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旋风分离器入口结构对CFB锅炉循环物料分配特性的影响研究

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中国电机工程学报 2024年

作者：谢玉婷刘海玉牛俊天周世豪李昊金燕太原理工大学电气与动力工程学院

随着循环流化床锅炉参数不断增大，旋风分离器的数量和尺寸也不断变化，多分离器并联布置时，分离器入口的气固流动容易出现不均匀性，影响炉内燃烧和安全。基于CPFD方法，对660 MW超临界CFB锅炉建立全回路几何模型并进行数值模拟，研... 详细信息

随着循环流化床锅炉参数不断增大，旋风分离器的数量和尺寸也不断变化，多分离器并联布置时，分离器入口的气固流动容易出现不均匀性，影响炉内燃烧和安全。基于CPFD方法，对660 MW超临界CFB锅炉建立全回路几何模型并进行数值模拟，研究分离器入口结构对“H”型布置的六分离器循环物料分配特性的影响。结果表明：中间分离器的入口位置、炉内屏式过热器的布置方式、中间分离器入口的角度和高度，以及炉膛顶部凸起高度对六分离器入口的物料分配均有影响；中间分离器入口位置为前墙“偏心—轴对称”布置，炉内屏为均匀布置时分离器入口颗粒流量偏差较小；随着中间分离器入口角度增大，偏差先减小后增大，在65.6 °时偏差最小；随着中间分离器入口高度增大，偏差先减小后增大，在9.25 m时偏差最小，高度大于9.5 m后，中间分离器入口的颗粒流量大于两边；随着炉顶凸起高度增加，偏差先减小后增大，在300 mm时偏差最小。

关键词：循环流化床 CPFD 旋风分离器物料分配

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旋风分离器内置导流叶片结构参数优化研究

石油机械 2024年第8期52卷 92-100页

作者：曾云陈宓魏轲李美求李银银李伟伟董吉宁长江大学机械工程学院山东省天然气管道有限责任公司山东省微远科技有限公司

为研究旋风分离器内置导流叶片各个结构参数之间的相互作用,基于CFD数值模拟方法和BBD试验设计,采用二阶多项式基函数建立了Stairmand旋风分离器的叶片轴向位置、叶片长度及叶片偏转角度与分离效率及压降间的数学模型。拟合结果表明:响... 详细信息

为研究旋风分离器内置导流叶片各个结构参数之间的相互作用,基于CFD数值模拟方法和BBD试验设计,采用二阶多项式基函数建立了Stairmand旋风分离器的叶片轴向位置、叶片长度及叶片偏转角度与分离效率及压降间的数学模型。拟合结果表明:响应目标的决定系数均在0.99以上,表明相关性和回归模型效果较好。使用Design Expert软件处理数据后选择了最佳推荐点,对分离器结构进行了优化。优化后的模型与原结构对比结果如下:优化模型的压降略有上升;颗粒直径在1~20μm范围内时,优化前后分离器的分离效率变化明显,尤其在1~15μm范围内时,优化前分离效率为6.8%~31.0%,优化后则达到了17.0%~54.0%,提升约20个百分点;而当粒径在15~40μm区间时,优化前后的分离效率变化不明显,尤其是在粒径20~40μm时,优化前的分离效率为71.0%~98.0%,而优化后的分离效率只有77%~99%,提升约10个百分点;优化后的模型性能符合“高效低阻”的设计目标。所得结论可为旋风分离器内置叶片的改进提供设计指导。

关键词：旋风分离器 Fluent 结构优化响应面法 BBD试验设计分离效率

出口结构对轴流式旋风分离器性能影响的数值模拟

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安全与环境学报 2024年第2期24卷 759-767页

作者：王锁芳赵浩宇柴金孟郭跃腾张胜南京航空航天大学能源与动力学院南京210016

为探究出口结构对轴流式旋风分离器性能的影响,通过大涡模拟与离散相模型耦合的数值方法,对4种不同出口结构轴流式旋风分离器进行数值模拟研究,同时,引入Omega准则识别内部空间涡结构。结果显示,在轴流式旋风分离器内部,叶片吸力面与导... 详细信息

为探究出口结构对轴流式旋风分离器性能的影响,通过大涡模拟与离散相模型耦合的数值方法,对4种不同出口结构轴流式旋风分离器进行数值模拟研究,同时,引入Omega准则识别内部空间涡结构。结果显示,在轴流式旋风分离器内部,叶片吸力面与导流锥底部形成了叶间通道涡与导流锥尾迹涡,且涡旋速度梯度大,并会将颗粒卷吸到涡核中心,使分离效率降低;楔形与弧形出口结构加剧了涡结构在出口管内破碎的现象,且较直筒型出口的压力损失更低。在弧形出口前设计直线段可减缓型面扩张,即混合型出口可进一步改善弧形出口的流阻与分离性能。总体来看,楔形出口和混合型出口的性能较好,可为轴流式旋风分离器的结构改进提供一定参考。

关键词：环境工程学旋风分离器大涡模拟出口结构分离性能涡结构

炼钢转炉低质煤气在旋风分离器中的高效燃烧特性研究

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洁净煤技术 2024年

作者：王梓熠李森魏小林赵京李博姚远中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室中国科学院大学工程科学学院

转炉低质煤气CO浓度低且含有少量O2，存在爆炸危险，无法回收利用，目前通过卷吸空气使转炉低质煤气在气化冷却烟道内无组织地燃烧，现有技术难以实现气化冷却装置内煤气的高效燃烧利用。旋风分离器内部流场拥有强旋流、强混合的特点，... 详细信息

转炉低质煤气CO浓度低且含有少量O2，存在爆炸危险，无法回收利用，目前通过卷吸空气使转炉低质煤气在气化冷却烟道内无组织地燃烧，现有技术难以实现气化冷却装置内煤气的高效燃烧利用。旋风分离器内部流场拥有强旋流、强混合的特点，实现转炉煤气除尘的同时有利于转炉低质煤气的混合燃烧。为解决转炉低质煤气难以高效燃烧利用的难题，基于转炉煤气全干法回收新工艺，采用数值模拟的方法研究了转炉低质煤气在旋风分离器内部的流动和燃烧情况。结果表明：气化冷却烟道中心附近过量空气系数均低于0.4，而旋风分离器内过量空气系数均大于1，转炉低质煤气与空气在旋风分离器内得到了充分混合；较高的湍流动能、局部旋涡提升了转炉低质煤气与空气在旋风分离器内的混合效果；气化冷却烟道内燃烧区域狭小，流动截面内OH平均浓度分数为305×10-6，燃烧强度低；旋风分离器内燃烧区域分布广泛，流动截面内OH平均浓度分数达到650×10-6，燃烧强度高；转炉低质煤气流经旋风分离器后，在前烧阶段燃烧效率从74.64%上升到98.86%，在后烧阶段燃烧效率从44.08%上升到95.05%；在旋风分离器内部实现了转炉低质煤气的高效燃烧。

关键词：转炉低质煤气气化冷却烟道高效燃烧旋风分离器混合燃烧燃烧效率

MTO装置再生器旋风分离器操作优化模拟研究

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石油炼制与化工 2024年第7期55卷 135-143页

作者：彭威黄新俊詹庆丽刘胜昔马文杰黄立华中国石油大学(北京)克拉玛依校区中国石油玉门油田分公司炼油化工总厂中国石油青海油田格尔木炼油厂

旋风分离器是甲醇制烯烃（MTO）装置常用的气固两相分离设备，其分离效率对装置的长周期稳定运行非常重要。某0.6 Mt/a MTO装置采用高活性催化剂后，再生器烧焦主风量低于设计值，导致一级旋风分离器入口气速低，20μm以下细粉催化剂跑... 详细信息

旋风分离器是甲醇制烯烃（MTO）装置常用的气固两相分离设备，其分离效率对装置的长周期稳定运行非常重要。某0.6 Mt/a MTO装置采用高活性催化剂后，再生器烧焦主风量低于设计值，导致一级旋风分离器入口气速低，20μm以下细粉催化剂跑损量增大，催化剂消耗量增大。为此，采用计算颗粒流体力学（CPFD）软件模拟再生器四组二级旋风分离器的不同操作工况，调整旋风分离器入口面积与烟气流量改变入口气速，研究入口气速对旋风分离器压降和分离效率的影响规律。结果表明：烟气流量为42 241 m3/h时，封闭一组一级入口，旋风分离器入口气速提高3 m/s,旋风分离器总效率提高0.501百分点。依据模拟结果对旋风分离器提出了优化操作建议，可推广应用于其他MTO装置的操作调整。

关键词：甲醇制烯烃旋风分离器再生器入口气速分离效率数值模拟

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旋风分离器流固耦合分析与裂纹产生机理探究

油气田地面工程 2024年第6期43卷 9-14页

作者：李玉坤王鄯尧王东营沈珂张楠楠何正迎曹小建中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院浙江运达风电股份有限公司风力发电系统国家重点实验室中国石油天然气集团有限公司北京天然气管道有限公司同济大学土木工程学院

高压旋风分离器是压气站天然气出站前的重要净化分离设备,其入口压力高,波动大,内部动力学响应复杂。目前,国内运行中的分离器壳体入口区域多出现微裂纹。为探究旋风分离器内部流场分布情况,研究分离器壳体的动态响应,准确认识分离器入... 详细信息

高压旋风分离器是压气站天然气出站前的重要净化分离设备,其入口压力高,波动大,内部动力学响应复杂。目前,国内运行中的分离器壳体入口区域多出现微裂纹。为探究旋风分离器内部流场分布情况,研究分离器壳体的动态响应,准确认识分离器入口区域裂纹产生机理,基于有限元法分别计算了稳定和非稳定压力入口边界条件下分离器内部流场分布规律,将流场压力结果通过流固耦合面传递至分离器壳体作为固体域的载荷边界条件,计算分离器壳体的应力和变形。再制作标准试件,以分离器入口区域的应力值作为载荷条件,进行了拉伸和疲劳试验,探寻其入口区域微裂纹产生机理。该研究可为旋风分离器的裂纹预防和工程维护提供理论指导。

关键词：旋风分离器流固耦合波动压力疲劳试验

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木材工业用旋风分离器的区间不确定性优化

木材工业用旋风分离器的区间不确定性优化

作者：张恭宇中南林业科技大学

学位级别：硕士

旋风分离器是一种利用气固两相流体的离心力来分离固体颗粒的设备,广泛应用于木材加工业中对木屑、锯末等废弃物的回收和利用。其性能主要由压降和分离效率决定,这些性能指标受到结构参数的影响。在实际操作中,如制造误差、进气速度和流... 详细信息

旋风分离器是一种利用气固两相流体的离心力来分离固体颗粒的设备,广泛应用于木材加工业中对木屑、锯末等废弃物的回收和利用。其性能主要由压降和分离效率决定,这些性能指标受到结构参数的影响。在实际操作中,如制造误差、进气速度和流量,以及被分离颗粒的大小、密度粘性等不确定性因素,都可能影响着旋风分离器的性能。传统设计方法通常基于确定性假设,从而不可避免地导致设计结果与实际工况不相符。为提升旋风分离器的分离性能并确保模拟结果的可靠性,本文以现行木材工业用旋风分离器标准LY/T 1423-2018中的一款模型为例,以计算流体力学-离散项模型为基础,利用响应面法构建代理模型,进行确定性优化。构建以进气速度为不确定性因素的区间优化问题,通过一种改进的双层嵌套解耦技术进行求解,优化了对旋风分离器性能影响最大的三个结构参数。论文的主要研究内容及结果如下:(1)通过计算流体力学方法对旋风分离器进行数值模拟。分析旋风分离器的结构特性,建立了三维物理模型。比较不同模拟方法,选择最适合旋风分离器的数值模拟策略,采用雷诺应力模型模拟内部流场细节,有限体积法离散控制方程,得到旋风分离器的性能,效率为76.84%,压降为1.301kPa。(2)对旋风分离器的关键参数进行确定性优化,构建代理模型。通过灵敏度分析,识别出四个关键参数:进气口宽度、高度,排气口直径和进气速度。利用Box-Behnken设计方法建立了代理模型,进行确定性优化,结果表明分离效率提升至95.82%,压降降低至0.83kPa,比原模型提高了18.98%和降低了36.2%。(3)用区间优化方法对旋风分离器的设计进行改进。以代理模型为基础,建立了以三个结构参数为设计变量,效率为约束条件,压降为优化目标的区间优化数学模型,用一种基于“顺序优化与可靠性评估”解耦思想的高效非线性区间优化方法进行高效求解。得到了最优设计参数,预测分离效率为[90.67,95.87]%,压降为[0.402,0.968]kPa。验证显示,优化模型分离效率为94.23%,压降为0.794kPa。结果验证了解耦方法的有效性和模型的准确性。(4)总结旋风分离器压力场和速度场的分布规律,并对三种模型进行对比分析。区间优化模型在效率和压降方面均优于原始模型,效率提高了17.39%,压降降低了48.34%。与确定性优化相比,区间优化模型的效率虽有轻微下降,但压降降低了19%,显示出更优的性能。因考虑了不确定性因素,区间优化模型的结果相较于确定性优化更为可靠。

关键词：旋风分离器计算流体力学响应面法不确定性区间优化

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旋风分离器的区间不确定性优化设计

长沙航空职业技术学院学报 2024年第1期24卷 38-44页

作者：张恭宇郑哲文谢慧超中南林业科技大学材料科学与工程学院湖南长沙410004 湖南交通工程学院交通运输工程学院湖南衡阳421001

旋风分离器在实际运行和使用过程中往往存在诸多不确定性因素,传统设计方法通常基于确定性假设,从而不可避免地导致设计结果与实际工况不相符。以CFD-DPM方法为基础,采用区间模型对旋风分离器的不确定性参数进行度量,利用响应面方法建... 详细信息

旋风分离器在实际运行和使用过程中往往存在诸多不确定性因素,传统设计方法通常基于确定性假设,从而不可避免地导致设计结果与实际工况不相符。以CFD-DPM方法为基础,采用区间模型对旋风分离器的不确定性参数进行度量,利用响应面方法建立代理模型,并采用一种改进的双层嵌套解耦技术对模型进行高效求解,最终所求得的最优结构参数为De/D=0.361、a/D=0.276、b/D=0.327。与原模型相比,效率提高了3.72%,压降降低了34%。与代理模型效率接近,压降提高了18%。表明考虑不确定性因素后,旋风分离器的分离效果有所下降,考虑不确定性的设计更能贴合旋风分离器的工作实际。

关键词：旋风分离器计算流体力学(CFD) 响应面法不确定性区间优化

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旋风分离器气固流动特性数值模拟研究

轻金属 2024年第1期 18-24,34页

作者：钱玉宝郭旭涛邱腾煌长江大学机械工程学院湖北荆州434023 湖北省油气钻完井工具工程技术研究中心湖北荆州434023 中石化石油机械股份有限公司湖北武汉430205

为探究旋风分离器流场特性与分离特征,在气固两相流理论基础上,建立旋风分离器结构模型,通过CFD数值模拟软件对分离器的流场进行仿真计算,研究了气相速度场和压力场分布情况,考察各项参数对分离性能的影响。进行方案优选,在圆柱段长度43... 详细信息

为探究旋风分离器流场特性与分离特征,在气固两相流理论基础上,建立旋风分离器结构模型,通过CFD数值模拟软件对分离器的流场进行仿真计算,研究了气相速度场和压力场分布情况,考察各项参数对分离性能的影响。进行方案优选,在圆柱段长度430 mm、下锥段长度790 mm、溢流管插入深度140 mm、溢流口直径80 mm时分离器分离效率达到最优值。通过线性回归与多元逐步回归法推导得出分离效率与参数间的关系表达式,对分离器结构改进具有重要的参考价值。

关键词：旋风分离器数值模拟多相流分离性能