石灰石－石膏濕法脫硫系統(tǒng)石膏旋流器分級效率的研究

沈國清， 楊亞龍， 安連鎖， 曹雅嫻

（1.華北電力大學 電站設備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室，北京102206；2.天津市城安熱電有限公司，天津300204；3.天津市熱電公司，天津300161）

在石灰石－石膏濕法脫硫技術中，對石膏結晶和脫水工藝的控制很大程度上影響最終產(chǎn)品的質量和脫水效率.為了高效率、高品質地脫水，必須優(yōu)化反應塔內(nèi)的石膏結晶過程，并使用符合脫水石膏晶體粒度分布的水力旋流器.

在石膏漿液脫水工藝指標中，分離效率是指物料經(jīng)過旋流器后總的分離效率，即進口物料中所有不同粒度的分散相顆粒在底流口被分離出來的質量分數(shù).但是物料中的分散相顆粒不是同一粒度，而是具有一定粒度分布的顆?；旌衔?，石膏脫水工藝要求水力旋流器精確地分離出某粒度范圍的分散相顆粒.因此除了分離效率以外，還存在一個表征水力旋流器分級性能的指標，即分級效率.

為了保證分級效率這一指標，水力旋流器的結構參數(shù)和操作條件必須符合分散相粒度分布的要求.國內(nèi)外學者主要利用試驗、數(shù)值模擬和解析計算等方法研究特定用途水力旋流器分級效率的影響因素及其影響規(guī)律.Hsieh和Rajamani［1］利用無量綱渦－流函數(shù)運動方程和普朗特混合長度模型以及軸對稱假設對水力旋流器分級效率進行了數(shù)值模擬，模擬結果與試驗數(shù)據(jù)基本相符；嚴禎榮［2］等利用Fluent軟件的RSM模型對水力旋流器的分級效率進行了研究，并與試驗結果進行了比較，粗略地得出了顆粒分布的情況；Doby［3］、Wang［4］、Neesse［5］等人研究發(fā)現(xiàn)水力旋流器各種參數(shù)對其分級效率有重要影響，但由于研究方法與試驗條件的差異，尚未形成統(tǒng)一的理論；邱家山［6］、Wills［7］、褚良銀［8］、李玉星［9］等人通過試驗研究物料參數(shù)、操作參數(shù)對水力旋流器分級效率的影響，得出分散相質量分數(shù)增大不利于小粒徑顆粒分級效率的提高、提高入口壓力有利于減小d50（分散相粒度）；趙慶國［10］通過解析計算確定d50，并發(fā)現(xiàn)唯有物料粒徑能影響d50.若利用數(shù)值模擬方法研究水力旋流器分級效率，對入口分散相顆粒粒度分布全面準確地設置是較困難的，因而限制了對分級效率的研究，并且仍未確定較合理的兩相流模型；若利用試驗的方法進行研究，對顆粒粒徑的準確測量也存在困難；測量方法有烘干樣本后利用鋼篩測量以及用激光散射粒度儀測量等，后者準確度較高，但受石膏顆粒易沉降的影響.其測量結果仍欠佳.筆者通過分析分級效率對濕法煙氣脫硫（WFGD）工藝的影響，設計試驗方案，借助具有高速攪拌功能的Winner2000ZD激光粒度儀進行試驗研究，重點研究水力旋流器分級效率的影響因素及其影響規(guī)律，進而指導優(yōu)化水力旋流器的結構.

1 分級效率

1.1 定義

分級效率又稱級效率.對于固－液旋流器，若入口分散相顆粒為某單一的粒度，測量其分離效率，然后在其他條件不變的情況下測定若干不同粒徑分散相對應的分離效率，再將粒度與分離效率的關系畫在一個二維坐標中，連成平滑的曲線即分級效率曲線.單一粒度的折算前分級效率［11］：

折算分級效率［11］

式中：G（dx）為粒度x的分散相顆粒對應的折算前分級效率；G′（dx）為粒度x的分散相顆粒對應的折算分級效率（文中分級效率均指折算分級效率）；ρmo為溢流混合物的密度；ρmi為入口混合物的密度；ρmu為底流混合物的密度；co為溢流混合物中分散相的質量分數(shù)；ci為入口混合物中分散相的質量分數(shù)；cu為底流混合物中分散相的質量分數(shù)；fo（dx）為溢流混合物中粒度x的分散相顆粒的概率密度函數(shù)；fi（dx）為入口混合物中粒度x的分散相顆粒的概率密度函數(shù)；fu（dx）為底流混合物中粒度x的分散相顆粒的概率密度函數(shù)；F為分流比.

良好的分級效率體現(xiàn)在分離粒度較小、分級效率曲線較陡.分離粒度又稱切割粒徑，表示分級效率曲線上某一特定的分離效率所對應的分散相粒度.常用的分離粒度用d50表示，其意義是分級效率曲線上50%分離效率所對應的分散相粒度，這個尺寸也稱為等概率尺寸，表示這種粒度的顆粒從底流口與溢流管排出旋流器的幾率各占50%.分離粒度越小表示旋流器的分離能力越強，回收率越高.無因次分級效率曲線陡度用d25／d75或d10／d90表示，其意義是兩種不同分離效率對應粒度的比值，反映分級尺寸的集中性，表征旋流器的分離精度［12］.

1.2 對石灰石－石膏濕法脫硫工藝的影響

在石灰石－石膏濕法脫硫技術中，良好的分級效率具有以下效果：有效控制漿液密度，即石灰石和石膏在漿液中的比例；減少石膏旋流器底流漿液中的石灰石成分；提高產(chǎn)品中的石膏純度，降低石灰石、灰粒、溶解鹽、氯離子、水分等的質量分數(shù).此外，分級效率的提高，一方面可使對應顆粒的分離效率也得到提高；另一方面可以控制小粒徑顆粒隨底流進入真空皮帶機堵塞抽氣孔的幾率，從而降低廠用電率和石膏二級脫水系統(tǒng)故障率［13］.

為了分析這一影響的機理，有必要分析石膏晶體結晶的物理過程.過飽和度σ是用于描述石膏結晶情況的參數(shù)

式中：ρ為溶液中石膏實際質量濃度；ρ＊為相應的石膏的飽和質量濃度.

σ對晶體生長速度的定性界限影響見圖1.當σ小于0時，晶體溶入溶液直至達到飽和為止；當σ大于0時，現(xiàn)有晶體繼續(xù)長大，而且晶束（小分子團）的聚集會形成新的晶種.整個工藝過程可看成是在晶體或偶然形成的晶束上單個分子的聚集和離散之間的動態(tài)平衡.在相對過飽和度較低時，晶種生長速度即晶體繁殖速度可忽略，因為其質量濃度還不足以使這些主要位于界面區(qū)的分子進入新形成的晶束中（亞穩(wěn)平衡），而是在現(xiàn)有晶體結構中牢固地結合.在這種情況下，現(xiàn)有晶體進一步增長而生成石膏.當晶體飽和率進一步增大后，更多的晶束可通過在溶液中的流動從現(xiàn)有晶體中分離出來（二次析晶），晶體的繁殖起主導作用.

圖1 σ對晶體生長速度的定性界限影響Fig.1 Qualitative influence of supersaturation degreeσon the crystal’s growth and reproductive rate

由以上分析可知，有必要對亞穩(wěn)平衡區(qū)域中相對過飽和度最大時的晶體粒度進行有效分離，使結晶工藝滿足以下條件：已形成的石膏在現(xiàn)有晶體上長大，形成的新晶體盡量少.此項工藝要求石膏旋流器能精確、高效地分選出一定粒徑的石膏晶體.

在石膏脫水工藝中高效率、高精度地將某粒徑以上的石膏晶體分選出來，其余的分散相粒徑較小的稀漿液經(jīng)過廢水旋流器的濃縮后返回反應塔繼續(xù)參與吸收SO2的反應，從而可以更好地控制石膏的結晶過程，實現(xiàn)提高脫硫效率、石灰石利用率和最終產(chǎn)品品質，降低廠用電率和提高脫硫設備安全性的目標.

2 分級效率的試驗研究

2.1 試驗方案設計

水力旋流器的各結構參數(shù)、操作參數(shù)和物料參數(shù)都會影響其分級效率.利用圖2所示試驗臺，使用不同結構參數(shù)的旋流器對特定參數(shù)的石膏漿液進行不同操作參數(shù)下的分級試驗.

試驗流程為石膏排出泵從石膏漿液罐中抽取待分離的石膏漿液，通過再循環(huán)閥調(diào)節(jié)石膏旋流器入口壓力，使其穩(wěn)定在實驗所需的各個值，在石膏旋流器入口管道裝設數(shù)字流量計和壓力表，被石膏旋流器分離后的溢流漿液和底流漿液分別經(jīng)過流量測量裝置返回石膏漿液罐中.為了防止?jié){液罐中石膏沉降，在其中加裝了攪拌器.

圖2 試驗流程示意圖Fig.2 Flow chart of the experimental test

試驗所用重要儀表規(guī)范見表1.

表1 重要儀表規(guī)范Tab.1 Specifications of key instruments

試驗中入口壓力分別控制到80kPa、90kPa、100kPa、105kPa和115kPa.物料為從工程現(xiàn)場取樣的石膏漿液，其參數(shù)見表2和圖3.通過對平衡軌道理論模型、前期試驗數(shù)據(jù)的回歸模型的研究以及對進口產(chǎn)品規(guī)格的估算確定石膏旋流器的直徑.因為石膏旋流器主要分選與連續(xù)相密度差值并不太大的不同粒度顆粒，并且工程要求的分離效率較高，所以選擇的錐角比較小.錐角的確定需要通過驗證實驗實現(xiàn).根據(jù)圓錐段的高度、處理量大小、入口壓力以及分離粒度要求確定圓柱段高度.由旋流器直徑、處理量以及入口壓力要求設置入口管當量直徑.溢流管、底流口、入口結構參數(shù)按照試驗方案的要求選取，見表3.

表2 物料參數(shù)Tab.2 Operating parameters

圖3 入口漿液的粒度分布Fig.3 Particle size distribution of the inlet slurry

表3 結構參數(shù)Tab.3 Structure parameters

2.2 試驗數(shù)據(jù)測量和分級效率計算

試驗中分別在再循環(huán)管、溢流管和底流管處對石膏漿液進行取樣，利用實驗天平和激光粒度分析儀測定入口漿液、溢流漿液和底流漿液的體積流量、密度和粒度分布等指標.表4和表5分別為基準石膏旋流器在入口壓力80kPa和90kPa下1～15μm粒徑范圍內(nèi)的分級效率試驗數(shù)據(jù)，其中的分級效率值是按照式（3）計算所得的折算分級效率，實驗方案中其他試驗數(shù)據(jù)的獲取和處理方法與其類似.

表4 入口壓力80kPa下分級效率試驗數(shù)據(jù)Tab.4 Experimental data of separation efficiency at an inlet pressure of 80kPa（a）試驗條件

表5 入口壓力90kPa下分級效率試驗數(shù)據(jù)Tab.5 Experimental data of separation efficiency at an inlet pressure of 90kPa

續(xù)表

3 試驗結果及分析

3.1 入口壓力對水力旋流器分級效率的影響

圖4為直切式入口石膏旋流器分級效率曲線.由圖4可見，在分散相粒度小于4μm的區(qū)域分級效率曲線出現(xiàn)波峰，這是因為漿液中小顆粒氧化鈣、硅酸鹽等密度較大，分離效率較高.在入口壓力為90～105kPa內(nèi)，分級效率曲線隨入口壓力的升高向左上方移動，80kPa的曲線介于100kPa和105 kPa之間.入口壓力為80kPa時，石膏漿液的湍流強度較小，雷洛切應力較小，石膏晶體受到機械應力的影響小，晶體可以保持較大粒徑的狀態(tài)［14］.

圖4 入口壓力對分級效率的影響（直切式入口）Fig.4 Influence of inlet pressure on the separation efficiency （tangential inlet）

圖5為入口壓力對分流比的影響.由圖5可知，在入口壓力為80kPa以下時石膏旋流器的分流比較大，對應粒度的分離效率較高.若不考慮以上因素的影響，石膏旋流器的分離效率隨入口壓力的升高而升高，而分離粒度隨入口壓力的升高而變小.

3.2 溢流管結構對水力旋流器分級效率的影響

圖5 入口壓力對分流比的影響Fig.5 Influence of inlet pressure on the split ratio

圖6 溢流管內(nèi)徑對分級效率的影響Fig.6 Influence of overflow pipe＇s inner diameter on the separation efficiency

圖6為溢流管內(nèi)徑對分級效率的影響.由圖6可知，口徑較小的溢流管對小顆粒的分離效率較低，而對其他顆粒的分離效率較高.口徑較大的溢流管分離效率較低，分離粒度較大，分離精度較差.口徑適中的溢流管分級效率和分離效率最高.因為溢流管口徑較小時，小粒徑顆粒易隨循環(huán)流流入錐段器壁附近，甚至部分進入壁面邊界層，進而進入底流.但是進入小溢流管的溢流工質壓力較低，流量較小，從而使分離粒度較小，分離精度也較高.而溢流管口徑較大時，未經(jīng)充分離心沉降分離的工質以較高分散相質量分數(shù)的狀態(tài)流進溢流管，造成分離精度較差，分流比較小，分離效率較低.

圖7 溢流管插入深度對分級效率的影響Fig.7 Influence of overflow pipe＇s inserting depth on the separation efficiency

圖7為溢流管插入深度對分級效率的影響.由圖7可知，隨著溢流管插入深度的增加，分級效率整體呈升高的趨勢，并且小顆粒分散相的分離效率有所升高.因為溢流管插入深度增加后，一方面流體在旋流器柱段停留的時間更長，離心沉降效果更好；另一方面是較深的溢流管可與零軸向速度包絡面形成一個封閉的空間，成功阻止了循環(huán)流對小粒徑分散相分離的破壞作用，使分級精度提高［15］.此外，隨著溢流管插入深度的增加，分離粒度減小，原因是當溢流管插入深度較小時，粗顆?？赏ㄟ^旋流器頂蓋下的短路流進入溢流管［16］.然而，在工程使用壓力下，隨著溢流管插入深度的增加，旋流器分流比變小，分離效率降低，所以應選擇適當?shù)囊缌鞴懿迦肷疃?

圖8為溢流管厚度對分級效率的影響.隨著石膏旋流器溢流管壁厚的增加，分級效率先升高后降低；壁厚d2與其他兩種壁厚相比，在各個粒徑范圍內(nèi)分離效率較高，并且分級粒度較小，分級精度較高.這是因為溢流管壁適當加厚有以下優(yōu)點：首先可有效地減少短路流；其次可降低水力旋流器的內(nèi)部損失；最后可使零轉速包絡面變?yōu)榘j空間，從而提高分離精度［15］.當厚度進一步增加后，因為在柱段流動空間較小，溢流管外壁對工質流動干擾較大，減弱了工質在柱段的離心沉降作用；還由于溢流管與柱段內(nèi)壁之間區(qū)域流體壓力較大，在溢流管下部的低壓區(qū)易形成跑粗現(xiàn)象［17］.

圖8 溢流管厚度對分級效率的影響Fig.8 Influence of overflow pipe＇s wall thickness on the separation efficiency

3.3 底流口結構對水力旋流器分級效率的影響

圖9為底流口結構對分級效率的影響.由圖9可知，石膏旋流器底流口內(nèi)徑較大時，其分離效率較高，分離粒度較小且受底流口長度影響很微小.這是因為當石膏旋流器底流口內(nèi)徑較大時，其分流比較大，很大比例的分散相隨底流流出，對應粒度的分離效率相應較高.然而當?shù)琢骺趦?nèi)徑較小時，其分離效率和分離粒度受底流口長度影響較大.其中，較短的底流口對微小顆粒有較高的分離效率，但分離精度較差.這是因為較短的底流口造成漿液在石膏旋流器中的停留時間較短，限制了循環(huán)流對提高分離精度的作用，致使微小顆粒的分散相在較大的空氣柱負壓下因沒有充足的離心分離時間而未得到良好的分離.

3.4 入口管結構對水力旋流器分級效率的影響

圖10為兩種入口管結構對分級效率的影響.由圖10可知，螺旋線入口旋流器的分級效率和分離效率較直切式入口旋流器有很大的改善.因為直切式入口造成流場的突變，容易形成湍流和擾動，流體主流運動速度的突變和大渦之間的非線性相互作用形成大量小尺寸渦，使黏性耗散作用大大加強，所以直切式入口引起的進料部位局部能量損耗較大，并且對后續(xù)流動的穩(wěn)定和能量耗散也起負面影響.螺旋線式入口能使水力旋流器的壓降減小，流場穩(wěn)定，空氣柱的偏心和擺動減弱，分離效率提高，分級精度提高，分離粒度減?。?8－20］.

圖9 底流口結構對分級效率的影響Fig.9 Influence of underflow pipe＇s structure on the separation efficiency

圖10 入口管結構對分級效率的影響（90kPa壓力）Fig.10 Influence of inlet pipe＇s structure on the separation efficiency（90kPa）

螺旋線式入口旋流器（見圖11）工況適應性強，其分級效率受入口壓力和流量的影響很小，能維持很穩(wěn)定的工作狀態(tài)，在不同入口壓力下旋流器的分級效率曲線幾乎一致；而直切式入口旋流器的分級效率曲線受入口壓力的影響很大，由于入口壓力的湍流擾動作用，壓力的黏性耗散效應比較強烈.

圖11 螺旋線式入口旋流器分級效率與壓力的關系Fig.11 Influence of inlet pressure on the separation efficiency（helix inlet）

4 結 論

（1）石膏旋流器入口壓力提高時分級效率和分離效率有所提高，但由于較大的分流比和較小的雷洛切應力有利于提高分級效率和分離效率，所以在較低入口壓力下其分級效率和分離效率并不低.

（2）隨著石膏旋流器溢流管內(nèi)徑的增大和溢流管壁厚的增加，其分級效率先升高后降低；隨著溢流管插入深度的增加，分級效率整體呈升高的趨勢，小顆粒分散相的分離效率也顯著提高.

（3）石膏旋流器底流口內(nèi)徑較大時，底流口長度對其分級效率的影響很微小，并且能維持較高的分級效率.較小口徑底流口的石膏旋流器的分級效率受底流口長度影響較大，在長度較短時旋流器對微小顆粒的分離效率較高，但分離精度較差.

（4）螺旋線式入口旋流器的分級效率較直切式入口旋流器有很大的改善，并且入口壓力的適應范圍也較廣.

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