技术领域
[0001] 本发明涉及煤粉分离技术领域，特别是一种旋风分离器及煤粉分离系统及旋风分离器结构优化方法。
相关背景技术
[0002] 旋风分离器内部局部二次流的存在导致其内部三维速度场呈现出非轴对称结构，对气固两相分离产生不利影响，因此对其内部流场进行分析从而研究其与性能参数之间的关系是现今的一个问题。尤其对于直径小于20μm的细颗粒，其分离效率小于80％。而韩国学者Xun Sun等人利用响应面模型结合遗传算法对直切式进口分离器进行了结构优化研究，并对比了优化模型与原始模型对1～5μm范围的颗粒的分离效果，结果表明，优化模型仅可将效率提高了11.67％。除此之外，瑞典学者Misiulia等发表期刊论文得出了筒径为2400mm的螺旋面进口式旋风分离器的最佳进口角度为20°时，该分离器具有最大的气动效率，然而没有研究在最佳角度时分离器对细颗粒的分离效率；中国学者孙国刚等发表期刊论文提出在螺旋面进口式旋风分离器的环形空间中增设导流板以稳定分离器内部流场，得到最佳的螺旋导流板的匝数为2，并对粒度范围为0.5～100μm的硅粉颗粒进行了效率分析。虽然效率最终可达到94％左右，然而相较于一般平顶结构，效率仅提高了2～3％，很显然面对跨度100μm颗粒粒径的效率，该结构的提升幅度是很小的，而且没有做粒径分析，无从得知对于粒径小于20μm的颗粒的效率如何。因此现在仍需一种优化方案，以提高分离器对1～20μm的细颗粒的分离性能。
具体实施方式
[0065] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
[0066] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0067] 其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
[0068] 实施例1
[0069] 参照图1～图5，为本发明第一个实施例，该实施例提供了旋风分离器，其能够提高分离器对1～20μm的细颗粒的分离性能。
[0070] 具体的，进风组件101包括进风口101a、沿进风口101a向内延伸的进风通道101b，以及沿进风通道101b延伸方向螺旋延伸的螺旋通道101c；
[0071] 进风口101a入口角度为26°，螺旋通道101c螺旋匝数为1圈。
[0072] 需要说明的是，进风口101a角度设为26°，本发明将分离器入口处的结构从平顶状改为螺旋形，其螺旋角度保持与入口角度一致，同时，将螺旋匝数增设1圈，保证了含尘气体可以无阻碍地从输运管道进入分离器，从而避免因气流碰撞壁面而造成的能量损失，同时，螺旋匝数为1圈，也保证了含尘气体初始的运动趋势为螺旋向下，进而增强在圆筒体和排气管之间因气流高速旋转产生的外旋涡作用，迫使气流向下运动；同时螺旋顶结构可以有效避免分离器顶部纵向环流现象，减轻“顶灰环”的影响，避免相邻内外旋流中气流的相互干扰，并降低通过纵向环流进入排气管的颗粒数量，有助于稳定流场，提高分离性能。
[0073] 进一步的，分离组件102包括与螺旋通道101c外壁固定连接的柱形分离腔体102a，以及与柱形分离腔体102a底部固定连接的倒锥形分离腔体102b；
[0074] 柱形分离腔体102a与倒锥形分离腔体102b的腔体高度与柱形分离腔体102a直径比值均提高至4。
[0075] 进一步的，排气组件201包括设置于柱形分离腔体102a内侧的排气通道201a，以及设置于排气通道201a一侧的排气口201b；
[0076] 排气通道201a)直径与柱形分离腔体102a直径比值降低至0.54，排气口201b直径与柱形分离腔体102a直径比值降低至0.42。
[0077] 进一步的，排尘组件202包括设置于倒锥形分离腔体102b底部的排尘口202a，以及与排尘口202a固定连接的集尘通道202b，其中，击沉通道的设置代替了集尘斗的设置，防止集尘斗底部较浅使粉尘颗粒无法触底后被收集，反而增加了跟随气体上升至排气通道201a的概率；
[0078] 排尘口202a直径与柱形分离腔体102a直径比值降低至0.37。
[0079] 在使用时，含尘气体从进风口101a进入，沿进风通道101b进入螺旋通道101c，经过螺旋通道101c时，由于含尘气体沿螺旋通道101c进入柱形分离腔体102a，减少了含尘气体高速进入时与柱形分离腔体102a内壁的撞击，提高离心力作用，使其中粉尘颗粒完全被离心力甩到柱形分离腔体102a的内壁，并沿柱形分离腔体102a向下滑落，当粉尘颗粒滑落至柱形分离腔体102a底部时，粉尘颗粒沿倒锥形分离腔体102b向排尘口202a集中，并通过集尘口滑入集尘通道202b，同时，含尘气体在螺旋进入的过程中，逐渐减少粉尘颗粒含量，直到旋转至排尘口202a上侧，完全分离粉尘颗粒的剩余气体由外旋转化为内旋，并在内旋的过程中向上运动，使剩余气体通过排气通道201a向上排出直至排尘口202a，通过排尘口202a排出剩余气体。
[0080] 旋风分离器内部流场为非轴对称的三维强旋转湍流流场，使用CFD仿真技术对其内部复杂流场进行模拟。目前较为常用的湍流模型为雷诺应力模型(RSM)、RNG k‑ε模型、大涡模型(LES)。RSM考虑了湍流的各向异性，相较于RNG k‑ε模型能更加准确的反映旋风分离器内部的流场分布，得到的分离性能和流场分布于试验数据误差小；而且RSM能节约计算资源，计算成本较LES小。因此，模拟过程选择RSM湍流模型对旋风分离器内部的气相流场进行计算。RSM模型输运方程由方程(1)表示：
[0081]
[0082] 其中，下标i,j,k为笛卡尔坐标，t为时间；ij是Kronecker函数，若i＝j,ij＝1；若i≠j，则ij＝0。σk，C1，C2，为模型常数：σk＝1,C1＝1.8,C2＝0.6。u表示气相流体速度。
[0083] P和Vt表示湍流动能和运动粘度，分别由方程(2)和(3)表示：
[0084]
[0085] 式中常数Cu为0.9；Pij用于描述分离器内的上下涡流运动，可由方程(4)表示：
[0086]
[0087] ε表示湍流耗散率，根据方程(5)和(6)进行计算：
[0088]
[0089] 式中K表示分离器内湍流运动发展的量度；常数ε为1.3,Cε1为1.44,Cε2为1.92。
[0090] 分离器内部湍流运动采用连续性方程和雷诺平均纳维‑斯托克斯方程进行求解，由方程(7)到(11)给出：
[0091]
[0092]
[0093]
[0094]
[0095] 式中，Rij表示雷诺剪切应力，xi为位置向量；u'表示流体波动速度，为平均流动速度；ρ为气相流体密度，为时间平均压力，ui和uj分别为流体速度的分量，用于计算Rij，以闭合雷诺平均纳维‑斯托克斯方程。
[0096] 具体的，如图4所示，利用CFD数值模拟得到的分离器原始模型和优化模型内部静压强的分布情况。红色代表高压区，浅绿色代表低压区。从分离器筒壁向中心，云图颜色由深变浅，意味着分离器压强逐渐减小。本发明所设计的旋风分离器内部呈现出明显的压差分界线，并且轴向对称性相较于原本的旋风分离器而言更好，即流场分布更具规律性；优化模型的径向压力梯度增大，壁面附近出现最大压力，并且根据图4中优化前后的图示对比，相较于原始模型，优化模型的最大压力降低了约760Pa，筒体中心压强降低约300Pa，而同时壁面附近的高压区域占比增大约20％，这扩大了在壁面附近向下运动的下旋涡流区域，而减小了中心区域向上运动的上旋涡流，致使更多的气流可以运动至分离器底部，有助于提高分离效率。下旋涡流可将更多的静压转化为动压，使其转化为更加强进的涡流，对下旋流有促进作用。因此在静压云图中壁面附近的静压更高，中心区静压更低。
[0097] 对于分离效率的改善，可以根据颗粒相的模拟得以体现。
[0098] 具体的，对于颗粒相的模拟选择欧拉‑拉格朗日方法，用于追踪粒子轨迹。该方法将颗粒视为离散相，气相视为连续相，选择单相耦合方式，同时开启离散随机游走模型以考虑湍流波动对颗粒的影响。粒子在流场中主要受阻力和重力场的影响，因此粒子的运动情况可由方程(12)和(13)表示：
[0099]
[0100] 其中up和p是粒子速度和密度，u为流体速度，xp为颗粒路径，g为重力加速度，Fd为阻力，根据方程(14)计算：
[0101]
[0102] Cd是阻力系数，对于球形颗粒可用方程(15)求解：
[0103]
[0104] 其中a1，a2，a3为常数。Rep为颗粒雷诺数，定义为方程(16)：
[0105]
[0106] 其中dp为颗粒直径，为流体粘度。
[0107] 以CFD模拟获得的入口与出口的压差计算压降，排尘口处颗粒的捕获效率计算分离效率，即方程(17)和(18)：
[0108] Δp＝pin‑pout (17)
[0109] 其中p指静压降，pin和pout分别是分离器进口和出口处测量的压强，同样地，[0110]
[0111] 其中，指分离器总效率，Ntrapped和Ninjected分别是排尘口处捕获的颗粒数和入口处注射的颗粒数。
[0112] 如图5所示，为分离器原始模型和优化模型仿真计算预测的1～20e‑6m颗粒轨迹。红色线条表示大粒径颗粒(大于1.43e‑5m)，蓝色线条表示小粒径(小于6.7e‑6m)。由于原始模型中受下旋气流作用的颗粒会受到集尘斗的影响，导致颗粒很少可以成功到达集尘斗底部被捕获，较多的大粒径颗粒在上旋气流作用下向上运动，增加了排气通道201a上侧大粒径颗粒的数量。如图4左所示，在分离器排气通道201a处，大粒径(大于1.43e‑5m)的颗粒居多，最大粒径为1.8e‑5m。而优化模型改善了集尘斗的影响，将离散相模型中的颗粒捕获面由集尘斗底部面改为锥体底部面，即排尘口202a。如图5右所示，相较于图5左，在排气通道
201a所处位置，大于1.43e‑5m粒径的颗粒明显减少；同时排气通道201a的颗粒粒径基本小于8.6e‑6m，最大粒径减小至1.05e‑5m。这表明优化模型减小了大粒径颗粒在排气口201b的逸出率，使得分离器可以分离出更细的颗粒，实现了性能优化。
[0113] 如图3所示，通过基于多目标优化的遗传算法对压降和效率函数进行50个非支配优化设计点的分布情况，图中清楚地表明了压降和总效率之间的权衡关系，适当的分离器设计可通过考虑折中获得。其中每个数据点表示对应优化方案目标的较高值对应于另一个目标较低值。图中标注的A，E两点分别表示优先考虑压降最低(A点压降为510.48Pa，分离效率为77.98％)和效率最高(E点压降为2372.72Pa，分离效率为86.00％)的设计；B，D两点则为牺牲效率以获得较低的压降和牺牲压降以提高分离效率(B点压降为730.28Pa，分离效率为81.31％；D点压降为1788.04Pa，分离效率为85.54％)；而C点附近表明折中选取压降和分离效率(C点压降为1181.15Pa，分离效率为83.91％)。
[0114] 综上，通过螺旋通道101c的设置可以加大含尘气体进入后的离心力，提高粉尘颗粒分离效率，还可以有效避免分离器顶部纵向环流现象，减轻“顶灰环”的影响，避免相邻内外旋流中气流的相互干扰，并降低大粒径粉尘通过纵向环流进入排气管的颗粒数量，有助于稳定流场，提高分离性能，提高小粒径粉尘分离效率。
[0115] 实施例2
[0116] 参照图7～图8，为本发明第二个实施例，该实施例提供了煤粉分离系统，其能够使煤粉细化至最佳尺寸，使煤粉燃烧更加充分。
[0117] 具体的，分离系统M，包括与进风单元100连接的粗分模块300、与粗分模块300连接的研磨模块400、与研磨模块400连接的进料模块500、与排放单元200连接的燃烧模块600，以及与排尘单元连接的集尘模块700。
[0118] 进一步的，分离系统M还包括与进风单元100连接的调节模块800，以及与调节模块800连接的控制模块900。
[0119] 进一步的，粗分模块300包括粗粉分离器301；研磨模块400包括球磨机401；进料模块500包括进料斗501；燃烧模块600包括锅炉炉膛601；集尘模块700包括煤灰桶701；调节模块800包括调节阀门801；控制模块900包括控制终端901。
[0120] 较佳的，调节模块800分别设置在旋风分离器进出口两端和进料模块500的出口处，对进料的流量、粉尘颗粒的排放速度以及剩余气体排出速度进行适应性调控，且分别在粗分模块300和旋风分离器的入口处设置浮式流量计，对进入流量进行实时监控。
[0121] 需要说明的是，控制终端901预存有流量适用范围的数据区间，浮式流量计将实时监控数据传输至控制终端901，控制终端901将监控数据与预存数据进行比对，当监测数据超出数据区间，控制终端901则控制调节阀门801开大，减轻排尘压力，当监测数据低于数据区间，控制终端901则控制调节阀门801关小，以免落入煤灰桶701中的灰尘再次被吸入分离器内。
[0122] 该系统的工作原理为：工作人员启动控制终端901，通过控制终端901对调节阀门801进行调控，使煤粉从进料斗501经过调节阀门801调节流量进入球磨机401，控制终端901按照程序控制球磨机401，使煤粉在球磨机401中被研磨成粒径均匀的煤粉颗粒，进一步被输送至粗粉分离器301，控制终端901控制粗粉分离器301开始工作，使粗粉分离器301将煤粉按照颗粒大小和密度差异筛分为粗煤粉和细煤粉，粗煤粉(直径大于90μm)被分离出来，沿下端回流管输送至球磨机401重磨，细煤粉(直径小于90μm)从上出口输运至旋风分离器，经过旋风分离器的分离，进一步筛选出适合在锅炉炉膛601中燃烧的煤粉粒径，使其跟随气流经过排气通道201a，再经过调节阀门801的流量调节后被旋风分离器排出至锅炉炉膛601内侧等待燃烧，而不合格的粒径则会经过调节阀门801的流量调节后，通过集尘通道202b收集至煤灰桶701中。
[0123] 综上，通过球磨机401的研磨，以及粗粉分离器301和旋风分离器的配合，对煤粉进行反复研磨和两次筛分，使锅炉炉膛601内燃烧的煤粉为最佳粒径，保证锅炉炉膛601的燃烧充分，控制模块900和调节模块800的配合可以使整体系统远程操控的同时，根据需要进行各部分流量监控与调节，使煤粉筛分的过程根据需要更加精准调节，可以当排尘量大时，阀门开口变大，减轻排尘压力，排尘量小时，阀门开口减小，以免落入煤灰桶701中的灰尘再次被吸入分离器内。
[0124] 实施例3
[0125] 参照图6，为本发明第三个实施例，该实施例提供了旋风分离器结构优化方法，其能够对旋风分离器的结构进行最符合煤粉分离场景的优化。
[0126] 具体的，通过流体力学与离散相的耦合模型分析分离器内部的流场分布，预测粉尘颗粒轨迹，计算进出口压降与分离效率；
[0127] 以排气管直径，排尘口直径，锥体高度，排气管插入深度和入口速度作为设计变量，并根据筒体直径进行无量纲化，以分离效率和总压降为响应目标，建立二阶多项式响应面模型，并将其作为遗传算法的适应度函数；
[0128] 利用Matlab软件遗传算法工具箱实现对分离效率和总压降的适应度函数的求解，以最大效率和最小压降为目标，获得在五个设计变量的共同约束条件下的一系列最优解集。
[0129] 需要说明的是，利用Matlab软件遗传算法工具箱实现对分离效率和总压降的适应度函数的求解，最大效率和最小压降为目标，获得在五个设计变量的共同约束条件下的一系列最优解集，即方程(20)和(21)的解集。
[0130]
[0131]
[0132] 使用响应面模型和遗传算法中使用的适应度函数及五个设计变量的约束条件如下：
[0133] 最小压降 Y1(x1,x2,x3,x4,x5)
[0134] 最大效率 Y2(x1,x2,x3,x4,x5)
[0135] 约束 (0.4
[0136] (0.2
[0137] (2
[0138] (0.5
[0139] (12
[0140] 所获得的解集中的每个解都对应一种设计参数的组合，可供从业者根据实际生产需要进行选择。
[0141] 具体的，根据单因子实验分析，采用控制变量法，依次对研究的五个设计变量进行单因子CFD模拟计算，以最低压降和最大分离器效率为目标，获得单因子变化的影响效益曲线。
[0142] 为建立响应变量和多个设计因素之间的函数关系，一般建立响应面模型。采用基于最小二乘法的统计和数学方法，将得到的响应值与模拟数据拟合，获得多元二次回归方程。RSM中的二次回归方程的一般形式可表示为方程(19):
[0143]
[0144] 式中:Yn为响应变量，n＝1表示压降，n＝2表示分离效率；b0、bi、bij、bii分别为截距、线性系数、交互作用系数、二次项系数；xi，xj分别为设计变量，i，j＝1,2,3,4,5，分别对应五个所要研究的分离器主要结构参数：排气管直径(De)，排尘口直径(Dt)，锥体高度(Hc)，排气管插入深度(Hin)和入口速度(v)。利用Design‑Expert实验分析软件获得压降和效率的多元二次方程为(20)和(21)：
[0145]
[0146]
[0147] 其中，如图6所示，De/D的增大，分离效率呈现出先增大后减小的变化趋势，并在0.5～0.6区间达到极大值，即分离效率最优，由此可初步确定De/D取值区间为(0.5，0.6)。
而从Dt/D的影响曲线图中，观察到压降和分离效率分别在0.32和0.4时达到极值，由此初步确优化区间为(0.25，0.4)。因此，根据该方式推断，可得到Hin/D的优化区间为(0.6，1.2)。
而从Hc/D的影响结果来看，分离效率和压降没有明显的极值点，然而当Hc/D＝3时，分离效率曲线的斜率发生突变，当Hc/D>3时曲线斜率徒然增大，依此为参考点，确定Hc/D的优化区间为(2，4)。从入口速度v的影响结果来分析，v＝20m/s，效率曲线的斜率发生较大变化，v<
20m/s,效率随着速度增大而减小，在v＝16m/s时，曲线斜率也发生较为明显的变化。考虑到设备实际运转过程中，速度过大可能会造成震动，存在安全隐患。因此，综合考虑下，速度的优化区间确定为(12，20)。
[0148] 为获得详细的螺旋面进口式旋风分离器局部尺寸比例，扩大响应面优化对设计参数寻优区间，将De/D的下限取值减小至0.4，由于De/D过小，不利于气流沿排气管道流出，过大则会增大“短路流”发生的概率，致使颗粒未被分离便直接从排气管流出分离器；由于颗粒最优的运动状态是从排尘口202a流出，若Dt/D过小，意味着排尘口202a直径减小，相应的体积流量就会降低，若Dt/D过大，将阻碍分离器中心区域向上运动的内旋流的发展，从而造成含尘气流直接从排尘口202a一并流出分离器，违背分离器的工作原理，综合考虑下，Dt/D的寻优区间增大为(0.2，0.4)；同样地，过小的Hin/D值意味着排气管插入深度不足，也会增大短路流概率的发生，通过前期的研究成果显示，插入深度过长，Hin/D>1.6，将降低总分离效率，因此Hin/D寻优区间确定为(0.5，1.5)。最终确定研发过程中各参数的优选范围汇总至表1。
[0149]尺寸 几何结构 下限 上限
De/D 排气通道直径 0.4 0.6
Dt/D 排尘口直径 0.2 0.4
Hc/D 锥体高度 2 4
Hin/D 排气通道插入深度 0.5 1.5
v(m/s) 入口速度 12 20
[0150] 表1响应面模型中尺寸约束值(分离器筒体直径D＝3200mm)
[0151] 依据响应面模型建立的压降和分离效率二阶响应多项式模型作遗传算法的适应度函数，并将表1中的尺寸上下限作函数的约束条件。进一步利用Matlab中的多目标遗传算法工具箱求得的其中一种优化方案与原始模型的尺寸对比形成表2。
[0152]
[0153]
[0154] 表2优化前后模型对比(分离器筒体直径D＝3200mm)
[0155] 表3为优化前后分离器性能对比。从仿真计算结果来看，优化模型相较于原始模型，压降降低553.23Pa，分离效率提高6.42％。
[0156] 原始模型 优化模型
压降(Pa) 1277.29 730.28
分离效率(％) 74.89 81.31
[0157] 表3优化前后性能对比
[0158] 综上，通过预测粉尘颗粒轨迹，对旋风分离器的柱形分离腔的长度进行优化，通过响应面模型和遗传算法的配合对螺旋匝数以及入出口尺寸角度进行细致优化，通过多个模型运算和模拟图像的显示，使旋风分离器结构达到在煤粉分离的场景中的最优解，使分离效率得到较大的提升，能够充分筛选出可充分燃烧的煤粉至锅炉炉膛进行燃烧。
[0159] 重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“支架加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。
[0160] 此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征。
[0161] 应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。
[0162] 应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
