energsecurityНадежность и безопасность энергетикиSafety and Reliability of Power Industry1999-55552542-2057ООО «НПО Энергобезопасность»10.24223/1999-5555-2024-17-3-181-189energsecurity-962Research ArticleОБЩИЕ ВОПРОСЫ НАДЕЖНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ ЭНЕРГЕТИКИGENERAL ISSUES RELATED TO RELIABILITY AND SAFETY OF THE POWER INDUSTRYСоздание и исследование численных моделей циклонов с наклонным и горизонтальным входомCreation and research of numerical models of cyclones with inclined and horizontal inletsГорбуновС. В.GorbunovS. V.

ул. Красносельская, д. 51, 420066, г. Казань

Krasnoselskaya str., 51, 420066, Kazan

gorbunovserega88@gmail.comЗиганшинМ. Г.ZiganshinM. G.

ул. Красносельская, д. 51, 420066, г. Казань

Krasnoselskaya str., 51, 420066, Kazan

Казанский государственный энергетический университет, кафедра АТЭСРоссияKazan State Energy UniversityRussian FederationКазанский государственный энергетический университетРоссияKazan State Energy UniversityRussian Federation202414112024173181189Copyright © Горбунов С.В., Зиганшин М.Г., 20242024Горбунов С.В., Зиганшин М.Г.Gorbunov S.V., Ziganshin M.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.sigma08.ru/jour/article/view/962

Рассматриваются проблемы использования циклонных аппаратов для очистки газовых выбросов при сжигании твердого топлива в энергетике и промышленности. В условиях роста потребления и генерации энергии, в том числе с использованием углей, возрастают требования к эффективности очистки выбросов от мелких твердых частиц классов PM10 , PM2,5 . Одной из ключевых задач является необходимость поддержания высокой эффективности очистки при минимальных энергозатратах, что важно и для сокращения экологических издержек генерации и промышленного производства. Рассмотрены конструктивные особенности применяемых в настоящее время циклонов, а также существующие подходы к их классификации. Основное внимание уделено современным направлениям исследований, связанным с численным моделированием на базе CFD (Computational fluid dynamics), с целью оптимизации конструкций сепараторов. Показано, что большинство исследований проводится для условий работы циклонов в производственных циклах, а не в системах очистки выбросов, работающих при невысоких загрузках взвеси. На примере создания численных моделей циклонов с наклонным и горизонтальным входным патрубком (ЦН-11, СК-ЦН-34) рассмотрены некоторые особенности создания геометрии в среде SpaceClaim Direct Modeler (SCDM), обеспечивающие в дальнейшем корректность генерации сетки и расчетов. Представлены результаты численного моделирования, проведенного с использованием программного обеспечения ANSYS Fluent. Модель турбулентности (RANS, Reynolds Averaged Navier – Stokes), способы замыкания уравнений Навье – Стокса (k-ε модель с пристенными функциями), методы расчета дисперсной части потока (Эйлер – Лагранж, DPM) подобраны с учетом условий, соответствующих системам очистки выбросов углегенерации. Результаты показали, что при одинаковом перепаде давления эффективность осаждения взвеси с концентрацией 100 мг/м3 и менее в аппарате с углом наклона входа 11° к горизонтали может быть выше, чем у аппарата с горизонтальным входом.

The article considers the challenges of using cyclone devices for cleaning gas emissions from solid fuel combustion in power engineering and industry. With the increasing energy consumption and generation, including the use of coal, the requirements for the efficiency of cleaning emissions from small solid particles of classes PM10 and PM2.5 are also rising. One of the key tasks is to maintain high cleaning efficiency while minimizing energy costs, which is also important for reducing the environmental impact of generation and industrial production. The article considers the design features of currently used cyclones, as well as existing approaches to their classification. The main focus is on modern areas of research related to numerical modeling based on CFD (Computational fluid dynamics) aimed at optimizing the design of separators. It is shown that most studies are carried out for cyclone operating conditions in production cycles, rather than in emission cleaning systems that operate at low suspended matter loads. Using the example of creating numerical models of cyclones with inclined and horizontal inlet pipes (CN-11, SK-CN-34), the article discusses certain features of geometry creation in the SpaceClaim Direct Modeler (SCDM) environment, which ensure the correctness of grid generation and calculations in the future. The results of numerical modeling carried out using the ANSYS Fluent software are presented. The turbulence model (RANS, Reynolds Averaged Navier – Stokes), methods for closing the Navier – Stokes equations (k-ε model with near-wall functions), and methods for calculating the dispersed part of the flow (Euler – Lagrange, DPM) are selected based on the conditions relevant to the systems for cleaning emissions from coal generation. The results indicate that, with the same pressure drop, the efficiency of settling suspended matter with a concentration of 100 mg/m3 or less in an apparatus with an inlet angle of 11° to the horizontal can be higher than that of a cyclone with a horizontal inlet.

Очистные устройствациклонный сепараторнаклонный патрубоквычислительная гидродинамикаэффективность очисткиCleaning devicescyclone separatorinclined nozzlecomputational fluid dynamicscleaning efficiencyReferencesЗиганшин М. Г., Колесник А. А, Зиганшин А. М. Проектирование аппаратов пылегазоочистки: учебное пособие. Санкт-Петербург: Лань 2022; (2): 544. URL: https://e.lanbook.com/book/211772Ziganshin M. G., Kolesnik A. A., Ziganshin A. M. Designing dust and gas cleaning devices: a textbook. Saint Petersburg: Lan 2022; (2): 544. URL: https://e.lanbook.com/book/211772 (In Russ.)Zhao B., Wang D., Su Y. Gas-Particle Cyclonic Separation Dynamics: Modeling and Characterization. Separation and Purification Reviews 2018; (1): 3 – 31.Zhao B., Wang D., Su Y. Gas-Particle Cyclonic Separation Dynamics: Modeling and Characterization. Separation and Purification Reviews 2018; (1): 3 – 31. (In Eng.)Замалиева А. Т., Зиганшин М. Г. Усовершенствованная установка фильтрации газа на ТЭС при подготовке топлива для городских энергетических систем. Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики 2019; 21(5): 124 – 131.Zamalieva A. T., Ziganshin M. G. Improved gas filtration plant at thermal power plants in the preparation of fuel for urban energy systems. News of higher educational institutions. Energy problems 2019; 21(5): 124 – 131. (In Russ.)Nakhaei M. et al. CFD Modeling of Gas–Solid Cyclone Separators at Ambient and Elevated Temperatures. Processes 2020; (8): 228. URL: https://doi.org/10.3390/pr8020228Nakhaei M. et al. CFD Modeling of Gas–Solid Cyclone Separators at Ambient and Elevated Temperatures. Processes 2020; (8): 228. URL: https://doi.org/10.3390/pr8020228 (In Eng.)In Sik Hwang et al. Numerical simulation of a dense flow cyclone using the kinetic theory of granular flow in a dense discrete phase model, Powder Technology 2019; (356): 129 – 138. URL: https://doi.org/10.1016/j.powtec.2019.08.008In Sik Hwang et al. Numerical simulation of a dense flow cyclone using the kinetic theory of granular flow in a dense discrete phase model, Powder Technology 2019; (356): 129 – 138. URL: https://doi.org/10.1016/j.powtec.2019.08.008 (In Eng.)Yuge Yao et al. Effects of the inlet particle spatial distribution on the performance of a gas-solid cyclone separator. Particuology 2024; (85): 133 – 145. URL: https://doi.org/10.1016/j.partic.2023.03.024Yuge Yao et al. Effects of the inlet particle spatial distribution on the performance of a gas-solid cyclone separator. Particuology 2024; (85): 133 – 145. URL: https://doi.org/10.1016/j.partic.2023.03.024 (In Eng.)Mohamadali Mirzaei et al. CFD simulation and experimental validation of multiphase flow in industrial cyclone preheaters. Chemical Engineering Journal 2023; 465(142757). URL: https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.142757Mohamadali Mirzaei et al. CFD simulation and experimental validation of multiphase flow in industrial cyclone preheaters. Chemical Engineering Journal. 2023; 465(142757). URL: https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.142757 (In Eng.)Замалиева А. Т., Зиганшин М. Г. Совершенствование подготовки топлива в городской энергетической системе для устойчивого функционирования энергоисточников. Надежность и безопасность энергетики 2022; 15(4): 293 – 299. URL: https://doi.org/10.24223/1999-5555-2022-15-4-293-299Zamalieva A. T., Ziganshin M. G. Improving fuel preparation in the urban energy system for the sustainable functioning of energy sources. Reliability and safety of energy 2022; 15(4): 293 – 299. URL: https://doi.org/10.24223/1999-5555-2022-15-4-293-299 (In Russ.)Mohamadali Mirzaei et al. CFD-DDPM coupled with an agglomeration model for simulation of highly loaded large-scale cyclones: Sensitivity analysis of sub-models and model parameters. Powder Technolog 2023; 413(118036). URL: https://doi.org/10.1016/j.powtec.2022.118036Mohamadali Mirzaei et al. CFD-DDPM coupled with an agglomeration model for simulation of highly loaded large-scale cyclones: Sensitivity analysis of sub-models and model parameters. Powder Technolog 2023; 413(118036). URL: https://doi.org/10.1016/j.powtec.2022.118036 (In Eng.)Mahesh Dasar and Ranjit S Patil. Effects of helical fins with semicircular in cross-section on the performance characteristics of novel finned-cyclone separators. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science 2020; 234(17): 3509 – 3520. URL: https://doi.org/10.1177/0954406220916485Mahesh Dasar and Ranjit S Patil. Effects of helical fins with semicircular in cross-section on the performance characteristics of novel finned-cyclone separators. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science 2020; 234(17): 3509 – 3520. URL: https://doi.org/10.1177/0954406220916485 (In Eng.)Borhani Jebeliet al. A new cyclone design with adjustable inlet angle and external geometry for optimal PM10 removal. Int. J. Environ. Sci. Technol 2020; (17): 1075–1086. URL: https://doi.org/10.1007/s13762-019-02422-3Borhani Jebeli et al. A new cyclone design with adjustable inlet angle and external geometry for optimal PM10 removal. Int. J. Environ. Sci. Technol. 2020; (17): 1075 – 1086. URL: https://doi.org/10.1007/s13762-019-02422-3 (In Eng.)Ravi Shastri et al. Multi-objective optimization of cyclone separators using mathematical modelling and large-eddy simulation for a fixed total height condition, Separation and Purification Technology 2022; 291(120968). URL: https://doi.org/10.1016/j.seppur.2022.120968Ravi Shastri et al. Multi-objective optimization of cyclone separators using mathematical modelling and large-eddy simulation for a fixed total height condition, Separation and Purification Technology 2022; 291(120968). URL: https://doi.org/10.1016/j.seppur.2022.120968 (In Eng.)Замалиева А. Т. и др. Программа расчёта газоочистных устройств с циклонно-фильтрующими аппаратами. Патент № 2020615612 (РФ). Бюллетень изобретений 2020; (65).Zamalieva A. T. et al. Calculation program for gas cleaning devices with cyclone filtration devices. The patent 2020615612 Russian Federation. Bulletin of inventions 2020; (65). (In Russ.)Sgrott O.; Sommerfeld M. Influence of inter-particle collisions and agglomeration on cyclone performance and collection efficiency. Can. J. Chem. Eng. 2019; (97): 511 – 522. URL: https://doi.org/10.1002/cjce.23371Sgrott O.; Sommerfeld M. Influence of inter-particle collisions and agglomeration on cyclone performance and collection efficiency. Can. J. Chem. Eng. 2019; (97): 511 – 522. URL: https://doi.org/10.1002/cjce.23371 (In Eng.)Sommerfeld M. et al. Modelling SGS-Turbulent Transport of Fine Particles with Application to Cyclone Separator Performance. In book: Marchioli, C., Salvetti, M.V., Garcia-Villalba, M., Schlatter, P. (eds) Direct and Large Eddy Simulation XIII. 2023; 31(1). URL: https://doi.org/10.1007/978-3-031-47028-8_17Sommerfeld M. et al. Modelling SGS-Turbulent Transport of Fine Particles with Application to Cyclone Separator Performance. In book: Marchioli, C., Salvetti, M.V., Garcia-Villalba, M., Schlatter, P. (eds) Direct and Large Eddy Simulation XIII 2023; 31(1). URL: https://doi.org/10.1007/978-3-031-47028-8_17 (In Eng.)Dragunov Y. G. et al. Modeling of the Coolant Flow Distribution Over the Elements of a BREST-OD-300 Reactor Core. At Energy 2022; (133): 20 – 29.Dragunov Y. G. et al. Modeling of the Coolant Flow Distribution Over the Elements of a BREST-OD-300 Reactor Core. At Energy 2022; (133): 20 – 29. (In Eng.)Belyaeva G. I. et al. Experimental and calculated testing of the efficiency of cyclone filtering devices. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 2020; 972(1): 012067.Belyaeva G. I. et al. Experimental and calculated testing of the efficiency of cyclone filtering devices. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 2020; 972(1): 012067. (In Eng.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.