曹鳴謙，陳建義，樊驍琦，崔 灝，魏耀東

(1.中國石油大學(北京) 重質(zhì)油國家重點實驗室，北京 102249； 2.中國石油大學(北京) 過程流體過濾與分離技術(shù)北京市重點實驗室，北京 102249)

旋風分離器是利用離心力進行氣-固分離的設備，因其結(jié)構(gòu)簡單，耐高溫高壓，在石油化工、煤炭發(fā)電等工業(yè)領域得到了廣泛的應用。旋風分離器內(nèi)的氣-固相運動非常復雜，顆粒群在運動過程中會發(fā)生選擇性聚集，表現(xiàn)為環(huán)形空間上部的“頂灰環(huán)”[1-3]和錐段的“螺旋灰?guī)А盵4-5]。頂灰環(huán)在旋風分離器環(huán)形空間內(nèi)旋轉(zhuǎn)，但對顆粒沒有分離作用；螺旋灰?guī)г阱F段起到運輸顆粒的作用，利于氣-固分離。頂灰環(huán)的存在不僅會造成顆粒的擴散逃逸，影響旋風分離器效率[6-7]，而且對環(huán)形空間的器壁造成沖蝕和磨損[8-10]。因此，有必要對頂灰環(huán)的流動特性進行分析，這也是旋風分離器內(nèi)氣-固分離流動研究的一個主要內(nèi)容。

早期柳綺年等[11]采用五孔球探針測量了旋風分離器的環(huán)形空間的流場，否定了單渦模型，同時指出雙渦模型分布具有非軸對稱性，在環(huán)形空間內(nèi)只能局部存在。姬忠禮等[12]利用五孔探針和熱線風速儀測定了環(huán)形空間的流場，繪制了二次渦流線圖，但未討論頂灰環(huán)現(xiàn)象。魏耀東等[1]使用五孔球探針測量了環(huán)形空間的速度分布，基于軸向和徑向速度的分布分析了二次渦沿圓周的分布特點，解釋了頂灰環(huán)持續(xù)存在的原因。

隨著流體數(shù)值模擬技術(shù)和流體測量技術(shù)的進步，對旋風分離器的頂灰環(huán)研究也隨之深入。Tofighian等[13]對旋風分離器流場采用大渦模擬(Large eddy simulation，LES)進行模擬，表明顆粒因軸向曳力和離心力形成了頂灰環(huán)。Zhang等[14]的分析表明，隨入口顆粒濃度的提升，顆粒先聚集形成頂灰環(huán)，然后分流為螺旋灰?guī)а由熘亮隙贰Ｐ炜〉萚6]指出旋風分離器頂灰環(huán)的存在會加劇短路流和顆粒逃逸，并提出采樣螺旋形入口消除頂灰環(huán)。何興建等[15]以流化催化裂化(FCC)催化劑進行旋風分離器內(nèi)部顆粒藏量的實驗，表明藏量隨入口速度和入口顆粒濃度的提高而增大，頂灰環(huán)的顆粒質(zhì)量占旋風分離器內(nèi)顆粒藏量的70%以上，實驗中存在頂灰環(huán)脫落現(xiàn)象。Li等[16]采用光纖濃度測量儀給出頂灰環(huán)內(nèi)顆粒濃度遠大于入口顆粒濃度。宋健斐等[17]通過改進的雷諾應力模型(Reynolds stress model，RSM)和顆粒隨機軌道模型模擬旋風分離器內(nèi)的顆粒濃度分布，發(fā)現(xiàn)了頂灰環(huán)濃度分布的非對稱性，在入口相切處其濃度會顯著下降。然而，上述研究主要關注頂灰環(huán)的形成、影響因素以及對分離性能的影響。實際上旋風分離器的頂灰環(huán)有很強的動態(tài)特性，即可能做穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)，也可能發(fā)生脫落，然后再逐漸形成下一個頂灰環(huán)，但目前還缺少這方面的實驗和理論研究。同時對頂灰環(huán)內(nèi)部的顆粒速度和濃度的分布也缺乏系統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)。

為此，本研究中采用PV型旋風分離器，利用高速相機對頂灰環(huán)進行圖像拍攝和處理，考察頂灰環(huán)的流動特性和周期性脫落行為，同時結(jié)合流場數(shù)值模擬分析顆粒的受力以及頂灰環(huán)形成和脫落的機理，建立了頂灰環(huán)脫落周期的預測模型，以提高對旋風分離器內(nèi)氣-固兩相流流動規(guī)律的認識。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

實驗粉料選用丙烯腈待生催化劑(中石化上海石油化工研究院有限公司提供)和鐵礦粉(唐山鋼鐵公司提供)，粉料顏色均為黑色，待生催化劑中位粒徑d50=202 μm，顆粒密度ρp=1870 kg/m3；鐵礦粉中位粒徑d50=98 μm，ρp=7850 kg/m3。

1.2 實驗裝置

實驗裝置主要由高速攝像系統(tǒng)和旋風分離器實驗系統(tǒng)兩部分組成，示意圖見圖1。高速攝像系統(tǒng)由1臺高速數(shù)字相機、光源和計算機組成。高速數(shù)字相機為日本Photron公司生產(chǎn)的FASTCAM SA-X2型，最大拍攝速率為每秒216000幀(Frames per second，fps)，最大分辨率為1024×1024像素。旋風分離器實驗系統(tǒng)的PV型旋風分離器的結(jié)構(gòu)型式和尺寸見圖2和表1。

1—Fan；2—Cyclone；3—Powder feeder；4—Pitot tube； 5—LED light；6—High-speed camera；7—Bag filter圖1 高速攝像的實驗裝置流程圖Fig.1 Flow chart of the experimental device of high-speed camera

1.3 實驗方法

采用抽吸式進行旋風分離器的氣-固分離實驗。旋風分離器水平進氣管上沿流向依次設有畢托管和螺桿加料器和蝶閥。用畢托管測定進氣流量，螺桿加料機控制粉塵入口濃度，蝶閥調(diào)整氣量大小。含塵氣流經(jīng)旋風分離器分離后，潔凈空氣通過風機和布袋除塵器排入大氣，被捕集的顆粒進入灰斗中。實驗中主要參數(shù)：進氣流量(Qin)為216～360 m3/h，入口氣速(vin)為12～20 m/s，入口氣流顆粒質(zhì)量濃度(Cin)為10～100 g/m3。

頂灰環(huán)脫落周期的測量方法：旋風分離器進氣穩(wěn)定后，加料器加入恒流量的顆粒。高速相機在加入顆粒的同時開始攝像，拍攝速率為500幀/s，快門速率為1/5623 s。隨著加料的進行，頂灰環(huán)逐漸形成和增濃，在某個時刻開始脫落，然后開始形成下一個頂灰環(huán)。每個操作工況重復拍攝3次，每次統(tǒng)計10個脫落周期取平均值。脫落周期以2個頂灰環(huán)前后從分離空間脫落的時間差為準。

2 數(shù)值計算模型的建立

2.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

采用Fluent軟件對旋風分離器內(nèi)部的氣相流場進行計算，其計算網(wǎng)格劃分如圖3所示，節(jié)點數(shù)為8.1×105個。

D—Diameter of the cyclone body；Db—Diameter of the hopper； a—Hight of the inlet；b—Width of the inlet； dc—Diameter of the hopper inlet；ddip—Diameter of the hopper outlet； de—Diameter of the vortex finder；H—Hight of the cyclone； Hb—Hight of the hopper；H1—Hight of the cylindrical part； H3—Hight of the hopper cylindrical part； H4—Hight of the hopper cone part； Hdip—Hight of the hopper outer；S—Hight of inlet圖2 PV型旋風分離器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of the PV type cyclone separator

表1 圖2中PV型旋風分離器結(jié)構(gòu)尺寸Table 1 Structure size of the PV type cyclone separator in Fig.2

2.2 數(shù)值計算模型

旋風分離器內(nèi)部流場為復雜的三維強旋流動，采用雷諾應力模型(Reynolds stress model，RSM)能夠較好地反映各向異性的湍流流動[17]，壓力速度耦合選用SIMPLEC算法，壓力梯度項采用PRESTO！(Pressure staggering option)方法處理。當網(wǎng)格均為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格時，QUICK格式具有較高精度，因此各方程對流項均采用QUICK差分格式，氣相進口設置為速度進口，數(shù)值與實驗入口速度一致，出口設置為自由流出，固壁邊界采用無滑移邊界條件，采用標準壁面函數(shù)。計算時將分離器出口管路加長，以保證管流充分發(fā)展條件成立，模擬采用非穩(wěn)態(tài)耦合求解，時間步長為10-4s，直至計算收斂。

2.3 數(shù)值模擬可靠性驗證

考慮到網(wǎng)格數(shù)量影響數(shù)值模擬精度，筆者進行了網(wǎng)格無關性驗證，其結(jié)果如圖4所示。當旋風分離器網(wǎng)格為8.1×105個時，氣相壓降的模擬值與實驗測量值誤差為4.2%(模擬值為1180 Pa，實驗值為1220 Pa)，繼續(xù)增加網(wǎng)格，對精度的影響較小，因此本研究選取網(wǎng)格數(shù)量為8.1×105個。此時氣相壓力與模擬值對比良好，表明計算方法正確，模擬結(jié)果可以用于流場分析。

圖3 旋風分離器的網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh division of the cyclone separator

數(shù)值模擬純氣相流場，旨在說明二次渦流存在的區(qū)域和其周向強弱變化。對于本研究中實驗工況，對應的顆粒體積分數(shù)(φ)為7.64×10-8～5.34×10-6，屬于稀疏兩相流[18]，顆粒存在對氣相的影響很小[19]。純氣相模擬結(jié)果也常用于說明旋風分離器內(nèi)部流場[20-22]。此外，實驗測得加入顆粒相的壓降與純氣相條件壓降相差1.5%，即添加顆粒對壓降影響不大。因此可用純氣相模擬結(jié)果說明旋風分離器內(nèi)速度分布情況。

圖4 網(wǎng)格無關性驗證結(jié)果Fig.4 Verification results of grid independence

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 頂灰環(huán)周期性脫落現(xiàn)象

圖5為頂灰環(huán)周期性脫落現(xiàn)象拍攝的圖像。實驗條件是：丙烯腈待生催化劑粉料，入口氣速vin=20 m/s，入口氣流顆粒質(zhì)量濃度Cin=50 g/m3。開始加料后，一部分顆粒首先聚集在旋風分離器頂板與外壁相交處，形成一個旋轉(zhuǎn)的頂灰環(huán)。隨著加料的持續(xù)進行，頂灰環(huán)的寬度逐漸增大，質(zhì)量增加。當達到某一時刻，頂灰環(huán)的質(zhì)量達到飽和，頂灰環(huán)發(fā)生脫落，表現(xiàn)為頂灰環(huán)從旋風分離器的頂部脫落形成一個螺旋灰?guī)?，呈條帶狀沿器壁螺旋下行，且在下行過程中灰?guī)е饾u收窄，直至流進灰斗。頂灰環(huán)脫落后，后續(xù)加入的顆粒繼續(xù)在頂部空間聚集，持續(xù)聚集的顆粒形成一個新的頂灰環(huán)，并逐漸增長，然后再次脫落。頂灰環(huán)周期性的形成與脫落說明頂灰環(huán)的顆粒聚集、生長、飽和、脫落是一個動態(tài)過程。

圖5 頂灰環(huán)周期性脫落圖像Fig.5 Images of periodic falling-off of top ash ring t/ms：(a)0；(b)290；(c)388；(d)453；(e)552；(f)723；(g)842；(h)1600；(i)1750；(j)1811；(k)1898；(l)2032；(m)2202；(n)2328 Conditions：Catalyst；vin=20 m/s；Cin=50 g/m3

3.2 頂灰環(huán)的脫落周期

定義2個頂灰環(huán)的相同流動行為的間隔為脫落周期(T)，如圖5中2個頂灰環(huán)的灰?guī)Я鬟M灰斗的圖像時間間隔為2328 ms-842 ms=1486 ms，是頂灰環(huán)的脫落周期。改變粉料、入口氣速、入口氣流顆粒質(zhì)量濃度測量的頂灰環(huán)的脫落周期結(jié)果見圖6。由圖6可以看出，頂灰環(huán)的脫落周期T隨著入口氣速的增大而延長，隨入口氣流顆粒質(zhì)量濃度的增大而縮短。然而當入口氣流顆粒質(zhì)量濃度持續(xù)增大，在某個濃度頂灰環(huán)連續(xù)形成和脫落時，頂灰環(huán)的聚集時間消失不再發(fā)生明顯的周期脫落現(xiàn)象，螺旋灰?guī)U展呈扇面狀，螺旋下行。另一方面，當入口氣流顆粒質(zhì)量濃度較低、入口氣速又非常高時，頂灰環(huán)的聚集時間會非常長，頂灰環(huán)的脫落周期時間也較長，甚至顆粒難以聚集形成頂灰環(huán)。與催化劑頂灰環(huán)的脫落周期相比，鐵礦粉頂灰環(huán)的脫落周期也是隨著入口氣速的增大而延長，隨入口氣流顆粒質(zhì)量濃度的增大而縮短，兩者具有類似性；但鐵礦粉的頂灰環(huán)脫落周期的變化幅度比催化劑粉料的小。

圖6 頂灰環(huán)脫落的周期(T)隨入口氣速、入口氣流顆粒質(zhì)量濃度的變化Fig.6 Changes of the falling-off period (T)of top ash rings with inlet gas velocity and inlet airflow particle mass concentration(a)Catalyst；(b)Iron powder

3.3 環(huán)形空間的流場模擬和二次渦

圖7為環(huán)形空間軸向速度和徑向速度分布數(shù)值模擬的云圖。軸向速度向上為正，向下為負。由圖7可以看出，在環(huán)形空間的外側(cè)上部存在1個較大的向上軸向速度，最大值在z=-16 mm靠近外壁處方向向上；而在環(huán)形空間的內(nèi)側(cè)中部是較大的向下軸向速度，如在z<-40 mm軸向速度方向向下；徑向速度向內(nèi)為負，向外為正。在環(huán)形空間的頂部存在1個較大的向內(nèi)徑向速度，但在z=-20 mm處徑向速度接近0。從頂板附近的圓周上看，向上的軸向速度在周向上分布不均，在入口θ=0°處相對較小，然后逐漸增大，在θ=270°處較大；向內(nèi)的徑向速度在入口θ=0°處分布較寬，然后逐漸縮窄。這表明在環(huán)形空間上部，氣體由外側(cè)向上流動，在頂板轉(zhuǎn)向后向內(nèi)側(cè)流動，沿著升氣管的外壁下行，在旋轉(zhuǎn)流流動方向的垂直截面上形成了1個順時針旋轉(zhuǎn)二次渦[23-24]。

為清晰描述二次渦的流動流態(tài)，依據(jù)流場模擬結(jié)果給出軸向速度vA=1 m/s的等值面和流線圖，如圖8所示。由圖8可以看出，二次渦存在于環(huán)形空間的頂部圓周的外側(cè)空間，在轉(zhuǎn)過90°后，近壁區(qū)域向上的軸向速度逐漸增大。

3.4 頂灰環(huán)脫落分析

頂灰環(huán)的形成與旋風分離器環(huán)形空間的二次渦有密切關系，是頂灰環(huán)形成的主要原因。當氣流進入旋風分離器后，在蝸殼器壁的約束下旋轉(zhuǎn)，但頂板附近的氣流因器壁的黏滯和摩擦作用，其旋轉(zhuǎn)速度相對較小，因此環(huán)形空間外壁表面下部的壓力高于頂板附近的壓力，驅(qū)使氣體上行，形成了上行的軸向速度，達到頂板后轉(zhuǎn)向徑向向內(nèi)流動，再沿著升氣管的外壁下行，最后形成垂直于旋轉(zhuǎn)流截面上的二次渦。在旋轉(zhuǎn)流的作用下，二次渦存在于從0°～360°的各縱向截面，見圖9。

圖7 旋風分離器內(nèi)環(huán)形空間處的軸向速度(vA)和徑向速度(vR)云圖(vin=20 m/s)Fig.7 Nephogram of axial velocity (vA)and radial velocity (vR)in the annular space in cyclone separator (vin=20 m/s)(a)vA (θ=0°，180°)；(b)vA (θ=90°，270°)；(c)vR (θ=0°，180°)；(d)vR (θ=90°，270°)

圖8 軸向速度vA=1 m/s等值面與環(huán)形空間頂部二次渦流流態(tài)(vin=20 m/s)Fig.8 Iso-surface of axial velocity at vA=1 m/s and secondary vortex flow state at the top of circular space (vin=20 m/s)(a)θ=0°；(b)θ=90°；(c)θ=270°；(d)θ=180°；(e)Iso-surface of vA=1 m/s

進入旋風分離器的顆粒在二次渦上行軸向速度的作用下，當向上的軸向曳力(FDA)大于顆粒的重力(mg)時，顆粒會運動到頂板下；此時在徑向方向，顆粒同時受到離心力和二次渦速度的徑向曳力(FDR)的作用，當顆粒的離心力(mvt2/R)大于徑向曳力時，顆粒就會聚集在頂板與外壁的夾角處[3]，同時在旋流的作用下，顆粒群沿著圓周旋轉(zhuǎn)，形成了頂灰環(huán)。則頂灰環(huán)存在的2個條件如式(1)、(2)所示。

軸向方向

(1)

(2)

圖9 二次渦和頂灰環(huán)的受力分析Fig.9 Secondary vortex flow and force analysis of top ash ring

頂灰環(huán)發(fā)生脫落說明作用在頂灰環(huán)上力的平衡被破壞。頂灰環(huán)在旋轉(zhuǎn)過程中，頂灰環(huán)的含塵量是一個動態(tài)集聚過程，不斷有后續(xù)顆粒加入到頂灰環(huán)中，也不斷有顆粒被徑向速度夾帶脫離頂灰環(huán)。若徑向曳力夾帶的顆粒量少于聚集的顆粒量，則顆粒群的質(zhì)量不斷增加。當聚集的顆粒重力大于軸向速度的曳力時，此時頂灰環(huán)的含塵量達到飽和，頂灰環(huán)發(fā)生脫落。由圖7、圖8可知，在入口側(cè)至θ=90°區(qū)間，近壁軸向速度較小，頂灰環(huán)脫落在這個區(qū)域最有可能開始。頂灰環(huán)脫落現(xiàn)象拍攝的圖像見圖10。

圖10 頂灰環(huán)在入口側(cè)脫落的圖像Fig.10 Image of the top ash ring falling-off at the inlet side(a)Front view；(b)Top view Conditions：Catalyst；vin=20 m/s；Cin=10 g/m3

但根據(jù)式(2)，顆粒密度ρp和顆粒直徑d對達到聚集飽和時間的影響較大。若顆粒密度減小或顆粒直徑減小到某一值時，離心力急劇下降，而氣流徑向夾帶顆粒的能力不受顆粒密度的影響，與顆粒直徑成正比，下降較慢，造成頂灰環(huán)跑損的顆粒相對增多，使得頂灰環(huán)的聚集顆粒與跑損顆粒達到平衡，不發(fā)生脫落，形成一個穩(wěn)定的頂灰環(huán)。如采用滑石粉進行實驗時，存在一個穩(wěn)定的頂灰環(huán)[17]。而本研究實驗的催化劑和鐵礦粉的密度和顆粒直徑均較大，徑向的跑損量較小，頂灰環(huán)含塵量難以維持恒定，存在周期性脫落的流動特點。

3.5 頂灰環(huán)脫落周期預測

(3)

式中：T為頂灰環(huán)脫落周期，s；dpm為粉料中位粒徑，m。5個無量綱氣-固相準數(shù)的物理意義如下：π1為氣體流動路程和筒體直徑的比值；π2為慣性力和黏性力的比值，是旋風分離器的雷諾數(shù)；π3為慣性力和重力的比值；π4為顆粒粒徑與筒體直徑的比值；π5為空氣密度與入口濃度的比值。

選用無量綱數(shù)π1作因變量，其余無量綱數(shù)作自變量構(gòu)建函數(shù)，如式(4)所示。

(4)

(5)

根據(jù)式(5)預測旋風分離器頂灰環(huán)脫落周期T，如圖11所示。模型計算值和實驗值基本吻合，誤差小于15%。

圖11 頂灰環(huán)脫落的周期(T)計算值與實驗值對比Fig.11 Comparison between the calculated and experimental values of falling-off period (T)of top ash ring

3.6 頂灰環(huán)對旋風分離器性能的影響

頂灰環(huán)是旋風分離器內(nèi)顆粒群運動的一種特殊現(xiàn)象，具有周期性脫落的特點，影響旋風分離器的性能主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

首先，頂灰環(huán)的存在會降低旋風分離器分離效率。由于大量顆粒聚集在頂板下方，其中有一部分細顆粒在流體中跟隨性好，易受徑向曳力夾帶，隨二次渦沿著升氣管內(nèi)壁下行從升氣管跑損[6-7](見圖9)，導致分離效率下降。

其次，頂灰環(huán)的存在增加了旋風分離器的壓降。頂灰環(huán)能持續(xù)在環(huán)形空間內(nèi)旋轉(zhuǎn)運動，是由于環(huán)形空間二次渦的軸向曳力FDA的托舉，同時頂灰環(huán)與器壁的摩擦消耗了旋轉(zhuǎn)氣流的旋轉(zhuǎn)能量。在頂灰環(huán)持續(xù)積累直至脫落的過程中，托舉力也隨之不斷增大，這一過程反復消耗著旋轉(zhuǎn)氣流的能量，然而頂灰環(huán)本身并沒有對顆粒的分離產(chǎn)生積極影響，顆粒長時間聚集在環(huán)形空間頂部而無法向下進入灰斗實現(xiàn)快速分離，與器壁的摩擦和顆粒之間的碰撞摩擦消耗了旋轉(zhuǎn)氣流的能量。這使得頂灰環(huán)的存在導致了旋風分離器內(nèi)壓降的無意義增加。

再次，旋轉(zhuǎn)的頂灰環(huán)對環(huán)形空間的器壁造成磨損，降低了設備的使用壽命。含塵氣流進入旋風分離器后，顆粒因慣性沿沖撞在蝸殼壁面上，造成沖蝕磨損。頂灰環(huán)在旋轉(zhuǎn)過程中不斷對器壁造成摩擦磨損，至入口處時，隨新進入的含塵氣流再次撞擊至蝸殼壁面上造成沖蝕磨損[8，10，13]。這一過程的連續(xù)不斷，對旋風分離器環(huán)形空間的器壁造成顯著的磨損破壞，不利于設備長周期運行。

最后，頂灰環(huán)的周期性脫落是一個不穩(wěn)定流動，會導致下料的不穩(wěn)定性，這種不穩(wěn)定的流動會形成壓力脈動[15]，進而誘發(fā)旋風分離器和料腿的振動。在工業(yè)生產(chǎn)中，這種長時間的振動會迫使金屬材料生成交變應力，進而導致料腿和殼體發(fā)生疲勞斷裂[25-26]。

4 結(jié) 論

(1)頂灰環(huán)分布在旋風分離器頂板與外壁相交處，并隨著加料的持續(xù)進行出現(xiàn)聚集、生長、飽和以及脫落的周期性的動態(tài)變化。頂灰環(huán)的脫落周期T隨著入口氣速vin的增大而延長，隨入口氣流顆粒質(zhì)量濃度Cin增大而縮短。

(2)旋風分離器環(huán)形空間的二次渦是頂灰環(huán)形成的主要原因。顆粒由于二次渦豎直向上的曳力以及徑向離心作用聚集在旋風分離器頂板與外壁的夾角處，同時在旋流的作用下做旋轉(zhuǎn)運動，形成了頂灰環(huán)。隨著頂灰環(huán)的含塵量不斷累積，當顆粒群質(zhì)量大于二次渦的軸向曳力時，頂灰環(huán)達到飽和狀態(tài)，發(fā)生脫落。

(3)使用量綱準數(shù)分析法，獲得了頂灰環(huán)脫落周期T的預測公式，計算值與實驗值基本吻合。此外，頂灰環(huán)的存在會降低分離效率，磨損旋風分離器的器壁，不利于設備的長周期運行。