褐煤干燥提質(zhì)使用的旋風分離器流場數(shù)值模擬研究

劉雁鵬

（中國煤炭科工集團唐山研究院，河北省唐山市，063012）

旋風分離器作為褐煤干燥提質(zhì)設備的主要組成部分，內(nèi)部有著復雜的湍流流場，而且在內(nèi)部溫度很高的條件下，其他試驗無法進行。為了解決這一問題，應用Fluent數(shù)值模擬軟件，對旋風分離器在褐煤分離提質(zhì)過程中的流場狀態(tài)進行了分析研究，從而掌握旋風分離器在分離過程中的流場形態(tài)，為旋風分離器的設計和改進提供了理論依據(jù)。

褐煤 旋風分離器 氣固二相流

隨著能源形勢的日益緊張，褐煤干燥提質(zhì)一體化越來越受到人們的重視。旋風分離器作為管式氣流干燥器的重要組成部分，主要是用來分離褐煤中的顆粒和煤粉。旋風分離器雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是由于其內(nèi)部氣流速度較高，流場比較復雜，而且受到褐煤干燥系統(tǒng)中高溫的限制，其他試驗方法無法進行。因此采用Fluent數(shù)值模擬來對旋風分離器內(nèi)部流場進行研究，以得到氣流在高速運轉(zhuǎn)時的內(nèi)部流場狀態(tài)。

Fluent軟件是目前應用最廣泛的CFD軟件包，用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復雜流動。Fluent采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，因而能達到最佳的收斂速度和求解精度。

1 旋風分離器

1.1 旋風分離器的結(jié)構(gòu)與基本原理

旋風分離器是利用離心沉降原理進行分選的設備，本身沒有運動部件，結(jié)構(gòu)非常簡單。其基本工作原理為：氣固混合物在一定的壓力下從進料口切線給入到旋風分離器，在柱段器壁的導流作用下，氣固混合物強烈旋轉(zhuǎn)，同時沿著器壁向下做螺旋運動，形成向下的外旋流，外旋流在向下的運動過程中，由于錐段逐漸收縮致使流動阻力增大，流體到達底流口附近后，迫使外旋流中除部分流體從底流口流出外，大部分流體轉(zhuǎn)而向上運動，在內(nèi)部形成向上的回流（即內(nèi)旋流），并從溢流管流出。因此，旋風分離器內(nèi)的流體流動呈雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。

在旋風分離器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)流場中，混合物中密度大的顆粒在離心力的作用下容易沉降到器壁附近，并隨外旋流在底流口附近排出，密度小的顆粒由于沉降速度較小，還未沉降到器壁就則隨著內(nèi)旋流從溢流管排出，這樣可以將混合物中的褐煤顆粒和粉末分選出來。

1.2 旋風分離器流場基本特點

旋風分離器內(nèi)的流體是一個復雜的三維旋轉(zhuǎn)流體，到目前為止還不能完全用理論的分析方法來闡述旋風分離器內(nèi)部的流體力學規(guī)律。通過對旋風分離器內(nèi)的速度分布做了大量的試驗研究，可以看出旋風分離器內(nèi)基本上是半自由渦流和強制渦流藕合而成的螺旋渦流。

2 數(shù)值模擬的計算方法

湍流是一種復雜的三維非穩(wěn)態(tài)、帶旋轉(zhuǎn)的不規(guī)則流動，為了計算方便假定流體為定常流，將氣固混合物看成均勻介質(zhì)。計算控制方程采用質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。由于流動處于湍流狀態(tài)，系統(tǒng)還要遵守附加的湍流輸運方程。

2.1 模型的建立

由于工業(yè)用旋風分離器結(jié)構(gòu)實際尺寸比較大，因此采用實驗裝置的尺寸應該便于與半工業(yè)實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)進行對照，采用的設備是CLT/A－Y型的旋風分離器。運用Fluent前處理器的Gambit進行旋風分離器模型的建立，圖1為Gambit軟件建模后的模型。

利用Gambit軟件進行建模的旋風分離器工藝參數(shù)為：進氣口尺寸寬度30 mm，高度80 mm；圓柱段尺寸：直徑150 mm，高270 mm；圓錐段尺寸：上口直徑150 mm，下口直徑30 mm，高度300 mm；溢流口尺寸：直徑60 mm。

2.2 網(wǎng)格的劃分

在劃分網(wǎng)格之前將筒體分成4部分，分別是進氣管部分、筒體上半部分、筒體下半部分和溢流口部分。進行網(wǎng)格劃分均劃為六面體的元素，生成網(wǎng)格方式為制筒模式，共劃分為199664個網(wǎng)格。

2.3 邊界條件和參數(shù)

邊界條件設置如下：設置進氣道的入口平面為Velocity-Inlet邊界條件，入料速度為20 m/s；設置出氣管出口平面為Outflow邊界條件，壓力為0；設置上出氣口和筒體的重合面為InterfaceE邊界條件。

2.4 利用FLUENT求解器求解

選用Pressure Based壓力求解器、隱式、三維（3D）、定常（Steady）等求解器的參數(shù)設置。湍流模型選擇RNG k-ε雙方程湍流模型，因為旋風分離器內(nèi)旋流占優(yōu)流動，所以選擇Swirl Dominated Flow。計算中的流體是空氣，也是工作介質(zhì)，不考慮重力因素。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 收斂性分析

通過設置合理的參數(shù)、優(yōu)化網(wǎng)格及控制松弛因子等方法，提高迭代的收斂性，其殘差圖見圖2，迭代次數(shù)超過800次以后，殘差值就不再變化，維持在1e-6量級以下。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果

圖3所示是旋風分離器X＝0時平面的速度矢量示意圖，由圖3可以看出這樣的參數(shù)設置很好地實現(xiàn)了分選效果。一部分流體由上溢流口流出，另一部分由下排料口排出，實現(xiàn)了褐煤顆粒與粉末的分選。

切向速度和軸向速度是與旋風分離器中氣固兩相運動有關(guān)的兩個重要部分，切向速度產(chǎn)生顆粒分離的離心力，軸向速度導致顆粒沿壁面向灰斗的輸送，一般來說切向速度和軸向速度最能反映旋風分離器內(nèi)顆粒分離能力的大小。

圖3 旋風分離器X＝0時平面的速度矢量示意圖

3.2.1 Z＝550時流場的分析

Z＝550時平面的切向速度和軸向速度見圖4和圖5。

如圖4和圖5所示，可以看出入料口區(qū)域，以20 m/s入料后外旋流的速度升高到22～24 m/s，而內(nèi)旋流速度則降低到16～18 m/s；旋轉(zhuǎn)0.5周后外旋流速度降低到18～20 m/s，內(nèi)旋流速度降低到3～5 m/s。入料后速度下降和動能減少主要是由于氣體與容器壁的碰撞，說明了旋風分離器與入口相切處是磨損最嚴重的區(qū)域。圖4和圖5中間位置是溢流口，軸向速度比較大，而切向速度很小，內(nèi)旋流螺旋狀流向溢流口，出口速度為10 m/s左右，和實際試驗是吻合的。3.2.2 Z＝300時流場的分析

Z＝300時平面的切向速度和軸向速度見圖6和圖7。

如圖6和圖7所示，在筒體中間位置外旋流的速度為13～15 m/s，內(nèi)旋流速度為2～3 m/s，而且越往中心位置速度越小。在圓柱體與圓錐體交接位置中心速度基本為0 m/s，內(nèi)旋流速度向上，而外旋流速度向下，從而實現(xiàn)褐煤顆粒與粉末的分選。

3.2.3 Z＝0時流場的分析

圖8 Z＝0時平時面切向速度

由圖8切向速度曲線可知，切向速度沿徑向呈“M”形分布；切向速度沿軸向減少且減幅較大，中心位置幾乎為零；排料口處最大切向速度仍保持21 m/s，這表明排料口中存在較強的旋轉(zhuǎn)。由于排料口的旋轉(zhuǎn)氣流對于分離已經(jīng)沒有作用，氣流的高速旋轉(zhuǎn)只能帶來能量的消耗，而且旋轉(zhuǎn)速度越高，旋轉(zhuǎn)動能越大，能量消耗也就越大。

圖9 Z＝0時平面軸向速度

由圖9軸向分布曲線可以得出，軸向速度軸向速度急驟升高，中心位置軸向速度達到35～37 m/s，氣流沿軸向高速噴出，褐煤顆粒伴隨氣流沖擊下排料口，說明褐煤顆粒對容器排料口有磨損作用。

3.3 結(jié)果分析

（1）通過對Z＝550、Z＝300和Z＝0時的平面流場分析可以得出，在溢流口軸向速度比較大，而切向速度很小，內(nèi)旋流螺旋狀流向溢流口；在圓柱體與圓錐體交接位置實現(xiàn)褐煤顆粒與粉末的分選；在底流口處軸向速度加大，應考慮對器壁的磨損作用。

（2）混合物從入料口進入之后沖擊上部筒體，而且磨損不均勻，入料一側(cè)磨損嚴重；下排料口區(qū)域被顆粒高速沖擊，高強度磨損部位易造成損壞，需要設法增加耐磨性。

（3）通過數(shù)值模擬掌握各部分流體的運動速度和壓強，其他配套管道設施及動力裝置選型應當與之匹配。

4 結(jié)論

本文通過采用數(shù)值模擬得出了旋風分離器流場運動的規(guī)律，掌握褐煤分離過程中的流場狀態(tài)，為旋風分離器的設計提供依據(jù)。今后可根據(jù)不同的煤質(zhì)先進行數(shù)值模擬計算，使旋風分離器的各種參數(shù)達到最優(yōu)，再進行半工業(yè)試驗驗證模擬效果來設計旋風分離器，也可以數(shù)值模擬軟件為工具進行新結(jié)構(gòu)旋風分離器的研發(fā)。

［1］ 戴和武，謝可玉.褐煤利用技術(shù)［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1998

［2］ 陳海旭.我國褐煤燃前脫灰脫水提質(zhì)現(xiàn)狀［J］.中國煤炭，2009（4）

［3］ 田忠坤.褐煤干選、干燥、成型一體化工藝技術(shù)開發(fā)研究［J］.選煤技術(shù)，2011（2）

［4］ 于勇.FLUENT入門與進階教程［M］.北京：北京理工大學出版社，2008

［5］ 王瑞金.FLUENT技術(shù)基礎(chǔ)與應用實例［M］.北京：清華大學出版社，2007

［6］ 張建，金有海.灰斗抽氣對旋風分離器分離性能影響數(shù)值模擬研究［J］.工程設計學報，2008（10）

［7］ 李進鋒，吳德飛，何細藕.利用CFX軟件模擬計算旋風分離器內(nèi)流場［J］.石油化工設備技術(shù)，2010（5）

Research on flow field of cyclone separator in lignite upgrade equipment by using Fluent numerical simulation

Liu Yanpeng
（Tangshan Research Institute of China Coal Technology＆Engineering Group，Tangshan，Hebei 063012，China）

As the important part of lignite upgrade equipment，cyclone separator has complex flow field of Turbulence Flow and temperature of internal is very high，so other tests cannot conduct.To solve this problem，F(xiàn)luent numerical simulation software has been used for the research on flow field when upgrade lignite is separating.Flow field has been obtained，which provide theory basis for design and improve cyclone separator.

lignite，cyclone separator，gas－solid biphase flow

TQ536.6

A

劉雁鵬（1970－），男，河北唐山人，工程師，1991年畢業(yè)于唐山工程技術(shù)學院機械制造專業(yè)，現(xiàn)就職于中國煤炭科工集團唐山研究院，主要從事選煤機械的研究。

（責任編輯 王雅琴）