梁容真,田 伟,阎富生

(东北大学冶金学院,辽宁 沈阳110819)

轻烧镁用途十分广泛,作为提炼金属镁的基础原料,主要用作耐火材料、化工原料和建材原料等[1]。过去反射窑、竖窑、回转窑以及悬浮窑等炉窑是煅烧菱镁矿制取轻烧镁的主要设备[2]。然而,在低碳、低能耗、绿色环保的理念下以及对产品质量要求的不断提高,传统炉窑均存在煅烧温度不均匀、煅烧温度与时间不易控制和能耗高等问题,不能满足现阶段轻烧镁行业的高标准、高要求。旋流动态煅烧系统成为目前国内外比较先进的煅烧工艺,尤其是制取高活性、高纯度的轻烧镁粉[3]。但是,在实际生产过程中,旋流动态煅烧工艺存在动力消耗太大、产品回收率不稳定等问题。因此,为了保证整个轻烧镁旋流动态煅烧系统产品活性更高、系统更节能以及减少产品资源浪费,降低该系统的动力消耗,对该工艺重要组成部分—旋风分离器进行研究,降低其压力损失以及提高其分离效率成为该工艺的重中之重[4-5]。

蜗壳式旋风分离器内部是非常复杂的三维非对称强烈旋转湍流流动,采取实验的方法较难测量。虽然现在可以采用激光多普勒测速仪和PIV粒子成像测速仪等先进测量仪器来测定旋风分离器内部复杂的气流旋转流动特性,但是由于仪器本身的性能缺陷和较高成本的限制,实验测量仍然不是最理想的手段。同时蜗壳式旋风分离器内部是十分复杂的两相流运动,具体体现为固体颗粒在旋转气流中的分离过程,而固体颗粒的运动主要依赖于气相的流动。因此研究旋风分离器内气固的运动规律对于提高分离器性能、优化分离器的结构具有指导意义。

基于Fluent软件建立蜗壳式旋风分离器物理模型,采用数值模拟的方法对蜗壳式旋风分离器内部流场进行研究,分别研究其入口速度、入口颗粒粒径和入口颗粒浓度对分离器内分离效率和压力损失的影响,从而为蜗壳式旋风分离器内气固两相研究提供理论支撑。

1 建立模型

1.1 分离器结构和网格示意图

选用THCX长锥体旋风分离器,其结构尺寸如图1所示,其中具体尺寸参数如下:a=353 mm、b=94 mm、c=339 mm、d=250 mm、D=500 mm、e=200 mm、g=150 mm、h=359 mm、H=1759 mm 和r=47 mm。根据蜗壳式旋风分离器结构,将其分为(180°蜗壳)入口段、圆柱段、锥体段、排料口和排气管五个部分。采用Icem软件对蜗壳式旋风分离器进行六面体网格划分,生成三维计算域网格如图2所示。经过网格独立性检验,最终确定网格数为23万。

图1 蜗壳式旋风分离器结构图

图2 三维计算域网格

1.2 数学模型

蜗壳式旋风分离器气相模型包含质量、动量守恒方程,控制方程为三维雷诺时均Navier-Stokes方程。

关于湍流模型的选择,与各种k-ε模型相比,RSM模型完全抛弃了基于各向同性涡粘性的Boussinesq假设,更加严格地考虑了流线型弯曲、旋涡、旋转和张力快速变化,对于复杂流动有更高的精度预测的潜力,尤其是对于旋风分离器内流场真实情况的预测。因此,采用RSM模型[6]。

1.3 边界和初始条件

研究蜗壳式旋风分离器内气固两相流场。排气管出口边界设置为自由出流,流量权重为1;排料口边界设置为自由出流,流量权重为0;壁面边界条件:无滑移壁面边界条件,壁面粗糙高度、壁面粗糙度分别设置为0和0.5,并且采用标准壁面函数法来处理边界湍流。离散方程组采用求解压力—速度耦合方程的半隐方法—SIMPLE求解,扩散项离散采用中心差分,逐行迭代[7]。为提高求解精度,各控制方程中对流项的离散采用三阶精度的QUICK格式。

2 模拟结果与讨论

2.1 入口速度的影响

入口速度是操作参数中非常重要的一项,它对旋风分离器的分离性能有着很大影响。为了研究入口速度对蜗壳式旋风分离器性能的影响,通过数值计算的方法,分别计算了入口速度为10 m/s、14 m/s、18 m/s、22 m/s、26 m/s的压降和不同颗粒粒径的分离效率。

2.1.1 入口速度对压降的影响

目前,压降的理论推导还没有非常精确的方法,一般都根据实验数据来总结经验公式,其通用的经验公式可表示为:

式中:Vi为入口速度,m/s;ρg为气体密度,kg/m3;ζi阻力系数。

旋风分离器中的气流是三维强旋转湍流,雷诺数很高,因此,旋风分离器的阻力系数与操作参数无关,只与结构参数相关。一般可以表示为:

式中:X,Z为旋风分离器结构参数的函数;A0为旋风分离器进口截面积,m2;Dx为旋风分离器的排气管直径,mm。

关于旋风分离器压降的经验公式,其中被普遍认可的主要有Coker公式,Cacal&Martinez-Benet公式,Shepherd&Lapple公式以及Dirgo公式[8]。这些公式都是由试验等方法归纳的旋风分离器压降的计算模型,它们往往都是些关于旋风分离器结构参数以及旋风分离器内气固两相流动的数值计算总结的经验、半经验公式[9]。其中,这些相关公式可以表示为:

Shepherd&Lapple公式:

式(1)-式(6)中:a,b分别为旋风分离器进口截面的高度和宽度,mm;Dx为排气管直径,mm;S为排气管插入深度,mm;H为旋风分离器总高度,mm;h为分离器圆柱段高度,mm;D为分离器筒体外径,mm;Dd为排料口直径,mm。

当颗粒浓度为30 g/m3时,通过改变边界条件下的速度边界条件,进行数值模拟,计算出不同入口速度下蜗壳式旋风分离器的压降值和阻力系数,如表1所示。为了便于分析研究,将表中模拟计算数据与经验公式理论计算数据绘制成曲线图,如图3所示。

表1 不同入口速度下的压降数值表Table 1 Statistics of pressure loss at different inlet speeds

图3 入口速度和压降的关系Fig.3 Relationship between inlet speed and pressure loss

由图3可以看出,蜗壳式旋风分离器的压降随着入口速度的增大而增大,基本上呈线性变化。与经验公式计算结果相比,总体变化趋势基本一致,只是压降增加的幅度略有差别,这是因为旋风分离器结构不同导致的。其中,Dirgo公式的计算结果与本文的模拟结果最为接近。从能量变化来看,能量的损失会因分离器入口速度的增大而增大,这是由于旋风分离器的磨损与气体流速的四次方成正比[10],所以入口速度太大会增加旋风分离器的压力损失。因此,在旋风分离器的分离效率和动力损耗之间要有一个衡量指标,在保证所需分离效率的基础上最大化的降低入口速度,降低能耗。

2.1.2 入口速度对分离效率的影响

当颗粒浓度为10 g/m3,通过改变边界条件下的速度边界条件,进行数值模拟来计算不同入口速度下的分离效率,将其数值计算结果绘成表2。

由表2所示,总体来看,旋风分离器的分离效率随着入口速度的增大而增大,并且可以发现,入口速度的变化对分离效率的影响比较大。究其原因,切向速度决定着离心力的大小,从而对分离效率的影响起着决定性的作用。然而,当颗粒粒径为1μm时,分离效率随着入口风速先增大再减小,入口风速为26 m/s时的分离效率要略小于速度为22 m/s时的分离效率。这是因为,小颗粒受湍流以及颗粒碰撞反射等因素影响,很容易使已经密集在内壁上的颗粒重新卷吸起来;并且,分离器内的向心径向速度和上行轴向速度会随着入口气速的增大而增大,这使得小颗粒很容易被带出排气管而逃逸,使得分离效率大大降低;另外,还有许多二次涡流的因素也会降低小颗粒的分离效率。

表2 不同入口速度下的分离效率值Table 2 Separation efficiency at different inlet speeds

2.2 入口颗粒粒径的影响

通常所说的分离效率是指旋风分离器的总效率。然而,对于不同物性的颗粒,不同粒径的颗粒,以及不同生产用途下分离器的总效率不能充分地反映分离器的分离性能。因此,分级分离效率,简称分级效率,即分离器对于不同颗粒粒径的分离能力,它表示的是旋风分离器对于特定粒径颗粒的分离效率,与总效率相比更能充分地反映旋风分离器的分离性能[9]。下面,主要研究不同颗粒粒径下的分离效率变化。

2.2.1 入口颗粒粒径对分离效率的影响

当颗粒浓度为30 g/m3时,以颗粒粒径为变量,进行数值模拟,计算出入口速度分别为18 m/s和22 m/s下蜗壳式旋风分离器的分离效率与颗粒粒径的关系,如表3所示。

表3 不同颗粒粒径下的分离效率值Table 3 Separation efficiency under different size of particle

由表3可以看出,相同入口速度下,分离效率随着颗粒粒径的增大而增大,但增加的幅度有所降低,最终逐渐趋向稳定,并且当颗粒粒径大于或等于11μm时,分离器的分离效率均能达到100%。主要原因是粒径较大的颗粒进入分离器后受到的离心力较大,相比于小颗粒而言大颗粒在分离器内随气流转动的圈数要少,所以能使大颗粒较早地碰到分离器器壁,从而较快地进入排料口被捕集。小颗粒的分离效率低的主要原因是小颗粒所受的离心力小,其次小颗粒很容易受到径向速度较大而引起的短路流的影响,直接被气流带出排气管而逃逸;并且由于小颗粒对气流有很大的跟随性,较大一部分颗粒会跟随旋转气流一直做旋转运动,最终被捕集,也会有另一小部分颗粒会在旋风分离器内做无限循环运动,“上灰环”现象就是这种情况,这种情况被认为是旋风分离器无法分离该颗粒。

理论上每种旋风分离器都有一个确定的临界粒径,大于临界粒径的颗粒会被捕集,而小于临界粒径的颗粒不会被捕集。但实际上,颗粒在分离器内会受到许多不确定性因素的影响,比如颗粒间的碰撞、团聚、破碎以及静电和粒子吸引等因素,这使得颗粒在分离器内的运动有很大的不确定性,因此,一些小于临界粒径的颗粒也会被捕集,而一些大于临界粒径的颗粒也会逃逸。

2.3 入口颗粒浓度的影响

入口颗粒浓度是工业生产过程中非常重要的操作参数,它决定着生产产量的大小。为了研究入口速度对蜗壳式旋风分离器性能的影响,通过数值计算的方法,分别计算了入口颗粒浓度为1 g/m3、10 g/m3、20 g/m3、30 g/m3、40 g/m3的压 降 和 分 离效率。

2.3.1 入口颗粒浓度对压降的影响

当入口速度为18 m/s时,变化入口颗粒浓度分别为通过改变离散相下射流的入口颗粒浓度,进行数值模拟,计算出不同入口颗粒浓度下蜗壳式旋风分离器的压降。如表4所示。

表4 不同入口颗粒浓度下的压降数值表Table 4 Statistics of pressure loss at differentinlet particle concentration

在本文研究的低浓度入口下,蜗壳式旋风分离器的压降随入口颗粒浓度的增大而减小,但是总压降的数值减小的幅度逐渐变缓,这是因为在分离器排气管出口位置没有安装稳流装置或者回复装置,导致该位置旋转气流的动压较大,使得总压较大,因此总压降就较小。

2.3.2 入口颗粒浓度对分离效率的影响

除了入口速度之外,入口气流颗粒浓度对分离器分离效率也有较大影响。下面探索不同颗粒浓度与分离效率的关系,确定入口速度为18 m/s,变化入口颗粒浓度分别为1 g/m3、10 g/m3、20 g/m3、30 g/m3、40 g/m3,通过改变离散相下射流的入口颗粒浓度,进行数值模拟,计算出不同入口颗粒浓度下蜗壳式旋风分离器的分离效率。如表5所示。

表5 不同入口颗粒浓度下的分离效率值Table 5 Separation efficiency under different inlet particle concentration

如表5入口气流颗粒浓度与分离效率的关系所示,旋风分离器的总分离效率和粒级分离效率随着气流颗粒浓度的增大而增大;大颗粒增加的幅度较小,而小颗粒增加的幅度较大。而且,入口气流浓度越大,小颗粒分离效率增加的越多,主要是浓度较高的气流对小颗粒有着更加明显的携带作用,所以更多的小颗粒得到捕集。然而,当浓度增加到一定值时,如表5所示,9μm的分离效率在浓度大于20 g/m3时和5μm的分离效率在浓度大于30 g/m3时,它们各自的分离效率逐渐趋于稳定;大颗粒趋于稳定的浓度较于小颗粒而言要低,这是因为气流对大颗粒的携带作用没有对小颗粒的携带作用大。

虽然入口气流颗粒浓度的增加会提高分离效率,但是,在旋风分离器的实际工业应用中,颗粒对分离器壁面的磨损也会随着颗粒浓度的增加而加剧,使得旋风分离器的维修周期和使用寿命变短,而颗粒也会因碰撞而粉碎变细,更加不利于分离。因此,在大多数情况下,人们不会指望只经过一个分离器的分离而达到分离目的,而是经过几次分离,逐渐降低小颗粒群的浓度和粒度,最终达到分离效率指标;同样,在轻烧镁旋流动态煅烧系统中的回收系统和冷却系统都是两级回收,目的是为了达到更高的分离效率。

3 结语

通过相间耦合的随机轨道模型在拉格朗日坐标下模拟蜗壳式旋风分离器内的两相流运动。考察了分离器入口操作参数对分离性能的影响。主要模拟计算结果可以总结出以下结论:

(1)蜗壳式旋风分离器的压降随入口风速的增大而增大,两者基本上呈指数变化关系。增加蜗壳式旋风分离器的入口风速能够提高分离效率,但是压力损失也逐渐增大。

(2)相同入口速度下,分离效率随着颗粒粒径的增大而增大,但增加的幅度有所降低,最终逐渐趋向稳定,并且当颗粒粒径大于或等于11μm时,分离器的分离效率均能达到100%。

(3)在一定范围内,适当地增加入口颗粒浓度既能降低压力损失又能提高分离效率。