閆 亮

（中國能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原030001）

石灰石／石膏濕法煙氣脫硫是目前最成熟、應(yīng)用最廣泛的煙氣脫硫技術(shù)，具有脫硫效率高，可靠性高，可利用率高，對煤種的適應(yīng)性廣等特點(diǎn)[1，2]。石膏旋流器是濕法煙氣脫硫系統(tǒng)的重要部件，主要對質(zhì)量濃度為10%~15%的石膏漿液進(jìn)行濃縮和顆粒分級。

入口段的結(jié)構(gòu)形式直接影響旋流器的工作性能，不同的入口結(jié)構(gòu)在處理能力、分離效率、能耗等各方面都有顯著差異。本文提出一種縮放型入口，用以改善旋流器的工作性能。

1 縮放型入口的提出

圖1為兩種不同形式入口管的結(jié)構(gòu)簡圖，從圖中也可看到顆粒的分布情況。圖1（a）是最常見的矩形入口結(jié)構(gòu)，入口段與柱段相切，沿介質(zhì)運(yùn)動方向管道橫截面積不發(fā)生變化，文中稱為直管；圖1（b）為縮放型入口，該入口段的外表面1仍與旋流器柱段相切，管道橫截面為矩形，沿介質(zhì)運(yùn)動方向，橫截面積先減小后增大。兩個(gè)入口段的初始位置以及與柱段相交處的管道寬度都為L.入口為直管時(shí)，不同粒徑石膏顆粒在管道內(nèi)隨機(jī)分布，并以此狀態(tài)隨液相水一同進(jìn)入旋流器柱段，隨后進(jìn)行預(yù)分離[3]。

采用縮放型入口時(shí)，石膏顆粒在漸縮段內(nèi)仍然是隨機(jī)分布，隨著管道截面積的減小，漿液速度增大，且運(yùn)動方向沿漸縮面2發(fā)生傾斜。進(jìn)入漸擴(kuò)段后，粗顆粒會保持之前的運(yùn)動方向，向外表面1附近集中，進(jìn)入旋流器主體后分布在柱段的外圍區(qū)域；而細(xì)顆粒由于受到慣性作用較小，其運(yùn)動方向受漸擴(kuò)面3的影響發(fā)生改變，與粗顆粒發(fā)生分離并匯集在漸擴(kuò)面3附近，進(jìn)入旋流器主體后分布在柱段的內(nèi)圈。

2 數(shù)值模擬

2.1 湍流模型

基于水力旋流器內(nèi)部流體為強(qiáng)旋湍流，湍流結(jié)構(gòu)具有明顯的各項(xiàng)異性，本文采用RSM雷諾應(yīng)力模型進(jìn)行液相湍流流場的計(jì)算。

2.2 DPM模型

在連續(xù)相流場收斂后，加入DPM（離散相模型）離散相模型，對顆粒的運(yùn)動軌跡進(jìn)行追蹤。

（1）進(jìn)口條件：石膏顆粒密度為2 300 kg/m3，按粒徑不同分為 7 組：2.5、7.5、12.5、17.5、22.5、27.5、35（μm）.

（2）溢流管邊界條件：逃逸escape.

（3）底流管邊界條件：捕捉trap.

（4）筒壁邊界條件：認(rèn)為顆粒運(yùn)動到壁面時(shí)服從鏡面反射原理，以此對顆粒的下一點(diǎn)位置和速度參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

3 結(jié)果與討論

表1為入口速度v=5 m/s時(shí)，兩種入口結(jié)構(gòu)下不同粒徑顆粒的追蹤結(jié)果。其中：number tracked為入口處捕捉到的顆粒數(shù)目；number escaped為從溢流口逃逸的顆粒數(shù)目；number trapped為從底流口捕捉到的顆粒數(shù)目。

表1 不同入口結(jié)構(gòu)下石膏顆粒分離情況（v=5m/s）

入口為直管的情況時(shí)，2.5μm顆粒從底流口流出的數(shù)目多于從溢流口流出的，說明該結(jié)構(gòu)對細(xì)顆粒的分離效果較差，這會影響石膏漿液的二級脫水，另一方面會影響脫水后的石膏品質(zhì)[4]。

縮放型入口由于對粗細(xì)顆粒進(jìn)行了初步分離，降低了被粗顆粒攜帶的細(xì)顆粒比例，因此從溢流口流出的細(xì)顆粒明顯增多，但12.5μm顆粒的分離效率有所降低，這和流速以及縮放比例有一定的關(guān)系。

水力旋流器的分級效率是指懸浮液多分散性固相顆粒群中各級粒度顆粒的分離效率（或各級粒度顆粒的底流回收率）[5]。

根據(jù)模擬結(jié)果，分級效率 G（dx）可由公式（1）計(jì)算得出：

圖2為不同入口結(jié)構(gòu)、不同速度下石膏旋流器的分級效率曲線。可以看出，入口為直管，入口速度v=8m/s時(shí)所有顆粒的分離效率都最高，這說明對于石膏旋流器，增大速度反而使分級性能變差。對于縮放型入口結(jié)構(gòu)，不論入口速度如何，2.5μm與7.5 μm顆粒的分級效率降低了10%~20%左右，并且還能滿足粗顆粒較高的分離效率，說明縮放型入口對來流速度（工作壓力）有良好的適應(yīng)性，更適合工作壓力多變的石膏旋流器。

圖2 不同粒徑石膏顆粒分級效率曲線

4 結(jié)束語

（1）縮放型入口可實(shí)現(xiàn)粗細(xì)顆粒的初步分離，為石膏旋流器柱段及錐段的分離建立了良好的基礎(chǔ)；

（2）縮放型入口結(jié)構(gòu)能增大細(xì)顆粒從溢流口流出的比例，一定程度上減輕了“底流夾細(xì)”現(xiàn)象；

（3）縮放型入口對石膏旋流器工作壓力的變化有更好的適應(yīng)性。

[1]嚴(yán)禎榮，耿麗萍，楊 茉，等．WFGD水力旋流器中石灰石顆粒分級試驗(yàn)與數(shù)值模擬[J].熱能動力工程，2010，25（3）：321-325．

[2]黃 軍，安連鎖．溢流口結(jié)構(gòu)對石膏旋流器分離性能的影響[J].動力工程學(xué)報(bào)，2011，31（2）:137-141.

[3]KraipechW，Nowakowskik A，Dyakowsk T.An Investigation of TheEffectofTheParticle-Fluid and Particle-Particle Interactions on The Flow within A Hydrocyclone[J].Chemical Engineering Journal，2005，（111）:189-197.

[4]黃 軍，安連鎖，楊 陽，等.結(jié)構(gòu)參數(shù)對石膏旋流器分股比的影響分析[J].動力工程學(xué)報(bào)，2011，31（9）:678-681.

[5]沈國清，楊亞龍，安連鎖，等.石灰石-石膏濕法脫硫系統(tǒng)石膏旋流器分級效率的研究[J].動力工程學(xué)報(bào)，2012，32（8）:639-645.