关于旋风分离器旋流中细颗粒传输和沉积过程的实验研究

《Advanced Powder Technology》：Experimental study on fine particle transport and deposition processes in the swirling flow of a cyclone separator

本研究通过实验与理论建模，探究旋风分离器中细颗粒的迁移与沉积机制。实验采用100mm透明旋风分离器，使用0.98-4.54μm球形二氧化硅颗粒，在5-30m/s入口风速和1-100g/m3浓度下，揭示了四种沉积模式（UAP、TAP、SAP、NAP）随入口风速变化的规律。研究发现离心力主导下颗粒沉积速度较直流提升2-3个数量级，并建立无量纲沉积速度与松弛时间的定量关系，提出临界入口风速模型，构建了颗粒运动状态图，为工业旋风分离器防堵提供理论支撑。

　　

胡波|陈建毅|杨立新|吴晓健|魏耀东

中国石油大学（北京）机械与交通工程学院，北京102249，中国

摘要

旋风分离器在工业粉尘去除中起着重要作用，但其内壁上的细颗粒沉积会降低分离效率，甚至导致堵塞。为了阐明细颗粒在旋风分离器中的传输和沉积机制，使用直径为100毫米的透明旋风分离器和球形二氧化硅颗粒（0.98–4.54微米）进行了实验，入口气体速度范围为5–30米/秒，颗粒浓度为1–100克/立方米。实验确认了四种典型的沉积模式：不稳定粘附模式（UAP）、厚粘附模式（TAP）、螺旋粘附模式（SAP）和非粘附模式（NAP），这些模式随着入口气体速度的增加而依次出现。由于离心力的主导作用，颗粒在旋流中的无量纲沉积速度比在直流中的高2–3个数量级，并且与无量纲松弛时间建立了定量关联。确定了去除粘附颗粒所需的临界入口气体速度U_cr。此外，还提出了一个颗粒运动状态图，以划分逃逸区、沉积区和收集区的边界。这些结果为旋流中的颗粒沉积机制提供了宝贵的见解，并为减轻旋风分离器中的颗粒沉积提供了理论支持。

引言

在石油精炼、燃煤发电和金属冶炼等工业生产过程中，废气中通常含有大量的细颗粒[1]、[2]、[3]、[4]。特别是空气动力学直径小于2.5微米的细颗粒物（PM_2.5）是工业污染控制的重点。这些气溶胶颗粒可以在大气中悬浮较长时间，并随气流进行长距离传输，对区域生态系统和人类健康构成严重威胁[5]、[6]。由于旋风分离器结构简单、成本低廉，并且能够承受高温和高压，因此被广泛用作控制工业粉尘排放的核心设备[7]、[8]、[9]。然而，细颗粒的分离面临重大挑战。由于颗粒表面的复杂物理化学性质（如粘性、静电荷）以及高温工业环境[10]、[11]的影响，细颗粒容易在范德华力和静电力的作用下粘附在壁上。颗粒沉积会增加旋风分离器的壁面粗糙度，从而降低分离效率[10]、[12]、[13]、[14]、[15]。在严重情况下，脱落的沉积物甚至可能堵塞旋风分离器的出口，导致设备故障[16]、[17]。

已有许多关于旋风分离器内壁颗粒沉积的实验研究。Yuu等人[18]首次观察到颗粒粘附形成了螺旋带，并指出这些带的厚度随入口颗粒浓度的增加而增加。Yoshida等人[19]进一步发现沉积层的厚度在轴向是不均匀的，最显著的沉积发生在分离器底部的粉尘出口处。Bogodage和Leung[20]指出切向气体速度的变化会影响螺旋沉积带的倾斜角度。Zhou等人[21]通过类比沙丘的运动解释了螺旋沉积带的形成，并观察到了厚粘附层的形成。尽管这些研究很有价值，但它们主要侧重于宏观沉积模式的定性描述，缺乏对内部颗粒传输和粘附过程的详细机制理解。

从机制角度来看，颗粒向壁面的传输受到多种物理机制的驱动，包括沉降、湍流扩散、惯性效应、热泳和静电吸引。一旦颗粒到达近壁区域（此处气体速度和湍流效应显著减小[22]），它们需要穿过边界层才能接触壁面，而这一沉积过程受到颗粒大小的强烈影响。根据颗粒大小的差异，可以区分出三种主要的沉积机制：扩散沉积模式、扩散-撞击模式和惯性调节模式[23]、[24]、[25]。对于亚微米颗粒，它们的传输主要依赖于湍流扩散和布朗扩散。随着颗粒大小的增加和惯性的增大，这些颗粒在大湍流涡流的作用下获得诱导速度，并被推向壁面。颗粒与壁面接触后，其粘附情况取决于界面粘附力和气流去除力之间的竞争。Cleaver和Yates[26]假设粘性亚层内不稳定的湍流爆发产生的升力会将沉积颗粒重新卷入流场。然而，后续的研究[27]、[28]表明，气流的切向阻力比湍流爆发的垂直升力更为关键。在阻力的作用下，粘附颗粒倾向于发生滚动脱落，颗粒越小，所需的剪切力越大[29]、[30]。然而，必须注意的是，这些经典理论大多基于直管。与直流不同，旋风分离器内的强烈旋流会产生一个主导颗粒向壁面迁移的离心力，强烈的剪切流显著影响颗粒的粘附和积累行为。

鉴于此，本文结合可视化实验和理论建模来研究旋流场中细颗粒的传输和粘附过程。该研究系统总结了旋风分离器内壁上的典型颗粒沉积模式。此外，定量分析了旋流条件下无量纲沉积速度与无量纲松弛时间之间的关系，并建立了旋风分离器中粘附颗粒的临界去除速度模型。基于此，构建了旋风分离器内多分散颗粒运动状态的状态图。这些结果旨在为旋流中的气固相互作用提供新的见解，并为减轻工业旋风设备中的颗粒沉积提供理论支持。

实验装置

如图1所示，实验装置主要包括旋风分离器、双螺杆喂料器、离心风机、采样瓶以及相关的测量和控制仪器。入口气体速度通过皮托管监测，并通过蝶阀进行调节，而颗粒浓度则由喂料器的转速控制。颗粒进入旋风分离器后，大部分颗粒由于离心力的作用向壁面迁移并沉积

旋风分离器壁面上的颗粒沉积模式

图5显示了实验后从旋风分离器顶部拍摄的颗粒沉积图像。入口颗粒浓度为1克/立方米，入口气体速度分别为5米/秒、10米/秒、15米/秒和25米/秒（对应图5a至5d）。虽然图中显示的是2.03微米的颗粒，但其他颗粒尺寸也观察到了类似的形态。根据颗粒粘附特性的差异，观察到了四种不同的沉积模式。

不稳定粘附模式（UAP，图5a）：

结论与展望

本研究实验性地探讨了旋风分离器中的颗粒沉积模式和传输机制。主要结论如下：

(1)

确认了四种典型的沉积模式：不稳定粘附模式（UAP）、厚粘附模式（TAP）、螺旋粘附模式（SAP）和非粘附模式（NAP）。入口气体速度决定了它们从UAP到TAP、SAP，最终到NAP的顺序演变。

(2)

主要受强离心力的驱动，

作者贡献声明

胡波：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，项目管理，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。陈建毅：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法论，形式分析，数据管理，概念化。杨立新：撰写 – 审稿与编辑，可视化，监督，软件，资源，方法论。吴晓健：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督。魏耀东：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：22078357）和国家研发计划（项目编号：2016YFC0303708和2018YFC0310504）的支持。