（动力工程及工程热物理专业论文）导叶式旋风管排尘口处颗粒返混夹带的实验研究.pdf

e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho np a r t i c l eb a c k - - m i x i n g n e a rd u s to u t l e ti nt h eg u i d ev a n e c y c l o n e t u b e at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：q ic h e n g g a n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw a n gj i a n j u n m a c h i n e r yi nc h e m i c a le n g i n e e r i n gp r o c e s s c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： - - q - 衣目j 日期：诩1 1 年9 月2 | 7 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 盲戋阀d 艚刻磁轹缓豸 2 瓠一 摘要 颗粒返混夹带是旋风管排尘区内普遍存在的一种现象，对旋风管的分离效率有明显 影响。为研究排尘锥结构形式对颗粒返混夹带的影响，本文通过实验方法测量了旋风管 安装不同排尘结构时的分离性能，得到了排尘锥结构参数和开缝形式对旋风管分离性能 的影响规律；通过测量排尘区气相流场和颗粒浓度场的分布情况，对不同排尘结构的气 固两相流动状况进行了分析，得到了颗粒返混夹带产生的原因和影响机理，并研究了排 尘锥内旋流对返混颗粒的二次分离作用。 实验研究表明：排尘锥开缝结构有助于改善气流的流动状态，旋风管压降都有大幅 度的降低，阶梯侧缝结构的节能效果更佳，对称侧缝结构可以提高旋风管对3 9 m 以上、 l o l a m 以下细颗粒的分离效率。排尘锥开缝结构，在保证“旋流屏蔽效果的前提下， 使部分颗粒通过侧缝排入灰斗，减少了排尘口处的颗粒浓度，抑制了颗粒返混现象；排 尘锥内旋流的二次分离对返混颗粒浓度的降低起主要作用，是排尘锥的一种固有性质， 受排尘锥结构形式的影响较小。影响旋风管分离效率的主要是5 岬以下小颗粒的返混， 颗粒返混是排尘区气固两相流动共同作用的结果，灰斗内的颗粒返混取决于颗粒与上行 气流的相对运动关系，灰斗中心区是颗粒返混夹带的主要区域，排尘锥内的颗粒返混受 排尘通畅性和气流稳定性的影响。根据气固两相流的实验结果，以阶梯侧缝结构为原型 建立了一种防返混排尘锥模型。 关键词：旋风管，排尘锥，颗粒返混夹带，二次分离 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho np a r t i c l eb a c k - m i x i n gn e a rd u s to u t l e ti nt h e g u i d ev a n ec y c l o n et u b e q ic h e n g g a n g ( m a c h i n e r yi nc h e m i c a le n g i n e e r i n gp r o c e s s ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rw a n g j i a n j u n a b s t r a c t p a r t i c l eb a c k m i x i n gi sac o m m o np h e n o m e n o ne x i s t i n gi nt h ed u s t d i s c h a r g i n gs e c t i o n i th a sas i g n i f i c a n te f f e c to nt h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c yo ft h ec y c l o n et u b e i no r d e rt os t u d yt h e e f f e c to fd u s td i s c h a r g ec o n eo np a r t i c l eb a c k - m i x i n g ，d i f f e r e n ts t r u c t u r e sw e r eu s e di n c y c l o n et u b e ss e p a r a t i o np e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t t h ee f f e c t so fd u s td i s c h a r g ec o n e s s t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n ds l o tf o r m so ns e p a r a t i o np e r f o r m a n c ew e r eg o t g a s s o l i df l o w si n t h ed u s t d i s c h a r g i n gs e c t i o nw e r ea n a l y z e db ym e a s u r i n gt h ed i s t r i b u t i o no fg a sf l o wf i e l d s a n dp a r t i c l ec o n c e n t r a t i o nf i e l d s t h ec a u s e sa n de f f e c t sm e c h a n i s mo fp a r t i c l eb a c k - m i x i n g w e r eg o t a l s ot h es e c o n d a r ys e p a r a t i o no fi n n e rv o r t e xf o rp a r t i c l e sw a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a ts l o t t e ds t r u c t u r e so fd u s td i s c h a r g ec o n eh e l p e di m p r o v et h eg a s f l o ws t a t e p r e s s u r ed r o po fc y c l o n et u b er e d u c e ds i g n i f i c a n t l y , e s p e c i a l l yf o rt h el a d d e r - t y p e s l o t t e ds t r u c t u r e s e p a r a t i o ne f f i c i e n c yo f3 10 i - t m p a r t i c l e s i n c r e a s e dw h e nu s i n gt h e s y m m e t r y - t y p es l o t t e ds t r u c t u r e t h es l o t t e ds t r u c t u r ec o u l dm a k es o m ep a r t i c l e sc o m ei n t o t h ed u s th o p p e rt h r o u g hs l o t s ，s oi tr e d u c e dp a r t i c l ec o n c e n t r a t i o nn e a rt h ed u s to u t l e ta n d h e l p e di n h i b i tt h ep a r t i c l eb a c k - m i x i n g t h es e c o n d a r ys e p a r a t i o no fi n n e rv o r t e xp l a y e da m a j o rr o l ef o rt h er e d u c i n go fb a c k - m i x i n gp a r t i c l e s c o n c e n t r a t i o n i ti sa ni n h e r e n tn a t u r eo f t h ed u s td i s c h a r g ec o n e t h eb a c k m i x i n go fp a r t i c l e ss m a l l e rt h a n5 岬a f f e c t e ds e p a r a t i o n e f f i c i e n c ym a i n l y p a r t i c l eb a c k i n g m i x i n gw a st h er e s u l to fb o t hg a s s o l i df l o w s m o v e m e n t i nt h ed u s t - d i s c h a r g i n gs e c t i o n i nt h ed u s th o p p e r ，i td e p e n d e do nt h er e l a t i v em o t i o nb e t w e e n p a r t i c l e sa n du p s t r e a mf l o w ，w h i l ei nt h ed u s td i s c h a r g ec o n ei tw a sa f f e c t e db yt h es t a b i l i t y o fb o t hd u s t - d i s c h a r g i n ga n dg a sf l o w a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fg a s - s o l i df l o we x p e r i m e n t ， a l la n t i b a c k - m i x i n gs t r u c t u r em o d e lw a sb u i l to nt h eb a s i so ft h el a d d e r - t y p es l o t t e dd u s t d i s c h a r g ec o n e k e yw o r d s ：c y c l o n et u b e ，d u s td i s c h a r g ec o n e ，p a r t i c l eb a c k - m i x i n g ，s e c o n d a r ys e p a r a t i o n 目录 第一章前言1 第二章国内外关于颗粒返混的研究综述3 2 1 国内外关于旋风分离器排尘结构的研究进展3 2 2 关于旋风分离器排尘区颗粒浓度的实验研究9 2 3 本章小结1 1 第三章实验装置、方法及内容1 2 3 1 实验装置1 2 3 2 实验方法及相关参数的计算1 3 3 2 1 排尘结构分离性能测试方法1 3 3 2 2 气相流场测量方法1 6 3 2 3 颗粒采样及浓度测量方法1 6 3 3 实验方案及内容1 9 3 3 1 排尘结构分离性能实验1 9 3 3 2 气相流场测量实验2 0 3 3 3 颗粒浓度场测量实验2 l 第四章排尘结构对旋风管分离性能影响的实验研究2 2 4 1 排尘锥不同结构参数对分离性能的影响2 2 4 2 排尘锥不同开缝形式对分离性能的影响2 4 4 3 不同排尘锥对颗粒粒级分离效率的影响2 7 4 4 本章小结2 8 第五章旋风管内气相流场分布对颗粒返混夹带的影响3 0 5 1 分离空间内流场分布对颗粒分离的影响3 0 5 2 灰斗内流场分布对颗粒分离及返混夹带的影响3 2 5 3 不同排尘结构对旋风管内流场分布的影响3 4 5 3 1 结构参数对流场分布的影响3 4 5 3 2 开缝形式对流场分布的影响3 7 5 4 本章小结4 1 第六章旋风管排尘区内颗粒返混夹带的研究4 2 6 1 旋风管不同区域颗粒浓度分布特点4 2 6 1 1 径向颗粒浓度的分布4 3 6 1 2 轴向颗粒浓度的分布4 5 6 2 不同排尘结构对颗粒返混夹带的影响4 7 6 2 1 结构参数对颗粒浓度分布及返混的影响4 7 6 2 2 开缝形式对颗粒浓度分布及返混的影响4 9 6 2 3 不同排尘结构对内旋流二次分离作用的影响5 2 6 3 排尘口处颗粒返混夹带机理的探讨5 4 6 4 本章小结5 7 第七章结论与展望5 8 7 1 主要结论5 8 7 2 对今后工作的展望5 9 参考文献6 0 附录6 3 攻读硕士学位期间取得的学术成果6 5 致谢6 6 中国石油大学( 华东) 硕一l 学位论文 第一章前言 旋风分离器的应用迄今为止己有一个多世纪，是工业应用最广泛的粉尘净化设备之 一【l 】。它是一种利用离心沉降原理把固体颗粒从含尘气流中分离出来的机械设备，本身 没有运动部件，具有分离效率高、处理量大、结构简单、操作维修方便、耐高温、能耗 低、对粉尘负荷适应性强等优点。广泛应用于石油化工、天然气输送、煤炭发电、建筑 工程、环保工程等行业，对提高经济效益、保护生态环境及人类健康有重要作用【2 1 。 在石油化工领域，旋风分离器是炼油厂催化裂化装置中的关键设备之一，用于分离 回收贵重催化剂，是降低催化剂消耗、提高经济效益的关键设备；为了避免烟机磨损， 保证能量回收系统的长周期安全运转，必须降低烟机入口的催化剂浓度，所以在催化裂 化高温烟气能量回收系统之前都需要加第三级旋风分离器，即高效三旋是保证能量回收 系统效益的关键设备。 轴流导叶式旋风管是催化裂化能量回收系统中三旋的关键组成部分，是高温烟气净 化除尘的核心部件【3 】。在工程实际应用过程中发现，旋风管出现了磨损、结垢、分离性 能不稳定等一系列问题【4 】，由此导致三旋出口粉尘浓度超标，烟气轮机叶片磨损结垢， 运行状态变差，对整个能力回收系统的平稳运行产生了影响；另一方面旋风管内压力损 失较高，导致烟机入口压力降低，阻碍了整个催化裂化装置系统的节能增效。这些问题 与工艺流程、操作条件及旋风管结构等因素有关。随着炼化工业生产规模的提高以及工 艺条件的变化，对旋风管性能的要求也不断提高。一方面要求旋风管提高捕集细颗粒的 能力；另一方面要求旋风管的压力损失进一步减小，以降低生产能耗【5 】。所以在工艺流 程和操作条件一定的情况下，优化旋风管结构，提高旋风管的分离性能和操作弹性，对 于适应新的工艺要求、节能增效、保持系统的长周期平稳运行具有重要意义。 排尘区是旋风管的重要组成部分之一，从旋风管内分离下来的颗粒经排尘区排出， 最终完成分离过程。排尘结构性能的优劣关系到整个旋风管分离性能的稳定性，尤其是 对分离效率有明显影响的排尘口处颗粒的返混夹带与排尘结构有直接关系【6 】。旋风管常 用排尘结构主要有平板型同、中孔型【8 1 和无底板型【9 1 等，从目前工业应用情况来看，平 板型和中孔型排尘结构在高温条件下排尘口处容易结焦造成堵塞，严重影响分离效率， 而无底板型排尘结构的分离性能在实际操作工况下很容易波动【1 0 】。p s c 型旋风管采用带 有开缝的排尘锥结构已投入工业应用中，其抗返混能力强，操作性能稳定，并且完全解 决了排尘口的堵塞问题，取得了良好的应用效果【】。 1 第一章前言 在催化裂化装置中，随着技术的发展，传统的工艺发生了一些新的变化，催化剂中 加入了新型添加剂，其强度减弱，更容易破碎；另外由于掺炼渣油比例的变化，沉降器、 提升管内结焦加重，催化剂在提升管和沉降器内移动时撞击破损严重，这样三旋入口的 催化剂细颗粒含量升高，颗粒返混现象加剧。因此，采取有效的措施抑制排尘区的颗粒 返混，提高对细颗粒的分离效率，对旋风管的开发研究及实际应用具有重要意义。 本课题的研究目的在于通过全面分析p s c 型旋风管排尘区内气固两相流的流动状 态，研究排尘结构对颗粒分离及返混夹带现象的影响机理，进而改变排尘结构的参数， 以达到增强对分离过程有利的因素，抑制或消除对分离过程不利的因素的目的，为旋风 管排尘结构的开发设计提供依据。 2 中国石油大学( 华东) 硕l 学位论文 第二章国内外关于颗粒返混的研究综述 旋风分离器内是复杂的三维湍流强旋流流场，其主要的流动状态是内外旋涡流动， 除此之外还包括排气管下口附近的短路流，锥体下部排尘口附近的偏流，及一些径向、 轴向涡流等不利于分离的次级流动【1 2 1 。 对于常规型旋风分离器，在分离过程中会有部分气流通过排尘口进入灰斗，由于灰 斗的封闭状态，这部分气流最终会反转向上再次通过排尘口进入内旋流中，气流在灰斗 内的运动过程中，会把已被分离到灰斗内的部分颗粒再次卷起并携带至内旋流中，产生 “灰斗颗粒返混。由于进入灰斗后空间变大和运动过程中的摩擦损失，气流的旋转强 度减弱，在反转向上经过排尘口与内旋流混合的过程中，由于内旋流的强力旋转，会产 生强烈的能量耗散和动量交换，造成内旋流的不稳定，进而产生偏斜与波动，呈现“摆 尾”现象。摆动的内旋流尾部会触碰到排尘锥的边壁，形成若干偏心涡流，这些涡流的 运动会把已经分离下来的浓集在排尘锥边壁上的颗粒重新卷入到上行内旋流中，造成 “排尘锥内颗粒返混”。由这些次级流动引起的排尘口颗粒返混夹带将影响旋风分离器 的分离效率。对此，众多国内外研究者尝试了不同的方法来抑制颗粒返混现象。 2 1 国内外关于旋风分离器排尘结构的研究进展 旋风分离器内存在的尾涡容易造成颗粒的返混，h o f f m a n n 在旋风分离器锥体底部增 加了一个直管( 图2 1 ) ，为确定并尾涡的位置，进行了加尘与喷烟实验，通过实验发现： 旋风分离器底部增加直管段时，气旋尾涡不在锥体部分，而是位于下面的直管段，这样 增加了有效分离空间，从而有利于避免尾涡的负面效应，提高旋风分离器的分离效率【1 3 】。 h o f f m a n n 通过定义“环”的成形模型的以确定直管段内尾涡的位置，如图2 2 所示。 t of i n a l m t ha n d r n 耐b l m m 堂 脚印_ 眦a i r 图2 1 实验用旋风分离器装置图 f i g2 - 1c y c l o n ee q u i p m e n tu s e di nt h ee x p e r i m e n t s 3 第二章国内外关于颗粒返混的研究综述 v o r t e x t u r n 地 图2 2 尾涡位置示意图 f i g2 - 2 t h ea p p e a r a n c eo f v o r t e xe n d s t e f a no b e r m a i r 等研究了在旋风分离器底部增加直管段、防返混锥和锥形灰斗结构 的流场分布【1 4 】【1 5 】。如图2 3 ，a 结构为基准结构；b 结构为在排尘口下面增加防返混锥； c 结构为底部增设一直管；d 结构为在c 结构基础上增加一个锥形灰斗；e 结构为在排尘 口上面安装防返混锥。研究发现，基准型旋风分离器中，锥体存在的尾涡会继续进入灰 斗内，灰斗中有强烈的涡流存在，严重影响分离效率。底部安装直管段的旋风分离器的 流场比较理想，灰斗中湍流明显减弱，直管段中反转向上的涡流随着高度的增加，影响 区域越来越小，但由于其切向速度较大，增加了离心作用，有利于颗粒的分离。而带有 防返混锥的结构，灰斗内气流的切向速度和轴向速度都降低，但是沿边壁的二次流并没 有全部进入灰斗内，而是有部分气流直接流向中心区域与上行流混合进入排气管，这对 颗粒的分离是不利的。增加锥形灰斗的结构，在下锥里面存在局部涡流，容易形成返混。 d o w n c o m e ra d d i t i o n a l t u b eb i n 图2 - 3 不同排尘结构的旋风分离器 f i g2 - 3c y c l o n es e p a r a t o rw i t hd i f f e r e n td u s td i s c h a r g e s f u p i n gq i a n 1 6 1 在旋风分离器底部增设不同长度的直管( 图2 4 ) ，研究结果表明， 旋风分离器灰斗内气流的旋转仍比较强烈；增设直管后，涡旋会进入直管中，粉尘在其 中可进一步得到分离，能明显改善颗粒返混现象；但直管并不是越长越好，而应有一个 最优值。 4 一盟品 中困石油大学( 华东) 硕士学位论文 图2 - 4 分离器加直管结构示意图 f i g2 - 4c y c l o n es e p a r a t o rw i t hp r o l o n g e dv e r t i c a lt u b e 旋风分离器排尘口附近存在旋进涡核，容易把已分离下来的浓集在排尘口附近壁面 上的颗粒重新卷入内旋流，造成颗粒返混。针对这种现象，吴小林提出在排尘口下面增 加防返混锥结构【1 7 】( 图2 5 ) 。研究发现，防返混锥使旋风分离器内旋进涡核的运动范 围缩小并且幅值降低的程度十分显著，尤其是将旋进涡核的范围主要限制在内旋流，抑 制了已分离粉尘颗粒返混，直径小的防返混锥的效果更好( 图2 6 ) 。加防返锥同时使 锥底切向速度有所提高，有利于颗粒的分离。但安装防返锥使得旋风分离器的压降增加。 舡 _ j | 卜、x ji ， 图2 - 5 防返混锥结构 舡 - j 拶 ， ：挈 _ 歹 无曩曩曩 太鼍强t 小詹蠢挂 图2 巧旋进涡核范围 f i g2 - 5a n t i - b a c k - m i x i n gc o n ef i g2 - 6 v o r t e xc o r ea r e a 图2 7 是w l o d z i m i e r z 设计的旋风分离器【18 1 ，在常规分离器锥段下端增加了一段内 部安装有空心隔离层管的直管，利用隔离层管可把内旋流和已经分离下来的粉尘隔离。 这样由于隔离层管的隔离作用，不管内旋流怎样偏斜都不会把已经浓集在器壁处的颗粒 重新扬起卷入上行的内旋流中，保证了旋风分离器较高的分离效率。 5 第二章固内外关于颗粒返混的研究综述 图2 7 安装空心隔离层管的旋风分离器 f i g2 - 7c y c l o n es e p a r a t o rw i t hi s o l a t i n gt u b e 高永卫【l9 】在旋风管排尘口安装了止旋器，用来消除由排尘口深入到灰斗的气流旋 涡，从而减少旋风管灰斗内的颗粒返混。如图2 8 所示，止旋器是由导流叶片和整流锥 两部分组成的。气流通过止旋器时，受到导流叶片的导向作用，旋转被消除，进入灰斗 的气流为轴向运动，排尘口处的旋涡及中心处的低压区被消除，避免了排尘口和灰斗中 粉尘的返混，提高了旋风管的分离效率。同时，止旋器的安装使灰斗内的排尘气流为轴 向运动，增加了排尘效率，减少了以往采用增大泄气量排料的办法所造成的能量浪费， 起到了增加能量回收的作用。另外，为了直观显示排尘口流场的情况，高永卫在排尘口 处增加了丝线网( 图2 9 ) ，通过观察发现，一般情况下排尘口存在强烈的旋涡，并且排 尘口中心处的气流是向内流的，气流携带粉尘回到旋风管内造成返混；而安装止旋器结 构后，排尘口没有明显的旋涡存在，起到了止旋的作用。 慈 t i ， i 、_蔓濠 例 。 1 卜、 够。 臂 幽 | ( a ) s 旋器( b ) 加装了止旋器的排尘区( a ) 不加上i 二旋器( b ) 加止旋器 图2 - 8 止旋器结构图2 9 排尘口流场显示实验结果图 f i g2 - 8 t h ed i s p e lc y c l o n es t r u c t u r e f i g2 - 9 t h ed i s p l a yo fg a sf l o wn e a rd u s to u t l e t 6 帚_ 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章国内外关于颗粒返混的研究综述 p d c 型双锥型“防返混锥”结构【2 1 1 ，可有效的提高旋风管的除尘效率。从流场分析结 果来看，灰斗中双锥下口对应的区域有很强的旋转下行流，并且径向速度是离心方向， 强旋气流使从双锥分离出来的颗粒被迅速甩向灰斗边壁，同时气流具有较强的向下轴向 速度和向外径向速度，使双锥下口形成了一圈向外扩散的形如喇叭口状的气流锥面屏 障，可有效防止灰斗中己被分离下来的粉尘返混进入上行气流【2 3 】。但在下锥内，上行 气流容易夹带己被分离下来的颗粒返混逃逸，影响旋风管的分离效率；另外，由于双锥 结构上的叠套，在环形空间内存在影响分离效率的灰环现象 2 4 】。 ( 4 ) 单锥型( p s c ) 在p d c 型旋风管流场测试研究的基础上，开发出了p s c 型单锥排尘结构，经过对 比分析表明，p s c 型旋风管结构简单，对细颗粒有较高的分离效率，其性能优于p d c 型旋风管：p s c 型旋风管内切向速度和静压分布与p d c 型旋风管基本相同，但径向速 度差别很大，在外旋流区基本上为离心方向，虽然在中心区域的径向速度方向为向心， 但其数值比p d c 型要小得多，这些特点对于颗粒在外旋流区向外壁分离和中心内旋流 区的二次分离是非常有利的；在结构上没有p d c 型旋风管排尘双锥叠套，不存在环形 空间的灰环问题；在排尘口处同样存在“旋流屏蔽”作用【2 5 1 。单锥内部的二次涡流分布 相对较少，并且二次流的流量也很小，其流动状态对颗粒的分离与排尘更有利【1 0 】【2 6 】。 j 7 、 | i 、i 。一 | 1了 | j 。| - 、 j 、 卟7 广 亡 强 t 蕾 薯 峡 三| 图2 - 1 1 排尘单锥内切向与轴向速度分布 f i g2 - 1 1 t h ed i s t r i b u t i o no ft a n g e n t i a la n da x i a lv e l o c i t yi nd u s td i s c h a r g ec o n e 在实际使用过程中发现直边排尘锥的上部存在“下灰环 ，对单管局部造成严重磨 损，高永卫【2 7 】认为单管末端收缩曲线的不光滑造成了“下灰环”的存在，通过采用航空 风洞收缩段常用的双三次方曲线作为单管末端收缩曲线，制成双三次方锥以验证这个假 设，流场显示实验结果发现：双三次方锥比直边锥末端收缩要缓和许多，不易产生下灰 环，具有耐磨损和高分离效率的优点。 8 鼬 啪 珊 黼 啪 啪 、，鼍臂l器譬咐 蚕 曰 。 中国石油大学( 华东) 硕七学位论文 图2 1 2 直锥型与三次方锥型分离单管结构示意图 f i g2 - 1 2c y c l o n et u b ew i t ht h r e ec u b e dd u s td i s c h a r g e c o n e 2 2 关于旋风分离器排尘区颗粒浓度的实验研究 目前，对于旋风分离器内流场测试的研究已经比较完善，而对于颗粒浓度的测试研 究却不多见。一方面由于颗粒在旋风分离器内的三维强旋湍流中的运动规律较为复杂， 另一方面与对含尘气流中颗粒浓度的测量技术和测量精度有关。针对于研究排尘区颗粒 返混现象的颗粒浓度测试更是稀少。国内外用于颗粒浓度测量的方法主要有等动采样法 和激光粒子成像技术( p i v ) 2 s 】。其中，等动采样法是一种常用的方法，其装置简单、 操作方便，并且能达到一定的测量精度。吴小林通过采用等动采样法测得了旋风分离器 内部的浓度分布情况，并且改变操作参数与结构参数，得到其对颗粒浓度分布的影响规 律；通过对比分别在旋风分离器锥体下部靠近排尘口处加料和旋风分离器入口正常加料 时，分离器内部的颗粒浓度分布情况，首次提出“二次尘源”的观点，分析了灰斗内的 颗粒的返混现象，并且研究了返混对颗粒浓度分布的影响【2 9 】 3 0 】【3 1 】【3 2 】。 吴飞雪通过研究发现颗粒粒径的粒子成像测量方法可以用来测量颗粒浓度场，并利 用这种技术对蜗壳型旋风分离器内颗粒浓度场进行了无干扰瞬态多点测定【3 3 1 ，如图2 1 3 所示，所测得的分离空间内颗粒浓度分布情况与等动采样法的结果一致，准确的反映出 了旋风分离器分离空间内颗粒浓度的分布情况。实验结果表明，p i v 技术可成功的测定 旋流场内颗粒浓度的分布。实验发现，靠近锥底截面的颗粒浓度分布与其他区域差别较 大，呈现中间低两边高的趋势，颗粒浓度明显高于其他区域，特别是小颗粒浓度，如图 2 1 4 所示。吴飞雪认为这种分布趋势是由灰斗返气夹带的返混颗粒和锥底卷扬返混颗粒 所组成的二次尘源造成的。通过研究分析，颗粒浓度分布沿径向由内到外可分为内旋流 区，外旋流横混区和外旋流浓集区；沿轴向由上到下可分为短路流段、稳定分离段和排 尘口返混段。 9 第二章国内外关于颗粒返混的研究综述 瞄 爱 曩 一 状 图2 1 3 分离空间内颗粒浓度沿径向分布 f i g2 - 1 3 r a d i a lp a r t i c l ec o n c e n t r a t i o n 无量一事径 图2 1 4 锥体靠近排尘口处颗粒浓度沿径向分布 f i g2 - 1 4 r a d i a lp a r t i c l ec o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t i o ni ns e p a r a t i o ns p a c ed i s t r i b u t i o nn e a rd u s to u t l e t 在轴流导叶式旋风管方面，中国石油大学王建军【l o 】【2 6 】【3 4 】 3 5 1 采用等动采样法对p s c 型旋风管内的颗粒浓度分布进行了测量研究，实验结果表明p s c 型旋风管内颗粒浓度分 布与切向入口旋风分离器基本相似，如图2 1 5 、图2 1 6 ，在主要分离空间内颗粒浓度沿 径向为内低外高的分布趋势，在轴向上由灰斗向上至排气芯管下口颗粒浓度呈逐渐降低 的趋势；颗粒浓度的这种分布特点可以将分离空间沿径向分为由中心到边壁的“稀相区 密相区”分布，轴向速度上下行流的分解位置为低浓度与高浓度的交界处。 无径同位ir ， 无量曩鞠一位一皇佃 图2 1 5 旋风管内颗粒浓度沿径向分布 图2 1 6 旋风管内颗粒浓度沿轴向分布 f 蟾2 - 1 5 r a d i a lp a r t i c l ec o n c e n t r a t i o n f i g2 - 1 6 a x i a lp a r t i c l ec o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t i o ni nc y c l o n et u b e d i s t r i b u t i o ni nc y c l o n et u b e 王建军还对排尘锥内部的颗粒浓度分布进行了测量，如图2 - 1 7 、图2 - 1 8 ，实验结果 表明排尘单锥内颗粒浓度呈外高内低形分布，小颗粒更容易从灰斗中被返混夹带；气流 进入排尘单锥后切向速度仍然很大，可进一步对颗粒进行分离，上行气流进入排尘锥后 同样具有一定的切向速度，可对返混颗粒进行二次分离；侧缝结构可以将己分离出的颗 粒及时排出，其开孔面积为3 0 时，排尘锥内二次涡流量最小，对颗粒的分离及排尘最 有利【l o 】【3 4 】。针对实验结果，通过分析提出了灰斗中颗粒返混夹带机理及返混夹带量的 计算【2 6 】。 1 0 饥 饥 饥 乱 饥 饥 鼍鼍曩嗽 l l ； l n 乱 t 乱 d备奠鼙张曩敝 饥乱t t t 也以仉 ，b鼍鬟鼙鬟量一状 中国石油大学( 华东) 硕j ：学位论文 3 0 0 2 5 0 2 0 0 是1 5 0 1 0 0 o 5 0 o o o 图2 - 1 7 排尘单锥内颗粒总浓度沿径向分布 f i g2 - 1 7 r a d i a lp a r t i c l ec o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t i o ni nd u s td i s c h a r g ec o n e 2 3 本章小结 d = 3i i m j ；5 i m ，= 8 | l m td 二1 2p m d = 1 6i i m 0 0 5 0 1 00 1 5 0 2 0 d 2 5 t | r 图2 1 8 排尘单锥内颗粒粒级浓度径向分布 f i g2 - 1 8 r a d i a lp a r t i c l eg r a d ec o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t i o ni nd u s td i s c h a r g ec o n e 旋风管排尘区是一个非常复杂的区域，存在着颗粒返混、环形空间灰环及排尘通畅 性的问题。众多学者的研究成果表明：颗粒分离的过程可通过气固两相流的分布进行描 述，旋风管灰斗内返气携带的小颗粒与排尘口处由偏流、局部涡流造成的颗粒卷扬共同 组成了颗粒返混的“二次尘源”，颗粒返混夹带现象对旋风管的分离性能产生了不利的 影响。通过排尘结构的改进与流场、颗粒浓度场的实验研究，对颗粒返混产生的机理有 了初步了解，今后如何削弱与控制颗粒返混是研究者所研究的重点。 排尘区颗粒返混机理的研究对提高旋风管的分离性能有着重要的意义。以上众多研 究大多只是定性的描述了颗粒返混夹带现象，并对排尘结构进行改进。而进一步的通过 研究改变排尘结构对于排尘区气固两相流场的变化规律，进而定量分析其对颗粒返混夹 带现象的影响，找出排尘结构对颗粒返混夹带的影响机理，研究者所做的工作还比较少。 因此，本课题把研究重点放在通过改变p s c 型排尘锥结构参数，研究气固两相流场的变 化规律，并与结构参数的改变规律相结合，分析其对颗粒返混夹带的影响机理。 l g讣，外il“工叽 龟vo，(崎-u 第三章实验装置、方法及内容 第三章实验装置、方法及内容 实验内容主要有三个部分：第一部分为不同形式排尘锥对旋风管分离性能的影响实 验；第二部分为气相流场测量实验；第三部分为颗粒浓度场测量实验。本课题采用实验 研究为主，并结合理论分析的研究思路，旨在研究排尘区内的颗粒返混夹带现象及排尘 结构抑制颗粒返混夹带的能力。通过固相颗粒分离性能实验，分析不同排尘结构对分离 性能的影响规律；在此基础上，通过对气相流场与颗粒浓度场的测量，研究旋风管的颗 粒分离机理，分析不同排尘结构的三维速度分布与颗粒浓度分布对颗粒返混夹带的影响 规律，为排尘结构的进一步优化奠定必要的实验基础。 3 1 实验装置 实验装置如图3 1 所示，主要由旋风管装置、动力系统、加尘系统、测量系统、颗 粒采样系统及通风管道组成。 1 电机；2 鼓风机；3 阀门；4 一进气管线；5 排气室；6 排气芯管：7 进气室；8 排气管线；9 毕托管； 1 0 温度计；1 1 u 形管压差计：1 2 五孔球探针测量仪；1 3 导向叶片；1 4 旋风管；1 5 排尘锥； 1 6 灰斗；1 7 坐标架；1 8 压缩机；1 9 冷凝器：2 0 _ 力口尘装置；2 l 储气罐；2 2 等动采样系统 图3 1 旋风管实验装置图 f i g3 - 1 s k e t c hm a po fe x p e r i m e n t a la p p a r a t u s 实验时，由动力系统提供的空气与加尘系统提供的含尘气流在进气管线充分混合后 进入旋风管进气室，经过导向叶片后变为旋转气流，由于离心作用，在旋风管分离空间 内固体颗粒被分离出来，进入灰斗后被收集。气体经排气芯管进入排气室，通过排气室 排出。整个实验装置在正压下进行操作。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 实验装置各部分简要说明如下： 旋风管装置：旋风管结构尺寸与工业实型相同，内径d i = 2 5 0 m m 筒体和灰斗均采 用壁厚为5 r a m 的有机玻璃制成，其余部分为钢制件。 动力系统：由两台离心式鼓风机串联组成，其中第一级风机的电机功率为2 2 k w ， 最大流量3 8 0 0 m 3 h ，全压8 4 5 m m h 2 0 ；第二级风机的电机功率为1 8 5 k w ，最大流量流 量为4 7 2 3 m 3 h ，全压为9 5 9 m m h 2 0 。 通风管道：进出气管道均采用内径为2 0 0 m m 的铁皮制成。 加尘系统：由空气压缩机、冷凝器、储气罐和加尘器组成；空气压缩机型号为 3 w - 0 9 7 型，排气量o 9 m 3 m i n ，额定排气压力7 k g c m 2 。 测量系统：主要由五孔球探针测量仪、u 形管压差计、标准毕托管和温度计组成； 五孔球探针测量仪用来测量旋风管内气相流场，u 形管压差计测量旋风管进、出口处及 灰斗压差，标准毕托管测量和计算旋风管入口流量，温度计测量各测点及环境温度。 颗粒采样系统：由2 x z 4 型旋片式真空泵、l z b 1 5 型玻璃转子流量计、累计流量 计、纺锤形滤盒、精密真空表、调节阀及采样嘴、采样管线组成；实验采用微孔滤膜的 直径为5 0 m m ，孔径0 6 5 1 , t m ，材料为混合纤维素酯。 3 2 实验方法及相关参数的计算 3 2 1 排尘结构分离性能测试方法 分离性能实验是测定旋风管在安装不同排尘结构后，不同操作参数下的压降及总分 离效率。主要测量的参数有入口流量q ，总压降a 尸，总分离效率叩。实验所用粉尘为 3 2 5 目滑石粉，中位粒径d 5 0 = 1 2 9 m ，密度p = 2 7 0 0 k g m 3 。 实验时，使用压缩机储备足够的压缩空气，通过加尘装置采用气力输送法将粉尘连 续均匀地送到进气管线内，与鼓风机送来的空气充分混合后进入进气室，经过导向叶片 后的含尘旋转气流在离心力作用下，固体颗粒被分离出来，进入灰斗后被收集。 实验各参数的测量与计算为： ( 1 ) 分离效率 每次实验定量加料，采用称重法计算总分离效率。实验时每个测点多次测量，待效 率稳定后取其算术平均值。 旋风管总分离效率，7 为： 1 3 第- 三章实验装置、方法及内容 叩：丝1 0 0 驴苟嘶w ： 式中：， 丝：旋风管灰斗收集的粉尘质量，g ； 鸠：旋风管入口加入的粉尘质量，g 。 在此基础上，根据激光粒度分析仪测出的旋风管进、 计算出旋风管的粒级效率刁( d ，) ： 啊) _ l - ( 1 刊榴 式中： ( 3 1 ) 出口采样颗粒粒度分布结果可 ( 3 - 2 ) d j ：颗粒粒径，岬； z ( 吐) ：旋风管出口颗粒体积分布频率： ，( d ，) ：旋风管入口颗粒体积分布频率。 ( 2 ) 压降 旋风管总压降p 取进气室静压只与排气室静压只之差： a p = 只一只( 3 3 ) ( 3 ) 入口流量 旋风管入口流量由进气管线上的阀门和排气管线上的标准毕托管测量系统调节控 制。先由标准毕托管测量系统求出出口流量q ，再由气体状态方程换算可计算出旋风管 入口流量q 。 根据标准毕托管测量速度的原理： c 一只= 去p y 2 ( 3 4 ) 二 由此可算出流体速度y ： 式中： e ：测量点总压，p a ； 只：测量点静压，p a ； p ：流体密度，k 咖3 。 v = 1 4 ( 3 5 ) 中国石油大学( 华东) 硕：i 二学位论文 所以实际排气管线中心气速圪为： 圪= k e ( 3 6 ) 式中： k ，：毕托管校准系数，标准毕托管的k p 2 1 ； p g ：空气密度，k g m 3 。 由理想气体状态方程可得： 以：竺( 3 - 7 ) 乓2 1 0 3 r t 所以 圪= = 2 3 9 4 5 式中： 圪