高效飛灰分離設備冷態(tài)實驗研究-畢業(yè)論文.doc

XXXX大學畢業(yè)（設計）論文第一章 緒論1.1前言旋風除塵器是一種利用含塵氣流在除塵器內部作高速旋轉運動產生的離心力將塵粒與氣流分離的裝置。長期以來，憑借其結構簡單,造價低廉以及分離效率高的特點，旋風除塵器一直被廣泛應用于煤礦、冶金、建筑、石油等各個工業(yè)領域。1.2 發(fā)展節(jié)能環(huán)保型工業(yè)鍋爐的必要性1.2.1 我國煤炭資源水平現狀我國是世界上最大的煤炭生產國和消費國之一。長期以來，煤炭在我國能源結構中一直占有主導地位。據統(tǒng)計，2001年一次能源消費量，煤占67.0，大大超出了27的世界平均水平。中國能源統(tǒng)計年鑒的數據顯示：2004年，中國一次能源生產總量18.46億噸標準煤，比上年增長15.2%；消費總量19.7億噸標準煤，比上年增長15.2%。其中原煤產量19.56億噸，增長17.3%，消費18.7億噸，增長14.4%；原油產量1.75億噸，增長2.9%，消費2.9億噸，增長16.8%。國家發(fā)改委能源局2004年公布，中國能源消費總量已經位居世界第二，約占世界能源消費總量的11%。從國家煤礦安全監(jiān)察局了解到，2005年上半年我國煤炭產量達到9.4億噸，同比增產8292萬噸、增長9.7。僅上海市2003年一次能源消費就達6698萬噸標煤，比2002年增長了9.5%，其中，煤炭消耗占59.2%，石油占34.8%，天然氣占1%，水電、核電等其他能源占5%。據統(tǒng)計，我國煤炭用于鍋爐生產蒸汽發(fā)電的約占31.5%，用于工業(yè)鍋爐和窯爐的約占40%，民用煤約占20%，其它占7.5%。我國有工業(yè)鍋爐約53萬臺，平均容量2.5蒸噸/小時，熱效率約65。年耗煤占我國煤炭產量的35左右，達3.0-3.5億噸。歐、美等國燃煤工業(yè)鍋爐運行效率在80以上，與之相比低10到20個百分點21。電站鍋爐的熱效率比工業(yè)鍋爐、窯爐和民用爐灶要高得多，但與世界上發(fā)達國家相比差距仍很大。到2003年為止，我國電力總裝機容量達3.91億千瓦，其中燃煤火電機組占2.90億千瓦，年耗煤約8.4億噸，全國平均供電煤耗為381克/度，而國外發(fā)達國家平均供電煤耗為313克/度，相差68克/度。按2005年經濟發(fā)展需要電量2.27萬億度來計算，同發(fā)電量我國與國外發(fā)達國家相比，一年就多消耗1.32億噸煤。這樣低的熱效率意味著大量煤碳的浪費，并給環(huán)境帶來了嚴重污染。1.2.2 煤炭生產和應用對于環(huán)境的影響煤炭對于環(huán)境的污染是貫穿于煤炭的采集、運輸、燃燒等過程之中的。在煤炭的開采過程中，大量的粉塵會進入空氣之中，直接影響了當地的空氣質量。著名的云崗石窟就是一個典型的例子。在距離云崗石窟不到一公里的地區(qū)就有華宮儲煤場和吳官屯礦儲煤場這兩座煤場。而這兩座煤場出產的原煤直接堆放所造成的黑色揚塵對于云崗石窟內的壁畫，雕刻等造成了嚴重的影響；而由于附近的兩座煤矸石山含硫量極高且自燃現象嚴重，又造成了該地區(qū)出現了局部酸雨的現象。這對于那些具有悠久歷史的文化瑰寶是具有毀滅性破壞的。而根據大同市環(huán)境監(jiān)測站連續(xù)兩年對云崗石窟總懸浮顆粒物、二氧化硫、降塵、硫酸鹽化速率、氮氧化物和一氧化碳的監(jiān)測，由于石窟周邊區(qū)域居民取暖、炊事用煤，冬季云崗石窟降塵和硫酸鹽化速率比夏季高出一倍左右。長此以往，云崗石窟將最終成為歷史，從我們的視線中永遠地消失。而同樣地，開采過程中的廢水如果處理不當，也會污染附近的河流、湖泊造成水質的污染；同時，煤礦開采也會造成當地土壤的污染與退化。而由于開采所造成的地表塌陷，河流斷流等地質災害也是一個重大的問題。而在煤炭的運輸過程中對于鐵路沿線地區(qū)的污染也是相當嚴重的。運輸煤炭的列車就像一個“移動污染源”，所經過的地區(qū)空氣中黑灰含量都很高，對于當地的居民及動植物的健康都有巨大的影響。煤炭的燃燒對于大氣的污染更為嚴重。由于化石燃料的燃燒需要排放出各種污染物。在排放到大氣的污染物中，99%的氮氧化物（NOX）、99%的一氧化碳（CO）、91%的二氧化硫（SO2）、78%的二氧化碳（CO2）、60%的粉塵和43%的碳化氫是化石燃料燃燒過程中產生的，其中煤燃燒所產生的污染物又占絕大多數。我們能源以煤為主，燃煤產生的大氣污染物占污染物排放總量的比例較大。例如，二氧化硫占87%，氮氧化物占67%，一氧化碳71%，煙塵占60%。而據統(tǒng)計資料顯示，1995年度，全國廢氣排放量為12.3億立方標米，廢氣中煙塵排放量為1478萬噸，二氧化硫（SO2）排放量1891萬噸，工業(yè)排放廢氣量為10.7億立方標米，工業(yè)煙塵排放量837.9萬噸，工業(yè)二氧化硫排放量1405萬噸。1995年SO2排放量較1990年增加了26.4%，煙塵排放量增加了70%5。SO2是形成酸雨的原兇，而近幾年來，我國的酸雨受害地區(qū)呈不斷擴大的趨勢。NOx主要來源于煤炭的高溫燃燒，它有加劇溫室效應和臭氧層破壞的作用。CO2則是最主要的溫室氣體。1.2.3 我國能源發(fā)展的政策根據最新的中國的能源狀況與政策白皮書的介紹, 中國能源發(fā)展堅持節(jié)約發(fā)展、清潔發(fā)展和安全發(fā)展。堅持發(fā)展是硬道理，用發(fā)展和改革的辦法解決前進中的問題。落實科學發(fā)展觀，堅持以人為本，轉變發(fā)展觀念，創(chuàng)新發(fā)展模式，提高發(fā)展質量。堅持走科技含量高、資源消耗低、環(huán)境污染少、經濟效益好、安全有保障的能源發(fā)展道路，最大程度地實現能源的全面、協(xié)調和可持續(xù)發(fā)展。而作為節(jié)能減排重點對象之一的工業(yè)領域，應該堅持走科技含量高、經濟效益好、資源消耗低、環(huán)境污染少、人力資源得到充分發(fā)揮的新型工業(yè)化道路3。所以像火力發(fā)電這樣的燃煤大戶，為了實現上述目標，應該注意提高煤炭資源的利用率及降低其環(huán)保影響。煤炭是我國主要能源，80%以上的煤炭以直接燃燒方式被利用。燃煤工業(yè)鍋爐廣泛用于工業(yè)生產和社會生活等領域。工業(yè)鍋爐是我國第二大燃煤用戶，每年燃煤45億噸。但是目前，燃煤工業(yè)鍋爐普遍技術落后，熱效率低，污染嚴重，污染物排放總量接近電站鍋爐。因此我國迫切需要發(fā)展工業(yè)鍋爐高效燃燒和煙氣除塵一體化技術，徹底解決工業(yè)鍋爐的燃燒與污染問題。目前各城市都在急于尋求適用的燃煤工業(yè)鍋爐技術，半懸浮回燃式拋煤機工業(yè)鍋爐將使鍋爐效率提高10以上，并大大減少煙塵的排放，能有效解決工業(yè)鍋爐能耗高、污染重的技術難題，可作為工業(yè)鍋爐的新型爐型大范圍進行推廣和應用。1.3 拋煤機鍋爐簡介拋煤機鍋爐是我國50年代末開始生產的，主要容量有35t/h、20t/h、10t/h。其產品大部分用于孤立電網的發(fā)電站或大型工廠的自備電站。拋煤機鍋爐的特點是火床燃燒和懸浮燃燒的結合，其燃燒過程的強烈使運行的安全性、可靠性、煤種的適應性、燃燒效率等性能指標都優(yōu)于鏈條爐，對燃料結焦特性的限制較為寬松，負荷變化迅速1。而相對于循環(huán)流化床鍋爐，它在造價與維護成本上也有著很大的經濟優(yōu)勢。以下是拋煤機鍋爐火場床燃燒的過程22： 圖1-1拋煤機鍋爐火場床燃燒示意圖圖1-1表示了風力機械拋煤機鍋爐的火床燃燒過程。爐排面起端部分上面的燃料，除了在播撒時飛行過程中已經在爐膛中吸收了少量熱量以外，其燃燒情況大致與鏈條爐相似：主要依靠來自爐膛的輻射熱來加熱和引燃，燃燒自上而下發(fā)展，隨著爐排的移動，沿爐排長度形成燃料加熱干燥、析出揮發(fā)分和焦碳燃燒幾個階段（見圖中的區(qū)域a）。區(qū)域b中的燃燒則具有拋煤機爐子的各項特點：在這個區(qū)域內連續(xù)落下的煤?？偸巧w在正在燃燒或將燃盡的焦碳層上，下部引燃作用十分強烈，著火條件優(yōu)越；而且煤粒經過爐內分選，落在爐排每個斷面上的煤的粒度組成比較一致，因此爐排強度可以提高，能適應的煤種范圍也比較廣。其次，由于燃燒的燃料層較薄，而且比較均勻地分布在爐排面上，因此沿爐排長度方向上各斷面上的燃燒情況是相似的，火床上面的氣體成分也比較均勻，化學不完全燃燒損失一般很小。同時由于煤層薄，燃燒又很猛烈，因此爐子的熱慣性較小，調節(jié)靈敏。此外，煤粒在爐膛中穿過高溫煙氣時，一部分表明已經焦化，加之火床中煤粒的粒度又比較一致，因此無論燃煤性質是否屬于粘結，火床中一般都不會出現結大塊渣的現象。但是拋煤機鍋爐同樣存在有很嚴重的問題：a. 由于爐膛溫度較低，致使許多煤粉尚未燃燒就被排出去了，造成飛灰中碳含量非常高，造成嚴重的效率降低及環(huán)境污染。b. 由于爐膛體積有限，導致煤粉內的碳未能完全燃燒，同樣會導致燃燃料損失和燃燒效率的降低。因此，改善拋煤機鍋爐的燃燼率、提高燃燒效率；減少粉塵和有害氣體的排放，是開發(fā)高效潔凈半懸浮式拋煤機鍋爐的關鍵技術。隨著我國對于合理、節(jié)約利用資源和大力發(fā)展環(huán)境保護的要求不斷提高，在燃煤領域進行相關的技術改造是不可避免的。而要解決拋煤機鍋爐中存在的這些問題，方法主要分為兩大類：一是從爐內燃燒的燃料和空氣的角度入手，如改變燃料種類或者是改變空氣組分；二是改變拋煤機鍋爐系統(tǒng)結構，如加入飛灰回燃技術。本文的研究背景就是建立在回燃式拋煤機鍋爐飛灰分離系統(tǒng)之上的。下圖是回燃式拋煤機鍋爐示意圖（圖1-2）20：圖1-2 回燃式拋煤機鍋爐示意圖1.4 旋風除塵器在拋煤機鍋爐中的運用在拋煤機鍋爐系統(tǒng)中加入煙氣飛灰分離收集環(huán)節(jié)，使未燃盡的煤炭被捕集回收，可以提高燃料的使用率，降低環(huán)境污染。在拋煤機鍋爐系統(tǒng)中使用的旋風除塵器做為一種氣固分離設備，它與傳統(tǒng)煤粉爐使用的氣固分離設備（如靜電除塵器和布袋除塵器）有著不同的作用。靜電除塵器和布袋除塵器的作用主要是捕集鍋爐燃燒產生的灰塵，達到減小環(huán)境污染的目的，它們的安裝位置通常是在整個鍋爐系統(tǒng)尾部溫度較低的地方。而本實驗研究的旋風除塵器則是安裝在溫度較高的位置，主要是用來分離爐膛內排出的燃燒煙氣中尚未燃燼的煤碳，使之能夠再次被送回燃燒室進行燃燒，從而提高煤碳的使用效率同時降低對于環(huán)境的負擔。本課題實驗所使用的研究模型正是基于用于拋煤機鍋爐飛灰回燃系統(tǒng)的旋風除塵器而設計的。1.5 本課題的研究內容I. 課題的立題依據 旋風除塵器作為鍋爐煙氣飛灰分離系統(tǒng)的一個關鍵部分，長久以來，關于其結構的優(yōu)化研究已經有許多人研究過了。但是，到至今為止，對于旋風除塵器排氣管段的位置問題，并沒有太多人注意過。目前，幾乎所有的旋風除塵器采取的都是中置的方案。然而，由于改變排氣管的位置將改變旋風除塵器內部流場的特性，所以，旋風除塵器排氣管的偏置有可能增加其分離效率和降低壓力損耗。由于現有的關于這方面的文獻資料比較有限，所以本課題的目的就是通過冷態(tài)?；瘜嶒灪蛿抵的M對旋風除塵器排氣管偏置所產生的分離效率及壓力損失上的影響做一個詳細的研究，并為旋風除塵器的優(yōu)化設計提供一個新的思路。II. 課題研究內容a. 通過冷態(tài)模化實驗研究旋風除塵器排氣管插入深度對于分離效率和壓力損失的影響，并確定一個最佳的插入深度。b. 通過冷態(tài)?；瘜嶒炑芯啃L除塵器排氣管偏置對分離效率和除塵器壓力損失的影響。結合實驗數據，分析排氣管偏置對除塵器內部流場產生的作用并研究流場變化引起對應分離效率與壓力損失變化的原因。綜合評估排氣管偏置對提高旋風除塵器性能的作用，并確定最佳方案。第二章 旋風除塵器理論基礎2.1 旋風除塵器的發(fā)展歷史及研究進展 從 1886 年Morse的第一臺圓錐形旋風分離器使用至今，已有一百多年的時間了。旋風分離器早期用于食品工業(yè)，主要用于氣力輸送谷物的收集。隨著近現代工業(yè)的發(fā)展，旋風分離器在眾多需要氣固分離的領域使用范圍越來越廣。這主要與旋風分離器的結構和運行特點有關。旋風分離器有以下幾個特點:a. 本身無運動部件，結構簡單，不需特殊的附屬輔助設備，占地面積小，制造、安裝費用較少。b. 操作、維護簡便，壓力損失中等，阻力損失不大，運行、維護費用較低 。c. 操作彈性較大，性能穩(wěn)定，不受含塵氣體的濃度、溫度限制。對于粉塵的物理性質無特殊要求，同時可根據工作條件的不同要求，選用不同材料制作或內襯各種不同的耐磨、耐熱材料，以提高使用壽命4。從最初的設計到如今，在旋風除塵器投入使用的這一百多年里，人們對于提高其分離效率與降低其壓力損失的研究始終沒有停止過。趙兵濤在文獻6中介紹了從上個世紀70年代至今，國內外眾多科研人員對于旋風除塵器內部氣固兩相分離模型做出的研究。彭雷4論文中也介紹了旋風分離器的幾何尺寸、切割粒徑和能量耗散的發(fā)展變化情況以及旋風除塵器內部流場研究的發(fā)展。陳宏基和姜大志10，楊麗萍9，徐劍等8對于通過改變旋風除塵器的設計結構來提高效率和降低阻力損耗均做了深入的研究。2.2 旋風除塵器內部流場的相關概念1.氣流在旋風除塵器內的運動過程當氣流從旋風除塵器入口進入除塵器內部之后大部分會沿筒壁向下做螺旋運動，形成外旋流。在這個過程中，大部分的顆粒會由于離心力的作用而被甩向壁面并由于重力的原因下落至底部灰斗被收集，而少部分的顆粒會隨著氣流繼續(xù)向下運動。而當旋轉氣流進入錐體部分之后，隨著錐體半徑的急劇收縮，根據“旋轉矩不變”原理，其切向速度不斷提高。當氣流運動到錐體的某一特定位置之后，便會發(fā)生轉向，向上繼續(xù)做螺旋運動，形成內旋流并從排氣管排出；同時其夾帶的少部分顆粒物也會一并逃逸。上灰環(huán)的形成：所謂上灰環(huán)，指的就是當含塵氣體進入旋風除塵器之后，有一部分顆粒會在筒體上部靠近蓋板處的環(huán)形區(qū)域內做環(huán)繞運動，并最后沿排氣管外壁直接進入排氣管入口，與內旋流一起排出，形成短路流，造成分離效率下降。形成上灰環(huán)的主要原因是由于在環(huán)形區(qū)域做完一圈旋轉運動的氣流在回到入口處的時候會受到新進入氣流的補充，旋轉速度增大，其內部塵粒獲得的動量將使之保持在環(huán)形區(qū)域內繼續(xù)做旋轉運動。2.切向速度在三個速度分量中，切向速度對于分離效率的影響是最為明顯的。顆粒在做螺旋運動的時候會受到切向速度的作用，產生離心沉降。所以切向速度越大則分離效果越好。根據11，在旋風除塵器內部的切向速度是強制與自由兩股渦流合成的蘭金復合渦。自由渦在外部，而內部是一股強制渦流。渦流的最高速度發(fā)生在兩個渦流交界處，可以達到進口平均速度的1.7倍。下圖為旋風除塵器筒體內部切向速度分布4（圖2-1）： 圖2-1切線速度分布3.軸向速度 旋風除塵器筒體中外旋流的軸向速度向下，而內旋流則相反。軸向速度決定了塵粒在旋風除塵器內部停留時間的長短。根據4軸向速度不僅沿徑向上的分布復雜，而且沿軸向上的變化也很大，軸對稱性不如切向速度。4.徑向速度通常徑向速度的方向是指向旋風除塵器幾何中心的。徑向速度決定了塵粒的沉降速度。相較于切向和軸向速度，徑向速度要小一個數量級，而且測量起來非常困難。5.渦流由于旋風除塵器內部流場非常復雜，流動產生的各類渦流對于分離器的分離效果和壓力損失影響很大。以下介紹的是兩個最主要的渦流：a. 短路流。正如前面提到的，短路流指的就是在旋風除塵器蓋板、桶內壁和排氣管外壁組成的環(huán)形區(qū)域內，有部分氣流會由于除塵器頂部壓力下降而不再向下做螺旋運動，而是沿排氣管外壁面向蓋板頂部旋轉運動，到達頂部后又管壁向下至排氣管入口處隨內旋流一起排出。短路流的存在會使得其夾帶的塵粒一起逃逸，造成旋風除塵器分離效率的下降。b. 旋進渦核。旋進渦核PVC(Precessing Vortex Core)是在強旋流流場中產生的一種三維、非穩(wěn)態(tài)流動現象。強旋流表現在流體中心受力，旋渦區(qū)偏離中心軸，并且繞著中心軸線旋進。旋進渦核很容易引起低頻高幅值的壓力、速度振蕩和隨機湍流，除了產生很大的噪音和分離效率的下降之外，壓力波動還可能會對設備的殼體產生過壓現象；由振蕩所引起的系統(tǒng)共振還會影響系統(tǒng)的正常操作及縮短工作壽命。142.3 切割粒徑的推導15切割粒徑是反映旋風除塵器性能的一個基本指標。它主要由旋風除塵器內部氣流的旋轉流動情況所決定。在除塵器內，粒子能否被分離的影響因素主要是它在內外旋流交界面上所受到的兩個力之間的大小關系：螺旋運動產生的離心力和氣流向心運動時施加在粒子上的向心阻力。當離心力大于向心阻力時，粒子被甩向桶壁，進而被捕集；當離心力小于向心阻力時，粒子在向心氣流的帶動下進入內旋流，進而從排氣管中逃逸出去；當離心力等于向心阻力時，則從理論上來說，粒子受外力和為零，在交界面上不停旋轉。而實際上，由于各種隨機因素的影響，處于這種平衡狀態(tài)的塵粒有50%的可能性進入內旋流，也有50%的可能性移向桶壁，此時的除塵效率為50%，即為切割粒徑。其推導方法如下：對于球形粒子，由斯托克斯定律可得：（式2-1） 其中，為交界面處氣流的切向速度，；的大小可根據下式計算：（式2-2） 其中為旋轉半徑可由下式計算：（式2-3） 其中為旋風除塵器處理風量，；分別為交界圓柱面的半徑和高度，；（式2-4）所以，越小說明旋風除塵器的分離效率越高。第三章 實驗設備及測試方法3.1 實驗系統(tǒng)簡介如圖3-1所示,整個旋風除塵器實驗系統(tǒng)主要由振動給料機，氣固混合管段，旋風除塵器模型，灰斗，引風機和壓降、速度測量裝置組成。由于實際運行過程中大多數的旋風除塵器是處于負壓工作狀態(tài)，所以本實驗也采取同樣負壓設置。選定的固體顆粒與空氣在氣固混合管段進行充分混合之后沿切線進入旋風除塵器。含塵氣體在旋風除塵器內部做螺旋運動，產生的離心力將絕大部分顆粒甩向壁面，并通過底部灰斗進行收集。氣體及少量剩余顆粒物沿螺旋路徑到達除塵器錐體底部之后反向向上繼續(xù)做螺旋運動，從排氣管通過引風機被排出通入空氣中。 圖3-1 實驗系統(tǒng)圖 3.2 相似模化3.2.1 旋風除塵器結構尺寸本實驗使用的旋風除塵器由切線入口室、除塵器筒體、集灰斗和排氣管段組成。由于本實驗是冷態(tài)實驗，所以實驗室模型的各項參數必須根據實際工況中使用的旋風除塵器進行相似?；詽M足幾何相似。模化推導過程如下： 原形參數： 煙氣流量 =110000 m3/h 煙氣溫度 =600 筒內煙氣上升速度 =5m/s 筒體直徑 =2.8 m 入口寬度 =0.7 m 入口高度 =2=1.4 m 排氣管直徑 =1/2=1.4 m 灰斗集灰口直徑 =1/4=0.7 m 圓筒高 =2=4.8 m計算過程： 根據筒內氣體運動相似，流量比例常數CQ等于：（式3-1） 其中為線性比例常數，為速度比例常數，()代表原形。由于本實驗計算中將實體和模型的入口速度v和筒內煙氣上升速度vup設為相同，所以根據上式，可得（式3-2）所以幾何相似比等于6。則模型的寬度b=0.7/6=0.12，其余的參數根據旋風除塵器設計手冊得出如下（表3-1）： 表3-1旋風除塵器的設計尺寸入口高度 aa=2b=0.24 m筒體直徑=4b=0.46 m排氣管直徑=0.25 m灰斗集灰口直徑=0.1 m圓筒高=1.5D=0.7 m錐體高=2.5D=1.1 m總高HH=+=1.8 m排氣管插入深度m*排氣管插入深度的確定過程將后文詳細闡述旋風除塵器的結構見圖3-2 。 圖3-2 旋風除塵器設計尺寸(單位：cm)3.2.2 顆粒粒徑及流場特性的?；捎诒緦嶒炇抢鋺B(tài)實驗，所以需要對于實際高溫煙氣中顆粒物的粒徑進行相似模擬,以獲得對應的實驗室條件下的顆粒粒徑，從而使得筒內粒子的運動軌跡與實際情況相似。在各類相似準則中，對于實驗流動狀況產生比較明顯影響的是斯托克斯準則和雷諾準則Re。斯托克斯準則表達的是顆粒慣性力與氣流阻力之比。慣性力是促使氣固兩相分離的力，而阻力則相反。由于實驗條件的限制，我們無法使得斯托克斯準則完全相等，只能盡量保持接近。下面是斯托克斯數的表達式：（式3-3） 其中：為顆粒密度與空氣密度之差。由于顆粒密度遠大于空氣密度，所以可以近似認為等于顆粒密度；為實際顆粒和實驗顆粒的粒徑；為原型和模型的特征速度；為氣體粘度，對于實際煙氣=，而對于實驗室冷空氣=；為原型的特征尺寸，這里選擇筒徑；推導過程：I） 實際工況下的：（式3-4） II） 實驗室狀態(tài)下的：（式3-5）因為要保證I，II狀態(tài)下兩斯托克斯數相等，所以：（式3-6）即實驗室模擬使用的顆粒粒徑為原型的四分之一。雷諾準則Re在粘性流體受迫運動中，是對流動狀態(tài)起決定作用的因素，故模型中Re值應保證和實物中的Re值相等。但當流動Re小于第一臨界Re數或大于第二臨界Re數時，慣性力成為決定性因素，粘性力影響可忽略，流場結構與Re數的大小無關。此時稱流動處于自?；癄顟B(tài)。通常進入自?；瘏^(qū)的Re4。而根據雷諾數公式：（式3-7） 其中： 為流體密度； 為當量直徑； 為流體流動速度； 為氣體粘度，對于實際煙氣=，而對于實驗室冷空氣=；推導過程：I） 實際工況下的Re：（式3-8） II） 實驗室狀態(tài)下的：（式3-9） 所以原型和實驗室狀態(tài)下的雷諾數皆處于第二自?；瘏^(qū)。3.2.3 顆粒分布 典型的拋煤機鍋爐的飛灰粒度分布見表3-2表3-2 拋煤機鍋爐飛灰粒度分布根據3.2.2的計算，實驗室對應使用的顆粒的粒徑分布應為（表3-3）：表3-3 顆粒粒徑分布（顆粒物總重量：1000g）10的含量5000目2.611%110 g20的含量2500目5.223%120 g44的含量1250目10.442%190 g74的含量800目1956%140 g149的含量200目7527%270 g3.3 偏置角度及偏置距離本實驗采用了6個偏置角度及對應每個角度上4個偏置距離，加上排氣管中置的方案，一共25個工況。各工況點排氣管位置如圖3-3所示。根據相對偏心距L的定義：（式3-10）所有實驗工況組合如下（表3-4）表3-4實驗工況序號偏置方向（）偏置距離S（mm）相對偏心距（L）其它實驗條件1000系統(tǒng)入口風速：19 m/s系統(tǒng)入口濃度：6000 mg/m3測試溫度：202010010301501440250245035033690100107901501489025024990350331013510010111351501412135250241313535033141801001015180150141618025024171803503318225100101922515014202252502421225350332227010010232701501424270250242527035033圖3-3 表示了旋風除塵器蓋板上偏置點位置圖3-3 偏置角度及距離3.4 測量設備及給料系統(tǒng)I本實驗的測量設備分為以下幾種：a. 稱量用電子秤。JM型數字式電子秤，主要用來稱量測試前后顆粒物的質量。使用測試后收集的顆粒質量除以入口給料量即可以獲得對應工況的分離效率。b. 笛形管（均速管流量計）。主要用于測量旋風除塵器系統(tǒng)前后的全壓差。c. U型管壓差計。本實驗中主要用它來連接旋風除塵器系統(tǒng)前后的笛形管，以直接讀出系統(tǒng)的壓力損失。II根據入口濃度c=8000 mg/m3，v=19 m/s 由以下的式子可以計算出顆粒的給料濃度：（式3-11）為防止顆粒聚合，在正式實驗之前需進行攪拌處理。顆粒通過一臺型號為ZG-10的電磁給料機加入。而通過使用前的標定，給料機給料過程均勻，可以滿足實驗需要。3.5 實驗測量方法3.5.1 壓力損失的測量3.5.1.1 笛形管工作原理 本實驗中，測量系統(tǒng)壓力損失的工具是笛形管，其工作原理如下：圖3-4 笛形管工作原理如圖3-4所示，笛形管安裝在管道中央垂直于氣流來流方向位置。按照等面面積環(huán)法，我們將管道分成面積相等的若干個圓環(huán)并在笛形管上的對應位置開全壓測量孔。當氣流流經笛形管的時候，各個測壓孔可以獲得氣流的全壓。由于這若干個測壓孔是相通的，所以當使用總壓管將各點測值匯總到一起并連接到U型管的一端時，這一端的壓力就是氣流的全壓。從管壁出接出一根靜壓管，連接到U型管的另一端，此時U型管的液面差就是測試截面的動壓。為了保證笛形管不會對管內流場產生過于嚴重的影響，造成測量誤差，根據文獻2，在保證剛度的條件下，笛形管越細越好，一般取。因此在本實驗中，笛形管的管徑取為5 mm。對于全壓孔，直徑也是越小越好，但是為了防止堵塞，全部測壓孔面積的總和不應超過笛形管內總截面積的30%。所以，本實驗中笛形管的全壓孔直徑定為3 mm。 3.5.1.2 壓力測點的確定 壓力測量的關鍵在于如何有效測地選擇截面上測量點。 I進口段全壓測點的分布。對于像入口管段這樣的矩形管道，為了能測得全壓和流速的平均值，必須把截面用經緯線分成若干面積相等的小矩形2。小矩形面積的數量取決于管道的邊長。根據經驗，對于矩型截面管道邊長小于500 mm的情況，均勻分布的小矩形數量（測點排數）應該為3排。所以本實驗系統(tǒng)入口段全壓測點分布為（圖3-6）：II. 出口段全壓測點的分布。根據12,由于出口管段是圓管，而氣流圓管道截面上的速度分布是不均勻的，因而全壓不能單純取截面中點的測定值。截面上測點的位置可按等截面分環(huán)法確定。對于圓截面管道，如圖3-5所示，可將其劃分成幾個等面積的同心圓環(huán)，測點則定于等到分圓環(huán)截面的中心線與管直徑的交點處，令各點劃線相對圓心的距離為，管道半徑為，圓截面積為，則有：（式3-12）由圖可知：（式3-13）（式3-14）（式3-15）（式3-16）所以：（式3-17）若以管壁做為基準，則測點距離管壁的距離為：（式3-18）通常來說，截面上劃分的圓環(huán)數愈多，所測數據平均后的結果愈接近實際值，然而也不能太多。根據經驗，一般對于直徑為250 mm的圓管，圓環(huán)數量取4個。所以根據上述公式，本實驗中出口全壓測量點依次取=81 mm，=48 mm，=26 mm，=8 mm。根據軸對稱性，在兩邊各取4個測點，一共8點。圖3-7為出口管截面測點分布情況。圖3-5等截面分環(huán)法示意圖圖3-7 出口管道截面上的測點分布圖3-6 進口管段動壓測點分布將兩根總壓管分別連接在U形管的兩端，即可直接測出旋風除塵器系統(tǒng)前后壓力損失。3.5.2 分離效率的測量 分離效率的測量方法主要有三種：質量法，濃度法和質量濃度法。本實驗采用的是質量法。（式3-19） 質量法即通過測量實驗前后顆粒物的質量，以實驗后的質量除以實驗前的質量求得效率 第四章 實驗數據分析4.1 排氣管插入深度的確定排氣管的插入深度對于旋風除塵器分離效果有直接的影響，一般來說，如過插入深度過淺的話，容易造成排氣管入口處發(fā)生粉塵短路的現象；而如果插入深度過深的話雖然可以減少短路流造成的損失，但又會使得塵粒直接隨內旋流夾帶排出的幾率增大。本實驗利用5.2的微珠進行分離效率和壓力損失的測試，比較實驗結果以確定最佳的插入深度。下圖（圖4-1）是實驗結果的曲線：圖4-1排氣管插入深度實驗結果由圖可知，當插入深度為0.85D時，分離效率最高，為91.6%。所以本實驗排氣管的插入深度確定為0.85D，即39.1 cm。4.2 排氣管偏置對于分離效率和壓力損失的影響。下表（表4-1）為25個工況的實驗數據。表4-1 冷態(tài)實驗數據序號偏置方向（）偏置距離S（mm）相對偏心距（L）插入深度總壓差(kPa)分離效率(%)10000.85D1.50 91.60 20100.10.85D1.46 91.88 30150.140.85D1.09 90.17 40250.240.85D0.94 83.00 50350.330.85D1.04 82.58 690100.10.85D1.51 92.20 790150.140.85D0.97 92.87 890250.240.85D0.93 89.96 990350.330.85D0.9086.25 10135100.10.85D1.52 92.42 11135150.140.85D1.04 91.61 12135250.240.85D0.98 91.61 13135350.330.85D0.96 91.30 14180100.10.85D1.50 92.53 15180150.140.85D1.16 92.66 16180250.240.85D1.06 88.40 17180350.330.85D1.05 88.50 18225100.10.85D1.56 92.25 19225150.140.85D1.28 94.12 20225250.240.85D1.19 90.06 21225350.330.85D1.06 88.40 22270100.10.85D1.58 92.06 23270150.140.85D1.15 91.62 24270250.240.85D1.11 92.04 25270350.330.85D1.11 85.38 4.2.1 排氣管偏置對于分離效率的影響 通過對于數據的整理，我們可以發(fā)現排氣管位置的變化對于分離效率的影響是非常明顯的（圖4-2a，4-2b）：圖4-2a圖4-2b根據圖4-2a，我們可以看到并不是所有工況的分離效率都相較于中置情況均有所上升。在相對偏心距為0.1到0.14的范圍內，分離效率基本都能有所提高，而從0.14往后效率反而有所降低。根據圖4-2b可以發(fā)現，效率上升的工況主要集中90225之間。在其中效率上升最多的是偏置方向為225，相對偏心距為0.14的情況，上升了2.52%。我們主要從排器管外壁上的離體流區(qū)（detached flow）以及排氣管入口截面上的旋進渦核現象這兩方面入手，對旋風除塵器分離效率隨排氣管位置變化而升高的原因進行分析。I離體流區(qū)。離體流區(qū)的定義：當流體在排氣管與筒壁之間高速流動時，由于排氣管外壁面比較粗糙，對流體流動產生磨擦，使得靠近排氣管外壁面的一部分流體的切向速度變得遠小于中間部分流體的切向速度，造成流體沿流動截面出現速度梯度，從而在排氣管外壁面形成一定厚度的滯留層。由于在這個滯留層內部切向速度比較小，會造成流體中的塵粒聚集在其中，并最終沿排氣管外壁進入內旋流形成短路流，從而降低了分離效率。根據18，在排氣管外壁90290之間都有可能存在有離體流區(qū)，離體流區(qū)的厚度因模型的尺寸和實驗工況而異。排氣管偏置使得對應偏置方向上流體的流動空間被壓縮，造成流體的流動速度經歷一個先增大后減小的過程，從而使得這個位置上的離體流區(qū)被破壞，造成了分離效率的提高。另外，如圖4-2b所示，分離效率在相對偏心距為0.1至0.14的位置上基本保持逐漸增大的趨勢，這說明離體流區(qū)的厚度范圍就這個區(qū)域附近，所以將排氣管偏向此處可以消除它對于分離效率的影響。II 旋進渦核對于分離效率的影響。在前文2.1.5中已經對于旋進渦核做了簡單的介紹。根據16，下圖（圖4-3）表示了旋進渦核中心對于切向速度的影響：圖4-3圖中，是幾何中心，為渦核中心。為距離渦核中心最近器壁上的一點，為距離渦核中心最遠器壁上的一點，和應該在同一條直線上，顯然， 。但是根據角動量守恒，通過和的角動量的通量是平衡的，顯然，從渦核中心到器壁點的切向速度值比渦核中心到器壁點的值大，由徑向壓力梯度公式：（式4-1）（其中為壓力，為切向速度，為流體密度）可知，氣流切向速度分布導致徑向壓力分布和渦核中心附近的負壓區(qū)存在，從而造成回流，使得附近區(qū)域的細微顆粒較快地進入內旋流區(qū)，這可能是造成細微顆粒分離效率比較低的一個原因。而文獻 13也通過排氣管內切向速度沿軸向的變化證實了旋進渦核對于分離效率的影響：由于旋進渦核造成的反饋機理，排氣管內部氣流的切向速度會沿軸向衰減，因而會使得流場沿軸向上出現逆向的壓力梯度，從而在排氣管入口處產生回流，影響了分離效率。 研究對象的選擇。根據16，旋進渦核現象并不僅僅局限于排氣管入口處附近，而是存在于旋風除塵器整個空間之內。但是根據19，由于在排塵口附近，渦核已與器壁接觸。當顆粒落在排塵口處時，由于渦核與器壁面接觸，就易攪起沉積在器壁上的顆粒，造成排塵口處顆粒返混，使其隨渦核進入內旋流，從而極易從芯管中排出，大大地降低了顆粒的分離效率。鑒于本實驗研究的是排氣管偏置對于分離效率和壓力損失的影響，所以我們選取排氣管入口截面作為研究對象。根據19中的相關圖表（圖4-4）我們可以發(fā)現：圖4-4 PVC幅值沿徑向位置的變化旋進渦核在幅值在排氣管入口處呈雙峰分布，且最大幅值較其他截面處要大，所以排氣管入口處渦核發(fā)生偏心振動容易造成粉塵反混。 分離效果提高的原因分析。在文章前面的部分已經明確了旋進渦核對于分離效率的影響，所以在這一部分我們可以嘗試利用旋進渦核對于分離效率的影響進行分析。根據前面幾部分的解釋，我們可以認為當旋進渦核消除的時候旋風除塵器的分離效率會上升。根據P. A. Yazdabadi 等13對于排氣管內旋進渦核的研究結果，我們可以利用排氣管偏置前后內部切向速度軸對稱性的不同，研究偏置之后排氣管內旋進渦核的存在情況，進而分析分離效率提高的原因。根據13當旋進渦核現象被消除的時候，即旋進渦核中心和排氣管幾何中心相重合的時候，排氣管內的切向速度分布會更具軸對稱性（見圖4-5a和圖4-5b）。圖4-5b 消除旋進渦核現象后排氣管內切向速度分布圖4-5a 存在旋進渦核現象時排氣管內切向速度分布所以如果我們能夠獲得偏置前后排氣管內部切向速度的分布情況，通過比較兩者的軸對稱情況，就可以更為直觀地分析偏置對于分離效率的改善情況。4.2.2 排氣管偏置對于壓力損失的影響通過觀察圖4-6a和圖4-6b我們可以發(fā)現，排氣管偏置對于壓力損失的改善同樣非常明顯。圖4-6a圖4-6b 根據圖4-6a，我們可以發(fā)現，大多數的偏置工況都可以帶來壓力損失的降低，這對于實現工業(yè)上的經濟性和國家的節(jié)能要求都是非常有利的。其中以偏置方向為90，相對偏心距為0.33時壓力損失降低的最多，接近38%。從圖4-6b中可以看出，在偏置方向為0，相對偏心距0.240.33的范圍內，壓力損失反而又所上升，那是因為當排氣管向此方向偏置時，會對氣流入口流通面積有所壓縮，從而造成了壓力損失的上升。在此，我們嘗試從排氣管內流場特性改變的角度來分析壓力損失降低的原因。 我們可以通過對比偏置前后排氣管內部速度場（主要是切向速度和軸向速度）的分布情況，分析偏置對于排氣管內降低壓力損失的原因。文獻17介紹的是通過添加減阻桿實現減小旋風除塵器排氣管內阻力的實驗研究。雖然沒有牽涉到排氣管的偏置，但是我們可以借鑒這篇文章對于排氣管內部阻力變化的分析方法，實現對于本實驗結果的分析說明。 根據17，我們知道當外旋氣流經過一系列螺旋運動之后，到達錐體底部并反向向上形成內旋流進入排氣管并最終離開除塵器。此時排氣管內的內旋流從理論上講已經是清潔氣流，無需進行螺旋運動來分離顆粒物。所以此時的螺旋運動對于氣流來說，只是帶來了能量的損耗，而且氣流旋轉切向速度越大，則螺旋運動越強烈，那么能量的損失就越大，最直接的反映就系統(tǒng)壓力損失的提高。而且正如文獻13里介紹的那樣，正是由于排氣管內部內旋流的存在，才會在排氣管內形成旋進渦核，從而在排氣管入口附近產生軸向回流區(qū)，增加系統(tǒng)阻力并減小分離效率。文獻17通過對比加入減阻桿前后排氣管內部切向速度和軸向速度曲線的趨勢的不同，說明了減阻桿對于排氣管內流場的改善情況，從而解釋了排氣管內阻力下降的原因。本實驗中，我們也可以通過對比偏置前后排氣管內部切向速度和軸向速度分布情況，說明偏置對于壓力損失降低的原因。下面是文獻17中關于加入減阻桿前后排氣管內壓力損失變化的解釋過程：首先根據17中的相關圖表（圖4-7a和圖4-7b），我們可以觀察到未加減阻桿情況下，排氣管內部切向和軸向速度曲線圖：圖4-7b時平均軸向速度圖4-7a 時平均切向速度 此時，切向速度比較大且變化幅度比較大，這些都會加大氣體的能量損耗。而軸向速度從管壁向中心逐漸減小，且速度梯度比較大，在中心處甚至出現了負速度區(qū)，即反向流動區(qū)，從前文的介紹中我們已經知道，反向流動區(qū)對于壓力損耗和分離效率都有不利的影響。通過加入減阻桿之后，我們可以發(fā)現排氣管內的切向和軸向速度曲線發(fā)生了很大的變化（圖4-8a和圖4-8b）：圖4-8a插入減阻桿后的時平均切向速度圖4-8b插入減阻桿后的時平均軸向速度 加入減阻桿之后，排氣管內的切向速度曲線變得平緩了許多，而且其各個位置上的切向速度大小也均隨之降低。這說明排氣管內氣流的螺旋運動減弱了，其能量消耗也有所降低。而加入減阻桿之后，排氣管內部軸向上的回流區(qū)也消失了，這同時也減少了系統(tǒng)的阻力損失。所以，當排氣旋管內壓力損失減小的時候，其內部切向和軸向速度的曲線也會變得平緩，而且各點的切向速度均會有所減?。欢瑫r軸向速度的負速度區(qū)也會有縮減，回流區(qū)會被減小甚至完全消除。同樣地，如果能獲得偏置前后管內切向和軸向速度的分布圖，比較兩者曲線的趨勢和各點的數值大小，就可以進一步分析偏置前后排氣管內壓力損失的改善情況。4.3最佳工況的確定從實驗結果可以看出，排氣管偏置對于提高旋風除塵器的分離效率和降低其壓力損失都有所幫助。分離效率的提高主要集中在相對偏心距為0.10.14，偏置方向90225之間。在其中效率上升最多的是偏置方向為225，相對偏心距為0.14的情況，上升了2.52%。而壓力損失的降低則比較普遍，其中以偏置方向為90，相對偏心距為0.33時壓力損失降低的最多，接近38%。所以經過綜合考慮，我們選取偏置方向為225，相對偏心距為0.14的工況為本實驗的最佳工況。因為此工況的分離效率比中置情況下高2.52%而壓力損失卻下降了110Pa。第五章 結論本文通過冷態(tài)實驗，研究了旋風除塵器排氣管的布置對分離效率和壓力損失的影響規(guī)律，并嘗試從旋進渦核及排氣管內部流場特性變化的角度對實驗結果進的分析。實驗結論如下：I. 通過對于0.45D0.95D范圍內不同插入深度的實驗，本文確定了一個最佳的插入深度0.85D。在此條件下，除塵器的分離效率達到最高。II. 通過對于各個偏置方向和偏置距離的測試，我們發(fā)現排氣管偏置對于旋風除塵器的分離效率和壓力損失都有明顯的影響，其中某些位置可以提高分離效率，而大多數位置都可以有效地降低系統(tǒng)的壓力損失。相對于中置情況，在某些偏置工況下旋風除塵器的分離效率會有一定的上升，其中分離效率提高最多的是偏置方向為225，相對偏心距為0.14的情況，上升了2.52%。而排氣管偏置之后，大部分工況下系統(tǒng)的壓力損失同樣會有不同程度的降低，其中偏置方向為90，相對偏心距為0.33時壓力損失降低的最多，接近38%。通過綜合比較，確定偏置方向為225，相