poprawa sprawności separatora cyklonowego poprzez dodatkowe

MODELOWANIE INŻYNIERSKIE nr 55, ISSN 1896-771X
POPRAWA SPRAWNOŚCI SEPARATORA
CYKLONOWEGO POPRZEZ DODATKOWE
PODSYSANIE GAZU
Arkadiusz Kępa1a
1
a
Instytut Maszyn Cieplnych, Politechnika Częstochowska
[email protected]
Streszczenie
Poprawa sprawności separatora cyklonowego jest nadal przedmiotem wielu badań. Jednym z rozwiązań jest
zastosowanie dodatkowego podsysania gazu. W niniejszej pracy porównano dwa podstawowe przypadki:
podsysanie przez dyszę umieszczoną w dolnej części cyklonu oraz dodatkowe podsysanie przez nurnik
urządzenia. Podstawą porównania są wyniki obliczeń CFD, w których zastosowano metodę RANS z modelem
naprężeń turbulentnych RSM. Tory ziaren, a tym samym i skuteczność przedziałową, uzyskano na podstawie
modelu Lagrange’a. Przeprowadzona analiza pokazała, iż podsysanie odpowiedniej ilości gazu we właściwej
lokalizacji może poprawić sprawność cyklonu.
Słowa kluczowe: cyklon, separacja ziaren, CFD, dodatkowe podsysanie gazu
THE CYCLONE EFFICIENCY IMPROVEMENT
USING ADDITIONAL GAS EXTRACTION
Summary
The improvement of the cyclone performance is still a subject of many scientific investigations. One of the
method is the use of additional gas extraction. The paper presents a comparison between two basic cases,
namely when an additional (part of the) gas is extracted through a nozzle located in the lower part of the
cyclone and when the gas is split into two parts in the cyclone vortex finder. The case comparison was based
on the results of the CFD calculations. The RANS equations with the RSM turbulence model has been used
for the gas flow analysis. The Lagrangian method is employed to track the particle motion and calculate the
particle separation efficiency in the cyclone. This study shows that the extraction of a suitable quantity of gas
in a proper manner facilitates the improvement of the total cyclone efficiency.
Keywords: gas cyclone, particle separation, CFD, additional gas extraction
1. WSTĘP
mocy cieplnej od 5 do 50 MW). Jednak od stycznia
2016 próg ten zostanie obniżony do 100 mg/mu3 co
wymusza wprowadzenie modernizacji lub poszukiwanie
zupełnie nowych rozwiązań.
Oprócz optymalizacji wymiarów geometrycznych
innym sposobem poprawy osiągów cyklonu może być
zastosowanie
dodatkowego
podsysania
gazu.
W rozwiązaniu tym część oczyszczonego, w mniejszym
lub większym stopniu, gazu nie opuszcza cyklon prze
wylot główny (tzw. nurnik), ale przez inny, dodatkowy
kanał. Takie rozwiązanie według najlepszej wiedzy
Cyklony, jako urządzenia separacyjne, dzięki
prostej konstrukcji, niskim kosztom inwestycyjnym
i eksploatacyjnym
oraz
często
wystarczającej
sprawności są nadal stosowane w wielu instalacjach
przemysłowych. W Polsce są powszechnie spotykane w
małych
ciepłowniach
spalających
w
kotłach
rusztowych (typu WR) węgiel kamienny. Do chwili
obecnej separatory te zapewniały nieprzekraczanie
dopuszczalnej emisji pyłów, czyli 400 mg/mu3 (dla
64
Arkadiusz Kępa
autora było analizowane przez bardzo niewielu
badaczy. Dodatkowy kanał (dysza ssąca) w dotychczas
opublikowanych badaniach był umieszczony w dolnej
części cyklonu (w części stożkowej lub w samym
zasobniku pyłu) lub w części górnej (nurnik lub tuż za
nim). Pierwszy sposób był analizowany w [1]. Obie
metody porównano w pracy [2]. Najczęściej stosowany
jest drugi ze wspomnianych sposobów, przykłady
można znaleźć w pracach [3, 4, 5, 6 i 7].
W prezentowanej pracy porównano skuteczność
obu rozwiązań.
nurnik
wewnętrzny
i zewnętrzny
przeciwstożek
2. ANALIZOWANA GEOMETRIA
Istnieje bardzo wiele rozwiązań konstrukcyjnych
separatorów, które wykorzystują siłę odśrodkową do
separacji ziaren materiału sypkiego z transportującego
je gazu. Najczęściej stosowany jest jednak klasyczny
cyklon ze stycznym wlotem. W Polsce bardzo często
spotykana jest geometria typu CE [8]. Odpylacze CE
posiadają zwiększoną odporność na erozję pyłową,
stąd często możemy je spotkać w przemyśle
koksowniczym, odlewniczym czy w energetyce do
odpylania spalin. Analizowaną w niniejszej pracy
geometrię pokazano na rys. 1. Bazuje ona na geometrii
cyklonu CE-1-400/0,4, o średnicy części walcowej
wynoszącej 0,4 m i średnicy wlotu do nurnika równej
0,4·0,4=0,16 m.
Dla
wszystkich
analizowanych
przypadków (oznaczonych literami od A od E) główne
wymiary cyklonu i zasobnika były te same. Geometria
A – bez dodatkowego podsysania - była punktem
wyjściowym do badań. W przypadku oznaczonym
literą B podsysano z dolnej części cyklonu 20 % a w
przypadku C – 40 % całkowitej ilości gazu
dostarczanego do urządzenia. Podsysanie odbywało się
przez górną podstawę ściętego stożka umieszczonego
przed wylotem do zasobnika pyłu (zobacz rys. 1). W
przypadkach D i E również podsysano odpowiednio 20
i 40 % gazu, jednak tym razem przez nurnik cyklonu.
Został on zmodernizowany (umieszczono w nim drugą
rurę wylotową) tak, że strumień wylotowy jest
dzielony na dwie części. Strumień zewnętrzny będzie
traktowany jako podessany, a część gazu wypływająca
rurą wewnętrzną będzie nazywana strumieniem
głównym.
Rys. 1. Główne wymiary analizowanego cyklonu (w mm)
3. MODEL OBLICZENIOWY
Siatkę obliczeniową pokazano na rys. 2. Cyklony
podzielono
na
2∙105
komórek
(sześciościany
i czworościany). Obliczenia numeryczne wykonano,
wykorzystując komercyjne oprogramowanie Ansys
Fluent. Przepływ w cyklonie modelowany był z
wykorzystaniem szeregu modeli numerycznych. Do
modelowania turbulencji został wykorzystany model
RSM (Reynolds Stress Model) odzwierciedlający
anizotropową turbulencję w cyklonie. Algorytm
SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure Linked
Equations) został wykorzystany do sprzęgnięcia
ciśnienia i prędkości. Równania transportu były
rozwiązywane schematami dyskretyzacji wyższych
rzędów (second-order upwind). Warunki brzegowe: dla
ścian - funkcje standardowe, prędkość wlotowa 11 m/s (warunek velocity inlet), a na powierzchniach
wylotowych warunek outflow umożliwiający podział
strumienia w zadanych proporcjach. W obliczeniach
jako kryterium zbieżności przyjęto dla każdego
z równań residua <10-3.
65
POPRAWA SPRAWNOŚCI SEPARATORA CYKLONOWEGO POPRZEZ…
Obliczone dla wszystkich przypadków skuteczności
przedziałowe zamieszczono na rys. 4. Podsysanie 20 %
gazu przez przeciwstożek (przypadek B) nieznaczenie
A
B
C
D
E
Rys. 2. Domena obliczeniowa
Trajektorie niesionych przez gaz ziaren były
wyznaczane przy wykorzystaniu podejścia Lagrange’a
(ang. Discrete Phase Model). Uwzględniono siły oporu
aerodynamicznego i ciężkości. Gęstość ziaren wynosiła
1800 kg/m3. Ziarna równomiernie rozmieszczone na
powierzchni wlotowej miały początkową prędkość
równą prędkości gazu. Założony udział objętościowy
ziaren wynosił 1 %. Cząstki, które zderzyły się z dnem
zasobnika, były zliczane i usuwane z domeny
obliczeniowej. Na podstawie ich liczby obliczono
przedziałową skuteczność separacji cyklonu.
Rys. 3. Kontury prędkości stycznych (w m/s)
zmienia kształt krzywej skuteczności przedziałowej
w porównaniu do przypadku bez podsysania (A).
Poprawia się skuteczność zatrzymywania ziaren
o średnicy 1 i 2,5 µm, a pogarsza dla ziaren 0,1 i
5 µm. Wyraźnie widać, że dalszy wzrost ilości
podsysanego gazu (przypadek C – 40 %) znacząco
pogarsza skuteczność zatrzymywania większych ziaren.
Ziarna większe od 2 µm (nawet 10 µm) są
zatrzymywane z dużo mniejszą skutecznością.
4. WYNIKI OBLICZEŃ
Na kolejnych rysunkach pokazano wybrane wyniki
obliczeń (symulacji). Rys. 3 przedstawia kontury
prędkości stycznych gazu w przekroju osiowym
cyklonu. Widać uformowany wir z maksymalnymi
prędkościami na promieniu zbliżonym do promienia
nurnika i zerowymi prędkościami w osi i na ściankach
urządzenia. Zastosowanie przeciwstożka uniemożliwia
dalszą propagację wiru do zasobnika.
Obliczone straty ciśnienia są następujące:
przypadek A – 760 Pa, B – 900 Pa, C – 1100 Pa, D –
650 Pa i E – 595 Pa. Podsysanie przez przeciwstożek
generuje większe straty. Wynika to prawdopodobnie
z konieczności przepompowania dosyć dużej ilości gazu
przez stosunkowo niewielki otwór przeciwstożka.
Ciśnienie tam panujące jest (odpowiednio dla
przypadku B i C) o około 160 i 400 Pa niższe niż
w wylocie głównym. W praktyce konieczne byłoby
więc
zastosowanie
dodatkowego
wentylatora
wyciągowego. Nie ma takiej konieczności przy
podsysaniu (dzieleniu strumienia w nurniku), gdzie
ciśnienie
w
nurniku
zewnętrznym
(strumień
podsysany) jest wyższe niż w wewnętrznym (strumień
główny).
1.0
A
B
C
D
E
sprawność [-]
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0.1
1
10
-6
średnica ziarna [10 m]
Rys. 4. Obliczone skuteczności przedziałowe
Dla podsysania przez nurnik (przypadki D i E)
obliczone skuteczności przedziałowe są niższe niż dla
podsysania przez przciwstożek (przypadki B i C) i
mniejsze od skuteczności cyklonu bez podsysania
(przypadek A). Należy jednak zwrócić uwagę, że
również straty ciśnienia dla przypadków D i E są o
około 100 Pa niższe. Daje to pewną rezerwę
66
Arkadiusz Kępa
i możliwość poprawy skuteczności poprzez zwiększenie
prędkości wlotowej do cyklonu ponad rozważane
11 m/s. Dla takich samych strat ciśnienia różnice w
skuteczności pomiędzy przypadkami B i D powinny
być mniejsze, aczkolwiek weryfikacja tego wymagałaby
dalszych obliczeń.
Zwiększenie podsysania przez nurnik z 20 do 40 %
spowodowało
nieznaczne
tylko
pogorszenie
skuteczności cyklonu.
Dodatkowe
podsysanie
przez
przeciwstożek
powoduje wzrost maksymalnej prędkości gazu (która
występuje przy wlocie do dyszy podsysającej) do ok.
51 m/s (przypadek B) i do 59 m/s (przypadek C). Jest
to niewątpliwie przyczyna wzrostu strat ciśnienia.
Jednocześnie obserwacje pokazały, że gaz napływa do
przeciwstożka nie tylko z obszaru cyklonu, ale i z
zasobnika. Podsysanie wraz z gazem już wcześniej
odseparowanych
ziaren
tłumaczy
pogorszenie
sprawności zatrzymywania większych ziaren dla
przypadku C. Analiza pól prędkości gazu pokazała, że
zwiększanie podsysania skraca wir - przejście
opadającego wiru zewnętrznego we wznoszący
wewnętrzny zachodzi wyżej (bliżej wlotu do nurnika) co również może pogorszyć separację w cyklonie.
Generalnie poprawa skuteczności cyklonu poprzez
podsysanie przez przeciwstożek jest ograniczona do
niewielkich (raczej mniejszych od 20 %) ilości
podessanego gazu.
Podsysanie przez nurnik (przypadki D i E) ma
mniejszy wpływ na przepływ gazu w samym cyklonie.
Zmiana udziału gazu podsysanego ma nieznaczny
wpływ na zmiany skuteczności cyklonu. Samo
podsysanie przez nurnik, jak już wspomniano, raczej
nie poprawia skuteczności zatrzymywania ziaren przez
sam cyklon.
Przy podsysaniu bardzo istotne jest, jak
poszczególne klasy ziarnowe są dzielone pomiędzy oba
strumienie gazu (podessany i główny). Wzrost
koncentracji ziaren w strumieniu podessanym (tj. gdy
ich udział jest większy niż w głównym strumieniu
wylotowym) może ułatwić późniejsze ich zatrzymanie,
np. w filtrze tkaninowym. Zmniejszenie objętości
filtrowanego strumienia gazu jest korzystne ze względu
na mniejsze gabaryty filtra i tym samym niższe koszty.
Na rysunkach 5 i 6 pokazano unos ziaren oraz ich
rozdział na poszczególne strumienie – podsysany
(oznaczony na rysunku jako przeciwstożek) i główny
(wylot główny).
Na przykład w cyklonie B (dwudziestoprocentowe
podsysanie
przez
przeciwstożek)
sprawność
zatrzymywania ziaren o średnicy 2,5 µm wynosi 65 %
(rys. 4). Czyli unos (udział ziaren nie zatrzymanych)
wynosi 35 %, przy czym 10 % ze wszystkich
wprowadzonych ziaren 2,5 µm jest podsysanych a
25 % pozostaje w strumieniu głównym (rys. 5).
Jeśli założymy, że strumień podsysany jest następnie
oczyszczany ze 100 % sprawnością, np. w filtrze
tkaninowym, to sprawność układu cyklon plus filtr
będzie zależna jedynie od sprawności samego cyklonu.
Iloraz
ziaren
podessanych
do
wszystkich
niezatrzymanych, nazwany sprawnością rozdziału,
może być miarą skuteczności układu cyklon plus filtr.
Obliczone sprawności rozdziału dla analizowanych
przypadków podsysania pokazano na rys. 7.
1.0
A
B
B - wylot główny
B - przeciwstożek
0.8
unos [-]
0.6
0.4
0.2
0.0
0.1
1
10
-6
średnica ziarna [10 m]
Rys. 5. Unos (strata) ziaren dla 20% podsysania przez
przeciwstożek (przypadek B)
1.0
A
C
C - wylot główny
C - przeciwstożek
0.8
unos [-]
0.6
0.4
0.2
0.0
0.1
1
10
-6
średnica ziarna [10 m]
Rys. 6. Unos (strata) ziaren dla 40% podsysania przez
przeciwstożek (przypadek C)
Obliczone dla dużych ziaren (5 µm i więcej)
sprawności rozdziału obarczone są bardzo dużą
niepewnością. Wynika to z bardzo małego unosu tych
ziaren. Bardzo mała liczba dużych ziaren nie jest
zatrzymana przez cyklon i jest następnie dzielona
pomiędzy strumień podsysany i główny. Niepewność
wzrasta wraz ze zmniejszającą się liczbą ziaren, stąd
wnioski co do sprawności rozdziału ziaren 5 µm
i większych należy formułować bardzo ostrożnie.
Jak pokazuje rys. 7, sprawność rozdziału wzrasta
wraz ze zwiększaniem podsysania. Wyższe sprawności
(przy tej samej ilości podysanego gazu) uzyskiwane są
dla podsysania przez przeciwstożek.
67
POPRAWA SPRAWNOŚCI SEPARATORA CYKLONOWEGO POPRZEZ…
umieszony przed wylotem do zasobnika pyłu
niewielkich ilości gazu może poprawić skuteczność
cyklonu, jednak wiąże się to ze wzrostem strat
ciśnienia. Podysanie przez przeciwstożek zbyt dużej
ilości gazu pogorsza sprawność i znacząco podnosi
straty ciśnienia.
W obu sposobach, przy podsysaniu przez nurnik jak i
przez przeciwstożek, rośnie udział ziaren w tym
strumieniu kosztem strumienia głównego.
Podsysanie przez przeciwstożek, w przeciwieństwie do
podsysania przez nurnik, wymaga zastosowania
dodatkowego wentylatora wyciągowego.
1.0
sprawność rozdziału [-]
0.8
0.6
podsysanie przez
przeciwstożek
B (20%)
C (40%)
nurnik zewnętrzny
D (20%)
E (40%)
0.4
0.2
0.0
0.1
1
10
-6
średnica ziarna [10 m]
Rys. 7. Przedziałowa sprawność rozdziału
5. PODSUMOWANIE
W niniejszej pracy modelu RANS i Lagrange’a
użyto do symulacji anizotropowego, turbulentnego
przepłwu zapylonego gazu w cyklonie. Dodatkowe
podsysanie gazu zmienia kształt krzywej skuteczności
przedziałowej.
Podsysanie
przez
przeciwstożek
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Kępa A.: CFD investigation of a flow inside a cyclone with additional gas extraction. “Chemical and Process
Engineering” 2008, 29, p. 1027-1035.
Crane R.I., Barbaris L.N., Behrouzi P.: Particulate behaviour in cyclone separators with secondary gas
extraction. ”J. Aerosol Sci.” 1992, Vol.23, Suppl. 1, p. S765-S768.
Ray M.B., Luning P.E., Hoffamnn A.C., Plomp A., Beumer M.I.L.: Improving the removal efficiency of
industrial-scale cyclones for particles smaller than five micrometre. “Int. J. Miner. Process.” 1998, 53, p. 3947.
Zhao W., Mujumdar A.S., Ray M.B.: Collection efficiencies of various designs of post-cyclone. “The
Canadian Journal of Chemical Engineering” 2001, Vol. 79, October, p. 708-716.
Jo Y., Tien C., Ray M.B.: Development of a post cyclone to improve the efficiency of reverse flow cyclones.
“Powder Technology” 2000, 113, p. 97-108.
Sadighi S., Shirvani M., Esmaeli M., Farzami R.: Improving the removal efficiency of cyclones by recycle
stream. “Chem. Eng. Technol.” 2006, 29, No. 10, p. 1242-1246.
Kępa A.: Division of outlet flow in a cyclone vortex finder - The CFD calculations. "Separation and
Purification Technology” 2010, 75, p. 127–131.
BN-80/2371-19 Urządzenia odpylające - Odpylacze Cyklonowe CE - Podstawowe parametry i wytyczne
doboru.
68