溢流口结构对石膏旋流器分离性能的影响

黄 军, 安连锁

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院,北京102206)

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-石膏法烟气脱硫技术,该工艺的市场占有率已经达到85%以上.在湿法脱硫系统中,石膏旋流器起着十分重要的作用,它的优劣决定了分离性能的高低和底流口浓度的高低,直接影响真空皮带脱水机中真空泵的出力,也影响整个脱硫塔的脱硫效果.

由于流动边界层的存在,导致部分流体不能有效地被分离而直接进入溢流管或底流口成为短路流[1-3],特别是进入溢流口短路的流体对石膏旋流器的分离性能影响较大.这是石膏旋流器内流体流动的特征之一,也是引起石膏旋流器溢流跑粗、分离产品中粗细粒混杂的重要原因之一.因此,如何减小这部分短路流成为提高石膏旋流器分离性能的重要课题[4].短路流的存在及其流量的大小直接与溢流管的结构形状有关,溢流管的结构形状直接影响石膏旋流器的出口能量损失[4].所以,溢流管结构形状是影响石膏旋流器分离性能的重要结构因素之一,褚良银、倪玲英等[5-6]都对溢流管结构变化对旋流器分离性能的影响进行了研究,并得出了许多有用的结论.在已有研究成果的基础上,笔者就溢流管结构对石膏旋流器的处理能力、分离修正总效率以及分流比等分离性能指标的影响进行了研究.

1 结构简介

石膏旋流器是一种分离非均相液体混合物的设备,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[7-8].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.本文着重考虑影响石膏旋流器分离性能的结构参数,研究了旋流器溢流管结构对旋流器分离性能的影响,以解决实际运行过程中存在的短路流对旋流器分离性能的影响.图1为石膏旋流器的结构示意图.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、溢流口内径Do、溢流口壁厚d、底流口内径Du、进料口内径Di、溢流管插入深度h及锥角θ等.

图1 石膏旋流器的结构示意图Fig.1 Structural diagram of the gypsum cyclone

2 试验装置与方案

图2为试验装置的结构示意图.

整个测试系统分为2部分:第一部分为石膏旋流器物料循环装置,其流程示于图2;第二部分为分析方法.石膏旋流器物料循环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;而粒子粒径分布测试装置主要包括激光粒度分析仪和电子秤等.石膏旋流器的溢流管结构尺寸见表1.图3给出了入口石膏浆液的粒径分布.

图2 试验装置的结构示意图Fig.2 Schematic of the experimental setup

表1 溢流管的结构尺寸Tab.1 Structural parameters of various overflow pipes mm

图3 入口石膏浆液的粒径分布Fig.3 Particle size distribution of gypsum slurry at inlet

3 结果与讨论

石膏旋流器的主要工艺指标包括能耗指标压降、处理量指标即生产能力及物料流经旋流器的分配指标.针对其主要指标生产能力、分离效率以及分流比进行了相关试验研究,并对其影响因素进行了分析.

3.1 溢流管插入深度对分离性能的影响

为了研究溢流管插入深度对分离性能的影响,本文试验采用以下参数:石膏旋流器物料循环装置的入口压力降保持为100 kPa;在石膏旋流器结构参数的选取上,采用旋流器柱段内径为100 mm,底流管内径Du为32 mm,底流管长度为100 mm,溢流管内径Do=30 mm,溢流管壁厚d=10 mm保持不变.通过改变溢流管插入圆柱端的深度的变化来分析其对分离性能的影响,插入深度取L1=35 mm、L2=50 mm、L3=70 mm、L4=90 mm和L5=105 mm.

3.1.1 溢流管插入深度对分离效率的影响

分离效率是指进入旋流器的物料中被分离的分散相物料占进口浆液中该分散相物料的比例[9].对于石膏旋流器,被分离的分散相物料特指从底流口排出的分散相物料.图4给出了溢流管插入深度对分离效率的影响.

图4 溢流管插入深度对分离效率的影响Fig.4 Influence of overflow pipe's insertion depth on the separation efficiency

经过多项式拟合可得其影响因素的关系式:

式中:x为溢流管插入深度,mm;y为分离效率,%.

由图4可知:分离效率随着溢流管插入深度的增加先提高后降低,溢流管插入深度对分离效率的影响呈现抛物线的关系,溢流管过长或者过短都会增加短路流的出现概率,从而降低整个石膏旋流器的分离效率,并且溢流管插入深度存在一个最优值,对于入口压力降保持为100 k Pa的旋流器,在溢流管插入深度h=73 mm附近时的分离效率最高.

3.1.2 溢流管插入深度对分流比的影响

分流比是旋流器操作中排出被分离分散相的流股的总体积流量占进口总流量的比值.由于石膏旋流器属于固-液旋流器,底流口为固体颗粒的卸料口,而且直接与大气连接,这种工作方式决定其分流比不能像液-液旋流器那样通过阀门开度的变化而任意调节,而是通过改变进出口的管径等方式进行调节,因此调节范围相当有限.而且,如果底流口与溢流口尺寸的比值与进料口料液中固体颗粒的浓度不相匹配,很可能造成底流口处颗粒堵塞而影响整个脱硫塔的正常运行.

式中:F为旋流器的分流比;Qu为底流中被分离分散相的流股的总体积流量;Q为进口处总体积流量.

图5为溢流管插入深度对分流比的影响.由图5可知:在保持旋流器的其他结构参数和操作参数不变、只改变溢流管插入深度时,分流比随着溢流管插入深度的增加先提高后降低.溢流管插入深度过长或过短均会降低分流比.在整个溢流管插入深度的变化过程中,分流比存在一个最大值.

图5 溢流管插入深度对分流比的影响Fig.5 Influence of overflow pipe'sinsertion depth on the split ratio

经过多项式拟合可得其影响因素关系式:

式中:x、y分别为溢流管插入深度和分流比.

3.1.3 溢流管插入深度对生产能力的影响

旋流器的生产能力是指单位时间内一台设备处理的料液的体积量,它是旋流器工艺中的重要指标之一.图6为溢流管插入深度对生产能力的影响.

图6 溢流管插入深度对生产能力的影响Fig.6 Influence of overflow pipe's insertion depth on the production capability

由图6可知:溢流管插入深度对生产能力的影响与对分离效率和分流比的影响正好相反.生产能力随着溢流管插入深度的增加而降低,当降低到一定数值时,又随着溢流管插入深度的增加而提高.

3.2 溢流管尺寸对分离性能的影响

试验参数:石膏旋流器物料循环装置的入口压力降保持为100 kPa,底流管的内径Du=32 mm,底流管长度为100 mm,溢流管的厚度d=20 mm保持不变,溢流管的插入深度h=70 mm,溢流管的内径D o分别为25 mm、30 mm、35 mm、40 mm和45 mm.

3.2.1 溢流管内径对分离效率与分流比的影响

图7为溢流管内径对分离效率与分流比的影响.

图7 溢流管内径对分离效率与分流比的影响Fig.7 Influence of overflow pipe's inner diameter on the separation efficiency and split ratio

从图7可知:分离效率和分流比均随着溢流管内径的增大而降低,且分流比的降低速率大于分离效率的降低速率.当溢流管内径增大或减小到一定数值时,分离效率和分流比的变化速率均会降低.由此可知,当溢流管厚度一定时,减小溢流管的内径可以降低旋流器柱段内部所产生的短路流的影响.

3.2.2 溢流管内径对生产能力的影响

图8为溢流管内径对生产能力的影响.由图8可知:溢流管内径尺寸的变化对生产能力的影响呈线性增加的趋势,即当溢流管壁厚一定时,石膏旋流器的处理能力随着溢流管内径的增大而增强,且呈线性关系变化,所以增大溢流管的内径可以提高石膏旋流器的处理能力.

图8 溢流管内径对生产能力的影响Fig.8 Influence of overflow pipe's inner diameter on the production capability

3.3 溢流管壁厚对分离性能的影响

试验参数:石膏旋流器物料循环装置的入口压力降保持为100 k Pa,底流管的内径Du=32 mm,底流管长度为100 mm,溢流管内径Do=30 mm保持不变,溢流管的插入深度h=70 mm,溢流管壁厚分别为d1=10 mm、d2=15 mm、d3=20 mm、d4=25 mm和d5=30 mm.

3.3.1 溢流管壁厚对分流比与分离效率的影响

图9为溢流管的壁厚对分离效率与分流比的影响.

图9 溢流管壁厚对分离效率与分流比的影响Fig.9 Influence of overflow pipe's wall thickness on the separation efficiency and split ratio

图9中的分离效率曲线是通过多项式拟合而得出的关系曲线.由图9可知:在内径D0=30 mm和溢流管插入深度h=70 mm不变时,分流比随着溢流管壁厚的增加而减小;分离效率与溢流管壁厚则呈抛物线关系,分离效率先随着溢流管壁厚的增加而提高,当壁厚达到一定数值时,分离效率随着溢流管壁厚的增加反而降低,在溢流管壁厚约为18 mm时分离效率达到最大值.

3.3.2 溢流管壁厚对生产能力的影响

图10为溢流管壁厚对生产能力的影响.经过多项式拟合可得其影响因素关系式为:

由图10可知:溢流管壁厚对生产能力的影响呈抛物线关系,随着溢流管壁厚的增加,生产能力先增强后减弱.溢流管壁太厚或太薄均会增加短路流的不利影响,导致整个石膏旋流器处理能力降低.在溢流管壁厚约为20 mm时,石膏旋流器的生产能力达到最强.

图10 溢流管壁厚对生产能力的影响Fig.10 Influence of overflow pipe's wall thick ness on the production capability

4 结 论

(1)随着溢流管插入深度的增加,石膏旋流器的分离效率和分流比呈先升高后降低的趋势变化,存在一个最优的插入深度值,其处理能力则朝相反的趋势变化.

(2)在保持溢流管壁厚不变的情况下,石膏旋流器的分离效率和分流比均随着溢流管内径的增大而降低,分离能力则随着溢流管内径的增大而增强.

(3)溢流管插入深度和溢流管内径的变化均存在着同一规律,即提高分离效率和分流比,必然以降低处理能力为代价.

(4)石膏旋流器的分流比随着溢流管壁厚的增加而减小,分离效率和生产能力则与溢流管壁厚呈抛物线关系;分离效率和处理能力随着溢流管壁厚的增加而提高与增强,但当壁厚达到一定值时,分离效率和处理能力则随着溢流管壁厚的增加反而降低与减弱.在溢流管壁厚约为18 mm时,石膏旋流器的分离效率和处理能力均达到最大值.

[1] BLOOR M IG,INGHAM DB.Turbulence spin in a cyclone[J].Trans Instn Chem Engrs,1975,53(1):7-11.

[2] 袁惠新,陈国金,俞建峰.水力旋流器盖下短路流的研究[J].流体机械,2000,28(12):10-12. YUAN Huixin,CHEN Guojin,YU Jianfeng.Study on short-flow in thecylinder of hydrocyclone[J].Fluid Machinery,2000,28(12):10-12.

[3] 唐家毅,卢啸风,赖静,等.循环流化床锅炉旋风分离器入口烟道内气固流动特性的实验研究[J].动力工程,2009,29(4):348-352,399. TANG Jiayi,LU Xiaofeng,LAI Jing,etal.Experimental study on gas-solid flow characteristics in inlet flue duct of cyclone separator of CFB boilers[J].Journal of Power Engineering,2009,29(4):348-352,399.

[4] 周先桃,陈文梅,雷明光,等.水力旋流器短路流消除方法[J].石油化工设备,2003,32(5):4-6. ZHOU Xiantao,CHEN Wenmei,LEI Mingguang,et al.Eradication of short-flow in a hydrocyclone[J].Petro-Chemical Equipment,2003,32(5):4-6.

[5] 褚良银,陈文梅,李晓钟,等.水力旋流器结构与分离性能研究(二):溢流管结构[J].化工装备技术,1998,19(4):1-3. CHU Liangyin,CHEN Wenmei,LI Xiaozhong,et al.Study on the structure of hydrocyclone and the separation performance(2):overflow pipe structure[J].Chemical Equipment Technology,1998,19(4):1-3.

[6] 倪玲英.溢流口直径对原油预分水旋流器性能的影响[J].石油机械,2001,29(2):8-9. NI Lingying.Influence of overflow hole diameter on performance of hydrocyclone for high water-cut crude pre-dissociation[J].China Petroleum Machinery,2001,29(2):8-9.

[7] 杨振东,袁惠新.旋流器溢流口结构对溢流分率影响的数值模拟研究[J].矿山机械,2009,37(9):101-104. YANG Zhendong,YUAN Huixin.Numerical simulation of structural parameters'effect on the overflow ratio of hydrocyclone overflow port[J].M ining&Processing Equipment,2009,37(9):101-104.

[8] 黄军,安连锁,吴智泉.石膏旋流器结构参数优化设计研究[J].热力发电,2009,38(5):25-28. HUANG Jun,AN Liansuo,WU Zhiquan.Optimal design of structure parameters for gypsum dewatering hydrocyclone[J].Thermal Power Generation,2009,38(5):25-28.

[9] 赵庆国,张明贤.水力旋流器分离技术[M].北京:化学工业出版社,2003:34-35.