并聯(lián)旋風(fēng)分離器分離性能的實(shí)驗(yàn)研究

張愛琴，王興東，張建廣，盧竹青

（1.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089；2.中國石油天然氣管道局，河北 廊坊 065000；3.西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司，陜西 西安 710021）

在煉油廠催化裂化再生器能量回收裝置中，第三級旋風(fēng)分離器（以下簡稱三旋）主要用來回收煙氣中的顆粒，保證煙氣輪機(jī)的長周期運(yùn)行。目前，我國主要使用的三旋有多管式、旋流式和布埃爾式3種，多管式絕大多數(shù)是軸流式并聯(lián)分離器。使用過程中，單個(gè)分離元件效率很高，但并聯(lián)后整體效率較低。主要是由于（1）部分單管分離器返混嚴(yán)重，導(dǎo)致分離器整體效率偏低；（2）單管入口氣速較大，磨損嚴(yán)重。由于氣體分布不均勻，使得某些單管的入口氣速偏大，更加劇了磨損；（3）單管的結(jié)垢嚴(yán)重；（4）膨脹節(jié)磨損較嚴(yán)重，且不易檢修 ；（5）多管式三旋一般單較多，由于焊接應(yīng)力及高溫時(shí)隔板的變形，使得每個(gè)單管的安裝精度較差。針對以上問題許多學(xué)者在改進(jìn)三旋結(jié)構(gòu)管上進(jìn)行了許多研究。為探究影響并聯(lián)分離器性能的因素，本文采用選用4臺切流式PV型旋風(fēng)分離器并聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測試比較了單臺旋風(fēng)分離器性能與并聯(lián)旋風(fēng)分離器的分離性能。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置主要包括并聯(lián)分離器裝置和單臺分離器裝置，并聯(lián)分離器裝置如圖1所示。

圖1 并聯(lián)分離器實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of parallel separator experimental device

實(shí)驗(yàn)裝置由4臺直徑相同的分離器并聯(lián)組成，空氣由進(jìn)氣管進(jìn)入，加料器將粉塵顆粒均勻加入進(jìn)氣管，含塵氣體經(jīng)過一段進(jìn)氣管后進(jìn)入并聯(lián)分離器，被分離下來的灰塵進(jìn)入公共灰斗，清潔氣體進(jìn)入集氣室。在出氣管路中設(shè)置采樣裝置進(jìn)行采樣，出氣管路與風(fēng)機(jī)入口連接，風(fēng)機(jī)出口接袋式除塵器，整套裝置為負(fù)壓操作，有利于加料及密封。

單臺分離器裝置如圖2所示。

圖2 單分離器實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of single separator experimental device

裝置與并聯(lián)分離器裝置相似，只是沒有公共集氣室，并且將公共灰斗換成小灰斗。

單臺旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3所示。

圖3 單臺旋風(fēng)分離器尺寸Fig.3 Size of single cyclone separator

其中，為矩形入口高度，172 mm；為矩形入口寬度，75 mm；為出口直徑，150 mm；為芯管直徑90、96、104 mm；為筒體直徑，300 mm；為灰斗高度，220 mm；為料腿直徑，120 mm；為分離器高度，1 850 mm；筒體高度，420 mm；為錐體高度，660 mm；為灰斗筒體高度，330 mm；為灰斗錐體高度，220 mm。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及方法

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要為單臺分離器和并聯(lián)分離器的性能測試。單臺分離器性能測試主要包括不同芯管直徑的單分離器的性能測試；并聯(lián)分離器性能測試主要包括改4臺芯管直徑為96 mm的并聯(lián)分離器性能的因素。

考慮到顆粒的分離特性及實(shí)驗(yàn)環(huán)境的影響，本實(shí)驗(yàn)選用600目硅微粉（SiO），此種顆粒在本實(shí)驗(yàn)的旋風(fēng)分離器中分離效率不會太高，且硅微粉不易吸濕，同等條件下實(shí)驗(yàn)環(huán)境對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響較小。顆粒大致服從對數(shù)正態(tài)分布，顆粒密度2 600 kg/m，中位粒徑14.0μm，如圖4所示。

圖4 顆粒粒徑分布圖Fig.4 Distribution diagram of particle diameter

（1）單臺分離器性能測試。在實(shí)驗(yàn)中由于制造誤差，每個(gè)分離器的入口尺寸與芯管的尺寸不盡相同。在實(shí)驗(yàn)中注意調(diào)整芯管與分離器之間的匹配，盡量使每臺分離器流量-壓降曲線相差最小。在入口顆粒濃度為5 g/m，入口氣速為13、16、18、20、22、25、30 m/s情況下加料進(jìn)行性能測試，測試參數(shù)為進(jìn)氣量、各點(diǎn)靜壓、分離器壓降及分離效率。

（2）并聯(lián)分離器性能測試。并聯(lián)分離器性能測試，入口濃度為5 g/m，分離元件平均入口氣速為15、18、22、26 m/s。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

考慮到氣固兩相的分布問題，在濃度較低時(shí)可使得并聯(lián)分離器入口氣固兩相的分布更均勻，本實(shí)驗(yàn)入口濃度采用5 g/m。每次實(shí)驗(yàn)，單臺分離器加料量為5 kg，并聯(lián)分離器加料量為20 kg，加料時(shí)間為40~60 min，氣速由高到低進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，將環(huán)境因素的影響降至最低，同一結(jié)構(gòu)的性能曲線上的點(diǎn)均在1天內(nèi)完成。實(shí)驗(yàn)過程中充分考慮到天氣情況，盡量選擇濕度較小的天氣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3 測量參數(shù)及儀器

在分離器性能測試中，主要測量參數(shù)為壓降和分離效率，入口管道中流量使用畢托管測量，顆粒濃度主要通過加料量與加料時(shí)間控制。

3.1 參數(shù)測量及計(jì)算

進(jìn)氣量用畢托管測量，畢托管的動靜壓用U型管測量。

畢托管測量點(diǎn)的氣體流速V：

設(shè)管道內(nèi)氣體處于湍流狀態(tài)，則通過管道的流量Q：

另外，假設(shè)大氣為理想氣體，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程有：

實(shí)驗(yàn)中旋風(fēng)分離器系統(tǒng)在負(fù)壓下操作，故P=P-p，大氣壓力P=101 230 Pa，空氣的氣體常數(shù)R≈286 J/(kg·K)，由此可推出氣體流量為：

其中：為入口管道直徑，m；t為大氣溫度，℃；p為畢托管靜壓，Pa；Δh為畢托管動壓，Pa。

本實(shí)驗(yàn)所有測點(diǎn)壓降均使用U型管測量，選用合適量程的U型管對測壓點(diǎn)進(jìn)行測量，測點(diǎn)布置如圖5所示。

圖5 測壓點(diǎn)示意圖Fig.5 Schematic diagram of pressure measuring point

入口濃度可由下式確定：

其中：為加料時(shí)間，s；為加料量，kg。

當(dāng)加料量和入口濃度已知時(shí)，可由上式求得加料時(shí)間：

分離效率衡量旋風(fēng)分離器性能優(yōu)異程度的一個(gè)重要指標(biāo)。在本次實(shí)驗(yàn)中，旋風(fēng)分離器的總效率均用稱重法測定，收料量及入口加料量均用電子秤稱量。

分離效率：

其中：，，分別為收料量和入口加料量，kg 。

3.2 儀器設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)中壓力、壓差采用U型管測量，人工讀取數(shù)據(jù)。加料通過雙螺桿加料器加料，加料及收料重量使用電子秤稱量。采樣裝置中流速使用轉(zhuǎn)子流量計(jì)測量及控制，采出樣品使用粒度分析儀測量其粒徑。實(shí)驗(yàn)中提供風(fēng)量的設(shè)備為離心式風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)流量控制使用旁路調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)旁路閥門，控制裝置進(jìn)氣量。進(jìn)氣管流量使用畢托管測量，采樣裝置中使用真空泵提供負(fù)壓。

3.3 出口采樣

使用等速采樣器對出口進(jìn)行采樣，如圖6所示。

圖6 等速采樣裝置示意圖Fig.6 Schematic diagram of isokinetic sampling device

樣品粒度由激光粒度分析儀測定。實(shí)驗(yàn)前先用蒸餾水將一級和二級沖擊瓶清洗干凈并裝入蒸餾水約150 mL，二級沖擊瓶后面接一個(gè)空瓶，用于緩沖氣體中所夾帶的水分。最后一級為干燥瓶，瓶內(nèi)裝無水乙醇用于干燥。

由于出口管管徑較小，本實(shí)驗(yàn)采用單環(huán)單點(diǎn)采樣，采樣前先利用U型管標(biāo)定采樣點(diǎn)處的動壓頭，再進(jìn)一步計(jì)算采樣點(diǎn)氣速，通過換算后得到轉(zhuǎn)子流量計(jì)的讀數(shù)，進(jìn)而通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子流量計(jì)以及真空表讀數(shù)來調(diào)節(jié)采樣速度。采樣結(jié)束后先關(guān)閉截止閥，再關(guān)閉真空泵，將一級和二級沖擊瓶內(nèi)的液體倒入一個(gè)干凈的空瓶內(nèi)，用于出口顆粒的粒度分析。出口采樣顆粒粒徑分布及入口顆粒粒徑分布由粒度分析儀得出，結(jié)合公式（8），可以得出粒級效率，在粒級效率圖中讀出旋風(fēng)分離器的切割粒徑。

式中：()、()和()分別表示入口顆粒、捕集顆粒和逃逸顆粒中粒徑為的質(zhì)量分率，為總效率。

4 結(jié)果分析

4.1 單臺旋風(fēng)分離器性能

首先對單臺分離器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，為后續(xù)測試并聯(lián)分離器性能做準(zhǔn)備。實(shí)驗(yàn)采用PV型旋風(fēng)分離器，入口截面比：=5.47。

單分離器性能實(shí)驗(yàn)值如圖7所示。

圖7 單分離器性能實(shí)驗(yàn)值Fig.7 Experimental values of single separator performance

隨著芯管直徑的增加，同一入口氣速下，分離器的阻力系數(shù)逐漸降低，效率逐漸升高，這是由于隨著芯管直徑的增加分離器內(nèi)部切向速度逐漸減小，導(dǎo)致分離器內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)減弱，進(jìn)而造成分離器壓降減小。另一方面，由于分離器內(nèi)部旋流減弱，使得顆粒受到的離心力作用減小，分離效率降低。

顆粒在旋風(fēng)分離器中分離時(shí)，推動力為旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，阻力為流體的曳力。在分離的過程中還需要考慮短路流及返混等因素，在最佳分離效率點(diǎn)之前，隨著氣速的增加，離心力增強(qiáng)，返混程度也增加，但離心力增強(qiáng)引起的效率增加大于返混及短路流引起的效率的減小，使得分離效率逐漸增加。當(dāng)入口氣速超過最佳效率點(diǎn)后，返混程度的增加大于離心力增加引起的效率增加，使得分離效率下降。

4.2 相同旋風(fēng)分離器并聯(lián)性能

為探究并聯(lián)分離器性能，本文選取芯管直徑為96 mm的4臺旋風(fēng)分離器進(jìn)行并聯(lián)實(shí)驗(yàn)，分析比較單臺分離器與并聯(lián)分離器性能的差異。由于實(shí)驗(yàn)條件限制，單臺分離器最大氣速可達(dá)31 m/s，而并聯(lián)旋風(fēng)分離器的最大氣速為26 m/s。單臺分離器和并聯(lián)分離器實(shí)驗(yàn)壓降結(jié)果如圖8所示。

圖8 單分離器和并聯(lián)分離器壓降（純氣流）Fig.8 Pressure drop of single and parallel separator(pure gas flow)

圖中包括芯管直徑為96 mm的單分離器壓降、并聯(lián)分離器壓降以及使用ESD模型計(jì)算出的單分離器壓降。

壓降公式如下：

本文對單分離器和并聯(lián)分離器的分離效率進(jìn)行了測量，結(jié)果如圖9所示。

圖9 單分離器和并聯(lián)分離器效率Fig. 9 Efficiency of single separator and parallel separator

并聯(lián)分離器總效率高于單分離器效率。對于單臺分離器，效率曲線一般呈駝峰型，隨著入口氣速的增加，效率先增加再減少，這一規(guī)律已得到公認(rèn)。在實(shí)驗(yàn)條件的入口氣速下，并聯(lián)分離器的效率逐漸增加，隨著氣速的增加，并聯(lián)分離器的分離效率與單臺分離器的分離效率差距增加，并聯(lián)分離器隨氣速的增加呈單調(diào)遞增，是因其分離能力增加了，還是其他因素引起？

本文對等速采樣結(jié)果進(jìn)行了分析，得出單臺分離器和并聯(lián)分離器的切割粒徑，如表1所示。

表1 單臺分離器和并聯(lián)分離器的切割粒徑Tab.1 Cutting particle size of single separator and parallel separator

并聯(lián)分離器的切割粒徑和單臺分離器幾乎相同，但分離效率差別明顯，尤其在高氣速時(shí)。并聯(lián)分離器相對于單臺分離器來說，對于細(xì)粉的分離效率并未增加，但其分離效率卻比單臺分離器高很多。因此，并聯(lián)分離器性能的提高只能是并聯(lián)分離器內(nèi)部顆粒的返混程度降低。由于返混引起的大顆粒逃逸到出口管中，在粒級效率曲線中讀取切割粒徑時(shí)，基本不考慮逃逸的大顆粒。因此，導(dǎo)致并聯(lián)分離性能與單臺分離器切割粒徑相似，但分離性能相差較大。由此可見，并聯(lián)分離器中旋流強(qiáng)度增加，顆粒的返混程度降低，使得分離器效率高于單臺分離器。

單分離器分離效率呈駝峰曲線，主要是由于在高氣速下，顆粒的返混程度增加，導(dǎo)致效率降低。但并聯(lián)分離器的效率在實(shí)驗(yàn)條件下呈上升趨勢，說明顆粒在并聯(lián)分離器中的返混程度得到了極大地抑制。

5 結(jié)語

結(jié)果表明，相同旋風(fēng)分離器并聯(lián)時(shí)效率比單臺分離器高。然而，在生產(chǎn)使用中一般采用相同分離器進(jìn)行并聯(lián)，但有時(shí)考慮到返混等問題，經(jīng)常選用旋向不同的分離器交替排布。由于制造、安裝誤差以及使用中旋風(fēng)分離器的磨損和堵塞都使得并聯(lián)分離器中的單臺分離器性能不同。因此，很有必要對旋向和性能差異的旋風(fēng)分離器進(jìn)行并聯(lián)實(shí)驗(yàn)研究。