溢流口結構對石膏旋流器分離性能的影響

黃 軍, 安連鎖

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院,北京102206)

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-石膏法煙氣脫硫技術,該工藝的市場占有率已經達到85%以上.在濕法脫硫系統中,石膏旋流器起著十分重要的作用,它的優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,導致部分流體不能有效地被分離而直接進入溢流管或底流口成為短路流[1-3],特別是進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、分離產品中粗細?；祀s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構形狀有關,溢流管的結構形狀直接影響石膏旋流器的出口能量損失[4].所以,溢流管結構形狀是影響石膏旋流器分離性能的重要結構因素之一,褚良銀、倪玲英等[5-6]都對溢流管結構變化對旋流器分離性能的影響進行了研究,并得出了許多有用的結論.在已有研究成果的基礎上,筆者就溢流管結構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的影響進行了研究.

1 結構簡介

石膏旋流器是一種分離非均相液體混合物的設備,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[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.本文著重考慮影響石膏旋流器分離性能的結構參數,研究了旋流器溢流管結構對旋流器分離性能的影響,以解決實際運行過程中存在的短路流對旋流器分離性能的影響.圖1為石膏旋流器的結構示意圖.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、溢流口內徑Do、溢流口壁厚d、底流口內徑Du、進料口內徑Di、溢流管插入深度h及錐角θ等.

圖1 石膏旋流器的結構示意圖Fig.1 Structural diagram of the gypsum cyclone

2 試驗裝置與方案

圖2為試驗裝置的結構示意圖.

整個測試系統分為2部分:第一部分為石膏旋流器物料循環裝置,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;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構尺寸見表1.圖3給出了入口石膏漿液的粒徑分布.

圖2 試驗裝置的結構示意圖Fig.2 Schematic of the experimental setup

表1 溢流管的結構尺寸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 結果與討論

石膏旋流器的主要工藝指標包括能耗指標壓降、處理量指標即生產能力及物料流經旋流器的分配指標.針對其主要指標生產能力、分離效率以及分流比進行了相關試驗研究,并對其影響因素進行了分析.

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,本文試驗采用以下參數:石膏旋流器物料循環裝置的入口壓力降保持為100 kPa;在石膏旋流器結構參數的選取上,采用旋流器柱段內徑為100 mm,底流管內徑Du為32 mm,底流管長度為100 mm,溢流管內徑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

分離效率是指進入旋流器的物料中被分離的分散相物料占進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

經過多項式擬合可得其影響因素的關系式:

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拋物線的關系,溢流管過長或者過短都會增加短路流的出現概率,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,這種工作方式決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節,而是通過改變進出口的管徑等方式進行調節,因此調節范圍相當有限.而且,如果底流口與溢流口尺寸的比值與進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構參數和操作參數不變、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

經過多項式擬合可得其影響因素關系式:

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能力的影響

旋流器的生產能力是指單位時間內一臺設備處理的料液的體積量,它是旋流器工藝中的重要指標之一.圖6為溢流管插入深度對生產能力的影響.

圖6 溢流管插入深度對生產能力的影響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能力的影響與對分離效率和分流比的影響正好相反.生產能力隨著溢流管插入深度的增加而降低,當降低到一定數值時,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

試驗參數:石膏旋流器物料循環裝置的入口壓力降保持為100 kPa,底流管的內徑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,溢流管的內徑D o分別為25 mm、30 mm、35 mm、40 mm和45 mm.

3.2.1 溢流管內徑對分離效率與分流比的影響

圖7為溢流管內徑對分離效率與分流比的影響.

圖7 溢流管內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.當溢流管內徑增大或減小到一定數值時,分離效率和分流比的變化速率均會降低.由此可知,當溢流管厚度一定時,減小溢流管的內徑可以降低旋流器柱段內部所產生的短路流的影響.

3.2.2 溢流管內徑對生產能力的影響

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

圖8 溢流管內徑對生產能力的影響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

試驗參數:石膏旋流器物料循環裝置的入口壓力降保持為100 k Pa,底流管的內徑Du=32 mm,底流管長度為100 mm,溢流管內徑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式擬合而得出的關系曲線.由圖9可知:在內徑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系,分離效率先隨著溢流管壁厚的增加而提高,當壁厚達到一定數值時,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時分離效率達到最大值.

3.3.2 溢流管壁厚對生產能力的影響

圖10為溢流管壁厚對生產能力的影響.經過多項式擬合可得其影響因素關系式為:

由圖10可知:溢流管壁厚對生產能力的影響呈拋物線關系,隨著溢流管壁厚的增加,生產能力先增強后減弱.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,石膏旋流器的生產能力達到最強.

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

4 結 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徑的增大而降低,分離能力則隨著溢流管內徑的增大而增強.

(3)溢流管插入深度和溢流管內徑的變化均存在著同一規律,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,分離效率和生產能力則與溢流管壁厚呈拋物線關系;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,但當壁厚達到一定值時,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到最大值.

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