溢流口結(jié)構(gòu)對石膏旋流器分離性能的影響

黃 軍, 安連鎖

(華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院,北京102206)

在對環(huán)境質(zhì)量要求越來越高的背景下,火力發(fā)電廠作為排硫大戶,煙氣脫硫(FGD)成為必不可少的環(huán)節(jié).目前,在FGD項(xiàng)目中應(yīng)用最廣泛的方法是濕法石灰石-石膏法煙氣脫硫技術(shù),該工藝的市場占有率已經(jīng)達(dá)到85%以上.在濕法脫硫系統(tǒng)中,石膏旋流器起著十分重要的作用,它的優(yōu)劣決定了分離性能的高低和底流口濃度的高低,直接影響真空皮帶脫水機(jī)中真空泵的出力,也影響整個脫硫塔的脫硫效果.

由于流動邊界層的存在,導(dǎo)致部分流體不能有效地被分離而直接進(jìn)入溢流管或底流口成為短路流[1-3],特別是進(jìn)入溢流口短路的流體對石膏旋流器的分離性能影響較大.這是石膏旋流器內(nèi)流體流動的特征之一,也是引起石膏旋流器溢流跑粗、分離產(chǎn)品中粗細(xì)粒混雜的重要原因之一.因此,如何減小這部分短路流成為提高石膏旋流器分離性能的重要課題[4].短路流的存在及其流量的大小直接與溢流管的結(jié)構(gòu)形狀有關(guān),溢流管的結(jié)構(gòu)形狀直接影響石膏旋流器的出口能量損失[4].所以,溢流管結(jié)構(gòu)形狀是影響石膏旋流器分離性能的重要結(jié)構(gòu)因素之一,褚良銀、倪玲英等[5-6]都對溢流管結(jié)構(gòu)變化對旋流器分離性能的影響進(jìn)行了研究,并得出了許多有用的結(jié)論.在已有研究成果的基礎(chǔ)上,筆者就溢流管結(jié)構(gòu)對石膏旋流器的處理能力、分離修正總效率以及分流比等分離性能指標(biāo)的影響進(jìn)行了研究.

1 結(jié)構(gòu)簡介

石膏旋流器是一種分離非均相液體混合物的設(shè)備,它在離心力的作用下根據(jù)兩相或多相之間的密度差來實(shí)現(xiàn)兩相或多相分離[7-8].石膏旋流器的正常分離過程,就是兩相流體在旋流器中以螺線渦和螺旋流合成的螺旋渦運(yùn)動的產(chǎn)生、發(fā)展和消失的全過程,其流場呈三維分布,流型非常復(fù)雜.本文著重考慮影響石膏旋流器分離性能的結(jié)構(gòu)參數(shù),研究了旋流器溢流管結(jié)構(gòu)對旋流器分離性能的影響,以解決實(shí)際運(yùn)行過程中存在的短路流對旋流器分離性能的影響.圖1為石膏旋流器的結(jié)構(gòu)示意圖.石膏旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括:旋流器柱段內(nèi)徑D、旋流器柱段長度H、溢流口內(nèi)徑Do、溢流口壁厚d、底流口內(nèi)徑Du、進(jìn)料口內(nèi)徑Di、溢流管插入深度h及錐角θ等.

圖1 石膏旋流器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of the gypsum cyclone

2 試驗(yàn)裝置與方案

圖2為試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖.

整個測試系統(tǒng)分為2部分:第一部分為石膏旋流器物料循環(huán)裝置,其流程示于圖2;第二部分為分析方法.石膏旋流器物料循環(huán)裝置包括石膏漿液箱、石膏漿液泵、流量計(jì)、石膏旋流器、壓力表、攪拌電機(jī)、閥門及管道等;而粒子粒徑分布測試裝置主要包括激光粒度分析儀和電子秤等.石膏旋流器的溢流管結(jié)構(gòu)尺寸見表1.圖3給出了入口石膏漿液的粒徑分布.

圖2 試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of the experimental setup

表1 溢流管的結(jié)構(gòu)尺寸Tab.1 Structural parameters of various overflow pipes mm

圖3 入口石膏漿液的粒徑分布Fig.3 Particle size distribution of gypsum slurry at inlet

3 結(jié)果與討論

石膏旋流器的主要工藝指標(biāo)包括能耗指標(biāo)壓降、處理量指標(biāo)即生產(chǎn)能力及物料流經(jīng)旋流器的分配指標(biāo).針對其主要指標(biāo)生產(chǎn)能力、分離效率以及分流比進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究,并對其影響因素進(jìn)行了分析.

3.1 溢流管插入深度對分離性能的影響

為了研究溢流管插入深度對分離性能的影響,本文試驗(yàn)采用以下參數(shù):石膏旋流器物料循環(huán)裝置的入口壓力降保持為100 kPa;在石膏旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取上,采用旋流器柱段內(nèi)徑為100 mm,底流管內(nèi)徑Du為32 mm,底流管長度為100 mm,溢流管內(nèi)徑Do=30 mm,溢流管壁厚d=10 mm保持不變.通過改變溢流管插入圓柱端的深度的變化來分析其對分離性能的影響,插入深度取L1=35 mm、L2=50 mm、L3=70 mm、L4=90 mm和L5=105 mm.

3.1.1 溢流管插入深度對分離效率的影響

分離效率是指進(jìn)入旋流器的物料中被分離的分散相物料占進(jìn)口漿液中該分散相物料的比例[9].對于石膏旋流器,被分離的分散相物料特指從底流口排出的分散相物料.圖4給出了溢流管插入深度對分離效率的影響.

圖4 溢流管插入深度對分離效率的影響Fig.4 Influence of overflow pipe's insertion depth on the separation efficiency

經(jīng)過多項(xiàng)式擬合可得其影響因素的關(guān)系式:

式中:x為溢流管插入深度,mm;y為分離效率,%.

由圖4可知:分離效率隨著溢流管插入深度的增加先提高后降低,溢流管插入深度對分離效率的影響呈現(xiàn)拋物線的關(guān)系,溢流管過長或者過短都會增加短路流的出現(xiàn)概率,從而降低整個石膏旋流器的分離效率,并且溢流管插入深度存在一個最優(yōu)值,對于入口壓力降保持為100 k Pa的旋流器,在溢流管插入深度h=73 mm附近時的分離效率最高.

3.1.2 溢流管插入深度對分流比的影響

分流比是旋流器操作中排出被分離分散相的流股的總體積流量占進(jìn)口總流量的比值.由于石膏旋流器屬于固-液旋流器,底流口為固體顆粒的卸料口,而且直接與大氣連接,這種工作方式?jīng)Q定其分流比不能像液-液旋流器那樣通過閥門開度的變化而任意調(diào)節(jié),而是通過改變進(jìn)出口的管徑等方式進(jìn)行調(diào)節(jié),因此調(diào)節(jié)范圍相當(dāng)有限.而且,如果底流口與溢流口尺寸的比值與進(jìn)料口料液中固體顆粒的濃度不相匹配,很可能造成底流口處顆粒堵塞而影響整個脫硫塔的正常運(yùn)行.

式中:F為旋流器的分流比;Qu為底流中被分離分散相的流股的總體積流量;Q為進(jìn)口處總體積流量.

圖5為溢流管插入深度對分流比的影響.由圖5可知:在保持旋流器的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)不變、只改變溢流管插入深度時,分流比隨著溢流管插入深度的增加先提高后降低.溢流管插入深度過長或過短均會降低分流比.在整個溢流管插入深度的變化過程中,分流比存在一個最大值.

圖5 溢流管插入深度對分流比的影響Fig.5 Influence of overflow pipe'sinsertion depth on the split ratio

經(jīng)過多項(xiàng)式擬合可得其影響因素關(guān)系式:

式中:x、y分別為溢流管插入深度和分流比.

3.1.3 溢流管插入深度對生產(chǎn)能力的影響

旋流器的生產(chǎn)能力是指單位時間內(nèi)一臺設(shè)備處理的料液的體積量,它是旋流器工藝中的重要指標(biāo)之一.圖6為溢流管插入深度對生產(chǎn)能力的影響.

圖6 溢流管插入深度對生產(chǎn)能力的影響Fig.6 Influence of overflow pipe's insertion depth on the production capability

由圖6可知:溢流管插入深度對生產(chǎn)能力的影響與對分離效率和分流比的影響正好相反.生產(chǎn)能力隨著溢流管插入深度的增加而降低,當(dāng)降低到一定數(shù)值時,又隨著溢流管插入深度的增加而提高.

3.2 溢流管尺寸對分離性能的影響

試驗(yàn)參數(shù):石膏旋流器物料循環(huán)裝置的入口壓力降保持為100 kPa,底流管的內(nèi)徑Du=32 mm,底流管長度為100 mm,溢流管的厚度d=20 mm保持不變,溢流管的插入深度h=70 mm,溢流管的內(nèi)徑D o分別為25 mm、30 mm、35 mm、40 mm和45 mm.

3.2.1 溢流管內(nèi)徑對分離效率與分流比的影響

圖7為溢流管內(nèi)徑對分離效率與分流比的影響.

圖7 溢流管內(nèi)徑對分離效率與分流比的影響Fig.7 Influence of overflow pipe's inner diameter on the separation efficiency and split ratio

從圖7可知:分離效率和分流比均隨著溢流管內(nèi)徑的增大而降低,且分流比的降低速率大于分離效率的降低速率.當(dāng)溢流管內(nèi)徑增大或減小到一定數(shù)值時,分離效率和分流比的變化速率均會降低.由此可知,當(dāng)溢流管厚度一定時,減小溢流管的內(nèi)徑可以降低旋流器柱段內(nèi)部所產(chǎn)生的短路流的影響.

3.2.2 溢流管內(nèi)徑對生產(chǎn)能力的影響

圖8為溢流管內(nèi)徑對生產(chǎn)能力的影響.由圖8可知:溢流管內(nèi)徑尺寸的變化對生產(chǎn)能力的影響呈線性增加的趨勢,即當(dāng)溢流管壁厚一定時,石膏旋流器的處理能力隨著溢流管內(nèi)徑的增大而增強(qiáng),且呈線性關(guān)系變化,所以增大溢流管的內(nèi)徑可以提高石膏旋流器的處理能力.

圖8 溢流管內(nèi)徑對生產(chǎn)能力的影響Fig.8 Influence of overflow pipe's inner diameter on the production capability

3.3 溢流管壁厚對分離性能的影響

試驗(yàn)參數(shù):石膏旋流器物料循環(huán)裝置的入口壓力降保持為100 k Pa,底流管的內(nèi)徑Du=32 mm,底流管長度為100 mm,溢流管內(nèi)徑Do=30 mm保持不變,溢流管的插入深度h=70 mm,溢流管壁厚分別為d1=10 mm、d2=15 mm、d3=20 mm、d4=25 mm和d5=30 mm.

3.3.1 溢流管壁厚對分流比與分離效率的影響

圖9為溢流管的壁厚對分離效率與分流比的影響.

圖9 溢流管壁厚對分離效率與分流比的影響Fig.9 Influence of overflow pipe's wall thickness on the separation efficiency and split ratio

圖9中的分離效率曲線是通過多項(xiàng)式擬合而得出的關(guān)系曲線.由圖9可知:在內(nèi)徑D0=30 mm和溢流管插入深度h=70 mm不變時,分流比隨著溢流管壁厚的增加而減小;分離效率與溢流管壁厚則呈拋物線關(guān)系,分離效率先隨著溢流管壁厚的增加而提高,當(dāng)壁厚達(dá)到一定數(shù)值時,分離效率隨著溢流管壁厚的增加反而降低,在溢流管壁厚約為18 mm時分離效率達(dá)到最大值.

3.3.2 溢流管壁厚對生產(chǎn)能力的影響

圖10為溢流管壁厚對生產(chǎn)能力的影響.經(jīng)過多項(xiàng)式擬合可得其影響因素關(guān)系式為:

由圖10可知:溢流管壁厚對生產(chǎn)能力的影響呈拋物線關(guān)系,隨著溢流管壁厚的增加,生產(chǎn)能力先增強(qiáng)后減弱.溢流管壁太厚或太薄均會增加短路流的不利影響,導(dǎo)致整個石膏旋流器處理能力降低.在溢流管壁厚約為20 mm時,石膏旋流器的生產(chǎn)能力達(dá)到最強(qiáng).

圖10 溢流管壁厚對生產(chǎn)能力的影響Fig.10 Influence of overflow pipe's wall thick ness on the production capability

4 結(jié) 論

(1)隨著溢流管插入深度的增加,石膏旋流器的分離效率和分流比呈先升高后降低的趨勢變化,存在一個最優(yōu)的插入深度值,其處理能力則朝相反的趨勢變化.

(2)在保持溢流管壁厚不變的情況下,石膏旋流器的分離效率和分流比均隨著溢流管內(nèi)徑的增大而降低,分離能力則隨著溢流管內(nèi)徑的增大而增強(qiáng).

(3)溢流管插入深度和溢流管內(nèi)徑的變化均存在著同一規(guī)律,即提高分離效率和分流比,必然以降低處理能力為代價.

(4)石膏旋流器的分流比隨著溢流管壁厚的增加而減小,分離效率和生產(chǎn)能力則與溢流管壁厚呈拋物線關(guān)系;分離效率和處理能力隨著溢流管壁厚的增加而提高與增強(qiáng),但當(dāng)壁厚達(dá)到一定值時,分離效率和處理能力則隨著溢流管壁厚的增加反而降低與減弱.在溢流管壁厚約為18 mm時,石膏旋流器的分離效率和處理能力均達(dá)到最大值.

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