结构参数对石膏旋流器分股比的影响分析

黄 军, 安连锁, 杨 阳, 李庚生,3

(1.华北电力大学能源动力与机械工程学院,北京102206;2.神华国华(北京)电力研究院有限公司,北京100025;3.天津市津能投资公司,天津300050)

在对环境质量要求越来越高的背景下,火力发电厂作为排硫大户,烟气脱硫(FGD)成为必不可少的环节.目前,在FGD项目中应用最广泛的方法是湿法石灰石-石膏烟气脱硫技术,其市场占有率已达85%以上.在湿法脱硫系统中,石膏旋流器扮演着重要角色,控制着溢流和底流的流量以满足下级处理的要求,其优劣决定了分离性能的好坏,底流管石膏浆液浓度的高低直接影响真空皮带脱水机中真空泵的出力,也影响脱硫塔脱硫的整体效果[1-3].

评价一台石膏旋流器性能的好坏,一方面要看其是否具有较高的分离效率,另一方面还要看其是否具有合适的分股比.如果分股比不合适,则会有大量的细小颗粒从底流管排出,这样不但达不到石膏旋流器本身的作用效果,而且这部分细小颗粒还极有可能引起脱硫系统下游设备真空皮带脱水机滤布的堵塞,影响真空泵的出力,甚至给设备造成一定的安全隐患,另外也会使整个系统的处理能力降低,导致脱硫系统的综合效率下降.同时,底流管与溢流管尺寸的大小需要与入口管石膏浆液的浓度相匹配,否则很有可能造成底流管处固体颗粒的堵塞而影响石膏旋流器的正常运行,因此研究结构参数对分股比的影响很有必要.相关研究者[4-8]对结构参数对分股比的影响进行了研究,并得出许多有用的结论.在已有研究成果的基础上,笔者研究了石膏旋流器结构参数对分股比和分离性能等指标的影响.

1 石膏旋流器的结构

石膏旋流器是一种分离非均相液体混合物的设备,由圆柱段、圆锥段、溢流管、底流管和入口管组成.它在离心力的作用下根据两相或多相之间的密度差来实现两相或多相分离[9-10].石膏旋流器的正常分离过程就是两相流体在旋流器中以螺线涡和螺旋流合成的螺旋涡运动的产生、发展和消失的全过程,其流场呈三维分布,流型非常复杂.笔者主要研究旋流器结构参数对旋流器分股比的影响,从优化分股比的角度寻求提高旋流器分离性能的方法.石膏旋流器的结构参数包括:旋流器柱段内径D、旋流器柱段长度H、溢流管内径Do、溢流管壁厚d、底流管内径Du、进料管内径Di、入口管内径 De、溢流管插入深度h和锥角θ等.

2 试验装置

图1 试验装置的结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the experiment setup

整个试验装置即一个石膏旋流器物料循环装置,其结构示意图见图1.试验装置包括石膏浆液箱、石膏浆液泵、流量计、石膏旋流器、压力表、搅拌电机、阀门及管道等.粒子粒径分布测试装置主要包括激光粒度分析仪和电子称等.图2给出了入口石膏浆液粒径的分布.

图2 入口石膏浆液的粒径分布Fig.2 Size distribution of gypsum slurry at inlet of cyclone

3 结果与分析

分股比S也称流量分配[6],指正常生产时旋流器底流管的总体积流量与溢流管的总体积流量之比[9],即 :

式中:Qu为底流管的总体积流量,m3/s;Qo为溢流管的总体积流量,m3/s.

3.1 不同溢流管插入深度时分股比随入口压力的变化

为了分析溢流管插入深度对分股比和入口压力的影响,试验采用以下参数:D=100 mm,θ=9°,De=32 mm,d=10 mm,溢流管插入深度取L1=35 mm、L2=70 mm 和 L3=105 mm,如表1所示.

表1 不同溢流管插入深度石膏旋流器的结构尺寸Tab.1 Structural parameters of the gypsum cyclone,in case of different insertion depths of overflow pipe

图3为溢流管插入深度对分股比和入口压力关系的影响.由图3可知,对于结构一定的石膏旋流器,分股比随着入口压力的升高呈现先减小的趋势,当入口压力高于60 kPa时,分股比基本保持不变;在相同的入口压力下,当溢流管插入石膏旋流器内的深度发生变化时,分股比也随之变化,溢流管插入深度为70 mm石膏旋流器的分股比最大,其次是插入深度为105 mm的石膏旋流器,溢流管插入深度为35 mm的石膏旋流器的分股比最小.由于在一定范围内,分股比对石膏旋流器的分离效率有一定影响.由图3还可知,分股比与入口压力之间呈非线性关系,溢流管插入深度存在一个最优值,使得石膏旋流器分股比最大.

图3 不同溢流管插入深度分股比随入口压力的变化Fig.3 Split ratio vs.inlet pressure,in case of different insertion depths of overflow pipe

3.2 不同溢流管壁厚分股比随入口压力的变化

试验参数:旋流器柱段内径、锥角和入口管内径与3.1节中参数一致,Do=25 mm,溢流管壁厚取d1=10 mm 、d2=20 mm 和d3=30 mm.

图4为溢流管壁厚对分股比和压力关系的影响.由图4可知,当溢流管壁厚一定时,分股比随着入口压力变化的敏感程度逐渐降低,分股比呈先减小的趋势,然后基本保持不变.当石膏旋流器其他结构参数保持一定时,分股比和入口压力之间的关系随着溢流管壁厚的变化而改变,在入口压力相同的情况下,溢流管壁厚为20 mm的石膏旋流器的分股比最大,其次是溢流管壁厚为10 mm的石膏旋流器,溢流管壁厚为30 mm的石膏旋流器的分股比最小.增加壁厚对石膏旋流器内的短路流具有一定的抑制作用,由图4可知,分股比和入口压力呈非线性关系,所以选择溢流管壁厚时既要考虑分股比的影响,也要考虑抑制短路流的影响.

图4 不同溢流管壁厚分股比随入口压力的变化Fig.4 Split ratio vs.inlet pressure,in case of different wall thicknesses of overflow pipe

3.3 不同k值分股比随入口压力的变化

定义k为溢流管内径与底流管内径之比

由于k的大小对石膏旋流器底流和溢流浓度值以及底流和溢流的流量比影响较大,因此针对k值对分股比和入口压力关系的影响进行了分析.

试验参数:D、θ和De与3.1节中的结构参数一致,d=20 mm.

表2给出了4种不同k值的石膏旋流器参数尺寸,分别针对这4种石膏旋流器进行比较分析.

表2 不同k值下,石膏旋流器的结构尺寸Tab.2 Structural parameters of the gypsum cyclone,in case of different k values

图5给出了k值对分股比和入口压力关系的影响.由图5可知,当k值相同时,随着入口压力的改变,分股比的变化很小,即结构参数一定时,石膏旋流器的分股比基本保持不变;入口压力相同时,分股比随着k值的增大而减小,而且k值越小,变化趋势越明显,这提供了优化石膏旋流器分股比的方法.但是如果溢流管与底流管尺寸的大小与入口浆液中固体颗粒的浓度不匹配,很可能造成底流管固体颗粒堵塞而影响正常操作[9-11],特别是在石膏旋流器底流石膏浆液浓度不小于50%的要求下,更需要选择合适的分股比以防止底流管堵塞,从而保障设备的正常运行.

图5 不同k值分股比随入口压力的变化Fig.5 Split ratio vs.inlet pressure,in case of different k values

3.4 不同k值分离效率随入口压力的变化

本试验中,入口压力的变化通过调节入口流量实现,为了探讨k值对分离效率和入口压力关系的影响,有必要关注入口流量与入口压力之间的关系(见图6).由图6可知,在不同的 k值时,入口压力随着入口流量的增大而升高,呈现近似线性的关系.在保持石膏旋流器柱段内径、锥角、入口管内径以及溢流管壁厚不变,入口压力相同的情况下,入口流量随着k值的增大而降低。当k=0.937 5时,由于溢流管内径过小,旋流器内的溢流浆液来不及从溢流管排出从而再次进入石膏旋流器腔室,导致其中一部分浆液发生二次分离,这将直接导致入口流量出现很低的现象.

图6 不同k值入口流量随入口压力的变化Fig.6 Inlet flow vs.inlet pressure,in case of different k values

图7给出了k值对分离效率和入口压力关系的影响.由图7可知,当k值相同时,分离效率随着入口压力的升高而提高,提高的趋势较平缓.

图7 不同k值分离效率随入口压力的变化Fig.7 Separation efficiency vs.inlet pressure,in case of different k values

4 结 论

溢流管壁厚和溢流管插入深度均存在一个最佳值,使得石膏旋流器分股比最大.当溢流管插入深度变化时,对于结构一定的石膏旋流器,分股比随着入口压力的增加呈现先减小的趋势,当入口压力高于60 kPa时,分股比基本保持不变;入口压力对石膏旋流器分股比的影响随着k值的增大而减小,并且k值越小,变化趋势越明显,而在结构参数一定的情况下,尽管操作参数变化,但是分股比趋于不变;当k值不同时,入口压力随着入口流量的增大而升高,呈现近似线性的关系;石膏旋流器结构参数一定,入口压力相同时,入口流量随着k值的增大而降低;当k值相同时,分离效率随入口压力的升高而提高,提高的趋势较平缓.

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