何興建，禮曉宇，宋健斐，魏耀東

旋風(fēng)分離器頂灰環(huán)灰量的實驗測量

何興建，禮曉宇，宋健斐，魏耀東

（中國石油大學(xué)（北京）化工學(xué)院，北京102249）

旋風(fēng)分離器進(jìn)行氣固分離過程中，在頂板的外側(cè)存在一個濃度比較高的旋轉(zhuǎn)頂灰環(huán)。頂灰環(huán)的存在一方面增加了顆粒向內(nèi)測逃逸幾率，另一方面造成了旋風(fēng)分離器器壁的磨損。對于分離FCC催化劑顆粒的旋風(fēng)分離器，頂灰環(huán)的旋轉(zhuǎn)是不穩(wěn)定的，會發(fā)生周期性的脫落，因此存在一個最大頂灰環(huán)灰量。根據(jù)旋風(fēng)分離器顆粒藏量的測量方法，測量了最大頂灰環(huán)灰量與入口速度和入口濃度的關(guān)系。實驗結(jié)果表明最大頂灰環(huán)灰量隨入口速度和入口濃度的增加而增大。

旋風(fēng)分離器；頂灰環(huán)；灰量；入口速度；入口濃度

旋風(fēng)分離器是工業(yè)中廣泛使用的高效氣固分離設(shè)備，有關(guān)旋風(fēng)分離器的研究多集中于結(jié)構(gòu)參數(shù)的改進(jìn)和操作參數(shù)的優(yōu)化兩個方面[1-3]。實驗表明旋風(fēng)分離器內(nèi)的氣固兩相流動是非常復(fù)雜的，表現(xiàn)為不僅存在橫截面上一次旋轉(zhuǎn)流，還有縱截面上的二次流[4]。二次流的存在導(dǎo)致了旋風(fēng)分離器環(huán)形空間的頂板附近出現(xiàn)顆粒頂灰環(huán)的現(xiàn)象[5]。頂灰環(huán)的存在一方面造成顆粒的逃逸影響旋風(fēng)分離器的分離效率，另一方面造成對器壁的沖蝕磨損[6]。目前對此頂灰環(huán)的研究尚缺乏有關(guān)的文獻(xiàn)。為此，本文通過測量旋風(fēng)分離器內(nèi)顆粒藏量的方法[7]，實驗測量旋風(fēng)分離器的頂灰環(huán)的灰量與入口速度和入口濃度的關(guān)系，并進(jìn)行頂灰環(huán)流動的機(jī)理分析，為旋風(fēng)分離器的性能改進(jìn)提供支持。

1 實驗裝置和測量方法

1.1 實驗裝置

實驗裝置和旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)見圖 1-2，筒體直徑300 mm，排氣管直徑為110 mm，入口尺寸為176 mm×84 mm。為保證氣體的流動平穩(wěn)，實驗采用負(fù)壓操作。

加料設(shè)備采用自動加料機(jī)。試驗粉料采用FCC催化劑和325目滑石粉。實驗氣體介質(zhì)為常溫氣體，氣體氣速由標(biāo)準(zhǔn)畢托管測量。FCC催化劑的中位粒徑106.77（μm），振實堆積密度943.4（kg/m3）。325目滑石粉的中位粒徑為14.3 (μm)，振實密度961.5（kg/m3）。

1.2 頂灰環(huán)灰量的測量方法

實驗過程中，隨著加料量的穩(wěn)定加入，在旋風(fēng)分離器環(huán)形空間的頂板外側(cè)出現(xiàn)顆粒頂灰環(huán)，這個頂灰環(huán)沿旋風(fēng)分離器筒體壁面旋轉(zhuǎn)，見圖3。實驗表明采用不同的粉塵，頂灰環(huán)的旋轉(zhuǎn)形態(tài)會發(fā)生很大的變化。

例如，325目滑石粉形成的頂灰環(huán)連續(xù)穩(wěn)定地旋轉(zhuǎn)，灰環(huán)的尺寸變化也不明顯；而采用FCC催化劑，頂灰環(huán)的旋轉(zhuǎn)是不穩(wěn)定的，會發(fā)生周期性的脫落，如圖4所示。隨著加塵時間的增加，頂灰環(huán)的濃度逐漸增加，尺寸不斷增大，當(dāng)達(dá)到某一個量時，即頂灰環(huán)達(dá)到最大含塵量，灰環(huán)開始螺旋旋轉(zhuǎn)脫落下行，一直延伸到灰斗，此時頂灰環(huán)消失。隨后很快又有新的頂灰環(huán)形成，頂灰環(huán)的濃度又開始增長，直到頂灰環(huán)開始再一次脫落，如此周期性的變化。由于存在頂灰環(huán)的脫落現(xiàn)象，這樣實驗中通過多次測量旋風(fēng)分離器內(nèi)的顆粒藏量，就可以對頂灰環(huán)的灰量進(jìn)行定量的測量。當(dāng)最大頂灰環(huán)灰量時，測量旋風(fēng)分離器內(nèi)的藏量也最大；頂灰環(huán)消失時，測量旋風(fēng)分離器內(nèi)的顆粒藏量最小。假設(shè)旋風(fēng)分離器空間除頂灰環(huán)區(qū)域外，其他部分的顆粒藏量不變，則兩個藏量之差可以認(rèn)為就是旋風(fēng)分離器的頂灰環(huán)的最大灰量。

旋風(fēng)分離器的藏量定義為操作中旋風(fēng)分離器內(nèi)部空間全部顆粒的質(zhì)量。旋風(fēng)分離器內(nèi)的藏量是通過在旋風(fēng)分離器灰斗和旋風(fēng)分離器進(jìn)口和出口安裝碟閥，在旋風(fēng)分離器在操作時，同時關(guān)閉進(jìn)口，出口和灰斗上的碟閥，收集旋風(fēng)分離器內(nèi)部的顆粒稱重進(jìn)行的。實驗選定4個入口速度和4個入口濃度，每個實驗測量20次，得出每組灰量的最大值與最小值的差值作為頂灰環(huán)的灰量值。

2 結(jié)果與討論

2.1 頂灰環(huán)存在的條件和脫落分析

當(dāng)顆粒進(jìn)入旋風(fēng)分離器環(huán)形空間后，大部分顆粒跟隨氣流做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，在離心力的作用下向器壁運(yùn)動，再沿器壁向下流動，然后流經(jīng)筒體空間和錐體空間到達(dá)灰斗，最后被分離下來。但在環(huán)形空間，其中一部分顆粒在二次流的作用下，旋轉(zhuǎn)向上流動。這部分顆粒在旋轉(zhuǎn)過程中，在徑向方向受到向心的曳力和離心的離心力，在豎直方向受到向下的顆粒重力和二次流向上的軸向速度產(chǎn)生的向上曳力，當(dāng)達(dá)到力的平衡時，顆粒就會懸浮在環(huán)形空間的外側(cè)，形成旋轉(zhuǎn)的頂灰環(huán)，見圖5。

頂灰環(huán)在旋轉(zhuǎn)過程中，其灰量是一個動平衡過程，小粒徑顆粒由于向心曳力大于離心力，在向心曳力的作用下向升氣管移動，最終從升氣管下端口逃逸；大粒徑顆粒由于重力大于軸向向上的曳力，脫離頂灰環(huán)沿器壁向下移動，進(jìn)入分離空間被分離。與此同時不斷有新顆粒補(bǔ)充到灰環(huán)中。對于FCC顆粒，顆粒的粒徑比較大，補(bǔ)充的灰量大于逃逸的灰量，頂灰環(huán)的顆粒量不斷增大，與邊壁的摩擦力也不斷增大，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)速度下降，離心力減小，二次流作用減弱，旋轉(zhuǎn)氣體提供的能量減小，顆粒的力平衡被打破，向上的軸向曳力不足以懸浮托舉頂灰環(huán)，使得頂灰環(huán)脫落下降。頂灰環(huán)脫落后，旋轉(zhuǎn)速度開始增大，離心力增加，二次流作用增大，顆粒又開始聚集在環(huán)形空間，形成新的頂灰環(huán)。因此，F(xiàn)CC顆粒形成的頂灰環(huán)具有一定的周期性脫落特點。

2.2 旋風(fēng)分離器的藏量測量

設(shè)入口濃度為Ci，旋風(fēng)分離器的內(nèi)部空間體積為V，則旋風(fēng)分離器的基本藏量為Mm=Ci×V。在實際操作中，顆粒在離心力的作用下聚集在旋風(fēng)分離器的器壁上，形成了顆粒堆積層和頂灰環(huán)，旋風(fēng)分離器的藏量M遠(yuǎn)大于基本藏量Mm，約為基本藏量的20倍[7]。圖6是在不同的入口濃度和入口速度下，測量的旋風(fēng)分離器藏量。

圖 6表明顆粒藏量值隨著入口速度增大而增加，當(dāng)入口速度增加到15m/s后，顆粒藏量增加的幅度更大，呈非線性趨勢增加。

旋風(fēng)分離器的入口速度增大后，旋風(fēng)分離器內(nèi)的流場的各個速度分量均增大，尤其是切向速度的增加使得顆粒受到的離心力更大，兩者是2次方關(guān)系。這樣器壁表面的顆粒層受到的離心力也增大，導(dǎo)致顆粒層的聚集更多的顆粒，但向下的軸向速度增加的幅度是線性的，所以顆粒層下行排料速度基本是呈線性增大的，由此造成了旋風(fēng)分離器分離空間內(nèi)部存在有更多的顆粒。

2.3 入口速度對頂灰環(huán)灰量的影響

圖7是入口速度與頂灰環(huán)灰量的關(guān)系曲線。實驗結(jié)果表明入口速度增加后，頂灰環(huán)的灰量值也增加，且呈非線性趨勢增加。當(dāng)入口速度增加到15m/s后，頂灰環(huán)的灰量值增加的幅度更大。

通常旋風(fēng)分離器的入口速度增大后，環(huán)形空間二次流的強(qiáng)度增大。這樣二次流上行氣體對顆粒的曳力將會增加，托起的灰環(huán)量值也將會增加，導(dǎo)致了頂灰環(huán)灰量隨入口速度增加而上升。在入口速度上升15m/s以上時，旋風(fēng)分離器內(nèi)環(huán)形空間的二次流將急劇加強(qiáng)，軸向氣流對顆粒的托起力急劇上升，進(jìn)而出現(xiàn)頂灰環(huán)灰量值急劇上升的現(xiàn)象。反之，當(dāng)入口速度低到一定程度時，二次流的作用比較小，上行的軸向氣流速度也比較小，不足以托舉顆粒，沒有出現(xiàn)頂灰環(huán)的現(xiàn)象。

2.4 入口濃度對頂灰環(huán)灰量的影響

圖8是入口濃度與頂灰環(huán)灰量的關(guān)系曲線。

從圖8中可以看出，頂灰環(huán)灰量在低風(fēng)速和高風(fēng)速情況下都隨入口顆粒濃度的上升而增加，近似于線性關(guān)系變化。但在試驗范圍內(nèi)（5～20 g/m3），頂灰環(huán)值隨入口濃度增加而上升的幅度非常小。在固定的入口速度下，環(huán)形空間的二次流的強(qiáng)度是穩(wěn)定的，因此對顆粒的托起力將不變。當(dāng)入口顆粒濃度增加后，在環(huán)形空間積累的顆粒越大，進(jìn)而出現(xiàn)隨顆粒濃度上升而緩慢上升的現(xiàn)象。這說明頂灰環(huán)灰量主要受二次流強(qiáng)度的影響，而與入口濃度的關(guān)系不密切。

3 結(jié) 論

旋風(fēng)分離器環(huán)形空間的內(nèi)二次流導(dǎo)致了顆粒在環(huán)形空間的懸浮聚集，形成了一個旋轉(zhuǎn)的頂灰環(huán)現(xiàn)象。對于分離FCC催化劑顆粒的旋風(fēng)分離器，頂灰環(huán)的旋轉(zhuǎn)是不穩(wěn)定的，會發(fā)生周期性的脫落，因此存在一個最大頂灰環(huán)灰量。入口速度的增加可使二次流的作用增強(qiáng)，最大頂灰環(huán)的灰量增大，尤其是入口速度超過15 m/s后增加明顯；而入口濃度的增加對二次流的作用不明顯，最大頂灰環(huán)的灰量在試驗范圍內(nèi)與入口濃度呈線性關(guān)系。

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2.3 集輸子系統(tǒng)熱效率和?效率影響因素

集輸子系統(tǒng)中加熱爐進(jìn)風(fēng)溫度對集輸子系統(tǒng)的熱效率和?效率影響都非常小，可以忽略不計。

3 結(jié) 論

（1）在注氣鍋爐子系統(tǒng)方面，該部分的熱效率和?效率隨著給水流量、進(jìn)風(fēng)溫度的升高而提高；隨著給水壓力、蒸汽壓力、蒸汽干度、過量空氣系數(shù)的增加而降低。隨著給水溫度的增加，該部分的?效率升高，熱效率下降。給水流量是主要影響因素，蒸汽壓力次之。給水流量每增加0.2t，熱效率和?效率分別提高0.70%和0.30%左右；蒸汽壓力每增加0.5MPa，熱效率和?效率分別下降0.62%和0.28%左右。

（2）在注采子系統(tǒng)方面，該部分的熱效率和?效率隨著注氣壓力的升高而提高，隨蒸汽干度的升高而降低。注入蒸汽干度是主要影響因素，蒸汽干度從55%提高到60%,熱效率和?效率分別下降0.80%和0.20%，蒸汽干度從95%提高到100%，熱效率和?效率分別下降0.65%和0.16%，隨著蒸汽干度的增加，蒸汽干度對熱效率和?效率的影響減小。

（3）在集輸子系統(tǒng)方面，該部分的熱效率和?效率隨著加熱爐進(jìn)風(fēng)溫度的提高而增大。但加熱爐進(jìn)風(fēng)溫度對系統(tǒng)熱效率和?效率的影響很小，可以忽略不計。

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Experimental Measurement on the Top Particle Ring in the Cyclone Separator

HE Xing-jian, LI Xiao-yu, SONG Jian-fei, WEI Yao-dong
（College of Chemical Engineering, China University of Petroleum（Beijing），Beijing 102249，China）

There exists a relatively high concentration rotating top particle ring in the annular space of cyclone during the gas-solid separation process. The top particle ring supplies the chance of particle escaping, furthermore causes the erosion of the cyclone wall. For separating FCC catalyst particles, the top particle ring rotation is unstable and the top particle ring falls off periodically. So there is a maximum mass of the top particle ring. In this paper, the relationship between the mass of top particle ring with the inlet velocity and inlet concentration was measured according to the cyclone separator reserve measurement. The experimental results show that mass of the top particle ring increases with increasing of the inlet velocity and inlet concentration.

Cyclone separator; Top particle ring; Dust mass; Inlet velocity; Inlet concentration

TQ 051.8

： A

： 1671-0460（2015）05-1143-04

國家自然基金項目，項目號：21176250。

2014-12-05

何興建（1989-），男，四川瀘州人，在讀研究生，研究方向：從事化工過程機(jī)械研究。E-mail：he1191565966@126.com。

宋健斐（1979-），女，副教授，博士，從事石油化工設(shè)備的教學(xué)與研究工作。E-mail：songjf@cup.edu.cn。