濕法煙氣脫硫中石膏旋流器底流夾細的試驗研究

安連鎖，楊 陽，劉春陽，沈國清

（華北電力大學 國家火力發(fā)電工程技術研究中心，北京102206）

為降低二氧化硫排放，燃煤電廠廣泛采用石灰石／石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的石灰石漿液制備系統(tǒng)和石膏脫水系統(tǒng)都采用了水力旋流器這種關鍵設備［1］.石膏旋流器屬于固液旋流器，主要對吸收塔內(nèi)脫硫反應的副產(chǎn)物石膏漿液進行顆粒分級，含有粗大石膏結晶的底流經(jīng)真空皮帶機二次脫水后，得到含水量小于10%的石膏，用于制作建筑石膏材料或水泥添加劑，具有一定經(jīng)濟和環(huán)保效益［2］.

目前，火電廠石膏旋流器在運行中普遍存在底流夾細問題，即底流中含有較多細顆粒，這會引起二級真空皮帶脫水機的濾孔堵塞，影響其出力，使生成的石膏品質(zhì)下降，嚴重時甚至會導致整個脫硫系統(tǒng)故障［3］，因此底流夾細已成為亟待解決的問題.

以往學者對石膏旋流器的研究主要集中在如何提高分離效率方面，對其分級情況尤其底流夾細現(xiàn)象研究很少.筆者針對不同排口比及不同入口壓強對石膏旋流器工作性能的影響進行了試驗研究，并針對空氣柱對底流夾細的影響進行了分析，對石膏旋流器的結構優(yōu)化具有一定意義.

1 底流夾細

分級效率定義為懸浮液固相顆粒群中各級粒度顆粒的底流回收率［4］，即底流中粒徑dx的顆粒質(zhì)量占入口漿液中粒徑dx顆粒質(zhì)量的百分比.理想狀態(tài)下，不同粒徑顆粒的分級效率應隨粒徑的增大而增大，但實際的分級效率曲線并不是隨粒徑單調(diào)增大的，而是在某些小粒徑顆粒處出現(xiàn)了向上的彎曲，這種現(xiàn)象稱為“fish-hook”（魚鉤效應）［5］，也稱為底流夾細現(xiàn)象.

有關底流夾細產(chǎn)生的原因，主要有以下2種觀點：

（1）由不同粒徑顆粒間的相互作用引起.工作介質(zhì)在旋流器內(nèi)做強旋流運動時，粒徑較大的顆粒尾部會出現(xiàn)渦環(huán)，對其附近的細小顆粒產(chǎn)生卷吸作用，導致細小顆粒隨大顆粒一起從底流口排出，產(chǎn)生底流夾細［6-7］，如圖1所示.在旋流器壁面處，由于顆粒濃度較高，顆粒間的相互作用更為明顯.

圖1 大顆粒對小顆粒卷吸作用示意圖Fig.1 Entrainment mechanism of fine particles by large particles

（2）由固液旋流器中空氣柱內(nèi)空氣的運動引起.從溢流口倒流進入的空氣在運動過程中對氣液界面附近的細顆粒產(chǎn)生了向下的攜帶作用，從而導致本應向上從溢流口排出的細顆粒向下運動進入底流［8］.

目前，有學者提出在旋流器錐段特定位置處以一定的速度注入水，促使已經(jīng)沉降在壁面的細顆粒產(chǎn)生向中心處的徑向運動，進而隨向上的內(nèi)旋流一起運動，從溢流口排出［9］.

2 試驗方案

2.1 試驗臺介紹

圖2為試驗系統(tǒng)簡圖.由圖2可知，石膏漿液在石膏漿液罐內(nèi)攪拌均勻后，由石膏漿液泵送至旋流器進行分級、濃縮；在石膏漿液泵出口管路上安裝流量調(diào)節(jié)閥用來調(diào)節(jié)旋流器入口石膏漿液體積流量，并通過電磁流量計及壓強表分別獲得旋流器入口石膏漿液體積流量及壓強；石膏旋流器溢流和底流返回石膏漿液罐.

圖2 試驗系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the experimental system

試驗中還需測量溢流和底流的體積流量和密度，并采用winner2000激光粒度分析儀測量不同粒徑石膏顆粒在石膏漿液罐、溢流及底流中的分布情況.試驗數(shù)據(jù)采用多次測量取平均值的方法，以確保其準確性.

2.2 石膏旋流器結構參數(shù)

表1為試驗中石膏旋流器的主要結構參數(shù).

表1 石膏旋流器的結構參數(shù)Tab.1 Structural parameters of the gypsum cyclone mm

旋流器底流口直徑Du與溢流口直徑Do的比值稱為排口比，一般在0.15～1內(nèi)變化［4］，排口比的大小對旋流器的分離、分級性能有明顯影響.排口比增大，會引起底流體積流量與溢流體積流量之比（即分股比）增大，同時導致分離粒度下降.如果僅考慮分離效率的要求，分離效率最大值對應的便是最佳排口比；若排口比過小，旋流器的底流管路中會出現(xiàn)明顯的顆粒堵塞現(xiàn)象，使顆粒排泄不暢［10］.

排口比還會對固液旋流器內(nèi)空氣柱的直徑產(chǎn)生明顯影響［11］，從而引起旋流器工作性能改變.對于石膏旋流器而言，僅靠分離效率并不能判斷其工作性能的好壞，還需要考察不同粒徑石膏顆粒的分級效率，因此對排口比的要求更加嚴格.

試驗中排口比分別取0.500、0.625、0.667、0.714、0.750、0.833和1.000，具體見表2.

表2 石膏旋流器排口比Tab.2 Ratio of underflow to overflow diameter of the gypsum cyclone

2.3 石膏漿液物性參數(shù)

試驗所用石膏漿液密度為1 136.82kg／m3，質(zhì)量分數(shù)為21.19%.圖3為入口漿液中石膏顆粒的粒徑分布情況.從圖3可以看出，入口漿液中粒徑20～50μm 的石膏顆粒所占比例較大.

圖3 入口漿液中石膏顆粒的粒徑分布Fig.3 Particle size distribution in inlet gypsum slurry

3 試驗結果與分析

3.1 石膏旋流器入口參數(shù)

表3為石膏漿液泵出口流量調(diào)節(jié)閥全開、采用不同排口比時，石膏旋流器的入口壓強和入口體積流量.

結合表2可以看出，石膏旋流器兩端出口總面積的大小直接影響入口體積流量與入口壓強，出口總面積越小，對流動的節(jié)流效應越明顯，使得入口壓強大，入口體積流量減??；反之，隨著出口總面積的增大，旋流器內(nèi)石膏漿液的流動阻力減小，流動速度加快，在旋流器內(nèi)停留時間縮短.同時，入口壓強與入口體積流量的改變也會對分級性能產(chǎn)生影響.旋流器采用1號、4號和7號結構時，雖然排口比有所差異，但由于出口總面積相同，因此入口壓強與入口體積流量也基本相等.

表3 不同排口比時石膏旋流器的入口參數(shù)Tab.3 Inlet parameters of the cyclone with different ratios of underflow to overflow diameter

3.2 排口比對底流夾細的影響

圖4為不同排口比下、石膏漿液泵出口流量調(diào)節(jié)閥全開時石膏旋流器的分級效率曲線，圖中略去了粒徑60μm 以上顆粒的分級情況.圖4（a）中3種排口比時對應的旋流器兩端出口總面積相等.由圖4（a）可以看出，隨著排口比的增大，不同粒徑石膏顆粒的分級效率均增大，這是由于底流管直徑增大，導致介質(zhì)向下流動的阻力減小，因而從底流管排出的所有粒徑顆粒均有所增加，底流夾細現(xiàn)象隨著排口比的增大更加嚴重.

圖4（b）給出了溢流口直徑為40mm，底流口直徑分別取20mm、25mm 和30mm 時，不同排口比下石膏旋流器的分級情況.從圖4（b）可以看出，排口比為0.5和0.625時，10μm 以下細顆粒的分級效率較低，維持在20%以下，但由于排口比0.5時底流管直徑太小，導致溢流口排出顆粒增加，因此，該結構下10～40μm 顆粒的分級效率太低，不能滿足石膏旋流器的要求；當排口比為0.625時，對粒徑大于20μm 的石膏顆粒具有較高的分級效率.

圖4（c）給出了溢流口直徑為30mm 時，不同排口比下石膏旋流器的分級效率曲線.其中，排口比為0.667與1.000時，10μm 以下細顆粒的分級效率在30%左右；排口比為0.833 時，細顆粒的分級效率較低，而10～30μm中等粒徑顆粒的分級效率在40%左右.

圖4 不同排口比時石膏旋流器分級效率曲線Fig.4 Classification efficiency of the cyclone with different ratios of underflow to overflow diameter

良好的分級效率曲線體現(xiàn)在分離粒度較小，分級效率曲線較陡.綜合考慮不同粒徑顆粒的分級情況認為：溢流管直徑為40 mm、底流管直徑為25 mm（即排口比為0.625）時，石膏旋流器的入口壓強最小，生產(chǎn)能力較高，分級情況最好，大部分粗顆粒能從底流口排出，而且底流夾細現(xiàn)象得到了很好地控制.

3.3 入口壓強對底流夾細的影響

入口壓強表示的是從旋流器入口到溢流口之間的壓降，是旋流器的一個重要參數(shù).圖5為排口比0.625時，不同入口壓強下旋流器的分級效率曲線.從圖5可以看出，入口壓強為0.04 MPa時，粒徑在10μm 以下的細顆粒分級效率低于15%，從粒徑15 μm 左右開始，顆粒的分級效率隨粒徑增大迅速升高，符合火電廠石膏旋流器對石膏顆粒分級的要求.當入口壓強為0.05 MPa時，由于壓強升高，粗顆粒尾部產(chǎn)生的渦旋增強，從而對細顆粒的卷吸作用更加明顯，也有可能是因為過高的壓強將粗顆粒打碎，導致底流中細顆粒比例增大.而壓強過低時，顆粒在旋流器內(nèi)受到的離心力達不到使粗細顆粒分離的目的，因此當入口壓強為0.03 MPa時，分級效率曲線相對來說比較平坦.

圖5 不同入口壓強時石膏旋流器的分級效率曲線Fig.5 Classification efficiency of the cyclone at different inlet pressures

3.4 空氣柱對底流夾細的影響

空氣柱是固液旋流器特有的現(xiàn)象.Doby和Romero等［12-13］通過模擬旋流器內(nèi)的壓力分布情況，發(fā)現(xiàn)旋流器的中心位置存在負壓區(qū)，導致從兩端出口到中心產(chǎn)生壓力梯度，因此空氣由兩端出口進入旋流器內(nèi)部，并在中心處最終連接在一起，形成空氣柱.近幾年有學者提出在水力旋流器內(nèi)插入金屬棒來消除空氣柱以提高分離效率，并通過試驗驗證了此設想的可行性［14-15］.

圖6為石膏旋流器內(nèi)有空氣柱（無中心棒）以及旋流器內(nèi)部插入中心棒消除空氣柱后的分級效率曲線（排口比為0.625，入口壓強為0.05MPa）.從圖6可以看出，插入中心棒后，底流中10μm 以下細顆粒的比例降低了8%左右；中等粒徑顆粒在底流中的比例也有所降低；當粒徑超過40μm 后，粗顆粒均能從底流中排出，分級效率達到100%，這說明采用中心棒可以抑制底流夾細現(xiàn)象，但還需進行合理設計，以避免中等粒徑顆粒分級效率的降低.

圖6 空氣柱對底流夾細的影響Fig.6 Influence of air core on the fish-hook effect

4 結 論

（1）底流夾細現(xiàn)象是固液旋流器的一種固有現(xiàn)象，采用適當?shù)慕Y構可以減弱底流夾細的程度.

（2）當溢流管直徑為40mm、底流管直徑為25 mm（即排口比為0.625）時，可以在較低的入口壓強下獲得較高的生產(chǎn)能力，并能減小底流中細顆粒的比例，同時能夠保證粗顆粒的分級效率.

（3）為避免底流夾細，應合理選擇旋流器的入口壓強，入口壓強過高會導致底流中細顆粒增加，過低則不能達到分離的目的.

（4）在石膏旋流器內(nèi)插入中心棒，能在一定程度上減輕由空氣柱引起的底流夾細現(xiàn)象，但中等粒徑顆粒的分級效率也有所降低，還需進一步優(yōu)化.

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