（化工过程机械专业论文）旋风分离器芯管结构改进试验研究.pdf

旋风分离器芯管结构改进试验研究 马全( 化工过程机械) 指导教师：陈建义( 教授) 摘要 旋风分离器具有结构简单、造价低廉、维护保养方便等优点，因此在 高温气固分离领域，其仍然是目前唯一可资工业应用的气固分离设备并 且面临着提高效率、降低压降的迫切要求。旋风分离器的结构形式及其尺 寸匹配对分离性能有很大的影响，而芯管结构和尺寸更是决定分离器性能 的重要因素本文在p v 型旋风分离器的基础上对芯管结构进行了改进， 并得到偏置方向、偏置距离、切口方向以及切量对分离性能的影响规律。 通过正交试验得出各因素对分离器综合性能影响的次序为：偏置方向，偏 置距离，切口方向，切量，最佳结构的偏置方向为3 1 5 。，偏置距离为9 m m ， 切口方向为9 0 。，且量为a = 3 0 。最佳的芯管斜切结构与基准结构的性 能对比试验表明：当入口气速为2 0 m s 时，相对于基准模型，改进结构的 压降平均降低1 0 ，跑损率降低1 5 ，且改进结构的粒级效率高于基准 模型 关键词：旋风分离器，芯管，分离效率，压降，粒级效率 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho n t h e c y c l o n es e p a r a t o rw i t h a n i m p r o v e dv o r t e xf i n d e r m a q u a n ( c h e m i c a lp r o c e s sm a c h i n e r y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rc n e n j m - y i a b s t r a c t i n 岫f i e l do fh i g ht e m p e r a t u r eg a s - s o l i ds e p a r a t i o n , t h ec y c l o n e s e p a a t o ri s s t i l lt h e o n l ya v a i l a b l e i n d u s t r i a l a p p l i c a t i o no fg a s - s o l i d s e p a r a t i o ne q u i p m e n tb e c a u s eo fi t ss i m p l es t r u c t u r e ，l o wc o s ta n de a s y m a i n t e n a n c e i tf a c e sa l l u r g e n tr e q u i r e m e n to fi m p r o v i n ge f f i c i e n c ya n d r e d u c i n gp r e s s u r ed r o p t h ep e r f o r m a n c eo fac y c l o n es e p a r a t o ri sg r e a t l y a f f e c t e db yi t ss t r u c t u r ea n dd i m e n s i o nm a t c h i n g t h ev o r t e xi so n eo ft h e m o s t i m p o r t a n t f a c t o r s d e t e r m i n i n gs e p a r a t o rp e r f o r m a n c e t h r o u g h o r t h o g o n a lt e s t s 。am o r ee f f i c i e n t v o r t e xf i n d e rw i t hi t sm e tb e i n gc u t o b l i q u e l yi sf o u n d , a n dd i r e c t i o n so fe c c e n t r i c i t y , o f f s e td i s t a n c e ，d i r e c t i o no f i n c i s i o n , t h es t y l eo fi n c i s i o nw e r er a n k e db yt h ed e g r e eo fi n f l u e n c eo nt h e c y c l o n ep e r f o r m a n c e c o m p a r e dw i t ht h eb a s em o d e l ，t h e 芦e s 舱d r o po ft h e c y c l o n e p 哦岫rw i t ht h ei m p r o v e dv o r t e xf i n d e ri sr e d u c e c ! b y1 0 a n dt h e p e n e t r a t i o nb y1 5 a ta ni n l e tv e l o c i t yo f2 0 m s ，a n di th a sh i g h e rg r a d e e f f i c i e n c i e s k e yw o r d s ：c y c l o n es e p a r a t o r , v o r t e xf i n d e r , c o l l e c t i o ne f f i c i e n c y , p r e s s u r e d r o p ，g r a d ee f f i c i e n c y i 中国石油大学( 华东) 硕士论文主要符号表 主要符号表 入口高度，宽度，n l l l l 第二系列切口切量，。 筒体直径，r a n l 5 0 切割粒径，m 临界粒径，m 排气管直径，i n n a 无因次排气管直径【d d 】 颗粒的粒度分布， 重力加速度，m s 2 分离器综合性能指标 入口截面比 t r d 2 4 a b 偏置距离，m m 第一系列切口切量 气体绝对温度，k 标准状况下气体绝对温度，k 入口气速，m s 咖 a d 毋 4 石 g 七 肠 l s r 乃 所 中国石油大学( 华东) 硕士论文 主要符号表 气体速度，m s 切口方向 颗粒直径，r n 偏置方向 总分离效率 粒级效率 气体动力粘度，p a s 气体密度，k g m 3 颗粒密度，k 6 m 3 压降，p a 瞻 j p 叩 聊 卢 服 脚 址 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国石油 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 舀奄 川年牛月日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留，使用学位论文的规定即：学 校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅：学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：些全帕7 年够月如日 导师签名： 巨缝7 年乒 月歹。 日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 本课题研究的意义与背景 旋风分离器是工业中应用最广泛的气固分离设备之一，与其它各类分 离器相比，具有结构简单、维修方便、造价低廉、占地省等优点，尤其适 用于高温、高压和腐蚀性环境及各种粉尘因此，它主要应用在化工、冶 金、电力、建材与环保等行业，特别是在工业锅炉的烟气除尘、高温高压 气体的能量回收及新一代流态化催化反应技术及水泥预分解技术中更是 得到了广泛应用。 目前，能源作为社会经济发展的动力对世界的和平发展起着举足轻重 的决定作用。作为能源消耗大国，我国的能源结构呈现煤多油少的状况 由于工业发展的需要，石油进口数量在逐年增加为了改善能源结构，从 根本上保证可持续发展战略的实现，保证社会发展的长期性和稳定性，大 力发展以煤为原料的现代化学工业在我国尤为迫切但是，我国煤炭利用 过程中产生的污染问题尤其严重而旨在最大限度的发挥煤作为能源的利 用潜能的洁净煤技术可实现最少的污染释放，因此发展洁净煤技术在我国 具有十分重要的意义。整体煤气化联合循环( 1 g c c ) 和增压流化床联合 循环( p f b c c c ) 是目前公认的能较好解决燃煤发电和环保两大难题的清 洁煤技术，而高温除尘是关系到i g c c 和p f b c c c 能否过关的一项关键技 术。旋风分离器由于其自身的特点，完全适于高温、高压、高浓度和长周 期运转的要求，因此研究开发出高温状态下的高效低阻旋风分离器就具有 十分重要的经济效益和社会意义。p v 型高效旋风分离器是石油大学开发 的，它的结构简单，操作方便，在f c c 的高温高压的工艺过程中有很多成 功应用，产生了良好的社会经济效益，但目前看来还很难完全满足洁净煤 技术对旋风分离器的要求 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 旋风分离器的性能是由其结构形式及其尺寸匹配决定的，而芯管的结 构和尺寸更是决定分离器性能的重要因素。虽然旋风分离器本身结构较简 单，但由于其内部的三维气固两相流动及分离机理很复杂，至今还没有建 立起令人满意的包括诸多因素在内的物理与数学模型，而掌握各种因素对 旋风分离器性能的影响规律对于正确设计、制造、选用、操作与维护旋风 分离器都是十分重要的因此，本文试图以p v 型旋风分离器为基准，通 过正交试验和对比试验的方法，研究具有不同排气芯管的旋风分离器分离 性能的变化规律，并对各试验结构作综合性能比较，以期开发出一种性能 更为优异的新型旋风分离器。 1 2 本文的主要内容 本文在p v 型旋风分离器的基础上，采用带斜切口的排气芯管，并改 变芯管的偏置距离和偏置方向，以期改善旋风分离器内部流场，提高其综 合性能，从而得到适合工业应用的性能更加优良的新型旋风分离器。 本文的主要内容： ( 1 ) 对国内外有关旋风分离器研究工作的综述； ( 2 ) 对偏置方向、偏置距离、切口方向和切量等不同的结构，通过 试验测量分离性能，并对上述因素的影响规律作总结、分析； ( 3 ) 基于综合性能指标，进一步对具有不同排气芯管的旋风分离器 的试验结果作正交分析，并优选合适的芯管结构； ( 4 ) 将优选结构与基准结构进行全面的性能对比，并在此基础上推 荐性能优良的新型旋风分离器。 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述 第2 章文献综述 旋风分离器是利用旋转气流的离心力将气固两相流中的固体颗粒甩 到器壁，达到气固分离的一种分离装置。它具有分离精度高、压降小及工 作可靠等特点，且造价低、结构简单、操作维护费用低、使用寿命长，能 承受高温高压和高浓度等苛刻条件旋风分离器的研究开发已有上百年 的历史，现已广泛应用于化工、能源、冶金、食品、建筑和环保等工业领 域，甚至在高科技的军事领域，科学家们也将它用作导弹燃气发生器的分 离装置近年来，随着人们环保意识的加强，以及煤的清洁燃烧、循环流 化床、蒸汽燃气联合循环发电等高新技术的应用和发展，旋风分离器的研 究再次受到重视。 旋风分离器的结构形式很多，最 典型的结构形式如图2 1 所示。它由 切向入口、圆筒及圆锥体形成的分离 空间、净化气捧出及捕集颗粒的排出 等几部分组成各部分的结构有很多 形式，从而组成了各种形式的旋风分 离器，但其原理都是一样的。旋风分 离器研究途径大致为：研究旋风分离 器内部空气动力场，通过流场判定其 中颗粒物的运动与分离，进行性能参 数实测判定旋风器的性能优劣。由于 旋风器是依靠离心力来收集粉尘，因 此要想提高微细粉尘除尘效率就要 苗气体 。 鲁尘气体 i 地 图2 1 旋风分离器结构示意图 创造和利用更适合气固两相分离的流场构造，而创造合适的流场构造的技 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述 术措施最后都归结为对旋风分离器的结构改进 2 1 旋风分离器流场的研究 旋风分离器的流场研究目前主要集中在全流场的测试和数值模拟上， 也有少数只针对工程实际问题而研究局部流场结构的啪。具体的研究内容 有流场中的切向、轴向和径向三个速度的分布，湍流强度分布，涡流分布， 压力分布，结构条件变化时流场的改变情况，操作条件改变时流场的变化 情况等。对具体结构形式的旋风分离器，通过实验观察和测量。现在人们 已对其内部流场有了一个整体的把握。 总体上看，旋风分离器空间基本上可分为三个区域：上部蜗壳环形空 间，芯管以下的分离空间和灰斗部分。在旋风分离器内气流切向进入分离 器的蜗壳环形空间，沿简体与锥体外侧旋转向下形成下行流：同时在简体， 主要是在锥体中心区域反转向上形成上行流，并进入芯管向外捧出，另有 少量的气体要旋入灰斗之后再反转向上与上行气流汇合。这是典型的有转 折的双涡旋流结构，内外旋流的旋转方向是相同的 旋风分离器内流场是复杂的三维湍流旋流场，理论和实验研究都十分 困难，迄今尚无法完全从流体力学基本方程出发求得解析解或用数值模拟 来求解。只得用大量的试验测量来寻找它的流动规律长期以来，国内外 科技人员进行了不懈的研究，并取得了丰硕的成果 2 1 1 国外研究现状 最早测定流场的是荷兰人t e r l i n d e n 啪，他针对一台蜗壳式旋风分离 器，在入口气速为1 0 7 m s ，出口气速为6 3 6 m s ，入口压力为零的情况下， 用球形毕托管测出了旋风分离器的时均流场所测得的流场为一轴对称的 三维湍流流场，如图2 2 所示其中切向速度m 占主要地位，径向速度v ， 相对较弱，轴向速度在外旋流方向向下，o 7 倍简体半径处轴向速度为0 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述 分离器内气流螺旋向下，螺旋角约为1 5 。径向速度随半径的减小而增大， 且有两个极值，一个在排尘口处，另一个在芯管的下口径向速度极值在 排尘口出现是由于节流效应，在芯管下口出现极值则是由于顶板边界层的 二次流造成的短路流，这对粉尘的分离是不利的 7 一j i o 。刍 ：斗 毛： 眵 j 【 切向速度分布 r 7 r j 【 径向速度分布 图2 - 2 最早测定的旋风分离器漉场 s c h o w s l t e r 和j o h n s t o n e 用热线风速仪和压力探针测量了旋风分离器内 流场“他们发现外旋流是轴对称的旋流，湍流度为1 0 试验中雷诺 数为3 4 x i 矿，湍流度的轴向分量随半径的减小而增加，这主要是因为平 均速度减小了。这些学者认为只有湍流度的径向分量对小颗粒的分离效率 有影响，且影响程度与二次流相同。 r c y d o n 和g a u v i n 御用五孔球探针测量了直径为1 2 2 c m 的旋风分离器 流场，他们发现进气角度对切向速度没有影响，对静压分布的影响也非常 小；分离器的芯管直径对切向速度的影响很大，随之也对轴向速度产生了 很大的影响。 彭维明用激光多普勒技术对旋风分离器内部流场进行了试验研究哪， 分别测定了常温下切向进口分离器和管道分离器内部流场分布，并对这两 墨舞 r 蓥 r 龛r 淼 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述 种分离器的内部流场进行了对比分析彭维明发现：在切向进口旋风分离 器中，切向速度在轴向上基本上没有什么变化，而外涡的轴向速度分布不 均匀；而在管道分离器中，切向速度在轴向上有一个稍微降低的趋势，外 涡的轴向速度是均匀分布的。而且测量结果与以往的研究结果以及利用 c f d ( 计算流体动力学) 模拟的结果都比较吻合。然而彭维明没有直接测 量各个截面的径向速度，他只是根据轴向速度测量的结果间接计算出沿分 离截面的径向速度的分布。计算公式为： q 一q + i = 2 石毛( z ，+ i z f ) k = 1 2 t r r v ( r ) d , r l 并且在他的试验研究中，仅仅利用了两束激光中波长为5 1 4 5 r t m 的激光， 说明他对切向速度和轴向速度的测量并不是同时进行的，尽管旋风分离器 内部流场有一定的稳定性，但不能严格保证其准确性 h o e k s t r a ”1 测试了一个工业尺寸的旋风分离器的流场，仪器是二维多 普勒测速仪，旋风分离器的简体直径d = 0 2 9 m ，总高l = i 2 m ，气流从唯 一的切向入口引入，从芯管排出。试验雷诺数r p 砣5 1 0 4 ，( 扣! 善丝= 1 8 4 a j 和3 2 ( 爿，是入口截面面积) 。其中q 是角动量和轴向动量之比，在这里 表示几何旋流数轴向和切向速度分布都显示出芯管直径对流场影响很 大。h o e k m a 根据速度分布的形状把流场分成3 个区：内旋流区、环形空 间上行流区和环形空间下行流区或壁面区。 在环形空间，旋流分布为准自由涡，涡核的大小强烈依赖于q 。f l = - i g 时，各轴向位置的涡核大小极其相似，但i f = 3 2 时，在涡核区轴向速度 在轴线上呈现最小值，导致了轴向回流。作者解释该现象产生是由于存在 芯管内壁面摩擦，内旋流衰减，造成中心轴线呈负压的原因 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述 r rr rr r 图2 - 3 不同芯管尺寸旋风分离器切向速度分布图 r r 圈2 - 4 不同芯管尺寸旋风分离嚣轴向速度分布圈 另外，h o e k s t r a 认为切向速度在外旋流区呈准自由涡，在内旋流区呈 准强制涡芯管直径对涡核直径的大小和最大切向速度值的影响很大 h o e k s t r a 测得的加装了稳涡器的三种旋风分离器结构的平均切向速度和 7 2 o 2 o 2 o 2 o _ i ； 2 o 2 o 2 o 2 o _ 之篁 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述 轴向速度沿半径的分布，分别见图2 3 、2 4 随着芯管直径减小，最大切 向速度从l 倍入口气速增加至2 5 倍入口气速而且，外旋流的准自由涡 分布也受到芯管直径的影响。切向速度分布在不同的轴向位置十分相似。 由于存在边壁摩擦，切向速度在靠近边壁处逐渐减小芯管直径增大，涡 核也加宽，这是由于旋流在芯管内的损耗引起的从图2 - 4 可知，轴向速 度的分布形态也受旋风分离器几何尺寸的影响。涡核直径直接影响最大轴 向速度，且在大多数分布图中，内旋流中轴向速度呈减小趋势，甚至出现 反向流。这可能是由于排气芯管内的旋流损耗，导致中心轴线上呈现负压 差，因此旋转较弱的气流有可能重新从芯管吸回到分离器内。芯管直径对 轴向速度的影响是巨大的，芯管直径的变化使最大轴向速度增至约入口速 度的2 倍。在近壁处，气流向下流动，接近稳涡器时。气流向内流，向下 的流动减弱了。接近分离器底部的稳涡器似乎抑制了分离器轴线附近的轴 向回流，不过它的作用限制在较低的分离空间。 总之，实测表明切向速度和轴向速度分布强烈依赖于芯管结构 切向速度分布径向速度分布 图2 5 切向速度和径向速度分布图 = f 、上 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述 2 1 2 国内的研究现状 对于旋风分离器内的流场，国内也有很多学者和单位进行了很多研 究，像中国科学院力学研究所”3 、北京工业大学、石油大学 旧、清华大 学1 、上海化工学院“”等都做了很多研究工作。 中国科学院力学研究所的柳绮年、贾复等人测量了蜗壳式旋风分离器 的三维速度场( 如图2 5 、2 - 6 所示) 以及湍流脉动场平均速度场和压力场 用五孔球探针测定，湍流脉动场用恒温式热线风速仪测定试验选择了两 个直径尺寸的旋风分离器作为试验模 型，其具体参数是d = 4 0 0 m m ， 旷】了r - t 【l 材】 置一= 4 3 2 ，z = o 舛，c 两种芯管，一种l 三兰仑窿； 为缩口管，另一种为直管) 、o 3 7 3 ， 咏血曲l 每荨 巧= 2 2 - 2 4 m s 、1 6 m s ；d = - 8 0 0 m m ，f 五1 0 0 卜呻7 f 于卜净 8 k a - - 4 0 ，4 = o 4 4 3 ( 缩口管) 、o 3 7 3 - 。z 牡一9 r 墨；m p 剑a e 卜1 0 巧= 1 9 5 m s 、1 1 8 m s 。? 1 0 i 瑚p o 严马l i i f 卜卜一1 2 他们的测量验证了前人对切向速p 吨掣l 1 3 度分布的研究工作：切向速度分布由核 举j ：l s 心部分的刚性旋转以及准自由涡组成。il 同时，与前人结果不同，他们发现径向 ! ；： 速度是非轴对称的( 见图2 5 ) ，这主要 是由切向进气的形式造成的。而轴向速 图2 - 6 轴向速度分布图 度在中心轴线附近存在波谷形分布( 见图2 6 ) ，表明在强制涡核中心，还 存在一层上行极缓慢、基本做水平旋转的气流，个别地方会出现倒流。这 是由于在强旋转下造成7 i l l 向逆压梯度，这个逆压梯度引起核心部分的轴 向滞流，甚至倒流现象。 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述 对广泛应用的p v 型旋j x l 分离器，以时铭显“”棚为首的中国石油大学 流固分离试验室多年来进行了深入细致而又富有成效的流场测试研究工 作。 姬忠礼“”测量了蜗壳式旋风分离器的流场，平均速度场和压力场用五 孔球探针测定，湍流脉动场用i f a l 0 0 热线风速仪测定，旋风分离器的具 体参数是k a = 4 4 ，d ，= 0 4 4 ，d = 4 0 0 m m ，v - - 2 1 m s 、1 6 m s 、1 2 m s ；田彦 辉“”用热线风速仪测量了直径为d = - 4 0 0 m m ，k = 5 5 的p v 型旋风分离 器流场，其无量纲芯管直径z = 0 2 5 时，k = l g m s 、z = o 3 1 5 时， k - - - 2 1 m s 、z ；o 4 4 时，= 2 1 m s ；吴小林用五孔球探针测定直径 d = 1 2 0 0 m m ，k j = 4 4 、5 5 、7 5 ，z = o 2 5 、0 3 1 5 、0 4 4 的p v 型旋风分 离流场o ” 吴小林“3 “1 等人的研究表明，在蜗壳环形区内，三维速度分布呈非轴 对称性。切向速度在靠近排气管外壁时达到最大值，沿径向向外逐渐减小。 轴向速度多数向下，但在靠近蜗壳壁面附近有明显的上行气流，特别是在 9 0 0 2 7 0 。方位靠近蜗壳顶板附近，此实属环形空间的纵向二次流，它将器 壁处浓集的颗粒部分夹带到分离器顶板处，形成所谓的“顶灰环”，对分 离不利径向速度的方向均为向心，在靠近芯管入口与顶板处较大 在排气管以下的分离空叫内，切向速度的轴对称性相当好，表现出强 旋流的特点沿径向以最大切向速度点为界，向内为内旋流，是准强制涡； 向外为外旋流，是准自由涡。内外旋流分界面呈圆柱面，其内径与无量纲 直径孑有关。最大切向边度沿轴线向下略有衰减。器壁附近的切向速度 一般为入口气速的1 1 12 倍，视结构参数而异。 分离空间内轴向速度越才i 上呈轴对称分布，只是在锥体下部稍差些。 轴向速度沿径向又可分为下行流和上行流，上下行流分界点处的轴向速度 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述 为零该分界面在简体部分呈圆柱面在锥体部分则为锥角小于锥体顶角 的圆锥面，此分界面的尺寸均随孑而变化外侧下行流区内，沿径向向 外，轴向速度逐渐增大：内侧上行流区内，沿径向向内，轴向速度逐渐增 大，达最大值后又逐渐减小。分离器中心处的轴向速度在多数情况下向上， 但在少数截面上会出现倒流现象进一步的分析表明，在气体入口中心与 排气芯管之间的区域内存在短路流现象，此处的向心径向速度较大，对分 离效率有较大的负面影响。同时在分离器的下部灰斗附近，由于气流的折 返流动带动了一部分颗粒回返气流主体。产生了所谓的“灰斗返混”，这 也是影响分离效率的一大问题。 径向速度分布比较紊乱其量级要小于切向与轴向速度，不易测准， 从总体看，多数为径向向心，并在芯管下口附近与锥底捧尘口附近都有较 大的径向速度。 静压与湍流度在分离空间的分布有较好的轴对称性，在最大切向速度 点处的静压与分离器出口管内的平均静压大致相当。器壁附近的静压比入 口压力大体低一个入口损失。中心处静压最低且一直延伸到灰斗内，因此， 若灰斗封闭不严，容易加剧灰斗的返混量，使得分离效率明显下降：湍流 度在外旋流区沿径向分布基本均匀，平均在4 1 0 间，而在内旋流区沿 径向向内逐渐加大，中心部位可达3 0 以上，这时脉动速度相当于3 5 m s ，与短路流取的时均径向速度相当，加剧了细颗粒湍流扩散，对分离 不利，同时内旋流内较高的湍流度意味着能量耗散也大，这也是需要改进 的一个问题 姬忠礼等”则从改变操作条件的角度进行了测试研究，结果表明：入 口气速在1 2 2 1 m s 或入口雷诺数在j r p = ( 3 1 5 4 ) x 1 0 5 范围内改变时。旋风 分离器流场已进入自模区，即只有不同方向上气体速度数值大小的变化， 而流场分布形态不再变化。对二次流，则认为其强度分布不均匀，以9 0 o 与1 8 0 。方位为最强。并且主要集中在顶板以下约一半入口高度以内，通过 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章文献综述 加尘演示实验，进一步确证了顶板附近存在着的上灰环现象，实验中还观 测到只有当进口气速降低到一定程度时，灰环才逐渐消失在下部的分离 空间内，切向速度轴对称性较好，轴向速度的分布呈双峰状，也有较好的 轴对称性，但从径向速度的分布来看，旋转气流的旋转中心与几何中心沿 轴向不重合，涡核是随时间和空间摆动的。此外，在分离器锥体下部，由 灰斗气返混与涡核摆动而造成了偏流现象 在湍流度方面，利用热线风 速仪测量表明，在外旋流区及上 部环形空间内，湍流度与湍流脉 动速度均方根值较小，并且沿径 向只有微小变化，湍流度约为2 5 。而在内旋流区，尤其在排气 管末端和排灰口附近，脉动速度 和湍流度相当大，湍流度可高达 3 0 ，脉动速度均方根值可达6 9 m s 在这些部位，脉动速度与 径向速度相近，流场极不稳定。 从轴向速度分析得出的结论 是，上行流和下行流的分界处在 切向速度分布轴向速度分布径向速度分布 图2 - 7 旋风分离嚣内三维时均气速分布 筒体段呈圆柱面，其直径约为排气管外径。在锥体段呈锥面，其锥顶角约 为分离器锥顶角的0 6 倍。 经多年的试验研究，蜗壳式旋风分离器内流场的规律已经比较清楚， 可将其特征简要归纳如下： ( 1 ) 旋风分离器内流场是三维非轴对称湍流旋流场。 ( 2 ) 流动的三个速度分量为切向、轴向和径向速度，如图2 - 7 所示 其中切向速度数量级最大，径向速度最小，比切向速度小一个数量级 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述 ( 3 ) 切向速度分布的轴对称性很好。沿轴向衰减也很小，这是强旋 流的特点切向速度沿径向的分布形态可分为内、外旋流，其分界点的位 置只随芯管下口半径的大小而变化，约在( o 7 5 0 8 ) ，处。在外旋流区 切向速度的分布形态与总速度的分布形态相近，说明在外旋流区切向速度 分量起着关键作用。内旋流可视作准强制涡，外旋流则为准自由涡侧。 ( 4 ) 轴向速度的分布较复杂，大体接近轴对称。在分离空间内一般 可将气流分为内侧上行流和外侧下行流。上下行流分界点的界面形状与分 离器的形状有关，在筒体部分，此分界面大致呈圆柱状，在锥体部位，此 分界面大致成圆锥状。 ( 5 ) 径向速度值比切向速度值小一个数量级，不易测准。它的分布 也比较紊乱，呈非轴对称性，沿径向与轴向的变化也较大。除涡核很小的 一部分，绝大部分是向心的气流。 对于旋风分离器中速度场和压力场之问的联系，王连泽等。”通过安装 减阻器件、分析其作用机理，从侧面解释了其间的相互联系。在旋风分离 器中安装减阻器件后，切向速度峰值降低、速度梯度减小，径向静压梯度 随之减小，于是导致了流动内摩擦阻力的减小。流动的内摩擦阻力及由于 切向速度梯度减小导致的旋转动能损失的减小，将使得流动的全压差降 低。流动阻力的减小，将导致上行流区轴向速度的增大，有益于径向上轴 向速度从高次分布向线性分布的转变。上行轴向速度的增大，其原因是沿 流向逆压梯度减小或顺压梯度的增大。这其中也可能包括由于切向速度梯 度和轴向速度梯度减小导致的湍流能产生率降低等对压力损失减小的贡 献。正是基于这样的认识，在实际过程中，人们通过有选择性地调整速度 场或压力场，可以提高设备性能并降低能耗。 此外，许宏庆“。翻测量中还发现，径向速度分布在旋风分离器内是非 轴对称的。几乎毫无规律。时铭显和姬忠礼指出轴流式旋风分离器内旋转 气流的旋转中心与几何中心沿轴线不重合，涡核随时间和空间摆动，导致 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述 所测径向速度在中心区域较大并测不准。凌志光等汹1 对旋流式分离器内部 流场进行了测量。李琼等1 用激光测速仪对液体旋流器内的径向运动规律 进行了测量。旋风分离器内部流场的实验研究为建立理论模型提供了必要 的实验基础，也是验证模型是否合理的标准，是分离器设计和运行过程中 不可或缺的重要环节。 2 2 旋风分离机理的研究 旋风分离器分离机理的研究也随其应用的不断增加也在不断的发展， 旋风分离器内颗粒捕获机理及效率计算方法也得到了较快的发展，目前主 要有转圈理论、筛分理论( 平衡轨道理论) 、边界层理论、分区理论以及 相似准数计算方法等理论的研究。由于旋风分离器内是非常复杂的强旋 流，许多难题( 如内旋流的不稳定性及各种局部二次涡流等) 均没有研究 清楚，再加上由于扩散、团聚、碰撞等因素而使颗粒运动带有较大的随机 性，迄今尚无令人满意的包含各种影响因素在内的通用计算模型因此迄 今为止，以一定的理论为基础并结合实验最后给出经验公式的方法仍是旋 风分离器研究和设计的基础，这种方法简单快速，但适用范围有限，一个 经验公式往往只对应一种分离器类型即便是同一类型的分离器，由于研 究者的出发点不同给出的经验公式也不尽相同，造成使用上的局限性。 2 3 旋风分离器结构的研究 旋风分离器的结构形式很多，最典型的结构形式如图2 1 所示。它由 切向入口、圆筒及圆锥体形成的分离空间、净化气排出及捕集颗粒的排出 等几部分组成。各部分的结构有很多形式，从而组成了各种形式的旋风分 离器，但其原理都是类似的。 旋风分离器的分离效率与多种因素有关，大体上可分：结构参数、气 固物性、操作条件和制造安装质量等。为提高分离器的分离性能就结构 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述 参数或尺寸的设计而言，每种形式的旋风分离器大都有一套比较完整的优 化数据，表2 - i 列出了几种不同结构形式的典型尺寸 表2 - 1 典型结构形式旋风分离器的尺寸 根据以往对p v 型旋风分离器的研究，顶灰环、芯管短路流以及灰斗 返混是影响分离效率的三个主要因素嘲1 。为此许多学者针对各部分尺寸对 分离性能的影响进行了研究，在此基础上提出了各种措施来提高旋风分离 器效率。 许多研究者认为：旋风分离器内气流速度分布在径向上呈轴不对称或 出现偏心，尤其在锥体下部靠近排尘口附近，有明显的“偏心”；捧气管 下口附近，径向气流速度较大，有“短路”现象。气流偏心或短路不利于 粉尘分离。 9 0 度 9 0 度 阜锨。哼雌 图2 - 8 单双进口回转通道 沈恒根汹1 针对旋风分离器内气流轴不对称问题，将其进1 ：3 由单进口改 为双进口，如图2 8 。通过双进口旋风分离器内流场实验研究表明，双进 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述 一勘谚 渐晶通趋 等宽通道 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述 由于内旋流进入排气管时仍然处于旋转状态，这里包含超过正常气流 所需要的能量，同时，在离心力的作用还会继续从气流中分离出尘粒为 此人们提出了各种回收排气管中压力和能量的方案。锥形捧气管回收的 效果不明显。整流叶片。2 1 是另一比较常见的形式，它可以回收能量但效率 有所降低。叶片形式不同，效果也不同。在排气管口装设渐开线蜗壳也能 回收能量。边上开槽或开孔的出口管不仅能有效得降低压力损失，也能提 高分离效率m “1 。 与开槽的排气芯管不同，黄贵根1 提出了一种在排气管入口处加装所 谓的“减阻器”的旋风分离器，这种减阻器形如开口向下的喇叭口，它能 降低出口管的进口速度从而减少气体对颗粒的夹带。 研究表明在旋风分离器的排气芯管外表面有一个边界层，在这一区域 的颗粒很难被分离。为了消除这一现象，s o g o 等开发了一种在分离器顶 部引入一股用以将这一区域内的颗粒“吹回”旋风室的二次风的新型旋风 分离器。 实际应用中的系统都比较庞 大，采用新的旋风分离器替代原有 旋风分离器，势必导致工程量和成 本比较大。基于这一想法，很多研 究者寻找不改变原有旋风分离器结 构，而通过增加附加部件为提高旋 风性能。p l o m p 等1 提出了加装二 次分离附件的一种旋风分离器，见 图2 - l o 示意图。二次分离附件设置 图2 1 0f o c 旋风分离器 在旋风分离器本体顶部，称之为p o c ( p o s tc y c l o n e ) 。p o c 二次分离作用是 利用排气芯管强旋流作用使微细粉尘受离心力作用向边壁运动，并与挡板 相撞后，通过缝隙1 掉入挡板下部的壳体中，另一部分即使在一开始没有 中国石油大学( 华东) 硕十论文第2 章文献综述 与边壁相撞。但由于始终受到离心力的作用，在到达p o c 顶部时。其中 也有很大一部分通过缝隙2 处而进入挡板与壳体之间的空间，随后由于 p o c 中主气流的约1 0 通过缝隙形成渗透流，在渗透推动下，颗粒物被 吹出壳体。研究表明啪，在特定结构尺寸和运行条件下，总效率比改进前 提高了2 2 0 ；p o c 的阻力约为旋风分离器本体1 0 ，该阻力与渗透 气流量无关( 在所给参数范围内) 。对于直径较大的旋风分离器，尤其在原 旋风分离器性能不是很高的情况下，加装p o c 的办法对于提高分离性能 很有效。p o c 装置对3 p m 以上粉尘分离很有效，对3 岬以下的粉尘效果 不显著。这种改进方法特点在于增加的能耗小，保养及维修简单。对于已 投入使用的分离系统工程改造方便，成本较低。 西安交通大学的彭雷等对c f b 锅炉旋风分离器排气芯管偏置方案 进行了实验研究，发现：旋风分离器排气芯管偏置对分离效率和分离器的 压降都有显著的影响。相对排 气芯管不偏置，偏置以后分离 效率有了5 1 1 0 8 的明 显提高，而压降( 能耗) 总体 也有明显的下降，最大下降幅 度达到8 5 。不同的偏置方 向( 见图2 ，1 1 ) 的实验结果表 明，排气芯管偏置的方位约 1 8 0 。时，分离器的效率提高 最大在排气芯管相对偏置距 离为0 2 5 5 ，且向9 0 。方向偏 采蜘l 图2 一l l 旋风分离器捧气管偏置位置 置时分离器阻力最低，比中置时的阻力下降了8 5 ，而在9 0 。到2 7 0 。 的偏置方向上，不同的偏置距离下的分离器的阻力均以1 8 0 。为最大，但 排气芯管偏置方向变化到0 。时，分离器阻力出现了1 3 5 的大幅度上升。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述 彭雷通过试验发现，在其试验的四个偏心方向上，随着偏心距离的增加， 分离效率整体呈增加趋势，但在不同的相对偏心距范围，分离效率增加幅 度差别较大：偏心距为o 1 2 7 时，4 个工况较之排气芯管中置的分离效率 提高5 1 9 6 ：而偏心距为0 2 5 5 时分离效率较偏心距为0 1 2 7 时提高 甚微，个别工况几乎没有变化。作者最后指出：采用合适的排气芯管偏置 结构是改善旋风分离器性能的有效方法之一。目前，关于旋风分离器排气 管偏置的研究工作在国内外进行还较少，因此对排气芯管偏置的机理和最 佳结构等方面还有很多需要进一步深入研究的问题。另外，中国石油大学 的李双全“”就芯管偏置对p v 型旋风分离器效率和压降的影响问题也作了 试验研究，发现：入口气速对排气管晟佳偏置方位有一定影响，相对偏心 距为0 0 6 时，效率提高0 1 3 o 2 5 ，而偏向2 5 5 。时效果最好，相对 偏心距为o 0 6 时，压降降低9 4 0 1 5 8 。另外发现，芯管偏向1 5 。到 1 3 5 。区域时，压降大体上有增高的趋势，偏向1 3 5 。到3 1 5 。区域时有明 显降低的趋势。 中国石油大学的孔行健等h 2 1 对芯管 半切旋风分离器进行了研究。他对排气 芯管进行半切处理( 如图2 1 2 ) ，并通 过实验研究了切口方向和插入深度对旋 风分离器性能的影响。研究表明：当半 切芯管的入口偏转角度在1 2 0 。附近时 半切芯管改善了蜗壳式旋风分离器环形 空间内的速度场和静压场的非轴对称分 布m 1 ，使“滞流层”厚度变薄，减少了 颗粒在芯管表面的沉积，并阻止了由芯 管0 。方位入口处来的短路流；而且半切 芯管的长端部分还延长了“滞流层”内 飞填，。 ；久 ， 卜 图2 1 2 半切管偏转角度图 中国石油大学( 华东) 硕士沦文第2 章文献综述 颗粒沿轴向方向的运动距离，减少了颗粒从芯管逸出的几率，提高了旋风 分离器整个速度范围内的分离效率。并且芯管半切客观上造成了旋风分离 器排气通道入口半径的放大，减少了芯管入口阻力从而使旋风分离器的压 降略有降低。 综上所述，芯管结构是影响分离器内流场及其分离性能的非常重要的 因素，开发新型排气芯管对提高分离器的性能有很重要的意义。另据文献 4 4 提供的资料，常规的上排气旋风分离器的压力损失有很大部分 ( 5 0 6 0 ，有时达8 7 ) 对捕集分离实际不起作用，这充分说明分离器仍 存在着很大潜力，如进一步分析旋风分离器内的流场规律从结构上对其 进行改进，就可能提高分离器的性能。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章试验装置、方法及内容 3 1 试验装置 第3 章试验装置、方法及内容 本试验是在无锡市石油化工设备有限公司内的“中国石油化工集团公 司流化与气固分离大型冷模工程研究试验装置”上进行的试验以p v 型 旋风分离器为基准试验模型，其具体结构尺寸如图3 1 所示试验装置以 及流程如图3 - 2 所示试验粉料由图3 - 2 种料斗加入后，随输送气流经过 进气管段进入旋风分离器。在分离器内部，试验粉科与气体分离，被分离 下来的粉料进入收灰斗，而纯净气流则流经集气室和通风管路后由烟囱捧 入大气将收料斗内的粉料收集下来称重并采样。以便作粒度分析 i 哩管圈斟2 迸气管段3 撼辩辫槽5 囊- 【塞 j j 毒署 t 礓4 辩a 逼j 2 苦铬口捆四1 0 j e 轨 田3 - 1 基准p v 试验模型圈t - 2 试验流程图 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章试验装置、方法及内容 若量t 9 0 菩t _ 嚏 蕊六 、 1 1 8 0 、 2 7 0 人 _ j 、 f 啪od 基准结构切量s 图3 - 3 芯管位置示意图圈3 - 4 芯管切口示意图 试验中芯管插入深度为2 0 0 r a m ，芯管的偏置距离为l ，见图3 3 。为 了清楚起见，图3 3 中将偏置距离放大了芯管偏置后的中心点e 与芯管 基准位置中心点。之间的距离即为l l 的取值为3 m m ，6 m m 和9 m m c o 与扯之间的夹角为芯管的偏置方向，用0 表示，以o a 方向为零度偏置 方向，将口按4 5 。间隔顺时针偏转故共有o o 、4 5 0 、9 0 0 、1 3 5 0 ，1 8 0 0 、 2 2 5 0 、2 7 0 。、3 1 5 。八个芯管偏置方向。图3 3 中圆弧m f n 表示芯管切口， 其中心线e f 与e g ( e g 平行于a c ) 之间的夹角为切口的对准方向。用，表 示。试验中以e f 与e g 重合时记卢为零度，将卢按4 5 0 间隔旋转，故共有0 。、 4 5 0 、9 0 0 、1 3 5 0 、1 8 0 。、2 2 5 0 、2 7 0 0 、3 1 5 。八个芯管旋转角度。芯管的切 口方式分为两个系列( 见图3 4 ) ，第一系列固定h 与分离器入口的长边相 等，改变s 的大小，称为切量s ，s i = d r 4 ，s 2 = d r 2 s 3 = 3 d r 4 ，s 4 - - d r ) 第 二系列固定t - - d r 2 ，改变a 的取值，称为切量a 。本试验中a 取1 5 0 。3 0 0 和4 5 。，对应结构分别用a i ，a 2 和a 3 表示。试验时改变芯管结构并与基 准结构进行对比。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章试验装置、方法及内容 3 2 试验方法 测量基准p v 型分离器在设计条件下的分离性能，然后将基准分离器 的芯管斜切并偏置，分别测定不同芯管结构下分离器的分离性能，并与基 准p v 型旋风分离器的性能作比较 本试验采用吸风式负压操作，试验在常温下进行，气相介质为常温常 压空气，固相介质为3 2 5 目滑石粉，其密度为p = 2 7 8 6 k g m 3 ，粒度符合对 数正态分布。中位粒径为1 3 p r o ，均方差为o 3 2 气体流量用毕托管测量， 风量通过阀门调节压降用u 形管测量每次加料通过人工定量加尘， 控制加料时问，从而控制入口含尘浓度。旋风分离器的分离效率，采用定 量加尘，收尘及称重的方法测定对旋风分离器入口进料及旋风分离器收 集的粉料用随机取样法采集样品，再用粒度分析仪确定其粒径分布，从而 求出其粒级效率。 3 2 1 试验步骤 旋风分离器安装完毕后要做如下准备事项：先用空气吹扫进出口管道 及分离器本体等，以除去其中的积灰、铁渣及其他杂物；再用干净的细砂 吹扫，进一步除去管道、分离器本体及收料斗内的铁锈等杂物；用标准毕 托管标定进入旋风分离器内的