气固分离器作为一种重要的分离设备,已经被广泛应用于能源动力、化工冶金、建材等很多工业领域。旋风气固分离器作为循环流化床锅炉的关键设备之一,在过去20多年里得到了广泛深入的研究。传统的圆截面的旋风分离器因其热惯性大、体积庞大等因素而难以适应循环流化床锅炉的大型化。方形截面的气固分离器因具有便于安装冷却换热面、热惯性小、热效率高、阻力小以及适应锅炉大型化等优点而得到了应用。针对循环流化床锅炉气固分离技术发展的需要,本文提出了具有4种不同进口形式的方形旋风分离器——垂直单进口方形分离器、垂直双进口方形分离器、倾斜单进口方形分离器、倾斜双进口方形分离器,并通过试验测试和数值计算的方法对其阻力和分离效率等性能参数进行较为系统深入的研究。在实验室小型试验台上应用电厂灰做试验物料测试了这4种具有不同进口形式分离器的分离特性和阻力特性,分析对比了不同进口形式、不同进口风速和不同含尘浓度条件下方形分离器性能的变化规律。在验证了所采用的计算模型和算法对方形分离器流场的模拟预测较精确的基础上,利用商用CFD计算软件Fluent6.3,采用雷诺应力模型(RSM)计算了这4种不同进口形式方形分离器的气相流场及阻力,采用随机轨道模型计算了不同粒径颗粒的运动轨迹及方形分离器的分离效率等参数。同时以垂直单进口方形分离器为基础,通过CFD模拟计算,对其进、出口结构进行了改进设计,提出了4种具有不同进、出口结构的新的垂直单进口方形分离器。本文的试验和计算研究得出以下结论:1)试验研究结果表明:进口形式对方形分离器性能有较大影响;在相同工况下,倾斜进口方形分离器的阻力明显小于垂直进口方形分离器的阻力,而其分离效率略低于垂直进口方形分离器;在相同工况下,倾斜双进口方形分离器的分离性能优于倾斜单进口方形分离器的分离性能,而其阻力略大于倾斜单进口方形分离器的阻力,它们的阻力系数分别为2.01和1.80;在相同工况下,垂直单进口方形分离器的分离性能优于垂直双进口方形分离器的分离性能,而其阻力略大于垂直双进口方形分离器的阻力,它们的阻力系数分别为2.50和2.24。2)通过CFD模拟,得到了这4种新的垂直单进口方形分离器的内部流场结果,并对分离器内部的速度场、颗粒轨迹、压力场、湍动能、湍流耗散率以及分离器的分离效率、阻力等进行了讨论。由流场模拟预测结果可知:方形分离器内部除外旋流和内旋流主流外,还存在一些对分离效率有重要影响的局部二次流,如:分离器内排气管高度空间内的纵向涡流、排气管附近进气口侧的短路流及排灰口附近的回流区等。对分离器阻力及分离效率的数值模拟预测结果与试验测试结果取得较好的一致,模拟计算所采用的模型和算法具有较高的计算精度。3)CFD模拟计算的预测结果表明:垂直单进口方形分离器进口处设置直挡板和圆弧形挡板后,方形分离器的分离效率显著提高,方形分离器的阻力系数迅速增大,阻力系数由2.33分别增大为6.79和3.13;排气管形状及放置形式改为方形平行放置和方形倾斜放置后,分离效率有所提高,且阻力系数有所减小,阻力系数由2.33分别减小为2.00和1.95。综上所述,方形分离器进、出气口的结构形式对其性能有显著影响,可以通过改变方形分离器进气口、出气口的结构来改进方形分离器的性能。本文提出的方形分离器的倾斜进口形式、双进口形式,为方形分离器的结构优化研究提供了一个新的方向。