用于強(qiáng)化氣固分離與傳熱的圓管旋流的特性研究.pdf

1、我國能源結(jié)構(gòu)以燃煤為主,燃煤鍋爐及工業(yè)爐窯排放含塵煙氣量大,隨著環(huán)保要求的提高,高溫含塵煙氣處理需要采用高效的除塵凈化設(shè)備,袋式除塵器以其高效的除塵性能成為鋼鐵、水泥、冶金、化工及垃圾焚燒等行業(yè)最主要的煙氣凈化設(shè)備?，F(xiàn)有袋式除塵器在處理高溫含塵煙氣時(shí)濾袋易堵塞、燒穿。
　　本文分析不僅是因?yàn)闊煔鉁囟冗^高或波動(dòng)過大造成濾袋損壞,更主要是含塵煙氣中的高溫顆粒對濾袋造成的破壞。解決濾袋易損壞的問題,本文從整個(gè)除塵凈化工藝角度出發(fā),而不局

2、限于袋式除塵器內(nèi)氣流組織優(yōu)化和濾袋選用,提出配合袋式除塵器凈化含塵煙氣的預(yù)處理技術(shù),以保護(hù)袋式除塵器穩(wěn)定運(yùn)行。含塵煙氣預(yù)處理技術(shù)包括氣固預(yù)分離及含塵煙氣降溫兩個(gè)方面內(nèi)容。現(xiàn)在工業(yè)應(yīng)用中袋式除塵器常采用一級除塵,含塵煙氣經(jīng)風(fēng)管均勻流直接輸送進(jìn)入袋式除塵器,多采用蛇形管等延長含塵煙氣輸送長度的方法通過風(fēng)冷方法對煙氣降溫。
　　本文提出通過改變管內(nèi)輸送含塵煙氣的流場結(jié)構(gòu)的方法把強(qiáng)化氣固分離與傳熱相結(jié)合的理念。通過起旋器促使含塵煙氣旋轉(zhuǎn)運(yùn)

3、動(dòng),運(yùn)動(dòng)軌跡由軸向流變成螺旋流,延長含塵煙氣的運(yùn)動(dòng)軌跡,有助于煙氣的降溫,煙氣旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)引入較大的切向速度,加大對壁面的沖刷,減薄邊界層厚度,強(qiáng)化了煙氣通過管壁的傳熱,使煙氣降溫。同時(shí)旋流的離心力作用促使氣固兩相預(yù)分離去除粒徑較大且溫度較高的顆粒,保護(hù)濾袋,實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。
　　本文提出新型蝸向單進(jìn)口及雙進(jìn)口圓管旋流起旋器,設(shè)計(jì)軸向旋流結(jié)構(gòu),并對起旋器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步優(yōu)化。通過冷態(tài)圓管旋流試驗(yàn),得出新型單進(jìn)口及雙進(jìn)口蝸向起旋圓管

4、旋流的流場及阻力特性,分析了三維流速分布的主要特點(diǎn)及對煙氣預(yù)處理的強(qiáng)化特性,并分析了壓力場分布特性。通過理論分析的方法,建立旋流流動(dòng)流場分布模型及壓力分布模型,采用數(shù)值模擬的方法,建立相應(yīng)的物理模型,并采用雷諾應(yīng)力模型(RSM)，SIMPLEC耦合壓力速度項(xiàng),模擬新型蝸向起旋圓管旋流運(yùn)動(dòng),模擬結(jié)果與試驗(yàn)及理論分析的變化規(guī)律較為吻合,表明數(shù)值模擬模型的有效性。
　　在流場分析的基礎(chǔ)上,本文理論分析了旋流流動(dòng)中顆粒的運(yùn)動(dòng)特性,建立顆粒

5、運(yùn)動(dòng)模型。采用邊界層分離理論,確定了旋流氣固分離的切割粒徑,建立了氣固分離的分級分離效率模型。通過數(shù)值模擬的方法,分析不同起旋方式的氣固分離效率,模擬結(jié)果與理論分析基本一致。本文建立套管式換熱試驗(yàn)?zāi)Ｐ?并通過光滑管的傳熱試驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較,驗(yàn)證了傳熱試驗(yàn)的有效性。在此基礎(chǔ)上,研究了不同蝸向起旋圓管旋流的傳熱特性。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出Nu數(shù)擬合關(guān)系式,試驗(yàn)結(jié)果表明了雙進(jìn)口起旋方式比單進(jìn)口起旋方式強(qiáng)化效果明顯,增強(qiáng)25％左右。在對旋流傳熱試驗(yàn)

6、的基礎(chǔ)上,建立傳熱強(qiáng)化評價(jià)指標(biāo),并通過場協(xié)同理論探討了旋流強(qiáng)化傳熱的機(jī)理及優(yōu)化方法。在傳熱試驗(yàn)基礎(chǔ)上,通過數(shù)值模擬的方法對不同起旋旋流強(qiáng)化的傳熱特性進(jìn)行了分析。
　　模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比較基本一致。通過數(shù)值模擬,得出不同起旋圓管旋流的局部Nu數(shù)隨軸向管長近似指數(shù)衰減,雙進(jìn)口起旋方式Nu數(shù)高于單進(jìn)口起旋方式,設(shè)導(dǎo)流核后改變起始階段旋流結(jié)構(gòu),局部Nu數(shù)增加。旋流越強(qiáng),傳熱強(qiáng)化程度越高,且雙進(jìn)口起旋比單進(jìn)口起旋的旋流衰減緩慢,設(shè)導(dǎo)流核

7、后使初始切向速度較大,但相應(yīng)衰減速度也較大,最終都趨向于充分發(fā)展湍流傳熱模式。
　　本文分析了旋流中顆粒的受力運(yùn)動(dòng),并采用分離變量法建立顆粒與氣流的傳熱模型。一般高溫?zé)煔庵袎m粒的Bi≤0.1時(shí),采用集總參數(shù)法簡化顆粒降溫模型,并初步分析顆粒降溫與氣流降溫的動(dòng)態(tài)平衡,引入時(shí)間常數(shù)σp,得出粒徑越小的顆粒降溫與氣流降溫達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的時(shí)間越短,且與氣流間的溫差越小;反之粒徑大的顆粒達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)間越長,且與氣流間的溫差越大,這也為本文提

8、出預(yù)處理煙氣不僅需要降溫而且要結(jié)合氣固分離去除較大粒徑顆粒提供理論依據(jù)。本文在試驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上,針對馬鞍山鋼鐵股份有限公司干熄焦?fàn)t用袋式除塵器運(yùn)行存在的問題,根據(jù)本文提出的新的設(shè)計(jì)理念,應(yīng)用新型蝸向起旋技術(shù),對其進(jìn)行配套改造,設(shè)計(jì)了煙氣預(yù)處理系統(tǒng),并對設(shè)計(jì)應(yīng)用情況進(jìn)行了歸納和總結(jié)以利于新技術(shù)的應(yīng)用于推廣。
　　本文提出對煙氣的預(yù)處理,可保護(hù)袋式除塵器穩(wěn)定運(yùn)行,保護(hù)濾袋。對新型蝸向起旋旋流強(qiáng)化氣固分離與傳熱的特性