MODELOWNIE INŻYNIERSKIE nr 55, ISSN 1896-771X POPRW SPRWNOŚCI SEPRTOR CYKLONOWEGO POPRZEZ DODTKOWE PODSYSNIE GZU rkadiusz Kępa 1a 1 Instytut Maszyn Cieplnych, Politechnika Częstochowska a a_kepa@imc.pcz.czest.pl 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 RNS 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 DDITIONL GS EXTRCTION 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 RNS 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 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/mu 3 (dla mocy cieplnej od 5 do 50 MW). Jednak od stycznia 2016 próg ten zostanie obniżony do 100 mg/mu 3 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 64
rkadiusz 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. 2. NLIZOWN GEOMETRI 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. nalizowaną 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 od E) główne wymiary cyklonu i zasobnika były te same. Geometria 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 nurnik wewnętrzny i zewnętrzny przeciwstożek Siatkę obliczeniową pokazano na rys. 2. Cyklony podzielono na 2 10 5 komórek (sześciościany i czworościany). Obliczenia numeryczne wykonano, wykorzystując komercyjne oprogramowanie nsys 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. lgorytm 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
POPRW SPRWNOŚCI SEPRTOR CYKLONOWEGO POPRZEZ Obliczone dla wszystkich przypadków skuteczności przedziałowe zamieszczono na rys. 4. Podsysanie 20 % gazu przez przeciwstożek (przypadek B) nieznaczenie 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/m 3. 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. 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 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). 66 Rys. 3. Kontury prędkości stycznych (w m/s) zmienia kształt krzywej skuteczności przedziałowej w porównaniu do przypadku bez podsysania (). 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. sprawność [-] B C D E 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 ). Należy jednak zwrócić uwagę, że również straty ciśnienia dla przypadków D i E są o około 100 Pa niższe. Daje to pewną rezerwę
rkadiusz 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. naliza 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. unos [-] B B - wylot główny B - przeciwstożek Rys. 5. Unos (strata) ziaren dla 20% podsysania przez przeciwstożek (przypadek B) unos [-] C C - wylot główny C - przeciwstożek 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
POPRW SPRWNOŚCI SEPRTOR CYKLONOWEGO POPRZEZ sprawność rozdziału [-] podsysanie przez przeciwstożek B (20%) C (40%) nurnik zewnętrzny D (20%) E (40%) Rys. 7. Przedziałowa sprawność rozdziału 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. 5. PODSUMOWNIE W niniejszej pracy modelu RNS 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. Kępa.: CFD investigation of a flow inside a cyclone with additional gas extraction. Chemical and Process Engineering 2008, 29, p. 1027-1035. 2. Crane R.I., Barbaris L.N., Behrouzi P.: Particulate behaviour in cyclone separators with secondary gas extraction. J. erosol Sci. 1992, Vol.23, Suppl. 1, p. S765-S768. 3. Ray M.B., Luning P.E., Hoffamnn.C., Plomp., 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. 39-47. 4. Zhao W., Mujumdar.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. 5. 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. 6. 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. 7. Kępa.: Division of outlet flow in a cyclone vortex finder - The CFD calculations. "Separation and Purification Technology 2010, 75, p. 127 131. 8. BN-80/2371-19 Urządzenia odpylające - Odpylacze Cyklonowe CE - Podstawowe parametry i wytyczne doboru. 68