結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)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(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院,北京102206;2.神華國(guó)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(duì)環(huán)境質(zhì)量要求越來越高的背景下,火力發(fā)電廠作為排硫大戶,煙氣脫硫(FGD)成為必不可少的環(huán)節(jié).目前,在FGD項(xiàng)目中應(yīng)用最廣泛的方法是濕法石灰石-石膏煙氣脫硫技術(shù),其市場(chǎng)占有率已達(dá)85%以上.在濕法脫硫系統(tǒng)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(jí)處理的要求,其優(yōu)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(jī)中真空泵的出力,也影響脫硫塔脫硫的整體效果[1-3].

評(píng)價(jià)一臺(tái)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(huì)有大量的細(xì)小顆粒從底流管排出,這樣不但達(dá)不到石膏旋流器本身的作用效果,而且這部分細(xì)小顆粒還極有可能引起脫硫系統(tǒng)下游設(shè)備真空皮帶脫水機(jī)濾布的堵塞,影響真空泵的出力,甚至給設(shè)備造成一定的安全隱患,另外也會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)的處理能力降低,導(dǎo)致脫硫系統(tǒng)的綜合效率下降.同時(shí),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(yùn)行,因此研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)分股比的影響很有必要.相關(guān)研究者[4-8]對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)分股比的影響進(jìn)行了研究,并得出許多有用的結(jié)論.在已有研究成果的基礎(chǔ)上,筆者研究了石膏旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)分股比和分離性能等指標(biāo)的影響.

1 石膏旋流器的結(jié)構(gòu)

石膏旋流器是一種分離非均相液體混合物的設(shè)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(jù)兩相或多相之間的密度差來實(shí)現(xiàn)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(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生、發(fā)展和消失的全過程,其流場(chǎng)呈三維分布,流型非常復(fù)雜.筆者主要研究旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)旋流器分股比的影響,從優(yōu)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(jié)構(gòu)參數(shù)包括:旋流器柱段內(nèi)徑D、旋流器柱段長(zhǎng)度H、溢流管內(nèi)徑Do、溢流管壁厚d、底流管內(nèi)徑Du、進(jìn)料管內(nèi)徑Di、入口管內(nèi)徑 De、溢流管插入深度h和錐角θ等.

2 試驗(yàn)裝置

圖1 試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experiment setup

整個(gè)試驗(yàn)裝置即一個(gè)石膏旋流器物料循環(huán)裝置,其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1.試驗(yàn)裝置包括石膏漿液箱、石膏漿液泵、流量計(jì)、石膏旋流器、壓力表、攪拌電機(jī)、閥門及管道等.粒子粒徑分布測(cè)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(jié)果與分析

分股比S也稱流量分配[6],指正常生產(chǎn)時(shí)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(shí)分股比隨入口壓力的變化

為了分析溢流管插入深度對(duì)分股比和入口壓力的影響,試驗(yàn)采用以下參數(shù):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(jié)構(gòu)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(duì)分股比和入口壓力關(guān)系的影響.由圖3可知,對(duì)于結(jié)構(gòu)一定的石膏旋流器,分股比隨著入口壓力的升高呈現(xiàn)先減小的趨勢(shì),當(dāng)入口壓力高于60 kPa時(shí),分股比基本保持不變;在相同的入口壓力下,當(dāng)溢流管插入石膏旋流器內(nèi)的深度發(fā)生變化時(shí),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(nèi),分股比對(duì)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(guān)系,溢流管插入深度存在一個(gè)最優(yōu)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(yàn)參數(shù):旋流器柱段內(nèi)徑、錐角和入口管內(nèi)徑與3.1節(jié)中參數(shù)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(duì)分股比和壓力關(guān)系的影響.由圖4可知,當(dāng)溢流管壁厚一定時(shí),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(shì),然后基本保持不變.當(dāng)石膏旋流器其他結(jié)構(gòu)參數(shù)保持一定時(shí),分股比和入口壓力之間的關(guān)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(duì)石膏旋流器內(nèi)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(guān)系,所以選擇溢流管壁厚時(shí)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(nèi)徑與底流管內(nèi)徑之比

由于k的大小對(duì)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(duì)k值對(duì)分股比和入口壓力關(guān)系的影響進(jìn)行了分析.

試驗(yàn)參數(shù):D、θ和De與3.1節(jié)中的結(jié)構(gòu)參數(shù)一致,d=20 mm.

表2給出了4種不同k值的石膏旋流器參數(shù)尺寸,分別針對(duì)這4種石膏旋流器進(jìn)行比較分析.

表2 不同k值下,石膏旋流器的結(jié)構(gòu)尺寸Tab.2 Structural parameters of the gypsum cyclone,in case of different k values

圖5給出了k值對(duì)分股比和入口壓力關(guān)系的影響.由圖5可知,當(dāng)k值相同時(shí),隨著入口壓力的改變,分股比的變化很小,即結(jié)構(gòu)參數(shù)一定時(shí),石膏旋流器的分股比基本保持不變;入口壓力相同時(shí),分股比隨著k值的增大而減小,而且k值越小,變化趨勢(shì)越明顯,這提供了優(yōu)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(shè)備的正常運(yùn)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(yàn)中,入口壓力的變化通過調(diào)節(jié)入口流量實(shí)現(xiàn),為了探討k值對(duì)分離效率和入口壓力關(guān)系的影響,有必要關(guān)注入口流量與入口壓力之間的關(guān)系(見圖6).由圖6可知,在不同的 k值時(shí),入口壓力隨著入口流量的增大而升高,呈現(xiàn)近似線性的關(guān)系.在保持石膏旋流器柱段內(nèi)徑、錐角、入口管內(nèi)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(dāng)k=0.937 5時(shí),由于溢流管內(nèi)徑過小,旋流器內(nèi)的溢流漿液來不及從溢流管排出從而再次進(jìn)入石膏旋流器腔室,導(dǎo)致其中一部分漿液發(fā)生二次分離,這將直接導(dǎo)致入口流量出現(xiàn)很低的現(xiàn)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(duì)分離效率和入口壓力關(guān)系的影響.由圖7可知,當(dāng)k值相同時(shí),分離效率隨著入口壓力的升高而提高,提高的趨勢(shì)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(jié) 論

溢流管壁厚和溢流管插入深度均存在一個(gè)最佳值,使得石膏旋流器分股比最大.當(dāng)溢流管插入深度變化時(shí),對(duì)于結(jié)構(gòu)一定的石膏旋流器,分股比隨著入口壓力的增加呈現(xiàn)先減小的趨勢(shì),當(dāng)入口壓力高于60 kPa時(shí),分股比基本保持不變;入口壓力對(duì)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(shì)越明顯,而在結(jié)構(gòu)參數(shù)一定的情況下,盡管操作參數(shù)變化,但是分股比趨于不變;當(dāng)k值不同時(shí),入口壓力隨著入口流量的增大而升高,呈現(xiàn)近似線性的關(guān)系;石膏旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)一定,入口壓力相同時(shí),入口流量隨著k值的增大而降低;當(dāng)k值相同時(shí),分離效率隨入口壓力的升高而提高,提高的趨勢(shì)較平緩.

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