蔡洪濤

武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205

目前將生物質(zhì)氣化和碳化以得到燃?xì)馐巧镔|(zhì)能源利用的主要途徑之一，但是燃?xì)庵械慕褂蛧?yán)重影響了燃?xì)獾膽?yīng)用［1-4］，將焦油除去干凈十分必要而且迫切。根據(jù)焦油除去原理，除焦油的方法可分為物理方法和化學(xué)方法。化學(xué)方法就是使得焦油進(jìn)一步分解，這種方法需要催化劑或其他熱源［5-10］，工藝較復(fù)雜，難于取得經(jīng)濟(jì)上的平衡。物理方法有濕法和干法兩種。濕法就是水洗脫焦，其主要缺點(diǎn)是含焦油廢水處理困難；干法有旋風(fēng)分離法和過濾法兩種［11-12］，利用活性炭等吸附強(qiáng)的材料吸收氣體中的焦油，其主要缺點(diǎn)是過濾芯要定期更換，過濾芯也要進(jìn)行無污染處理。

離心分離是一種常見的分離方法［13-14］；而撞擊技術(shù)多用于撞擊流反應(yīng)器上［15］。本文首次將二者有機(jī)結(jié)合，提出一種新型的焦油分離器結(jié)構(gòu)。

1 焦油分離器的結(jié)構(gòu)

焦油分離器由連接圓筒、脫焦圓筒、安裝圓筒及轉(zhuǎn)子系統(tǒng)等四個(gè)部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。連接圓筒2有兩個(gè)，分別連接燃?xì)夤艿赖膬深^，將整個(gè)裝置串聯(lián)于燃?xì)夤艿?。該圓筒兩端直徑不相等，且不同心。脫焦圓筒帶有U形膨脹節(jié)。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)包括電機(jī)、轉(zhuǎn)軸及其上的一組葉輪，安裝于脫焦圓筒和安裝圓筒中，葉輪對(duì)應(yīng)于U形膨脹節(jié)，轉(zhuǎn)軸與脫焦圓筒并不同軸。在連接圓筒上分別設(shè)置了冷卻水進(jìn)口與出口。在連接圓筒、脫焦圓筒和安裝圓筒內(nèi)部設(shè)置了一組水平封板，將所有圓筒構(gòu)成的通道分為上下兩部分，下部為冷卻水通道，上部為燃?xì)馔ǖ?。在膨脹?jié)的凸起圓環(huán)部分設(shè)置有對(duì)稱布置的兩個(gè)集油環(huán)，集油環(huán)上有接管，將焦油排除；同時(shí)集油環(huán)起到阻攔葉輪旋轉(zhuǎn)濺起的水花的作用。

圖1 焦油分離器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of tar separator

該裝置的脫焦原理是：燃?xì)饨?jīng)過旋風(fēng)分離器后進(jìn)入本裝置時(shí)，燃?xì)鉁囟葢?yīng)該略大于200℃。燃?xì)膺M(jìn)入水平封板上表面的燃?xì)馔ǖ?，不斷與葉輪碰撞且被冷卻，氣體中的焦油降到200℃以下變成微小液珠并被葉輪截獲［8］，在離心力作用下甩到膨脹節(jié)凸起部分，并在重力作用下流進(jìn)膨脹節(jié)中的集油槽，經(jīng)接管排出脫焦筒。冷卻水與葉輪換熱升溫后進(jìn)入循環(huán)水池自然冷卻。

2 數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)

2.1 模擬假設(shè)與條件

本文并不考慮傳熱方面的問題，因此假設(shè)進(jìn)入分離器的燃?xì)庵薪褂湍鼙焕鋮s到凝固點(diǎn)以下，以微小液滴分布在燃?xì)庵?，葉輪的厚度、面積足夠小且表面光滑，其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)燃?xì)獾膶恿鞑划a(chǎn)生影響。液滴僅跟隨燃?xì)庀蚯傲鲃?dòng)，二者軸向速度相等，不考慮液滴垂直方向的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)液滴碰到葉輪的瞬間被甩離燃?xì)饬?，落到膨脹?jié)槽里。

模擬目的是為了探討以一定速度進(jìn)入分布器的燃?xì)庵幸旱伪徊东@分離的效率，以及效率與葉輪個(gè)數(shù)、葉輪旋轉(zhuǎn)速度、葉輪寬度之間的關(guān)系。

2.2 模擬方法

以葉輪軸心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，如圖2所示。用隨機(jī)數(shù)生成器生成分離器橫截面內(nèi)500個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值，以表示焦油液滴的初始位置。葉輪形狀為矩形，長(zhǎng)420 mm，寬40 mm，一級(jí)葉輪由三片組成。設(shè)葉輪角速度為ω（rad/s），時(shí)間為t（s），r為點(diǎn)到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離，則葉輪中心線方程為

葉輪邊緣直線L1和L2的方程分別為

同理，不難得到另外兩個(gè)葉輪的方程。當(dāng)液滴的坐標(biāo)落在葉輪矩形范圍內(nèi)時(shí)，該液滴被分離，并被甩進(jìn)膨脹節(jié)槽里。

圖2 葉片模型圖Fig.2 Diagram of paddle

改變?nèi)~輪葉片與X軸的夾角，得到多級(jí)葉輪邊緣直線的方程。設(shè)第一級(jí)葉輪的分布如圖2所示，后面的葉輪則相對(duì)前一級(jí)葉輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)15°，一共7級(jí)。前后相鄰兩級(jí)葉輪間距為l，燃?xì)馑俣萿，則燃?xì)饨孛嫱ㄟ^葉輪的間隔時(shí)間t：

取t分別為 0、0.5 s、1.0 s、1.5 s、2.0 s、2.5 s、3.0 s，則分別代表第一級(jí)到第七級(jí)葉輪，即葉輪間距為0.5u。

2.3 模擬結(jié)果及分析

在葉片寬度為40 mm時(shí)，液滴被各級(jí)葉輪分離情況如圖3所示。可見，增加葉輪級(jí)數(shù)能有效提高分離效率（分離效率等于被分離液滴數(shù)占總液滴數(shù)500的比例）。理論上講，葉輪級(jí)數(shù)足夠多時(shí)，分離效率可以達(dá)到100%。圖4為零時(shí)刻時(shí)，7級(jí)葉輪在葉輪軸向的投影，葉輪面積（圖4中陰影部分）占燃?xì)馔ǖ烂娣e比例為66%，增加葉輪級(jí)數(shù)直至該比例為100%，則理論分離效率達(dá)到100%。實(shí)際上液滴在燃?xì)庵械姆植际请S機(jī)的，則一定有液滴能僥幸通過有限級(jí)數(shù)的葉輪，分離效率達(dá)不到100%。

圖3 葉片寬度為40 mm時(shí)各級(jí)葉輪分離液滴數(shù)：（a）ω=0.5 rad/s；（b）ω=1.0 rad/s；（c）ω=2.0 rad/sFig.3 Droplets separated by paddles with a width of 40 mm at seven stages：（a）ω=0.5 rad/s；（b）ω=1.0 rad/s；（c）ω=2.0 rad/s

圖4 各級(jí)葉輪軸向投影面積與燃?xì)馔ǖ澜孛鍲ig.4 Axial projection area of paddles at seven stages and gas channel cross section

圖5顯示的是葉片寬度為60 mm時(shí)模擬結(jié)果。顯然，增加葉輪寬度，也能顯著提高分離效率。但是過寬的葉輪寬度會(huì)增加燃?xì)饬鲃?dòng)阻力，增大燃?xì)饬鬟^分離器的阻力，增加系統(tǒng)動(dòng)力消耗。

圖6顯示了不同旋轉(zhuǎn)速度時(shí)的分離效率，分離效率在旋轉(zhuǎn)速度為1 rad/s，葉片寬度為60 mm時(shí)高達(dá)60%。對(duì)單截面模擬而言，提高葉輪旋轉(zhuǎn)速度不能提高分離效率。但是當(dāng)燃?xì)膺B續(xù)通過分離器時(shí)，提高旋轉(zhuǎn)速度相當(dāng)于增加了葉輪級(jí)數(shù)，因而也能顯著提高分離效率。

圖5 葉片寬度為60 mm時(shí)各級(jí)葉輪分離液滴數(shù)：（a）ω=0.5 rad/s；（b）ω=1.0 rad/s；（c）ω=2.0 rad/sFig.5 Droplets separated by paddles with a width of 60 mm at seven stages：（a）ω=0.5 rad/s；（b）ω=1.0 rad/s；（c）ω=2.0 rad/s

圖6 不同旋轉(zhuǎn)速度不同葉片寬度的分離效果Fig.6 Separation effects of different paddles widths at different rotational speeds

3 結(jié) 語

提出了一種新型的氣液兩相分離方法——撞擊離心分離法，并進(jìn)行了初步的模擬實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，在本文條件下分離效率高達(dá)60%；增加葉輪寬度、葉輪級(jí)數(shù)能顯著提高分離效率，提高葉輪旋轉(zhuǎn)速度也能提高分離效率，為后續(xù)考慮焦油相變及液滴實(shí)際運(yùn)行軌跡的模擬打下基礎(chǔ)。

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