旋风分离器环形空间顶灰环的流动特性

曹鸣谦，陈建义，樊骁琦，崔 灏，魏耀东

(1.中国石油大学(北京) 重质油国家重点实验室，北京 102249； 2.中国石油大学(北京) 过程流体过滤与分离技术北京市重点实验室，北京 102249)

旋风分离器是利用离心力进行气-固分离的设备，因其结构简单，耐高温高压，在石油化工、煤炭发电等工业领域得到了广泛的应用。旋风分离器内的气-固相运动非常复杂，颗粒群在运动过程中会发生选择性聚集，表现为环形空间上部的“顶灰环”[1-3]和锥段的“螺旋灰带”[4-5]。顶灰环在旋风分离器环形空间内旋转，但对颗粒没有分离作用；螺旋灰带在锥段起到运输颗粒的作用，利于气-固分离。顶灰环的存在不仅会造成颗粒的扩散逃逸，影响旋风分离器效率[6-7]，而且对环形空间的器壁造成冲蚀和磨损[8-10]。因此，有必要对顶灰环的流动特性进行分析，这也是旋风分离器内气-固分离流动研究的一个主要内容。

早期柳绮年等[11]采用五孔球探针测量了旋风分离器的环形空间的流场，否定了单涡模型，同时指出双涡模型分布具有非轴对称性，在环形空间内只能局部存在。姬忠礼等[12]利用五孔探针和热线风速仪测定了环形空间的流场，绘制了二次涡流线图，但未讨论顶灰环现象。魏耀东等[1]使用五孔球探针测量了环形空间的速度分布，基于轴向和径向速度的分布分析了二次涡沿圆周的分布特点，解释了顶灰环持续存在的原因。

随着流体数值模拟技术和流体测量技术的进步，对旋风分离器的顶灰环研究也随之深入。Tofighian等[13]对旋风分离器流场采用大涡模拟(Large eddy simulation，LES)进行模拟，表明颗粒因轴向曳力和离心力形成了顶灰环。Zhang等[14]的分析表明，随入口颗粒浓度的提升，颗粒先聚集形成顶灰环，然后分流为螺旋灰带延伸至料斗。徐俊等[6]指出旋风分离器顶灰环的存在会加剧短路流和颗粒逃逸，并提出采样螺旋形入口消除顶灰环。何兴建等[15]以流化催化裂化(FCC)催化剂进行旋风分离器内部颗粒藏量的实验，表明藏量随入口速度和入口颗粒浓度的提高而增大，顶灰环的颗粒质量占旋风分离器内颗粒藏量的70%以上，实验中存在顶灰环脱落现象。Li等[16]采用光纤浓度测量仪给出顶灰环内颗粒浓度远大于入口颗粒浓度。宋健斐等[17]通过改进的雷诺应力模型(Reynolds stress model，RSM)和颗粒随机轨道模型模拟旋风分离器内的颗粒浓度分布，发现了顶灰环浓度分布的非对称性，在入口相切处其浓度会显著下降。然而，上述研究主要关注顶灰环的形成、影响因素以及对分离性能的影响。实际上旋风分离器的顶灰环有很强的动态特性，即可能做稳定的旋转，也可能发生脱落，然后再逐渐形成下一个顶灰环，但目前还缺少这方面的实验和理论研究。同时对顶灰环内部的颗粒速度和浓度的分布也缺乏系统的实验数据。

为此，本研究中采用PV型旋风分离器，利用高速相机对顶灰环进行图像拍摄和处理，考察顶灰环的流动特性和周期性脱落行为，同时结合流场数值模拟分析颗粒的受力以及顶灰环形成和脱落的机理，建立了顶灰环脱落周期的预测模型，以提高对旋风分离器内气-固两相流流动规律的认识。

1 实验部分

1.1 实验材料

实验粉料选用丙烯腈待生催化剂(中石化上海石油化工研究院有限公司提供)和铁矿粉(唐山钢铁公司提供)，粉料颜色均为黑色，待生催化剂中位粒径d50=202 μm，颗粒密度ρp=1870 kg/m3；铁矿粉中位粒径d50=98 μm，ρp=7850 kg/m3。

1.2 实验装置

实验装置主要由高速摄像系统和旋风分离器实验系统两部分组成，示意图见图1。高速摄像系统由1台高速数字相机、光源和计算机组成。高速数字相机为日本Photron公司生产的FASTCAM SA-X2型，最大拍摄速率为每秒216000帧(Frames per second，fps)，最大分辨率为1024×1024像素。旋风分离器实验系统的PV型旋风分离器的结构型式和尺寸见图2和表1。

1—Fan；2—Cyclone；3—Powder feeder；4—Pitot tube； 5—LED light；6—High-speed camera；7—Bag filter图1 高速摄像的实验装置流程图Fig.1 Flow chart of the experimental device of high-speed camera

1.3 实验方法

采用抽吸式进行旋风分离器的气-固分离实验。旋风分离器水平进气管上沿流向依次设有毕托管和螺杆加料器和蝶阀。用毕托管测定进气流量，螺杆加料机控制粉尘入口浓度，蝶阀调整气量大小。含尘气流经旋风分离器分离后，洁净空气通过风机和布袋除尘器排入大气，被捕集的颗粒进入灰斗中。实验中主要参数：进气流量(Qin)为216～360 m3/h，入口气速(vin)为12～20 m/s，入口气流颗粒质量浓度(Cin)为10～100 g/m3。

顶灰环脱落周期的测量方法：旋风分离器进气稳定后，加料器加入恒流量的颗粒。高速相机在加入颗粒的同时开始摄像，拍摄速率为500帧/s，快门速率为1/5623 s。随着加料的进行，顶灰环逐渐形成和增浓，在某个时刻开始脱落，然后开始形成下一个顶灰环。每个操作工况重复拍摄3次，每次统计10个脱落周期取平均值。脱落周期以2个顶灰环前后从分离空间脱落的时间差为准。

2 数值计算模型的建立

2.1 几何模型与网格划分

采用Fluent软件对旋风分离器内部的气相流场进行计算，其计算网格划分如图3所示，节点数为8.1×105个。

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图2 PV型旋风分离器结构示意图Fig.2 Structure diagram of the PV type cyclone separator

表1 图2中PV型旋风分离器结构尺寸Table 1 Structure size of the PV type cyclone separator in Fig.2

2.2 数值计算模型

旋风分离器内部流场为复杂的三维强旋流动，采用雷诺应力模型(Reynolds stress model，RSM)能够较好地反映各向异性的湍流流动[17]，压力速度耦合选用SIMPLEC算法，压力梯度项采用PRESTO！(Pressure staggering option)方法处理。当网格均为结构化网格时，QUICK格式具有较高精度，因此各方程对流项均采用QUICK差分格式，气相进口设置为速度进口，数值与实验入口速度一致，出口设置为自由流出，固壁边界采用无滑移边界条件，采用标准壁面函数。计算时将分离器出口管路加长，以保证管流充分发展条件成立，模拟采用非稳态耦合求解，时间步长为10-4s，直至计算收敛。

2.3 数值模拟可靠性验证

考虑到网格数量影响数值模拟精度，笔者进行了网格无关性验证，其结果如图4所示。当旋风分离器网格为8.1×105个时，气相压降的模拟值与实验测量值误差为4.2%(模拟值为1180 Pa，实验值为1220 Pa)，继续增加网格，对精度的影响较小，因此本研究选取网格数量为8.1×105个。此时气相压力与模拟值对比良好，表明计算方法正确，模拟结果可以用于流场分析。

图3 旋风分离器的网格划分Fig.3 Mesh division of the cyclone separator

数值模拟纯气相流场，旨在说明二次涡流存在的区域和其周向强弱变化。对于本研究中实验工况，对应的颗粒体积分数(φ)为7.64×10-8～5.34×10-6，属于稀疏两相流[18]，颗粒存在对气相的影响很小[19]。纯气相模拟结果也常用于说明旋风分离器内部流场[20-22]。此外，实验测得加入颗粒相的压降与纯气相条件压降相差1.5%，即添加颗粒对压降影响不大。因此可用纯气相模拟结果说明旋风分离器内速度分布情况。

图4 网格无关性验证结果Fig.4 Verification results of grid independence

3 实验结果及分析

3.1 顶灰环周期性脱落现象

图5为顶灰环周期性脱落现象拍摄的图像。实验条件是：丙烯腈待生催化剂粉料，入口气速vin=20 m/s，入口气流颗粒质量浓度Cin=50 g/m3。开始加料后，一部分颗粒首先聚集在旋风分离器顶板与外壁相交处，形成一个旋转的顶灰环。随着加料的持续进行，顶灰环的宽度逐渐增大，质量增加。当达到某一时刻，顶灰环的质量达到饱和，顶灰环发生脱落，表现为顶灰环从旋风分离器的顶部脱落形成一个螺旋灰带，呈条带状沿器壁螺旋下行，且在下行过程中灰带逐渐收窄，直至流进灰斗。顶灰环脱落后，后续加入的颗粒继续在顶部空间聚集，持续聚集的颗粒形成一个新的顶灰环，并逐渐增长，然后再次脱落。顶灰环周期性的形成与脱落说明顶灰环的颗粒聚集、生长、饱和、脱落是一个动态过程。

图5 顶灰环周期性脱落图像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 顶灰环的脱落周期

定义2个顶灰环的相同流动行为的间隔为脱落周期(T)，如图5中2个顶灰环的灰带流进灰斗的图像时间间隔为2328 ms-842 ms=1486 ms，是顶灰环的脱落周期。改变粉料、入口气速、入口气流颗粒质量浓度测量的顶灰环的脱落周期结果见图6。由图6可以看出，顶灰环的脱落周期T随着入口气速的增大而延长，随入口气流颗粒质量浓度的增大而缩短。然而当入口气流颗粒质量浓度持续增大，在某个浓度顶灰环连续形成和脱落时，顶灰环的聚集时间消失不再发生明显的周期脱落现象，螺旋灰带扩展呈扇面状，螺旋下行。另一方面，当入口气流颗粒质量浓度较低、入口气速又非常高时，顶灰环的聚集时间会非常长，顶灰环的脱落周期时间也较长，甚至颗粒难以聚集形成顶灰环。与催化剂顶灰环的脱落周期相比，铁矿粉顶灰环的脱落周期也是随着入口气速的增大而延长，随入口气流颗粒质量浓度的增大而缩短，两者具有类似性；但铁矿粉的顶灰环脱落周期的变化幅度比催化剂粉料的小。

图6 顶灰环脱落的周期(T)随入口气速、入口气流颗粒质量浓度的变化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 环形空间的流场模拟和二次涡

图7为环形空间轴向速度和径向速度分布数值模拟的云图。轴向速度向上为正，向下为负。由图7可以看出，在环形空间的外侧上部存在1个较大的向上轴向速度，最大值在z=-16 mm靠近外壁处方向向上；而在环形空间的内侧中部是较大的向下轴向速度，如在z<-40 mm轴向速度方向向下；径向速度向内为负，向外为正。在环形空间的顶部存在1个较大的向内径向速度，但在z=-20 mm处径向速度接近0。从顶板附近的圆周上看，向上的轴向速度在周向上分布不均，在入口θ=0°处相对较小，然后逐渐增大，在θ=270°处较大；向内的径向速度在入口θ=0°处分布较宽，然后逐渐缩窄。这表明在环形空间上部，气体由外侧向上流动，在顶板转向后向内侧流动，沿着升气管的外壁下行，在旋转流流动方向的垂直截面上形成了1个顺时针旋转二次涡[23-24]。

为清晰描述二次涡的流动流态，依据流场模拟结果给出轴向速度vA=1 m/s的等值面和流线图，如图8所示。由图8可以看出，二次涡存在于环形空间的顶部圆周的外侧空间，在转过90°后，近壁区域向上的轴向速度逐渐增大。

3.4 顶灰环脱落分析

顶灰环的形成与旋风分离器环形空间的二次涡有密切关系，是顶灰环形成的主要原因。当气流进入旋风分离器后，在蜗壳器壁的约束下旋转，但顶板附近的气流因器壁的黏滞和摩擦作用，其旋转速度相对较小，因此环形空间外壁表面下部的压力高于顶板附近的压力，驱使气体上行，形成了上行的轴向速度，达到顶板后转向径向向内流动，再沿着升气管的外壁下行，最后形成垂直于旋转流截面上的二次涡。在旋转流的作用下，二次涡存在于从0°～360°的各纵向截面，见图9。

图7 旋风分离器内环形空间处的轴向速度(vA)和径向速度(vR)云图(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°)

图8 轴向速度vA=1 m/s等值面与环形空间顶部二次涡流流态(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

进入旋风分离器的颗粒在二次涡上行轴向速度的作用下，当向上的轴向曳力(FDA)大于颗粒的重力(mg)时，颗粒会运动到顶板下；此时在径向方向，颗粒同时受到离心力和二次涡速度的径向曳力(FDR)的作用，当颗粒的离心力(mvt2/R)大于径向曳力时，颗粒就会聚集在顶板与外壁的夹角处[3]，同时在旋流的作用下，颗粒群沿着圆周旋转，形成了顶灰环。则顶灰环存在的2个条件如式(1)、(2)所示。

轴向方向

(1)

(2)

图9 二次涡和顶灰环的受力分析Fig.9 Secondary vortex flow and force analysis of top ash ring

顶灰环发生脱落说明作用在顶灰环上力的平衡被破坏。顶灰环在旋转过程中，顶灰环的含尘量是一个动态集聚过程，不断有后续颗粒加入到顶灰环中，也不断有颗粒被径向速度夹带脱离顶灰环。若径向曳力夹带的颗粒量少于聚集的颗粒量，则颗粒群的质量不断增加。当聚集的颗粒重力大于轴向速度的曳力时，此时顶灰环的含尘量达到饱和，顶灰环发生脱落。由图7、图8可知，在入口侧至θ=90°区间，近壁轴向速度较小，顶灰环脱落在这个区域最有可能开始。顶灰环脱落现象拍摄的图像见图10。

图10 顶灰环在入口侧脱落的图像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

但根据式(2)，颗粒密度ρp和颗粒直径d对达到聚集饱和时间的影响较大。若颗粒密度减小或颗粒直径减小到某一值时，离心力急剧下降，而气流径向夹带颗粒的能力不受颗粒密度的影响，与颗粒直径成正比，下降较慢，造成顶灰环跑损的颗粒相对增多，使得顶灰环的聚集颗粒与跑损颗粒达到平衡，不发生脱落，形成一个稳定的顶灰环。如采用滑石粉进行实验时，存在一个稳定的顶灰环[17]。而本研究实验的催化剂和铁矿粉的密度和颗粒直径均较大，径向的跑损量较小，顶灰环含尘量难以维持恒定，存在周期性脱落的流动特点。

3.5 顶灰环脱落周期预测

(3)

式中：T为顶灰环脱落周期，s；dpm为粉料中位粒径，m。5个无量纲气-固相准数的物理意义如下：π1为气体流动路程和筒体直径的比值；π2为惯性力和黏性力的比值，是旋风分离器的雷诺数；π3为惯性力和重力的比值；π4为颗粒粒径与筒体直径的比值；π5为空气密度与入口浓度的比值。

选用无量纲数π1作因变量，其余无量纲数作自变量构建函数，如式(4)所示。

(4)

(5)

根据式(5)预测旋风分离器顶灰环脱落周期T，如图11所示。模型计算值和实验值基本吻合，误差小于15%。

图11 顶灰环脱落的周期(T)计算值与实验值对比Fig.11 Comparison between the calculated and experimental values of falling-off period (T)of top ash ring

3.6 顶灰环对旋风分离器性能的影响

顶灰环是旋风分离器内颗粒群运动的一种特殊现象，具有周期性脱落的特点，影响旋风分离器的性能主要表现在以下几个方面：

首先，顶灰环的存在会降低旋风分离器分离效率。由于大量颗粒聚集在顶板下方，其中有一部分细颗粒在流体中跟随性好，易受径向曳力夹带，随二次涡沿着升气管内壁下行从升气管跑损[6-7](见图9)，导致分离效率下降。

其次，顶灰环的存在增加了旋风分离器的压降。顶灰环能持续在环形空间内旋转运动，是由于环形空间二次涡的轴向曳力FDA的托举，同时顶灰环与器壁的摩擦消耗了旋转气流的旋转能量。在顶灰环持续积累直至脱落的过程中，托举力也随之不断增大，这一过程反复消耗着旋转气流的能量，然而顶灰环本身并没有对颗粒的分离产生积极影响，颗粒长时间聚集在环形空间顶部而无法向下进入灰斗实现快速分离，与器壁的摩擦和颗粒之间的碰撞摩擦消耗了旋转气流的能量。这使得顶灰环的存在导致了旋风分离器内压降的无意义增加。

再次，旋转的顶灰环对环形空间的器壁造成磨损，降低了设备的使用寿命。含尘气流进入旋风分离器后，颗粒因惯性沿冲撞在蜗壳壁面上，造成冲蚀磨损。顶灰环在旋转过程中不断对器壁造成摩擦磨损，至入口处时，随新进入的含尘气流再次撞击至蜗壳壁面上造成冲蚀磨损[8，10，13]。这一过程的连续不断，对旋风分离器环形空间的器壁造成显著的磨损破坏，不利于设备长周期运行。

最后，顶灰环的周期性脱落是一个不稳定流动，会导致下料的不稳定性，这种不稳定的流动会形成压力脉动[15]，进而诱发旋风分离器和料腿的振动。在工业生产中，这种长时间的振动会迫使金属材料生成交变应力，进而导致料腿和壳体发生疲劳断裂[25-26]。

4 结 论

(1)顶灰环分布在旋风分离器顶板与外壁相交处，并随着加料的持续进行出现聚集、生长、饱和以及脱落的周期性的动态变化。顶灰环的脱落周期T随着入口气速vin的增大而延长，随入口气流颗粒质量浓度Cin增大而缩短。

(2)旋风分离器环形空间的二次涡是顶灰环形成的主要原因。颗粒由于二次涡竖直向上的曳力以及径向离心作用聚集在旋风分离器顶板与外壁的夹角处，同时在旋流的作用下做旋转运动，形成了顶灰环。随着顶灰环的含尘量不断累积，当颗粒群质量大于二次涡的轴向曳力时，顶灰环达到饱和状态，发生脱落。

(3)使用量纲准数分析法，获得了顶灰环脱落周期T的预测公式，计算值与实验值基本吻合。此外，顶灰环的存在会降低分离效率，磨损旋风分离器的器壁，不利于设备的长周期运行。