旋風(fēng)增壓除塵裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及模擬分析

張青松，劉海增，李智陽(yáng)，王 超

(安徽理工大學(xué)， 安徽 淮南 232001)

空氣重介選煤是礦物加工的一種新技術(shù)，要求原煤干燥，水分含量低。由于入選原煤、選后精煤、矸石及所用介質(zhì)粒度細(xì)，易揚(yáng)塵，污染嚴(yán)重，因此必須采取有效的控制措施[1-2]. 目前，除塵方法主要有旋風(fēng)除塵器、布袋除塵器、過(guò)濾式除塵器等。通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)，旋風(fēng)除塵器處理能力低，系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)中粉塵濃度大，加快了鼓風(fēng)機(jī)葉輪及循環(huán)風(fēng)管路的磨損，降低了設(shè)備的使用壽命。布袋除塵器在系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，外排風(fēng)壓減弱，導(dǎo)致粉塵四溢，作業(yè)環(huán)境差，無(wú)法達(dá)到環(huán)保要求。過(guò)濾式除塵器隨著工作時(shí)間的增加, 濾筒外表面粘附粉塵也不斷增加, 濾筒阻力也相應(yīng)增加, 影響除塵效果[3-4].

針對(duì)旋風(fēng)除塵器除塵不徹底，出風(fēng)口含塵量高，處理風(fēng)量小，沉降收集速度慢的缺陷[5]，提出了一種基于干法選煤下的旋風(fēng)增壓除塵裝置。該裝置的多級(jí)引射增速機(jī)構(gòu)可使得循環(huán)風(fēng)形成同向加速風(fēng)流，可對(duì)入流風(fēng)速超過(guò)進(jìn)風(fēng)口氣流速度時(shí)，被帶走的粉塵進(jìn)行再次除塵。并且根據(jù)該裝置的三級(jí)除塵筒底部二次旋轉(zhuǎn)物料徑向上的速度差，通過(guò)入料流提供引射動(dòng)力，帶動(dòng)風(fēng)流導(dǎo)流通道內(nèi)的粉塵流形成逐級(jí)引射，加速循環(huán)粉塵的排料，同時(shí)提高了除塵效率和除塵效果。

1 干法選煤下的旋風(fēng)增壓除塵裝置

1.1 旋風(fēng)增壓除塵裝置工作過(guò)程

旋風(fēng)增壓除塵裝置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1. 工作過(guò)程中，將含塵氣流從入料口通入一級(jí)除塵筒，入料風(fēng)流帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)拋料葉輪旋轉(zhuǎn)，拋料葉片對(duì)入料風(fēng)流拋料，入料風(fēng)流沿著拋料葉片切向拋出后，在一級(jí)除塵筒內(nèi)壁做離心運(yùn)動(dòng)并旋轉(zhuǎn)分離，借助于離心力將塵粒從氣流中分離并捕集于一級(jí)除塵筒的內(nèi)壁，再借助重力作用使塵粒下落從排料口排出，一次凈化風(fēng)通過(guò)一級(jí)出料口排出，隨著驅(qū)動(dòng)拋料葉輪的旋轉(zhuǎn)，同時(shí)也通過(guò)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)螺旋軸流葉輪、多級(jí)引射增速機(jī)構(gòu)和二次驅(qū)動(dòng)拋料葉輪隨之旋轉(zhuǎn)，二次驅(qū)動(dòng)拋料葉輪對(duì)分選后的一次凈化氣流進(jìn)行二次加速拋料，提供氣流二次除塵的旋轉(zhuǎn)切向初速度，氣流進(jìn)入二級(jí)除塵筒，沿著內(nèi)壁進(jìn)行二次塵氣分離，再次分離出來(lái)的塵粒到達(dá)二級(jí)除塵筒的多級(jí)引射增速機(jī)構(gòu)時(shí)，隨著多級(jí)引射增速機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)，塵?；焱諝膺M(jìn)入風(fēng)流收集口，此時(shí)形成同向同速的切向風(fēng)流進(jìn)入驅(qū)動(dòng)拋料葉輪，通過(guò)拋料葉片拋料后進(jìn)行三次旋轉(zhuǎn)分離除塵，提高含塵風(fēng)處理量的同時(shí)對(duì)粉塵進(jìn)行二次除塵，從而完成了多級(jí)除塵。

1—一級(jí)除塵筒； 2—攪拌支撐軸； 3—入料口； 4—導(dǎo)流板； 5—轉(zhuǎn)軸； 6—二級(jí)出料口； 7—軸承； 8—支架； 9—二次驅(qū)動(dòng)拋料葉輪； 10—三級(jí)除塵筒； 11—二級(jí)除塵筒； 12—二級(jí)入料口； 13—多級(jí)引射增速機(jī)構(gòu)； 14—拋料葉片； 15—一級(jí)出料口； 16—錐狀分離區(qū)； 17—排料口圖1 旋風(fēng)增壓除塵裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 功能分析

1) 螺旋軸流葉輪在轉(zhuǎn)軸的帶動(dòng)下對(duì)一次凈化風(fēng)進(jìn)行螺旋推進(jìn)，提供氣流二次除塵的旋轉(zhuǎn)切向初速度，因此可在較低的入流初速度下達(dá)到常規(guī)旋風(fēng)除塵器的粉塵分離效果，間接提高了臨界進(jìn)風(fēng)口氣流速度，有助于提高除塵處理量。

2) 連桿增壓機(jī)構(gòu)中的多級(jí)旋轉(zhuǎn)引射增速裝置可使得循環(huán)風(fēng)形成同向同速風(fēng)流，因此可以增加分離時(shí)間以及入料壓力，從而增大出風(fēng)口處理風(fēng)量，加快沉降收集速度。

3) 旋風(fēng)增壓除塵裝置通過(guò)二次旋轉(zhuǎn)直接分離除塵，一次循環(huán)返料除塵，提高了除塵效果，且結(jié)構(gòu)緊湊、處理量大、空間利用率高。

2 風(fēng)流控制裝置

2.1 多級(jí)引射增速裝置構(gòu)成

為了避免含塵氣體在分離過(guò)程中的氣流衰減造成分離不充分，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)離心力的分級(jí)效果差，在裝置中增加風(fēng)流的增速裝置。

多級(jí)引射增速裝置見(jiàn)圖2. 此時(shí)含塵風(fēng)流由風(fēng)流收集口進(jìn)入多級(jí)引射增速裝置，然后經(jīng)過(guò)風(fēng)流導(dǎo)流通道，到達(dá)一次風(fēng)流出風(fēng)口，由于風(fēng)速在徑向上的速度差，靠近筒壁方向的含塵風(fēng)流對(duì)靠近除塵筒中心方向的含塵風(fēng)流進(jìn)行逐級(jí)引射增速，加速在一次風(fēng)流出風(fēng)口流出，然后在二次風(fēng)流引射區(qū)同樣進(jìn)行逐級(jí)引射，最終由二次風(fēng)流出風(fēng)口加速排出，且二次風(fēng)流出風(fēng)口的含塵風(fēng)流方向與除塵筒中的含塵物料流方向相同，在各級(jí)引射增速作用以及旋轉(zhuǎn)離心力的作用下，粉塵可進(jìn)行加速沉降收集，提高除塵效率。

1—二次風(fēng)流出風(fēng)口; 2—二次風(fēng)流引射區(qū); 3—一次風(fēng)流混流區(qū); 4—一次風(fēng)流出風(fēng)口; 5—一次風(fēng)流引射區(qū); 6—軸承; 7—轉(zhuǎn)軸; 8—支撐軸; 9—風(fēng)流收集口; 10—風(fēng)流導(dǎo)流通道圖2 多級(jí)引射增速裝置圖

多級(jí)引射增速機(jī)構(gòu)，根據(jù)物料徑向上的速度差，通過(guò)入料流提供引射動(dòng)力，帶動(dòng)導(dǎo)流通道內(nèi)的粉塵流形成逐級(jí)引射，同時(shí)加上多級(jí)引射增速機(jī)構(gòu)本身旋轉(zhuǎn)離心力作用，加速粉塵的聚集與排料。

2.2 補(bǔ)風(fēng)調(diào)節(jié)裝置

為了更準(zhǔn)確地研究多級(jí)旋轉(zhuǎn)引射增速機(jī)構(gòu)的可行性，對(duì)該裝置的補(bǔ)風(fēng)調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行細(xì)化分析，補(bǔ)風(fēng)調(diào)節(jié)裝置見(jiàn)圖3.

1—一次風(fēng)流出風(fēng)口; 2—風(fēng)流引射區(qū); 3—引射風(fēng)流通道； 4—風(fēng)流入口; 5—風(fēng)流交匯干擾區(qū)圖3 補(bǔ)風(fēng)調(diào)節(jié)裝置圖

補(bǔ)風(fēng)調(diào)節(jié)裝置風(fēng)流入口位于引射風(fēng)流通道上部，且與引射風(fēng)流通道一一對(duì)應(yīng)，引射風(fēng)流通道從靠近除塵筒內(nèi)壁，面向中心方向成階梯狀逐漸變短且相鄰兩個(gè)引射風(fēng)流通道的下部形成風(fēng)流交匯干擾區(qū)，而通道的兩個(gè)壁面間則形成風(fēng)流引射區(qū)，一次風(fēng)流出風(fēng)口位于多級(jí)引射增速機(jī)構(gòu)下部與風(fēng)流混流區(qū)相通。

補(bǔ)風(fēng)調(diào)節(jié)裝置可使得循環(huán)風(fēng)形成同向加速風(fēng)流。根據(jù)物料徑向上的速度差，通過(guò)入料流速提供引射動(dòng)力，帶動(dòng)導(dǎo)流通道內(nèi)的粉塵流形成逐級(jí)引射，加速循環(huán)粉塵的排料，同時(shí)提高除塵效果。

3 數(shù)值模型

3.1 建立模型

為驗(yàn)證該補(bǔ)風(fēng)調(diào)節(jié)裝置的可行性，在ANSYS aim16.0中的Spaceclaim模塊建立補(bǔ)風(fēng)調(diào)節(jié)裝置的三維模型視圖[5]，見(jiàn)圖4a),該模型結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1. 為了保證該模型模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)模型進(jìn)行分割處理，模型采用Mesh模塊進(jìn)行劃分，見(jiàn)圖4b).

圖4 三維模型視圖及網(wǎng)格劃分圖

表1 簡(jiǎn)化模型結(jié)構(gòu)參數(shù)表

3.2 流場(chǎng)分析

將網(wǎng)格模型導(dǎo)入到Fluent中，針對(duì)湍流流場(chǎng)模擬研究進(jìn)行分析，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon湍流模型對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，得到與試驗(yàn)結(jié)果較吻合的模擬并對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行分析。入流速度不同時(shí)流場(chǎng)見(jiàn)圖5，入流速度相同時(shí)流場(chǎng)見(jiàn)圖6.

圖5 不同速度時(shí)流場(chǎng)圖

從圖5和圖6分析得知：

1) 如圖5a)所示，此時(shí)從左往右3個(gè)流道的風(fēng)速分別設(shè)為10 m/s、12.5 m/s、15 m/s，如圖5b)所示，此時(shí)從左往右3個(gè)流道的風(fēng)速分別設(shè)為15 m/s、12.5 m/s、10 m/s，根據(jù)模擬的數(shù)值可以明顯看出，從左往右3個(gè)流道的風(fēng)速依次減小時(shí)，經(jīng)過(guò)補(bǔ)風(fēng)調(diào)節(jié)裝置后由于固體壁面的剪切力作用，風(fēng)流出風(fēng)口處氣體流動(dòng)速度較為明顯，流道較長(zhǎng)時(shí)，風(fēng)速更大。而靠近較短流道的壁面內(nèi)氣體流動(dòng)速度較小，風(fēng)流引射區(qū)使得速度場(chǎng)較為均勻，裝置的出風(fēng)口流域的范圍變大，具有更好的除塵效果。

圖6 相同速度時(shí)流場(chǎng)圖

2) 由圖6a)所示，3個(gè)流道的風(fēng)速均設(shè)為10 m/s，由圖6b)所示，3個(gè)流道的風(fēng)速均設(shè)為15 m/s，從圖6a)和圖6b)比較可以看出，隨著各流道速度增大時(shí)，風(fēng)流引射區(qū)的流場(chǎng)較為穩(wěn)定，風(fēng)流交匯區(qū)的風(fēng)速距離出風(fēng)口處呈逐漸增大趨勢(shì)，而出風(fēng)口速度逐漸變大，這樣更有利于設(shè)備的集塵以及除塵。

4 結(jié) 論

1) 基于干法選煤下的旋風(fēng)增壓除塵裝置經(jīng)過(guò)模擬仿真表明：補(bǔ)風(fēng)調(diào)節(jié)裝置具有降低氣體流速和控制流態(tài)的作用，對(duì)降低渦流也有很好的效果。風(fēng)流引射區(qū)和風(fēng)流交匯區(qū)的流場(chǎng)較為均勻，對(duì)入流速度超過(guò)臨界進(jìn)風(fēng)口氣流速度被帶走的粉塵可進(jìn)行再次除塵，除塵效果較好，有利于塵氣的分離。

2) 當(dāng)不同風(fēng)速進(jìn)入各流道后，補(bǔ)風(fēng)調(diào)節(jié)裝置會(huì)對(duì)氣體流態(tài)具有一定影響，后續(xù)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，隔板延伸、調(diào)整裝置長(zhǎng)高比，盡量減弱漩渦對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)的影響，同時(shí)整流裝置下移，并且相對(duì)加長(zhǎng)，增加其對(duì)氣體流態(tài)的控制作用。