一种新型旁路式直流旋风分离器的性能研究*

付晓庆 孙国刚 戚金洲 孙 帅

（中国石油大学(北京)化工学院过程装备实验室)

0 引言

旋风分离器广泛应用于过程工业与环境保护领域，具有结构简单、造价低、能承受高温高压、操作维护简便等优点。常见的旋风分离器可分为反转流和直流两类。通常反转流旋风分离器的分离效率高、阻力大；直流旋风分离器阻力低，但分离效率也低。特别是对于微细粉尘，直流旋风分离器的分离效果往往不够理想[1-4]。为提高直流旋风分离器的分离效果，前人进行了许多研究开发[5-7]。对直流旋风分离器内流场及其分离过程的深入研究发现，含尘气流在直流旋风分离器内停留时间较短是造成其分离效率低的一个重要原因，同时旋转气流的非轴对称性摆动也是影响其颗粒的分离和捕集的一个因素。因此，增加含尘气流在分离器内的停留时间和气流旋转的轴对称性与稳定性便是可能提高直流旋风分离器分离效率的技术途径。

本文提出了一种带旁路气体循环的新型直流旋风分离器，即在分离器的排气端设置旁路，将浓集到分离器排气端筒体边壁区的含尘气流引导到分离器入口端之下，使其再次循环进入分离器内进行二次分离，增加这部分气体的停留时间，进而增加粉尘分离的机会；同时在分离器切向入口段设置一个与分离器筒体同心的稳流器，增加气流旋转的轴对称性与稳定性，降低旋转气流摆动，以进一步提高直流旋风分离器的分离效率。本文采用实验室性能试验和流场数值模拟方法研究了上述新型直流旋风分离器的分离性能和流场，并与常规的直流旋风分离器进行了对比。

1 实验研究

1.1 实验装置

实验装置如图1所示。实验采用负压吸风式操作，常温空气通过旋风分离器入口被吸入旋风分离器内，在其内部形成旋转流场，再经过旋风分离器顶部的升气管经由风机排出。试验粉料为石油催化裂化三旋收集的平均粒径为12 μm的细催化剂颗粒，分离器入口气流的含尘浓度为10 g/m3。旋风分离器入口管路及旁路的气量用毕托管测量，各处压降用U形管测量，详见图1。

图1 实验装置

试验对比考察了三种相同直径和高度的模型分离器，如图2所示。1#分离器为传统的直流旋风分离器；气流由分离器筒体底部切向进入，在筒体内旋转上行由筒体顶部的排气管排出；其筒体内径为289 mm，筒体高为1650 mm，分离器进气口尺寸为200 mm×70 mm。2#分离器是在1#分离器基础上在其旁边再增加一半径为R的管子 （简称旁路）。3#分离器是在2#分离器的基础上在其进气段筒体中心再增加一个管状稳流器。

图2 旋风分离器模型

1.2 压降分析

图3是三种结构的直流旋风分离器压降随入口气速的变化曲线。从图3可以看出，入口气速增加，三种直流旋风分离器的压降都随之增加。与1#分离器相比，在入口气速相同的情况下，带有旁路的2#分离器的压降变化不大；但在2#分离器基础上加入稳流器的3#分离器压降则有所降低。

图3 旋风分离器总压降随入口气速的变化曲线

1.3 旁路流量分析

图4是有稳流器和无稳流器情况下旁路直流旋风分离器的旁路流量随入口气速的变化曲线。由图可知，未加稳流器的2#分离器，随着入口气速的增加，其旁路流量与其入口总流量的比值变化很小，且明显小于加了稳流器结构的直流旋风分离器旁路流量。加入稳流器后，3#分离器的旁路流量与入口总气量之比随着入口气速的增大而逐渐减小；但流过旁路的气量仍然是随入口气速的增加而增加的，只是旁路流量增幅在减小。

图4 q/Q随入口气速的变化曲线

1.4 分离效率分析

图5是三种结构的直流旋风分离器的分离效率随入口气速的变化曲线。如图5所示，随着入口气速的增加，旋风分离器的分离效率变化不明显。未加旁路和稳流器的1#直流旋风分离器的分离效率非常低，只有50%左右，无法满足工业应用要求。在此基础上加入旁路的2#分离器，分离效率增加明显，达到了80%左右。稳流器的加入使得3#分离器的分离效率达到了90%以上，分离性能显著提高。

图5 分离效率随入口气速的变化曲线

2 模拟研究

2.1 计算模型及方法

为了深入地理解稳流器提升直流旋风分离器分离效率的流体力学机理，本文对这三种直流旋风分离器的内部流场进行数值模拟研究，计算模型如图2所示。Z轴原点在旋风分离器进气口部分下截面的圆筒中心处，向上为正方向。

流体计算软件采用Fluent 6.3，并采用六面体结构化网格。由于旋风分离器内流场是复杂的三维强旋转湍流流场，具有很强的各向异性特点，因此在进行模拟计算时，选择能较好地反映湍流各向异性的雷诺应力模型 （RSM）。压力梯度项采用交错压力格式 （pressure staggering option，PRESTO） 方法进行处理，而各对流项均采用QUICK差分格式。流体是常温、常压状态下的空气，入口边界条件采用速度入口，且vi=15 m/s。

2.2 模拟结果及分析

切向速度是旋风分离器流场的主要分量，其变化特性直接影响到旋风分离器的分离性能。为此，下面重点对以上三种结构直流旋风分离器的切向速度场进行对比分析。

图6是三种不同结构的直流旋风分离器中心截面上的瞬时切向速度分布云图。从图6（a）和（b）可以看出，对于1#和2#两种结构的旋风分离器，其旋转中心明显偏离几何中心，内旋转流场稳定性不强，瞬时切向速度轴对称性较差。当在2#分离器上加装稳流器后，如图6（c）所示，旋转中心和几何中心重合度较好，旋转流场的稳定性显著增强，瞬时切向速度的轴对称性变得非常好。

图6 X=0截面上瞬时切向速度云图分布

图7是三种不同结构直流旋风分离器Z=700 mm截面上的瞬时切向速度沿径向位置的分布曲线。由图可知，相比于1#分离器，其他两种结构的旋风分离器由于加入了旁路结构，使得分离空间内的气体循环流量增加了，从而导致Z=700 mm截面上的瞬时切向速度出现了一定程度的增加；对比于3#分离器，1#和2#分离器由于未加稳流器，其轴对称性非常差，不利于颗粒的分离。

图7 瞬时切向速度的对比曲线 (Z=700 mm)

综上所述，稳流器的加入可以有效地增强旋风分离器内旋转流的稳定性，使其轴对称性较好，从而提高旋风分离器的分离性能。旁路结构的加入将会导致旋风分离器分离空间内气体循环流量增加，从而使得旋转流场的切向速度增大，粉尘颗粒所受的离心力变大，更有利于其分离。由此可知，模拟结果很好地验证了实验结果，即旁路结构和稳流器的加入可以很好地提升直流旋风分离器的分离性能。

3 结论

通过实验和模拟相结合的方法，对三种不同结构的直流旋风分离器的旋转流场和分离效率、压降进行了对比分析。结果表明：旁路结构的加入使得在一次分离中浓集到分离器边壁的细小粉尘能够重新进入分离空间进行二次分离，从而明显地提高直流旋风分离器的分离效率，同时稳流器的加入可使经旁路进分离空间的气体循环流量增加，这也有利于分离性能的提升；稳流器的加入可以明显增强旋风分离器内旋转流的轴对称性，降低旋风分离器的无效损耗，同时提高分离效率。增设旁路气流循环和漩涡稳流器可以显著提升直流旋风分离器的综合分离性能。

符号说明

p——压降，Pa；

Q——旋风分离器入口流量，m3/s；

q——旁路流量，m3/s；

R——旋风分离器半径，mm；

R′——旁路截面半径，mm；

r——径向坐标，mm;

vi——入口速度，m/s;

vt——瞬时切向速度，m/s;

Z——轴向坐标，mm;

η——分离效率，%。

[1] 付双成，孙国刚，高翠芝.导叶式直流旋风分离器的研究与应用现状 [J].过滤与分离，2008，18(2)：11-14.

[2] 林玮，张宇宏，王乃宁.直流式旋风分离器内部流场的实验研究 [J].华东工业大学学报，1997，19(3)：27-30.

[3] 宗润宽，姜正良，卢泽，等.直筒型导叶直流式三相旋流器排气管上部内流场的实验研究 [J].环境污染治理技术与设备，2004，12(5)：97-98.

[4] 顾锦鸿，张志群，陈旭东，等.旋转直流内循环式旋风分离器流场测定与分析 (Ⅱ) [J].粉体技术，1997，3(3) ：14-19.

[5] Tsai C J,Chen D R,Chein H M,et al.Theoretical and experimental study of an axial flow cyclone for fine particle removal in vacuum conditions[J].Aerosol Science,2004,35：1105-1118.

[6] Akira O,Tetzuya I,Hideki S.Estimation of the collection efficiency of the axial flow cyclone dust collector with the fixed guide vanes[J].Journal of Thermal Science,1997,6(1)：59-65.

[7] 邓兴勇，凌志光，周炳海.直流式旋风除尘器流动特性及性能的试验研究 [J].工程热物理学报，1999，20(5)：590-592.