基于PV型旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化實驗

姜淑鳳陳淑鑫陳建義

(1. 齊齊哈爾大學(xué)機電工程學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾161006； 2. 中國石油大學(xué)(北京)機械與儲運工程學(xué)院，北京102249)

旋風(fēng)分離器是一種常用的干式氣固分離設(shè)備，在石油化工、煤化工、電力環(huán)保等各行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。在節(jié)能減排的大背景下，開發(fā)出能夠大幅度減小分離器壓降的新型旋風(fēng)分離器有著非常重要的意義。然而，截止目前所研究和開發(fā)的旋風(fēng)分離器都是從旋風(fēng)分離器高度、排氣管結(jié)構(gòu)、入口結(jié)構(gòu)、灰斗結(jié)構(gòu)等單方面入手[1-2]，導(dǎo)致改進的分離器效率和壓降總是同時增大或減小，難以做到維持高效的同時減小壓降[3]。鑒于此，設(shè)計了一種新型旋風(fēng)分離器，綜合了旋風(fēng)分離器入口、排氣管、筒錐及灰斗等結(jié)構(gòu)改進的方法，使之在保持高效率的同時能夠大幅度降低能耗，為開發(fā)新型旋風(fēng)分離器及推廣其工業(yè)應(yīng)用提供新的思路。

1 新型旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

旋風(fēng)分離器的設(shè)計首先必須要解決選型的問題。由于在現(xiàn)有的絕大部分煉油廠流化催化裂化裝置上采用的是高效PV型旋風(fēng)分離器[4]，并且其設(shè)計和應(yīng)用較為成熟，性能的計算方法也較為完善，因此選則其作為新型分離器設(shè)計和對比試驗的基準(zhǔn)。

對于入口結(jié)構(gòu)，根據(jù)時銘顯等[5]提出的PV型旋風(fēng)分離器的設(shè)計方法，設(shè)計為矩形截面；為了增加顆粒在分離器內(nèi)的停留時間，設(shè)計為270 °蝸殼形式。并根據(jù)祝立萍[6]設(shè)計的進口弧形導(dǎo)向板，能夠減小分離器的阻力損失；Lim等[7]在切流入口增加了一塊擋板，內(nèi)側(cè)引入潔凈氣流，提高分離器效率；沈恒根等[8]設(shè)計了對稱180 °蝸殼雙進口的分離器，能夠增加旋流的對稱性和穩(wěn)定性，提高分離器效率。綜上研究得出入口結(jié)構(gòu)改進的思路：在蝸殼式旋風(fēng)分離器入口中間增加一塊隔板，把入口氣流分割成2個部分，并且保證隔板按照一定的包角與分離器筒體相切，以增加進氣的對稱性和旋流的穩(wěn)定性。

根據(jù)陳建義等[10]發(fā)明的PV-E型旋風(fēng)分離器得出思路，新設(shè)計了一種加長型的分流型排氣管。此種排氣管整體包含了漸擴段、直筒段、二次漸擴段和出口直筒段。在排氣管的筒體及錐體部分，沿圓周方向開有若干條狹縫，開縫角度為60 °，這些狹縫實際上起氣流通道作用，極大地增大了氣流的出口面積，因而可大幅度減小壓降。這種開縫的方向和排氣管外壁的切向呈一定角度，并與排氣管內(nèi)外氣流的旋轉(zhuǎn)方向相反，所以氣流是經(jīng)過急劇變向后才進入狹縫的，這樣氣流中夾帶的顆粒因慣性能夠再次得到分離；并且由于內(nèi)旋流也具有較大的旋轉(zhuǎn)動能，因此能夠把夾帶進入排氣管的塵粒從縫中二次離心分離出去，從而確保整體壓降大幅度減小的同時而分離效率不致下降。

對于分離器筒體及錐體高度，時銘顯[11]發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)卦黾臃蛛x空間高度，能夠延長顆粒在分離器內(nèi)部的停留時間，使被卷吸到內(nèi)旋流的顆粒再次分離，提升整體的分離效率，因此，本文中的設(shè)計為加長型的筒錐結(jié)構(gòu)。并且，由于排氣管設(shè)計部分設(shè)計了加長型的分流型排氣管，也必須設(shè)計加長型的筒錐結(jié)構(gòu)與之匹配。

對于灰斗結(jié)構(gòu)，徐俊等[12]將灰斗的水平頂蓋改為錐形過渡段，能夠消除灰斗中的頂部灰環(huán)，提高效率。王成等[13]發(fā)現(xiàn)灰斗也存在最佳直徑和最佳高度，其對分離效率有一定的影響，因此，設(shè)計了含特定尺寸的帶錐形過渡段的灰斗結(jié)構(gòu)。

新型分離器的各個主要結(jié)構(gòu)的形式與基準(zhǔn)PV型的對比如表1所示。

表1 新型分離器主要結(jié)構(gòu)的形式與基準(zhǔn)PV型的對比

確定新型旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)形式以后，在基準(zhǔn)PV型旋風(fēng)分離器的基礎(chǔ)上，將表1中的結(jié)構(gòu)進行組合，就構(gòu)成了新型分離器。表2列出了基準(zhǔn)PV型與新型分離器的結(jié)構(gòu)尺寸。

表2 兩種分離器的結(jié)構(gòu)尺寸

根據(jù)表2中的具體數(shù)值，設(shè)計出新型旋風(fēng)分離器，其結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

圖1 新型分離器的結(jié)構(gòu)尺寸Fig.1 Structure dimension of new type of separator

實驗中需要實時測量空氣濕度與溫度，保證實驗在一個合適的環(huán)境中進行。本文中采用干濕球溫度計來測定濕度與溫度，測量時需注意保證濕球浸泡在水中。

旋風(fēng)分離器的壓降與入口氣速用U形管壓差計測量。在旋風(fēng)分離器的入口、出口以及料腿位置都設(shè)有測壓點，所有測壓點的靜壓采用U形管壓差計測定(見圖2)，壓降為入口點靜壓與出口點靜壓之差。

2 實驗驗證

2.1 實驗裝置

為了研究不同結(jié)構(gòu)旋風(fēng)分離器的分離效果，采用新型結(jié)構(gòu)與基準(zhǔn)PV型對比試驗的方法。并且，為了排除各種操作參數(shù)和粉料物性參數(shù)的影響，本實驗安排在操作條件完全相同時，用同一種粉料在同一時間完成2種分離器的對比實驗。實驗系統(tǒng)如圖2所示，主要由通風(fēng)系統(tǒng)、加料系統(tǒng)、旋風(fēng)分離器模型和測試儀器儀表組成。

圖2 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental facility

2.2 實驗參數(shù)測量方法

為了研究新型結(jié)構(gòu)旋風(fēng)分離器分離性能，采用滑石粉為實驗粉料，采用常溫負(fù)壓操作，測量并比較滑石粉在入口質(zhì)量濃度為10 g/m3，入口氣速分別為14.4、 17.6、 19.6、 21.4、 26.1 m/s時的分離效率和壓降值。

滑石粉顆粒的形狀是不規(guī)則非球形，用比重瓶測其顆粒密度為2 780 kg/m3。用Eyetech激光粒形粒度儀測定其球形度為0.76，中位徑為12.5 μm，粒徑分布如圖3所示。

采用標(biāo)準(zhǔn)畢托管測量入口氣速Vin，如圖4所示，需要經(jīng)過以下?lián)Q算得到最終的入口氣速。

畢托管測量點的氣體流速

(1)

式中：Δh為畢托管動壓，Pa；ρg為氣體密度，kg/m3。

圖3 滑石粉的粒度分布Fig.3 Particle size distribution of talcum

圖4 畢托管測速方法示意圖Fig.4 Schematic diagram of velocity measurement method of pitot tube

設(shè)管道內(nèi)氣體處于湍流狀態(tài)，管道內(nèi)平均氣速與最大氣速Vg的比值一般為0.84～0.86，取平均值0.85，則通過管道的流量

(2)

式中d為入口管道直徑，m。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程有

(3)

式中：Ts為絕對溫度，℃；ts為大氣溫度，℃。

實驗采用負(fù)壓操作，故Ps=Pa-ps，大氣壓力Pa=0.101 3 MPa，在常溫條件下，空氣的氣體常數(shù)R≈286 J/(kg·K)，則

(4)

式中：ps為畢托管靜壓，Pa。

通過Vin與Qin的關(guān)系可得入口氣速為

(5)

分離效率E由稱重法確定，

(6)

式中Gc、Gi分別為收料量和入口加料量，kg。

入口加料與最終收料質(zhì)量采用TSCALE電子秤，其量程為0～30 kg，精度為0.1 g。

2.3 實驗步驟

1)實驗前做好實驗準(zhǔn)備，檢查實驗裝置系統(tǒng)是否正常，用電子秤準(zhǔn)確稱量設(shè)定質(zhì)量的粉料，并采用實驗粉料對其進行跑合。

2)記錄實驗環(huán)境的溫度、濕度，檢查測量系統(tǒng)是否正常運行。

3)打開離心風(fēng)機，通過畢托管測試觀察調(diào)節(jié)閥門開度，使得入口氣速達到實驗值，通過U形管差壓計，讀取入口靜壓、 進出口壓降及料腿壓降。

4)通過加料器將粉料連續(xù)、均勻地加入入口水平管道，開始進行旋風(fēng)分離實驗。實驗中要保證在規(guī)定的時間內(nèi)將所有的實驗粉料連續(xù)、均勻地加入到旋風(fēng)分離器，待粉料全部加入到旋風(fēng)分離器內(nèi)后關(guān)閉風(fēng)機。

5)待旋風(fēng)分離器內(nèi)氣流完全消失，顆粒完全沉降下來后，打開收料斗收料，使用電子秤稱量粉料質(zhì)量。

3 結(jié)果與分析

3.1 新型分離器優(yōu)化結(jié)果

新型與基準(zhǔn)PV分離器的實驗結(jié)果對比如圖5所示。對于壓降，新型分離器的壓降較基準(zhǔn)PV型分離器下降幅度明顯，并且隨著入口氣速的增加，這種下降的幅度也越來越大。在入口氣速為14.4 m/s時，壓降數(shù)值減小了550 Pa，降幅為31.25%；在實驗入口氣速最大為26.1 m/s時，此時壓降數(shù)值減小最多，為1 720 Pa，降幅為29.60%；而在這2個速度之間壓降的平均降幅為32.36%。

圖5 新型與基準(zhǔn)PV分離器實驗結(jié)果對比Fig.5 Experimental results of new separator and reference separator

新型分離器的效率開始略微低于基準(zhǔn)PV型分離器的效率，但是隨著入口氣速的增加，效率的差值也越來越?。淮肟跉馑俅笥?8.2 m/s時，新型分離器的效率全部高于相同氣速下基準(zhǔn)PV型分離器的效率，并且隨著入口氣速的增加，效率的差值越來越大。在入口氣速為19.6 m/s時，新型分離器效率較基準(zhǔn)提高了約1.6%，效果非常明顯。

按照設(shè)計要求，分離器最重要的指標(biāo)是其最高效率點。由圖5可以看出，新型分離器的最高效率點對應(yīng)的入口氣速為19.4 m/s，對比基準(zhǔn)PV型分離器為17.6 m/s，所以在入口面積相同時，新型分離器的處理量明顯大于基準(zhǔn)PV型分離器。對于最高效率的具體數(shù)值，新型分離器的效率為95.5%，較基準(zhǔn)型降低了約0.1%，降低的數(shù)值非常小，因此可以認(rèn)為2種分離器效率相當(dāng)；同時在此入口氣速，新型分離器的壓降較基準(zhǔn)型降低了約1 390 Pa，降幅達到了34.33%。

綜合考慮新型分離器的壓降、效率可以看出，新型結(jié)構(gòu)相對基準(zhǔn)PV型分離器有著明顯的優(yōu)勢，能夠在保證分離器高效率的同時大幅度降低了分離器的壓降，并且能夠提升分離器的處理量，最終達到高效低阻的目的。

3.2 新型分離器優(yōu)化結(jié)果原因分析

通過以上實驗結(jié)果可以看出，新型分離器達到了高效低阻的目的，能夠在保證分離器有著高效率的同時大幅度的降低分離器的壓降，具體的原因分析如下：

1)首先設(shè)計了一種加長型的分流型排氣管。這種分流型排氣管整體包括了上端直筒段和下端錐體段，并且在排氣管的筒體及錐體部分，沿圓周方向開有若干條縱向狹縫。這些狹縫實際上起到了氣流通道的作用，極大地增大了氣流的出口面積，使氣流的整體出口面積變?yōu)閮H排氣管底端開口時的6.2倍，使分離器內(nèi)的軸向速度降低了很多，進而減小了氣流在分離器內(nèi)部的動能損失，因而可以大幅度減小壓降[14-15]。

排氣管外壁開縫的方向和切向呈60 °，并與分離器內(nèi)部氣流的旋轉(zhuǎn)方向相反，如圖6所示，所以氣流在進入狹縫之前必定會急劇變向，這樣氣流中原來夾帶的顆粒就會因慣性再次被分離而難以進入狹縫；并且內(nèi)旋流由于也具有較大的旋轉(zhuǎn)動能，因此能夠把夾帶進入排氣管的塵粒從縫中二次離心分離出去[16]，從而確保整體壓降大幅度降低的同時而分離效率不致下降。

圖6 排氣管縫隙示意圖Fig.6 The diagram of gap in diverged vortex finder

2)新型結(jié)構(gòu)設(shè)計的入口結(jié)構(gòu)形式采用270 °的蝸殼矩形入口形式，并在分離器入口中間增加了一塊隔板。此設(shè)計能夠增大氣流的入口動量矩[17]，并且能減小入口來流與回轉(zhuǎn)氣流的相互擠壓作用和混摻現(xiàn)象，減弱分離器頂部環(huán)形空間的短路流，也縮短了內(nèi)側(cè)塵粒達到器壁的時間。而且更加均勻的進氣方式增強了分離空間流場的對稱性及底部旋流的穩(wěn)定性，抑制了錐體段的擺尾現(xiàn)象和底部的竄流返混，故此，新的入口結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠提升分離器的效率。

3)設(shè)計了頂部有錐型過渡段的灰斗，削弱了灰斗頂部的上灰環(huán)[18]，因此能夠減弱灰斗中氣流的返混夾帶，提升分離效率。

4)設(shè)計了加長型的筒體和錐體結(jié)構(gòu)，使之與加長型的分流型排氣管相匹配。筒體和錐體的增長能夠增加分離空間的高度，因此能夠延長顆粒在分離器內(nèi)部的停留時間，并且分離空間的增長能夠增加自然旋風(fēng)長度，使被卷吸到內(nèi)旋流的顆粒再次分離，能夠提升分離器的分離效率[19]。

4 結(jié)論

為了減小分離器壓降，同時保證分離效率不降低，設(shè)計了一種新型的旋風(fēng)分離器。新型分離器采用了弧形導(dǎo)流板分隔進氣的入口結(jié)構(gòu)、分流型排氣的出口結(jié)構(gòu)、加長型的筒體和錐體的結(jié)構(gòu)，有錐頂過渡段的灰斗結(jié)構(gòu)。

通過與基準(zhǔn)PV型旋風(fēng)分離器的對比試驗，以及對新型分離器中具體結(jié)構(gòu)部分的分析，可以得出如下結(jié)論：

1)對于直徑為的新型分離器，能夠大幅度的地減小分離器的壓降，平均降幅約為32.36%。隨著入口氣速的增加，新型分離器較基準(zhǔn)PV型分離器壓降減小的幅度越來越大。

2)相較于基準(zhǔn)PV型分離器，新型分離器的分離效率曲線更為平緩，因此有更好的操作彈性。隨著入口氣速的增加，整體效率先增加再減小。入口氣速大于18.2 m/s時，新型分離器的效率高于相同氣速下基準(zhǔn)PV型分離器的效率，且隨著入口氣速的增加，效率的差值也越來越大；如在入口氣速為19.6 m/s時，新型分離器效率較基準(zhǔn)提高了約1.6%。

3)新型分離器的最高效率點對應(yīng)的入口氣速為19.4 m/s，對比基準(zhǔn)PV型為17.6 m/s，所以在入口面積相同時，新型分離器的處理量明顯大于基準(zhǔn)PV型分離器。對于最高效率的具體數(shù)值，新型分離器的效率為95.5%，較基準(zhǔn)降低了約0.1%，降低數(shù)值非常小，因此認(rèn)為2種分離器效率相當(dāng)。

綜上所述，在一般的工業(yè)運用場合，新型分離器能夠在大幅度降低分離器壓降的同時，保證分離器有95%左右的高效率，且能提升分離器的處理量，具有良好的操作彈性，因此擁有廣泛的應(yīng)用前景。