結構參數對石膏旋流器分股比的影響分析

黃 軍, 安連鎖, 楊 陽, 李庚生,3

(1.華北電力大學能源動力與機械工程學院,北京102206;2.神華國華(北京)電力研究院有限公司,北京100025;3.天津市津能投資公司,天津300050)

在對環境質量要求越來越高的背景下,火力發電廠作為排硫大戶,煙氣脫硫(FGD)成為必不可少的環節.目前,在FGD項目中應用最廣泛的方法是濕法石灰石-石膏煙氣脫硫技術,其市場占有率已達85%以上.在濕法脫硫系統中,石膏旋流器扮演著重要角色,控制著溢流和底流的流量以滿足下級處理的要求,其優劣決定了分離性能的好壞,底流管石膏漿液濃度的高低直接影響真空皮帶脫水機中真空泵的出力,也影響脫硫塔脫硫的整體效果[1-3].

評價一臺石膏旋流器性能的好壞,一方面要看其是否具有較高的分離效率,另一方面還要看其是否具有合適的分股比.如果分股比不合適,則會有大量的細小顆粒從底流管排出,這樣不但達不到石膏旋流器本身的作用效果,而且這部分細小顆粒還極有可能引起脫硫系統下游設備真空皮帶脫水機濾布的堵塞,影響真空泵的出力,甚至給設備造成一定的安全隱患,另外也會使整個系統的處理能力降低,導致脫硫系統的綜合效率下降.同時,底流管與溢流管尺寸的大小需要與入口管石膏漿液的濃度相匹配,否則很有可能造成底流管處固體顆粒的堵塞而影響石膏旋流器的正常運行,因此研究結構參數對分股比的影響很有必要.相關研究者[4-8]對結構參數對分股比的影響進行了研究,并得出許多有用的結論.在已有研究成果的基礎上,筆者研究了石膏旋流器結構參數對分股比和分離性能等指標的影響.

1 石膏旋流器的結構

石膏旋流器是一種分離非均相液體混合物的設備,由圓柱段、圓錐段、溢流管、底流管和入口管組成.它在離心力的作用下根據兩相或多相之間的密度差來實現兩相或多相分離[9-10].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動的產生、發展和消失的全過程,其流場呈三維分布,流型非常復雜.筆者主要研究旋流器結構參數對旋流器分股比的影響,從優化分股比的角度尋求提高旋流器分離性能的方法.石膏旋流器的結構參數包括:旋流器柱段內徑D、旋流器柱段長度H、溢流管內徑Do、溢流管壁厚d、底流管內徑Du、進料管內徑Di、入口管內徑 De、溢流管插入深度h和錐角θ等.

2 試驗裝置

圖1 試驗裝置的結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experiment setup

整個試驗裝置即一個石膏旋流器物料循環裝置,其結構示意圖見圖1.試驗裝置包括石膏漿液箱、石膏漿液泵、流量計、石膏旋流器、壓力表、攪拌電機、閥門及管道等.粒子粒徑分布測試裝置主要包括激光粒度分析儀和電子稱等.圖2給出了入口石膏漿液粒徑的分布.

圖2 入口石膏漿液的粒徑分布Fig.2 Size distribution of gypsum slurry at inlet of cyclone

3 結果與分析

分股比S也稱流量分配[6],指正常生產時旋流器底流管的總體積流量與溢流管的總體積流量之比[9],即 :

式中:Qu為底流管的總體積流量,m3/s;Qo為溢流管的總體積流量,m3/s.

3.1 不同溢流管插入深度時分股比隨入口壓力的變化

為了分析溢流管插入深度對分股比和入口壓力的影響,試驗采用以下參數:D=100 mm,θ=9°,De=32 mm,d=10 mm,溢流管插入深度取L1=35 mm、L2=70 mm 和 L3=105 mm,如表1所示.

表1 不同溢流管插入深度石膏旋流器的結構尺寸Tab.1 Structural parameters of the gypsum cyclone,in case of different insertion depths of overflow pipe

圖3為溢流管插入深度對分股比和入口壓力關系的影響.由圖3可知,對于結構一定的石膏旋流器,分股比隨著入口壓力的升高呈現先減小的趨勢,當入口壓力高于60 kPa時,分股比基本保持不變;在相同的入口壓力下,當溢流管插入石膏旋流器內的深度發生變化時,分股比也隨之變化,溢流管插入深度為70 mm石膏旋流器的分股比最大,其次是插入深度為105 mm的石膏旋流器,溢流管插入深度為35 mm的石膏旋流器的分股比最小.由于在一定范圍內,分股比對石膏旋流器的分離效率有一定影響.由圖3還可知,分股比與入口壓力之間呈非線性關系,溢流管插入深度存在一個最優值,使得石膏旋流器分股比最大.

圖3 不同溢流管插入深度分股比隨入口壓力的變化Fig.3 Split ratio vs.inlet pressure,in case of different insertion depths of overflow pipe

3.2 不同溢流管壁厚分股比隨入口壓力的變化

試驗參數:旋流器柱段內徑、錐角和入口管內徑與3.1節中參數一致,Do=25 mm,溢流管壁厚取d1=10 mm 、d2=20 mm 和d3=30 mm.

圖4為溢流管壁厚對分股比和壓力關系的影響.由圖4可知,當溢流管壁厚一定時,分股比隨著入口壓力變化的敏感程度逐漸降低,分股比呈先減小的趨勢,然后基本保持不變.當石膏旋流器其他結構參數保持一定時,分股比和入口壓力之間的關系隨著溢流管壁厚的變化而改變,在入口壓力相同的情況下,溢流管壁厚為20 mm的石膏旋流器的分股比最大,其次是溢流管壁厚為10 mm的石膏旋流器,溢流管壁厚為30 mm的石膏旋流器的分股比最小.增加壁厚對石膏旋流器內的短路流具有一定的抑制作用,由圖4可知,分股比和入口壓力呈非線性關系,所以選擇溢流管壁厚時既要考慮分股比的影響,也要考慮抑制短路流的影響.

圖4 不同溢流管壁厚分股比隨入口壓力的變化Fig.4 Split ratio vs.inlet pressure,in case of different wall thicknesses of overflow pipe

3.3 不同k值分股比隨入口壓力的變化

定義k為溢流管內徑與底流管內徑之比

由于k的大小對石膏旋流器底流和溢流濃度值以及底流和溢流的流量比影響較大,因此針對k值對分股比和入口壓力關系的影響進行了分析.

試驗參數:D、θ和De與3.1節中的結構參數一致,d=20 mm.

表2給出了4種不同k值的石膏旋流器參數尺寸,分別針對這4種石膏旋流器進行比較分析.

表2 不同k值下,石膏旋流器的結構尺寸Tab.2 Structural parameters of the gypsum cyclone,in case of different k values

圖5給出了k值對分股比和入口壓力關系的影響.由圖5可知,當k值相同時,隨著入口壓力的改變,分股比的變化很小,即結構參數一定時,石膏旋流器的分股比基本保持不變;入口壓力相同時,分股比隨著k值的增大而減小,而且k值越小,變化趨勢越明顯,這提供了優化石膏旋流器分股比的方法.但是如果溢流管與底流管尺寸的大小與入口漿液中固體顆粒的濃度不匹配,很可能造成底流管固體顆粒堵塞而影響正常操作[9-11],特別是在石膏旋流器底流石膏漿液濃度不小于50%的要求下,更需要選擇合適的分股比以防止底流管堵塞,從而保障設備的正常運行.

圖5 不同k值分股比隨入口壓力的變化Fig.5 Split ratio vs.inlet pressure,in case of different k values

3.4 不同k值分離效率隨入口壓力的變化

本試驗中,入口壓力的變化通過調節入口流量實現,為了探討k值對分離效率和入口壓力關系的影響,有必要關注入口流量與入口壓力之間的關系(見圖6).由圖6可知,在不同的 k值時,入口壓力隨著入口流量的增大而升高,呈現近似線性的關系.在保持石膏旋流器柱段內徑、錐角、入口管內徑以及溢流管壁厚不變,入口壓力相同的情況下,入口流量隨著k值的增大而降低。當k=0.937 5時,由于溢流管內徑過小,旋流器內的溢流漿液來不及從溢流管排出從而再次進入石膏旋流器腔室,導致其中一部分漿液發生二次分離,這將直接導致入口流量出現很低的現象.

圖6 不同k值入口流量隨入口壓力的變化Fig.6 Inlet flow vs.inlet pressure,in case of different k values

圖7給出了k值對分離效率和入口壓力關系的影響.由圖7可知,當k值相同時,分離效率隨著入口壓力的升高而提高,提高的趨勢較平緩.

圖7 不同k值分離效率隨入口壓力的變化Fig.7 Separation efficiency vs.inlet pressure,in case of different k values

4 結 論

溢流管壁厚和溢流管插入深度均存在一個最佳值,使得石膏旋流器分股比最大.當溢流管插入深度變化時,對于結構一定的石膏旋流器,分股比隨著入口壓力的增加呈現先減小的趨勢,當入口壓力高于60 kPa時,分股比基本保持不變;入口壓力對石膏旋流器分股比的影響隨著k值的增大而減小,并且k值越小,變化趨勢越明顯,而在結構參數一定的情況下,盡管操作參數變化,但是分股比趨于不變;當k值不同時,入口壓力隨著入口流量的增大而升高,呈現近似線性的關系;石膏旋流器結構參數一定,入口壓力相同時,入口流量隨著k值的增大而降低;當k值相同時,分離效率隨入口壓力的升高而提高,提高的趨勢較平緩.

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