縮放型入口對石膏旋流器分級效率的影響分析

閆 亮

（中國能源建設集團山西省電力勘測設計院有限公司，山西 太原030001）

石灰石／石膏濕法煙氣脫硫是目前最成熟、應用最廣泛的煙氣脫硫技術，具有脫硫效率高，可靠性高，可利用率高，對煤種的適應性廣等特點[1，2]。石膏旋流器是濕法煙氣脫硫系統的重要部件，主要對質量濃度為10%~15%的石膏漿液進行濃縮和顆粒分級。

入口段的結構形式直接影響旋流器的工作性能，不同的入口結構在處理能力、分離效率、能耗等各方面都有顯著差異。本文提出一種縮放型入口，用以改善旋流器的工作性能。

1 縮放型入口的提出

圖1為兩種不同形式入口管的結構簡圖，從圖中也可看到顆粒的分布情況。圖1（a）是最常見的矩形入口結構，入口段與柱段相切，沿介質運動方向管道橫截面積不發生變化，文中稱為直管；圖1（b）為縮放型入口，該入口段的外表面1仍與旋流器柱段相切，管道橫截面為矩形，沿介質運動方向，橫截面積先減小后增大。兩個入口段的初始位置以及與柱段相交處的管道寬度都為L.入口為直管時，不同粒徑石膏顆粒在管道內隨機分布，并以此狀態隨液相水一同進入旋流器柱段，隨后進行預分離[3]。

采用縮放型入口時，石膏顆粒在漸縮段內仍然是隨機分布，隨著管道截面積的減小，漿液速度增大，且運動方向沿漸縮面2發生傾斜。進入漸擴段后，粗顆粒會保持之前的運動方向，向外表面1附近集中，進入旋流器主體后分布在柱段的外圍區域；而細顆粒由于受到慣性作用較小，其運動方向受漸擴面3的影響發生改變，與粗顆粒發生分離并匯集在漸擴面3附近，進入旋流器主體后分布在柱段的內圈。

2 數值模擬

2.1 湍流模型

基于水力旋流器內部流體為強旋湍流，湍流結構具有明顯的各項異性，本文采用RSM雷諾應力模型進行液相湍流流場的計算。

2.2 DPM模型

在連續相流場收斂后，加入DPM（離散相模型）離散相模型，對顆粒的運動軌跡進行追蹤。

（1）進口條件：石膏顆粒密度為2 300 kg/m3，按粒徑不同分為 7 組：2.5、7.5、12.5、17.5、22.5、27.5、35（μm）.

（2）溢流管邊界條件：逃逸escape.

（3）底流管邊界條件：捕捉trap.

（4）筒壁邊界條件：認為顆粒運動到壁面時服從鏡面反射原理，以此對顆粒的下一點位置和速度參數進行計算。

3 結果與討論

表1為入口速度v=5 m/s時，兩種入口結構下不同粒徑顆粒的追蹤結果。其中：number tracked為入口處捕捉到的顆粒數目；number escaped為從溢流口逃逸的顆粒數目；number trapped為從底流口捕捉到的顆粒數目。

表1 不同入口結構下石膏顆粒分離情況（v=5m/s）

入口為直管的情況時，2.5μm顆粒從底流口流出的數目多于從溢流口流出的，說明該結構對細顆粒的分離效果較差，這會影響石膏漿液的二級脫水，另一方面會影響脫水后的石膏品質[4]。

縮放型入口由于對粗細顆粒進行了初步分離，降低了被粗顆粒攜帶的細顆粒比例，因此從溢流口流出的細顆粒明顯增多，但12.5μm顆粒的分離效率有所降低，這和流速以及縮放比例有一定的關系。

水力旋流器的分級效率是指懸浮液多分散性固相顆粒群中各級粒度顆粒的分離效率（或各級粒度顆粒的底流回收率）[5]。

根據模擬結果，分級效率 G（dx）可由公式（1）計算得出：

圖2為不同入口結構、不同速度下石膏旋流器的分級效率曲線?？梢钥闯觯肟跒橹惫埽肟谒俣葀=8m/s時所有顆粒的分離效率都最高，這說明對于石膏旋流器，增大速度反而使分級性能變差。對于縮放型入口結構，不論入口速度如何，2.5μm與7.5 μm顆粒的分級效率降低了10%~20%左右，并且還能滿足粗顆粒較高的分離效率，說明縮放型入口對來流速度（工作壓力）有良好的適應性，更適合工作壓力多變的石膏旋流器。

圖2 不同粒徑石膏顆粒分級效率曲線

4 結束語

（1）縮放型入口可實現粗細顆粒的初步分離，為石膏旋流器柱段及錐段的分離建立了良好的基礎；

（2）縮放型入口結構能增大細顆粒從溢流口流出的比例，一定程度上減輕了“底流夾細”現象；

（3）縮放型入口對石膏旋流器工作壓力的變化有更好的適應性。

[1]嚴禎榮，耿麗萍，楊 茉，等．WFGD水力旋流器中石灰石顆粒分級試驗與數值模擬[J].熱能動力工程，2010，25（3）：321-325．

[2]黃 軍，安連鎖．溢流口結構對石膏旋流器分離性能的影響[J].動力工程學報，2011，31（2）:137-141.

[3]KraipechW，Nowakowskik A，Dyakowsk T.An Investigation of TheEffectofTheParticle-Fluid and Particle-Particle Interactions on The Flow within A Hydrocyclone[J].Chemical Engineering Journal，2005，（111）:189-197.

[4]黃 軍，安連鎖，楊 陽，等.結構參數對石膏旋流器分股比的影響分析[J].動力工程學報，2011，31（9）:678-681.

[5]沈國清，楊亞龍，安連鎖，等.石灰石-石膏濕法脫硫系統石膏旋流器分級效率的研究[J].動力工程學報，2012，32（8）:639-645.