黃 軍, 安連鎖

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院,北京102206)

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-石膏法煙氣脫硫技術(shù),該工藝的市場(chǎng)占有率已經(jīng)達(dá)到85%以上.在濕法脫硫系統(tǒng)中,石膏旋流器起著十分重要的作用,它的優(yōu)劣決定了分離性能的高低和底流口濃度的高低,直接影響真空皮帶脫水機(jī)中真空泵的出力,也影響整個(gè)脫硫塔的脫硫效果.

由于流動(dòng)邊界層的存在,導(dǎo)致部分流體不能有效地被分離而直接進(jìn)入溢流管或底流口成為短路流[1-3],特別是進(jìn)入溢流口短路的流體對(duì)石膏旋流器的分離性能影響較大.這是石膏旋流器內(nèi)流體流動(dòng)的特征之一,也是引起石膏旋流器溢流跑粗、分離產(chǎn)品中粗細(xì)粒混雜的重要原因之一.因此,如何減小這部分短路流成為提高石膏旋流器分離性能的重要課題[4].短路流的存在及其流量的大小直接與溢流管的結(jié)構(gòu)形狀有關(guān),溢流管的結(jié)構(gòu)形狀直接影響石膏旋流器的出口能量損失[4].所以,溢流管結(jié)構(gòu)形狀是影響石膏旋流器分離性能的重要結(jié)構(gòu)因素之一,褚良銀、倪玲英等[5-6]都對(duì)溢流管結(jié)構(gòu)變化對(duì)旋流器分離性能的影響進(jìn)行了研究,并得出了許多有用的結(jié)論.在已有研究成果的基礎(chǔ)上,筆者就溢流管結(jié)構(gòu)對(duì)石膏旋流器的處理能力、分離修正總效率以及分流比等分離性能指標(biāo)的影響進(jìn)行了研究.

1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

石膏旋流器是一種分離非均相液體混合物的設(shè)備,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[7-8].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.本文著重考慮影響石膏旋流器分離性能的結(jié)構(gòu)參數(shù),研究了旋流器溢流管結(jié)構(gòu)對(duì)旋流器分離性能的影響,以解決實(shí)際運(yùn)行過程中存在的短路流對(duì)旋流器分離性能的影響.圖1為石膏旋流器的結(jié)構(gòu)示意圖.石膏旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括:旋流器柱段內(nèi)徑D、旋流器柱段長度H、溢流口內(nèi)徑Do、溢流口壁厚d、底流口內(nèi)徑Du、進(jìn)料口內(nèi)徑Di、溢流管插入深度h及錐角θ等.

圖1 石膏旋流器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of the gypsum cyclone

2 試驗(yàn)裝置與方案

圖2為試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖.

整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)分為2部分:第一部分為石膏旋流器物料循環(huán)裝置,其流程示于圖2;第二部分為分析方法.石膏旋流器物料循環(huán)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;而粒子粒徑分布測(cè)試裝置主要包括激光粒度分析儀和電子秤等.石膏旋流器的溢流管結(jié)構(gòu)尺寸見表1.圖3給出了入口石膏漿液的粒徑分布.

圖2 試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of the experimental setup

表1 溢流管的結(jié)構(gòu)尺寸Tab.1 Structural parameters of various overflow pipes mm

圖3 入口石膏漿液的粒徑分布Fig.3 Particle size distribution of gypsum slurry at inlet

3 結(jié)果與討論

石膏旋流器的主要工藝指標(biāo)包括能耗指標(biāo)壓降、處理量指標(biāo)即生產(chǎn)能力及物料流經(jīng)旋流器的分配指標(biāo).針對(duì)其主要指標(biāo)生產(chǎn)能力、分離效率以及分流比進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究,并對(duì)其影響因素進(jìn)行了分析.

3.1 溢流管插入深度對(duì)分離性能的影響

為了研究溢流管插入深度對(duì)分離性能的影響,本文試驗(yàn)采用以下參數(shù):石膏旋流器物料循環(huán)裝置的入口壓力降保持為100 kPa;在石膏旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取上,采用旋流器柱段內(nèi)徑為100 mm,底流管內(nèi)徑Du為32 mm,底流管長度為100 mm,溢流管內(nèi)徑Do=30 mm,溢流管壁厚d=10 mm保持不變.通過改變溢流管插入圓柱端的深度的變化來分析其對(duì)分離性能的影響,插入深度取L1=35 mm、L2=50 mm、L3=70 mm、L4=90 mm和L5=105 mm.

3.1.1 溢流管插入深度對(duì)分離效率的影響

分離效率是指進(jìn)入旋流器的物料中被分離的分散相物料占進(jìn)口漿液中該分散相物料的比例[9].對(duì)于石膏旋流器,被分離的分散相物料特指從底流口排出的分散相物料.圖4給出了溢流管插入深度對(duì)分離效率的影響.

圖4 溢流管插入深度對(duì)分離效率的影響Fig.4 Influence of overflow pipe's insertion depth on the separation efficiency

經(jīng)過多項(xiàng)式擬合可得其影響因素的關(guān)系式:

式中:x為溢流管插入深度,mm;y為分離效率,%.

由圖4可知:分離效率隨著溢流管插入深度的增加先提高后降低,溢流管插入深度對(duì)分離效率的影響呈現(xiàn)拋物線的關(guān)系,溢流管過長或者過短都會(huì)增加短路流的出現(xiàn)概率,從而降低整個(gè)石膏旋流器的分離效率,并且溢流管插入深度存在一個(gè)最優(yōu)值,對(duì)于入口壓力降保持為100 k Pa的旋流器,在溢流管插入深度h=73 mm附近時(shí)的分離效率最高.

3.1.2 溢流管插入深度對(duì)分流比的影響

分流比是旋流器操作中排出被分離分散相的流股的總體積流量占進(jìn)口總流量的比值.由于石膏旋流器屬于固-液旋流器,底流口為固體顆粒的卸料口,而且直接與大氣連接,這種工作方式?jīng)Q定其分流比不能像液-液旋流器那樣通過閥門開度的變化而任意調(diào)節(jié),而是通過改變進(jìn)出口的管徑等方式進(jìn)行調(diào)節(jié),因此調(diào)節(jié)范圍相當(dāng)有限.而且,如果底流口與溢流口尺寸的比值與進(jìn)料口料液中固體顆粒的濃度不相匹配,很可能造成底流口處顆粒堵塞而影響整個(gè)脫硫塔的正常運(yùn)行.

式中:F為旋流器的分流比;Qu為底流中被分離分散相的流股的總體積流量;Q為進(jìn)口處總體積流量.

圖5為溢流管插入深度對(duì)分流比的影響.由圖5可知:在保持旋流器的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)不變、只改變溢流管插入深度時(shí),分流比隨著溢流管插入深度的增加先提高后降低.溢流管插入深度過長或過短均會(huì)降低分流比.在整個(gè)溢流管插入深度的變化過程中,分流比存在一個(gè)最大值.

圖5 溢流管插入深度對(duì)分流比的影響Fig.5 Influence of overflow pipe'sinsertion depth on the split ratio

經(jīng)過多項(xiàng)式擬合可得其影響因素關(guān)系式:

式中:x、y分別為溢流管插入深度和分流比.

3.1.3 溢流管插入深度對(duì)生產(chǎn)能力的影響

旋流器的生產(chǎn)能力是指單位時(shí)間內(nèi)一臺(tái)設(shè)備處理的料液的體積量,它是旋流器工藝中的重要指標(biāo)之一.圖6為溢流管插入深度對(duì)生產(chǎn)能力的影響.

圖6 溢流管插入深度對(duì)生產(chǎn)能力的影響Fig.6 Influence of overflow pipe's insertion depth on the production capability

由圖6可知:溢流管插入深度對(duì)生產(chǎn)能力的影響與對(duì)分離效率和分流比的影響正好相反.生產(chǎn)能力隨著溢流管插入深度的增加而降低,當(dāng)降低到一定數(shù)值時(shí),又隨著溢流管插入深度的增加而提高.

3.2 溢流管尺寸對(duì)分離性能的影響

試驗(yàn)參數(shù):石膏旋流器物料循環(huán)裝置的入口壓力降保持為100 kPa,底流管的內(nèi)徑Du=32 mm,底流管長度為100 mm,溢流管的厚度d=20 mm保持不變,溢流管的插入深度h=70 mm,溢流管的內(nèi)徑D o分別為25 mm、30 mm、35 mm、40 mm和45 mm.

3.2.1 溢流管內(nèi)徑對(duì)分離效率與分流比的影響

圖7為溢流管內(nèi)徑對(duì)分離效率與分流比的影響.

圖7 溢流管內(nèi)徑對(duì)分離效率與分流比的影響Fig.7 Influence of overflow pipe's inner diameter on the separation efficiency and split ratio

從圖7可知:分離效率和分流比均隨著溢流管內(nèi)徑的增大而降低,且分流比的降低速率大于分離效率的降低速率.當(dāng)溢流管內(nèi)徑增大或減小到一定數(shù)值時(shí),分離效率和分流比的變化速率均會(huì)降低.由此可知,當(dāng)溢流管厚度一定時(shí),減小溢流管的內(nèi)徑可以降低旋流器柱段內(nèi)部所產(chǎn)生的短路流的影響.

3.2.2 溢流管內(nèi)徑對(duì)生產(chǎn)能力的影響

圖8為溢流管內(nèi)徑對(duì)生產(chǎn)能力的影響.由圖8可知:溢流管內(nèi)徑尺寸的變化對(duì)生產(chǎn)能力的影響呈線性增加的趨勢(shì),即當(dāng)溢流管壁厚一定時(shí),石膏旋流器的處理能力隨著溢流管內(nèi)徑的增大而增強(qiáng),且呈線性關(guān)系變化,所以增大溢流管的內(nèi)徑可以提高石膏旋流器的處理能力.

圖8 溢流管內(nèi)徑對(duì)生產(chǎn)能力的影響Fig.8 Influence of overflow pipe's inner diameter on the production capability

3.3 溢流管壁厚對(duì)分離性能的影響

試驗(yàn)參數(shù):石膏旋流器物料循環(huán)裝置的入口壓力降保持為100 k Pa,底流管的內(nèi)徑Du=32 mm,底流管長度為100 mm,溢流管內(nèi)徑Do=30 mm保持不變,溢流管的插入深度h=70 mm,溢流管壁厚分別為d1=10 mm、d2=15 mm、d3=20 mm、d4=25 mm和d5=30 mm.

3.3.1 溢流管壁厚對(duì)分流比與分離效率的影響

圖9為溢流管的壁厚對(duì)分離效率與分流比的影響.

圖9 溢流管壁厚對(duì)分離效率與分流比的影響Fig.9 Influence of overflow pipe's wall thickness on the separation efficiency and split ratio

圖9中的分離效率曲線是通過多項(xiàng)式擬合而得出的關(guān)系曲線.由圖9可知:在內(nèi)徑D0=30 mm和溢流管插入深度h=70 mm不變時(shí),分流比隨著溢流管壁厚的增加而減小;分離效率與溢流管壁厚則呈拋物線關(guān)系,分離效率先隨著溢流管壁厚的增加而提高,當(dāng)壁厚達(dá)到一定數(shù)值時(shí),分離效率隨著溢流管壁厚的增加反而降低,在溢流管壁厚約為18 mm時(shí)分離效率達(dá)到最大值.

3.3.2 溢流管壁厚對(duì)生產(chǎn)能力的影響

圖10為溢流管壁厚對(duì)生產(chǎn)能力的影響.經(jīng)過多項(xiàng)式擬合可得其影響因素關(guān)系式為:

由圖10可知:溢流管壁厚對(duì)生產(chǎn)能力的影響呈拋物線關(guān)系,隨著溢流管壁厚的增加,生產(chǎn)能力先增強(qiáng)后減弱.溢流管壁太厚或太薄均會(huì)增加短路流的不利影響,導(dǎo)致整個(gè)石膏旋流器處理能力降低.在溢流管壁厚約為20 mm時(shí),石膏旋流器的生產(chǎn)能力達(dá)到最強(qiáng).

圖10 溢流管壁厚對(duì)生產(chǎn)能力的影響Fig.10 Influence of overflow pipe's wall thick ness on the production capability

4 結(jié) 論

(1)隨著溢流管插入深度的增加,石膏旋流器的分離效率和分流比呈先升高后降低的趨勢(shì)變化,存在一個(gè)最優(yōu)的插入深度值,其處理能力則朝相反的趨勢(shì)變化.

(2)在保持溢流管壁厚不變的情況下,石膏旋流器的分離效率和分流比均隨著溢流管內(nèi)徑的增大而降低,分離能力則隨著溢流管內(nèi)徑的增大而增強(qiáng).

(3)溢流管插入深度和溢流管內(nèi)徑的變化均存在著同一規(guī)律,即提高分離效率和分流比,必然以降低處理能力為代價(jià).

(4)石膏旋流器的分流比隨著溢流管壁厚的增加而減小,分離效率和生產(chǎn)能力則與溢流管壁厚呈拋物線關(guān)系;分離效率和處理能力隨著溢流管壁厚的增加而提高與增強(qiáng),但當(dāng)壁厚達(dá)到一定值時(shí),分離效率和處理能力則隨著溢流管壁厚的增加反而降低與減弱.在溢流管壁厚約為18 mm時(shí),石膏旋流器的分離效率和處理能力均達(dá)到最大值.

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