蝸殼式旋風(fēng)分離器的分離性能研究

梁容真，閻富生，杜圣飛

（東北大學(xué) 冶金學(xué)院，遼寧 沈陽 110819）

作為提煉金屬鎂的基礎(chǔ)原料，輕燒鎂用途十分廣泛，可用作耐火材料、化工原料和建材原料等[1].反射窯、豎窯、回轉(zhuǎn)窯以及懸浮窯等傳統(tǒng)爐窯是煅燒菱鎂礦制取輕燒鎂的主要設(shè)備，但均存在煅燒溫度不均勻、煅燒溫度與時(shí)間不易控制和能耗高等問題，既不能滿足現(xiàn)階段輕燒鎂行業(yè)的高標(biāo)準(zhǔn)、高要求，又不符合低碳、低能耗、綠色環(huán)保的生產(chǎn)理念[2].旋流動(dòng)態(tài)煅燒系統(tǒng)是目前國(guó)內(nèi)外比較先進(jìn)的煅燒工藝，尤其是制取高活性、高純度的輕燒鎂粉[3].但是，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，旋流動(dòng)態(tài)煅燒工藝存在動(dòng)力消耗太大、產(chǎn)品回收率不穩(wěn)定等問題.為了保證整個(gè)輕燒鎂旋流動(dòng)態(tài)煅燒系統(tǒng)產(chǎn)品活性更高、系統(tǒng)更節(jié)能以及減少產(chǎn)品資源浪費(fèi)，降低壓力損失、提高分離效率成為該工藝的重中之重[4-5].本文擬對(duì)該工藝的重要組成部分——旋風(fēng)分離器進(jìn)行研究，以粒徑48～75μm的輕燒鎂粉、菱鎂礦浮選粉和氫氧化鋰粉為樣品，研究入口風(fēng)速、顆粒濃度以及顆粒物性等參數(shù)對(duì)分離效率和壓降的影響，以期為蝸殼式旋風(fēng)分離器的設(shè)計(jì)應(yīng)用以及輕燒鎂旋流動(dòng)態(tài)煅燒工藝的操作參數(shù)和設(shè)計(jì)開發(fā)提供理論依據(jù).

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)樣品

輕燒鎂粉（氧化鎂含量≥99.5%）由遼寧海城的菱鎂礦精礦粉經(jīng)過煅燒獲取.為研究不同顆粒物性對(duì)蝸殼式旋風(fēng)分離器分離性能的影響，本文還選取了干燥后的菱鎂礦浮選粉（密度為32 190 kg/m）、氫氧化鋰粉（密度為31 510 kg/m）作為試驗(yàn)樣品.

1.2 試驗(yàn)裝置

蝸殼式旋風(fēng)分離器分離性能試驗(yàn)裝置如圖1所示.將蝸殼式旋風(fēng)分離器單體從旋流動(dòng)態(tài)煅燒系統(tǒng)中分離開來進(jìn)行研究，該試驗(yàn)裝置主要由鼓風(fēng)機(jī)、螺旋加料機(jī)、測(cè)速儀、U型壓力計(jì)、蝸殼式旋風(fēng)分離器試驗(yàn)?zāi)Ｐ?、布袋除塵器、變頻調(diào)速器、排料閥和料筒組成.

圖1 蝸殼式旋風(fēng)分離器試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖

1.3 試驗(yàn)步驟

1）打開風(fēng)機(jī)，通過變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率來控制風(fēng)機(jī)風(fēng)量，從而達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)速的目的；

2）用測(cè)速儀測(cè)出分離器入口前端的管道流速，通過流量值計(jì)算分離器入口的速度值，并與目標(biāo)值對(duì)比，如有差異，通過變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率使得二者吻合；

3）根據(jù)入口流速和濃度計(jì)算加料時(shí)間，通過變頻器調(diào)節(jié)螺旋加料機(jī)的加料頻率來控制加料量；

4）加料穩(wěn)定過程中測(cè)出旋風(fēng)分離器進(jìn)出口壓力并記錄；

5）加料完畢后，待物料完全進(jìn)入分離器且被分離，關(guān)閉風(fēng)機(jī)，等待分離器和管道內(nèi)氣流靜止，敲打分離器錐體下端使得分離出的物料經(jīng)過排料閥完全排入料筒，收集料筒中的物料稱重并記錄；

6）根據(jù)試驗(yàn)要求，依次進(jìn)行步驟1～5，如此循環(huán)；

7）記錄相關(guān)數(shù)據(jù)并計(jì)算壓降及分離效率.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量與處理

試驗(yàn)過程中需要測(cè)量的參數(shù)包括入口流速、顆粒濃度、分離效率以及壓力損失.具體測(cè)量方法如下：

1）流速的測(cè)量.用測(cè)速儀測(cè)出分離器入口前端處的流速，以此值計(jì)算旋風(fēng)分離器的入口風(fēng)速vi.

2）顆粒濃度的測(cè)量.入口氣流的顆粒濃度（含塵濃度）由下式計(jì)算得到：

式中，Ci為入口氣流的含塵濃度，g/m3；Gc為加入物料的質(zhì)量，kg；QN為入口氣流的流量，m3/h；τ為加料時(shí)間，min.

3）分離效率的測(cè)量.本試驗(yàn)采用稱重法來測(cè)量蝸殼式旋風(fēng)分離器的分離效率，試驗(yàn)過程中每次定量加料、收料稱重，通過收料量與加料量的比值計(jì)算出分離效率：

式中，Gi為旋風(fēng)分離器收料量，kg；Gc為旋風(fēng)分離器加料量，kg.

分級(jí)效率的計(jì)算也采用稱重法.將篩分好的物料按粒徑大小分別稱重，試驗(yàn)時(shí)每次定量加入不同粒徑的物料，收料后先篩分，再分別稱重，用相同粒徑的收料量與加料量的比值來計(jì)算分級(jí)料率：

式中，Gii為指定粒徑的收料量，kg；Gci為指定粒徑的加料量，kg.

4）壓降及阻力系數(shù)的測(cè)量.試驗(yàn)用U型壓差計(jì)測(cè)出旋風(fēng)分離器進(jìn)出口的壓力差值ΔP，每次試驗(yàn)時(shí)測(cè)量3次，取其平均值以減小誤差.ΔP、阻力系數(shù)iζ計(jì)算如下：

2.2 入口速度的影響

2.2.1 對(duì)壓降的影響

試驗(yàn)中，蝸殼式旋風(fēng)分離器壓力損失由U型壓力計(jì)測(cè)得.這樣測(cè)得的壓力是靜壓，即這里的壓降實(shí)際上是分離器進(jìn)出口的靜壓差.當(dāng)旋風(fēng)分離器入口顆粒濃度為30 g/m時(shí)，即當(dāng)入口氣流為單一氣相時(shí)，測(cè)量靜壓降隨入口速度的變化如圖2所示.蝸殼式旋風(fēng)分離器的靜壓降隨著入口速度的增大而增大，基本上呈指數(shù)變化.

能量的損失會(huì)因分離器入口速度的增大而增大，這是由于旋風(fēng)分離器的磨損與氣體流速的四次方成正比[6]，所以入口速度太大會(huì)增加旋風(fēng)分離器的壓力損失.因此，在旋風(fēng)分離器的分離效率和動(dòng)力損耗之間要有一個(gè)平衡指標(biāo)，即在保證分離效率的基礎(chǔ)上最大化地減小入口速度、降低能耗.

2.2.2 對(duì)分離效率的影響

根據(jù)文獻(xiàn)[7]報(bào)道，當(dāng)入口顆粒濃度為340 g/m時(shí)，LS螺旋加料機(jī)能耗最小，因此確定入口顆粒濃度為40 g/m3研究入口速度和分離效率的關(guān)系.如圖3所示，分離效率隨著入口速度的增大而增加，只是增加趨勢(shì)稍微有點(diǎn)放緩.試驗(yàn)采用的顆粒粒徑主要在48～75 μm，粒徑偏大，小粒徑含量較小，所以速度不斷增大使得分離效率逐步增加.當(dāng)速度增加到22 m/s時(shí)，分離效率增加幅度的減少是部分較小粒徑的物料被較強(qiáng)氣流攜帶造成的.

持續(xù)地增大入口速度能增加分離效率，但壓降也會(huì)隨入口速度的增大而增加，因此，根據(jù)實(shí)際工業(yè)要求，應(yīng)通過衡量分離效率和壓力損失確定最合理的入口風(fēng)速.旋流動(dòng)態(tài)煅燒系統(tǒng)中回收系統(tǒng)的回收率指標(biāo)通常為99.5%，按一般的兩級(jí)回收計(jì)算，每個(gè)旋風(fēng)分離器的分離效率應(yīng)為93%，因此最合理的風(fēng)速約為19 m/s.

圖2 入口速度和壓降的關(guān)系

圖3 入口速度和分離效率的關(guān)系

2.3 入口顆粒濃度的影響

2.3.1 對(duì)壓降的影響

當(dāng)入口流速19 m/s時(shí)，顆粒濃度和靜壓降的關(guān)系如圖4所示：蝸殼式旋風(fēng)分離器的靜壓降隨著入口顆粒濃度的增大而減小.實(shí)際上，入口顆粒濃度對(duì)旋風(fēng)分離器壓降的影響具有雙重性，一方面，氣固兩相混合物的密度隨著入口顆粒濃度的增大而增大，引起進(jìn)出口的局部流動(dòng)損失增加，從而使靜壓降增大；另一方面，當(dāng)含塵氣流進(jìn)入分離器后，分離器內(nèi)壁表面會(huì)形成顆粒滯留層，隨著含塵濃度的逐漸升高，這種顆粒滯留層會(huì)對(duì)旋轉(zhuǎn)氣流產(chǎn)生很強(qiáng)的滯留作用，并且大部分氣體的能量會(huì)因兩相間的阻力而損耗，從而降低了旋轉(zhuǎn)速度，使靜壓降減少.

可見，由于多種因素的綜合影響，關(guān)于蝸殼式旋風(fēng)分離器壓降與入口顆粒濃度的關(guān)系非常復(fù)雜.對(duì)于所謂的臨界顆粒濃度值，也會(huì)因研究者使用的旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)尺寸以及操作參數(shù)不同而不同，目前尚未有具體的統(tǒng)一公式來描述.

圖4 顆粒濃度和壓降的關(guān)系

2.3.2 對(duì)分離效率的影響

顆粒濃度和分離效率的關(guān)系如圖5所示：分離效率隨入口顆粒濃度的增加而相應(yīng)地增加，幾乎呈一條直線.其影響機(jī)理在于：入口顆粒濃度的增加使得顆粒間相互碰撞的幾率增加，因此增加了顆粒被捕集的可能性；另外，試驗(yàn)采用的物料粒徑范圍是48～75 μm，粒徑偏大，小顆粒含量較少，所以分離效率增加的數(shù)量級(jí)不大.

然而，文獻(xiàn)[8]研究表明：提高入口顆粒濃度對(duì)分離效率具有雙重影響：一方面，相同入口流速下，顆粒濃度增加會(huì)加厚流動(dòng)邊界層，使得表觀動(dòng)力黏性系數(shù)增大，降低了分離器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)切向速度，從而使顆粒離心力降低，分離效率減??；另一方面，旋風(fēng)分離器的分離效率會(huì)隨著顆粒間碰撞、夾帶和團(tuán)聚的增強(qiáng)而提高，只是不同的顆粒粒徑以及濃度范圍會(huì)使得分離效率提高的幅度不同.綜合兩方面影響，相同入口流速下，顆粒濃度的增加會(huì)相應(yīng)提高分離效率，但逃逸的絕對(duì)量也在增加.

圖5 顆粒濃度和分離效率的關(guān)系

2.4 入口顆粒物性的影響

當(dāng)入口風(fēng)速19 m/s、入口顆粒濃度為40 g/m3時(shí)，輕燒鎂粉、菱鎂礦浮選粉以及氫氧化鋰粉對(duì)旋風(fēng)分離器分離效率的影響如圖6所示.通過對(duì)比這3種材料下的分離效率發(fā)現(xiàn)，氫氧化鋰粉的分離效率最低，而輕燒鎂粉的分離效率最高.由于3種顆粒的粒徑范圍均為48～75 μm，顯然顆粒粒徑無法影響分離效率；通過對(duì)比它們的密度（氫氧化鋰密度為1 510 kg/m3，菱鎂礦浮選粉密度為2 160 kg/m3，輕燒鎂粉密度為2 960 kg/m3）可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粒徑相同時(shí)，顆粒物性參數(shù)中對(duì)分離效率影響最重要的就是顆粒密度.顯然，隨著顆粒密度的增大，旋風(fēng)分離器的分離效率逐漸提高..

圖6 顆粒物性和分離效率的關(guān)系

3 結(jié)論

本文通過蝸殼式旋風(fēng)分離器試驗(yàn)裝置研究了入口速度、顆粒濃度和物料種類對(duì)旋風(fēng)分離器分離性能的影響，得出以下結(jié)論：

1）蝸殼式旋風(fēng)分離器的壓力損失與分離效率隨著入口速度的增大而增大.所以旋風(fēng)分離器的分離效率和動(dòng)力損耗之間要有一個(gè)平衡指標(biāo)，即在保證分離效率的基礎(chǔ)上最大化地減小入口速度、降低能耗.

2）當(dāng)入口流速19 m/s時(shí)，蝸殼式旋風(fēng)分離器的靜壓降隨著入口顆粒濃度的增大而減小，同時(shí)分離效率隨入口顆粒濃度的增加呈線性增加趨勢(shì).

3）蝸殼式旋風(fēng)分離器的分離效率隨顆粒密度的增加呈增加趨勢(shì)，因此，該裝置對(duì)分離顆粒密度較大的物料更為合適.