油頁(yè)巖旋風(fēng)分離器分離性能的試驗(yàn)研究

王佰長(zhǎng)，劉永衛(wèi)，劉 佳，孫國(guó)剛

（1.大慶油田有限責(zé)任公司新能源辦公室，大慶163453；2.中國(guó)石油大學(xué) （北京）過(guò)程裝備實(shí)驗(yàn)室）

1 前 言

世界油頁(yè)巖資源豐富，折算的頁(yè)巖油資源量數(shù)倍于石油和天然氣，被認(rèn)為是一種最現(xiàn)實(shí)、最有希望補(bǔ)充或接替石油的能源［1］。隨著石油資源的日趨緊張和需求的持續(xù)增長(zhǎng)，世界各國(guó)近年都很重視油頁(yè)巖的開發(fā)利用［2－4］。干餾制油和燃燒產(chǎn)熱、發(fā)電是當(dāng)今油頁(yè)巖工業(yè)利用的兩個(gè)主要方式［1，5］，這兩種工業(yè)利用工藝中共同面對(duì)的關(guān)鍵問(wèn)題是高溫油氣或煙氣除塵。旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、使用中幾乎免維護(hù)，對(duì)高溫、高壓、高顆粒濃度工況的適應(yīng)性好，常是高溫氣固分離的首選設(shè)備。油頁(yè)巖流化床燃燒裝置、國(guó)外現(xiàn)有工業(yè)化生產(chǎn)的油頁(yè)巖煉油裝置，如巴西佩特羅瑟克斯（Petrosix）爐、愛沙尼亞的葛洛特（Galoter）爐以及國(guó)內(nèi)外正在進(jìn)行的許多頁(yè)巖煉油中試裝置，均采用旋風(fēng)分離器進(jìn)行高溫除塵。旋風(fēng)分離器的分離性能直接影響整個(gè)油頁(yè)巖干餾或燃燒裝置的穩(wěn)定運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益，是裝置中的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備。雖然目前對(duì)旋風(fēng)分離器已進(jìn)行了相當(dāng)廣泛且深入的研究［6－8］，但國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中迄今尚未見有關(guān)油頁(yè)巖顆粒旋風(fēng)分離器的試驗(yàn)研究報(bào)道，更無(wú)從高溫干餾油氣（或燃燒煙氣）中去除頁(yè)巖顆粒的分離效率、壓降等具體數(shù)據(jù)公開。文獻(xiàn)［8］曾針對(duì)油頁(yè)巖干餾系統(tǒng)旋風(fēng)分離器的設(shè)計(jì)需要，收集了不同溫度、壓力及顆粒濃度下不同結(jié)構(gòu)尺寸的旋風(fēng)分離器試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析評(píng)價(jià)了Leith－Licht等幾個(gè)分離器模型關(guān)聯(lián)式的預(yù)測(cè)性，但他們的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中恰恰缺少油頁(yè)巖的數(shù)據(jù)。這顯然不能滿足油頁(yè)巖干餾和燃燒工業(yè)裝置高溫除塵旋風(fēng)分離器的設(shè)計(jì)與操作優(yōu)化的要求。本課題采用國(guó)內(nèi)石油催化裂化領(lǐng)域已大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的PV型高效旋風(fēng)分離器模型，用油頁(yè)巖顆粒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室冷態(tài)模型試驗(yàn)，考察入口氣速、排氣管直徑等對(duì)油頁(yè)巖顆粒旋風(fēng)分離性能的影響，并在同一分離器上通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比研究油頁(yè)巖顆粒與滑石粉的分離效率差別，為油頁(yè)巖干餾及燃燒裝置的旋風(fēng)分離器設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供基礎(chǔ)試驗(yàn)支持。

2 試驗(yàn)裝置及方法

實(shí)驗(yàn)室冷模試驗(yàn)裝置流程示意見圖1。該裝置由風(fēng)機(jī)、旋風(fēng)分離器、測(cè)量?jī)x表、過(guò)濾裝置及通風(fēng)管道組成，其中旋風(fēng)分離器采用PV型高效旋風(fēng)分離器，分離器結(jié)構(gòu)尺寸見圖2。試驗(yàn)在常溫、常壓下進(jìn)行，采用吸風(fēng)式負(fù)壓操作，氣體為常溫、常壓空氣，氣量通過(guò)風(fēng)機(jī)入口的閥門調(diào)節(jié)，用畢托管測(cè)量；分離器壓降由U形管測(cè)量。分離效率采用定量加塵、收塵及稱重的方法測(cè)定。試驗(yàn)中分離器入口的顆粒質(zhì)量濃度固定在10g/m3。

圖1 試驗(yàn)裝置系統(tǒng)示意

圖2 分離器結(jié)構(gòu)尺寸

由于大顆粒比較容易分離去除，工業(yè)裝置中主要是小顆粒較難去除，從而影響裝置操作和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，本試驗(yàn)采用顆粒較小的200目篩下油頁(yè)巖粉作為試驗(yàn)物料，以考察旋風(fēng)分離器分離細(xì)小油頁(yè)巖顆粒的能力；試驗(yàn)用油頁(yè)巖平均顆粒密度為1 350kg/m3，平均體積粒徑為21.68μm；顆粒粒度分布采用BT－9300S型激光粒度儀測(cè)量，200目篩下油頁(yè)巖粉粒度分布見圖3。

3 結(jié)果與分析

在實(shí)驗(yàn)室大氣環(huán)境下測(cè)量的旋風(fēng)分離器純氣流阻力特性見圖4。從圖4可見，該旋風(fēng)分離器的純氣流壓降（ΔP）隨入口氣速的增加而增大，與入口氣速的關(guān)系可擬合為：ΔP＝12ξρgVi2。式中：Vi為分離器入口氣速，m/s；ρg為氣體密度，kg/m3；ξ為阻力系數(shù)。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合可得出ξ＝9.25。

圖3 200目篩下油頁(yè)巖粉粒度分布—顆粒分率； —顆粒累計(jì)率

圖4 純氣流壓降與入口氣速的關(guān)系—試驗(yàn)數(shù)據(jù)；■—擬合曲線

3.1 純氣流阻力特性3.2 油頁(yè)巖顆粒的分離效率

用200目篩下油頁(yè)巖粉為試驗(yàn)粉料，測(cè)量不同入口氣速下的分離效率，結(jié)果見圖5。由圖5可見，隨著入口氣速的增加，油頁(yè)巖顆粒的旋風(fēng)分離效率先增大后減小，呈上凸形曲線；入口氣速在15m/s左右時(shí)分離效率最高；超過(guò)15m/s后，分離效率迅速下降。即在本試驗(yàn)條件下，該分離器對(duì)油頁(yè)巖顆粒分離效率最佳的入口氣速約為15m/s。這是因?yàn)殡S入口氣速的增加，分離器內(nèi)切向速度增大，即離心力增強(qiáng)，有利于顆粒分離，分離效率趨于增加；但入口氣速增加也使氣流在分離器內(nèi)停留時(shí)間縮短，這會(huì)降低顆粒被分離的機(jī)會(huì)；并且入口氣速增大到一定程度時(shí)，還可能使已沉降到器壁處的顆粒重新被卷?yè)P(yáng)起來(lái)，形成所謂的彈跳返混［6］，使分離效率反而下降。Kalen和Zenz［9］將水平管內(nèi)顆粒彈跳返混現(xiàn)象的研究結(jié)果，推廣用于旋風(fēng)分離器，并導(dǎo)出了產(chǎn)生此現(xiàn)象的跳躍速度及最佳入口氣速。但本試驗(yàn)實(shí)測(cè)的油頁(yè)巖捕集效率最高的入口氣速僅為15m/s左右，比許多常見顆粒的最佳分離效率時(shí)的氣速低許多，這可能是由于油頁(yè)巖顆粒自身的一些特性所致。

圖5 油頁(yè)巖與滑石粉的分離效率比較■—油頁(yè)巖；●—滑石粉

滑石粉是實(shí)驗(yàn)室研究評(píng)價(jià)旋風(fēng)分離器性能經(jīng)常采用的試驗(yàn)物料，文獻(xiàn)中用滑石粉測(cè)試的旋風(fēng)分離器效率數(shù)據(jù)非常多。為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)油頁(yè)巖顆粒旋風(fēng)分離效率的特殊性，采用平均粒徑11μm、密度2 700kg/m3的450目滑石粉在同一分離器上進(jìn)行分離效率測(cè)試，并將滑石粉的分離效率也繪于圖5中以便對(duì)照。從圖5可以看出：雖然旋風(fēng)分離器對(duì)滑石粉的分離效率也是隨入口氣速的增加先增加后降低，也存在一效率最高的入口氣速，但對(duì)滑石粉分離效率最高的入口氣速約為24m/s，而對(duì)油頁(yè)巖分離效率最高的入口氣速卻只有15m/s；在效率最高的入口氣速之前，對(duì)滑石粉的分離效率較低，但隨入口氣速增加而增加較快，而對(duì)油頁(yè)巖的分離效率增幅則相對(duì)較小。在較低入口氣速時(shí)，分離器對(duì)油頁(yè)巖顆粒的分離效率大于對(duì)滑石粉的分離效率；在較高入口氣速時(shí)（如大于20m/s），對(duì)油頁(yè)巖顆粒的分離效率則低于對(duì)滑石粉的分離效率，即同一臺(tái)旋風(fēng)分離器對(duì)油頁(yè)巖和滑石粉的分離效率差別顯著。產(chǎn)生這一差別的原因：一是旋風(fēng)分離中顆粒所受到的離心力正比于顆粒密度的一次方和粒徑的三次方，粒徑對(duì)分離效率的影響大于密度；試驗(yàn)所用的油頁(yè)巖顆粒平均粒徑約為滑石粉的2倍，但密度只有滑石粉的一半。所以油頁(yè)巖顆粒是大而輕，滑石粉則是重而小，旋風(fēng)分離器中分離顆粒主要靠離心力，故正常情況下對(duì)油頁(yè)巖的分離效率應(yīng)大于對(duì)滑石粉顆粒的分離效率；入口氣速超過(guò)最高效率的入口氣速后，顆粒的彈跳、碰撞與返混加劇，分離效率便會(huì)降低；油頁(yè)巖顆粒較脆，氣速越高，碰撞破碎越多，分離效率也就下降越多。

顆粒的種類對(duì)旋風(fēng)分離器的分離性能有較大的影響，當(dāng)旋風(fēng)分離器處理的顆粒種類不同時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮這種差別。在設(shè)計(jì)油頁(yè)巖旋風(fēng)分離器時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮油頁(yè)巖顆粒特性對(duì)分離效率的影響，而不能簡(jiǎn)單套用處理其它物料旋風(fēng)分離器的現(xiàn)成設(shè)計(jì)。對(duì)于本試驗(yàn)的分離器，用于常溫、常壓空氣中分離滑石粉物料時(shí)，可取有關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)中經(jīng)常推薦的22～24m/s等較高入口氣速，因?yàn)檫@一氣速接近滑石粉的效率最佳的氣速。而用于分離油頁(yè)巖顆粒時(shí)，則宜取較低的入口氣速，如15m/s左右，否則將可能達(dá)不到滿意的分離效果。

3.3 排氣芯管直徑的影響

保持分離器其它尺寸不變，分別調(diào)整旋風(fēng)分離器的排氣芯管直徑為Φ90mm，Φ120mm，Φ150mm，采用200目篩下油頁(yè)巖粉繼續(xù)進(jìn)行分離效率的測(cè)定，結(jié)果見圖6。從圖6可以看出，分離效率隨排氣芯管直徑的縮小而增大，當(dāng)然分離器的壓降也隨著芯管直徑的減小而增加；同時(shí)，芯管直徑減小時(shí)，不同入口氣速間分離效率的差距也變小，即分離效率的操作彈性變好；如芯管直徑為Φ90mm時(shí)，入口氣速?gòu)?0m/s增加到20m/s，分離效率可基本上維持在94%左右，變化幅度約在0.1%以下，波動(dòng)較小；但分離效率最佳的入口氣速基本上沒(méi)有變化，仍在15m/s左右。這說(shuō)明可以通過(guò)調(diào)整旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)尺寸提高分離效率，使油頁(yè)巖旋風(fēng)分離器的分離性能得到提高。在本試驗(yàn)中，芯管直徑Φ90mm的分離器是對(duì)油頁(yè)巖分離效率相對(duì)較高的分離器。

圖6 排氣芯管直徑對(duì)油頁(yè)巖分離效率的影響排氣芯管直徑：■—90mm；●—120mm；▲—150mm

4 結(jié) 論

（1）同一旋風(fēng)分離器對(duì)不同種類顆粒的分離效率有較大的差異。冷模試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)200目篩下油頁(yè)巖顆粒分離效率最佳的入口氣速約為15m/s，顯著低于用450目滑石粉測(cè)得的24m/s；油頁(yè)巖旋風(fēng)分離器的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)充分考慮所處理的油頁(yè)巖顆粒特性對(duì)分離效率的影響。

（2）調(diào)整旋風(fēng)分離器的排氣管尺寸可以改變對(duì)油頁(yè)巖顆粒的分離效率及操作彈性，排氣管直徑越小，分離效率越高，分離器的操作彈性越好；但分離效率最佳的入口氣速基本不受影響。

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