Создание и исследование численных моделей циклонов с наклонным и горизонтальным входом

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 , PM_2,5 . 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.

1. Зиганшин 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/211772

2. Zhao B., Wang D., Su Y. Gas-Particle Cyclonic Separation Dynamics: Modeling and Characterization. Separation and Purification Reviews 2018; (1): 3 – 31.

3. 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.

4. 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/pr8020228

5. 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.2019.08.008

6. 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.2023.03.024

7. 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.2023.142757

8. 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/10.24223/1999-5555-2022-15-4-293-299

9. 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.2022.118036

10. 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/10.1177/0954406220916485

11. 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/s13762-019-02422-3

12. 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.2022.120968

13. Замалиева А. Т. и др. Программа расчёта газоочистных устройств с циклонно-фильтрующими аппаратами. Патент № 2020615612 (РФ). Бюллетень изобретений 2020; (65).

14. 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.23371

15. 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_17

16. 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.

17. 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.