（机械工程专业论文）旋风分离器对粒径分布较窄颗粒的分离效果的实验研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 旋风分离器对粒径分布较窄颗粒的分离效果的实验研究 机械工程 王珂( 签名) 康勇( 签名) 王鑫武( 签名) 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s t a i r m a n d 型旋风分离器的基础上对芯管结构进行了改进，并得到管芯切量、 管芯开孔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：管芯切口量，管芯开孔率，对粒径分布较窄的颗粒分离最佳结构的管芯切量为 3 d r 4 ，开孔率为2 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 2 5 3 m s 时，相对于基准模型，改进结构后的粒度分布提高了0 0 6 。 关键词：旋风分离器，芯管，分离效率，粒度分布，粒级效率 论文类型：应用基础 h s u b j e c t ： s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： t h ee x p e r i m e n t a is t u d yo nt h ec y c l o n es e p a r a t 。r ss e p a r a r i n ge f f e c t 佃t h e p a r t i c i e sw i t hn a r r o w l yd i s t r i b u t e dp a r t i c l ed i a m e t e r m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g a b s i 量认c t c y c l o n es e p a r a t o rp o s s e s s e s t h ea d v a n t a g e so fs i m p l es t r u c t u r e ，r e a s o n a b l em a n u t a c t u 彻g c o s t 弱w e l la sc o n v e i l i e n tp r e s e r v a t i o na n dm a i n t e n a n c e t h e r e f o r e ，i nt h e f i e l do fg a s - s 0 1 1 d s e p 砌i o n 硼d e rh i g ht e m p e r a t u r e ，t h ec y c l o n es e p a r a t o r i ss t i l lt h eo n l yf c a s i b l eg a s s o l i d s e p a r a t i o nd e v i c ef o ri n d u s t r i a lu s ec u r r e n t l y , a n di s a l s oc o n f r o n t e dw i t ht h ed e a d l yn e e d 毗 e n h a l l c i n ge f f i c i e n c ya n dd e c r e a s i n gt h ep r e s s u r ed r o p t h es t r u c t u r a lp a t t e r na n d s l z em a t c n o fm ec y c l o n es e p a r a l o rh a v eat r e m e n d o u si m p a c to ni t ss e p a r a t i o np e f f o r m a n c e a n d t h e 鲫咖ea n ds i z eo f 也ec o r ep i p ea l ee v e nm o r ei m p o r t a n te l e m e n t st h a tw i l ld e t e r m i n e t h e p e r f o r m a n c eo ft h es e p a r a t 既 b a s e d0 nt h ec y c l o n es e p a r a t o ro fs t a i r m a n dm o d e l ，t h i sd i s s e r t a t i o n h a sm a d es o m c i m p r o v e m e n ti n t h e s t r u c t u r eo ft h ec o r ep i p ea n dh a so b t a i n e dt h e e f f e c t so ft h ec u t m e a s u r e m e n t 觚do p e n i n g so ft h e c o r ep i p eo nt h es e p a r a t i o np e r f o r m a n c e lh r o u g l l o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ，t h es e q u e n c eo f t h ee f f e c to fv a r i o u se l e m e n t so nt h ec o m p r e h c n 8 1 v e p e 雨n n 雒c eo ft h es e p a r a t o ri sa sf o l l o w s ：t h ec u tm e a s u r e m e n t o ft h ec o r ep l 。p e ，o p e n m gr a t e o ft h ec o r ep i p e ，a n dt h ec u tm e a s u r e m e n to f t h ec o r ep i p es h o u l db e3 d r 4w i t ht h eo p e m n g r a t eo f2 0 f o rt h eb e s t 姗c 嗽o fs e p a r a t i n gt h ep a r t i c l e sw i t hn a r r o w l yd i s t r i b u t e dp 锄c l e d i 锄眦t h ec o m p a r i s o na n dc o n t r a s to ft h ep e r f o r m a n c ee x p e r i m e n tb e 帆e n t l l eo p t l 删 b e y e l i n g 咖l c _ t l 】r eo ft h ec o r ep i p ea n dt h es t a n d a r ds t r u c t u r e i n d i c a t e st h a t ：w h 饥t h eg a s v e l o c i t yi nt h ee n t r 觚c ei s2 2 5 3 m s ，c o m p a r i n gw i t h t h es t a n d a r dm o d e l ，t h ep a r n c l es l z ；c d i s t r i b u t i o na f t e ri m p r o v e m e n to f t h es t r u c t u r eh a si n c r e a s e db y0 0 6 k e ”。r d s ：c y c i 。n es e p a r a t 。bc 。r ep i p e ，s e p a r a t i n ge f i e c t ，p a r t i c l e s i z ed i s t r i b u t i o n , g r a d e de f f i c i e n c y t h e s i s ：f u n d a m e n ts t u d y i i i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位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中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安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做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：翌塑 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 日期：趋丝：! ! ! 尸 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 作为一种重要的气固分离装置旋风分离已日益引起有关方面的普遍关注，特 别是在石化工业、燃煤联合循环发电系统、循环流化床锅炉及其它很多颗粒处理过程中， 旋风分离器已成为必不可少的分离装置。因此对旋风分离器进一步进行研究仍然具有十 分重要的意义。本文阐述了旋风分离器结构改进、数值模拟以及流场测试的几个重要问 题。并分析了这几个重要问题的研究现状与今后的发展方向。 1 1 研究意义 旋风分离器应用于工业生产以来，已有百余年的历史，对于捕集、分离5 1 叩珊以 上的颗粒效率较高，由于能耗相对比较小，结构简单可靠，广泛地用化工、石油、冶金、 建筑、机械、电力、轻纺、食品等工业部f t 1 1 。由于旋风分离器的分离捕集过程是一种 极为复杂的三维、两相湍流运动，致使理论与试验研究十分困难，至今仍无法全面掌握 它们运动的内在规律，更不能从理论上建立一套完整的成熟的数学模型1 2 1 。尽管如此， 长期以来对旋风分离器的研究仍然持续不断，研究方法和手段也随着科学技术的发展与 时俱进。进入9 0 年代以后，由于测试技术、计算机技术以及数值模拟技术的飞速发展， 使旋风分离器的研究工作达到一个新的阶段。从国内外所研究的旋风分离器的结构来看， 切流反转旋风分离器应用最为普遍。所以旋风分离器都具有几乎相同的结构特征，当然 不排除应用中特定的场合时所的结构调整，s t a i r m a n d ( 1 9 5 1 ) 【3 l 推荐了旋风分离器的两 种标准结构，即高效型和高风型( 即3 6 0 度蜗壳进口) 旋风分离器( 图1 1 ) 目前应用 最为普遍的旋风分离器即为这两种结构。 图卜1 高效型以及高风量型旋风分离器典型结构( s 协i 咖a n d ，1 9 5 1 ) 3 1 旋风分离器的应用的对象虽然非常广泛，但是不同对象有不同的要求，需要深入 西安石油大学硕士学位论文 研究的总问题仍然相当多，由于论文作者所在单位长期从事化工原料的输送与分离，这 是本文研究的特殊对象。本文研究的另一方面内容是旋风分离器的共性问题：旋风分离 器排气管结构及自然旋风长问题。针对上述的研究问题，一方面，利用数值模拟方法， 对不同排气结构，高温、高压以及高的入口颗粒浓度条件下旋风分离器气固两相分离特 性进行了进一步研究：另一方面，试图以s t a i r m a n d 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 各试验结构做综合性能比较，以期待本课题的研究结果能够为更加充分认识旋风分离器 的分离特性提供一些有益的参考。 1 2 旋风分离器发展概况 早在一百多年前牛顿和斯托克斯的著作中就已确立了现代工业用旋风分离器分离 的物理原理，为分析流体运动中颗粒的受力奠定了坚实的基础。自1 8 8 6 年o m o r s e 获得了旋风分离器的第一个专利以来，旋风分离技术一直得到不断的发展 4 1 。 在最初的阶段，由于粗略地认为旋风器的机理只是简单地利用了离心力把粉尘甩向 圆筒壁而己，未能深入研究气流运动规律，对于分离器的性能和机理没有一个理性认识， 使得旋风分离器能分离的最小粒径一直徘徊在4 0 6 0u m 之间。其间，最杰出的研究成 果是1 9 1 0 年现代流体力学创始人之一p r a n d t l 对升气管出口加上导流叶片，从而使流 体阻力损失有所降低1 5 1 。 从二十世纪二十年代末开始到六十年代，人们广泛地对旋风分离器进行了理论概括 和科学试验。1 9 2 8 年p r o c k a c t 首次对旋风分离器进行了流场测定研究。此后，不少科 研单位或个人对旋风分离器进行了大量的科学试验和理论分析。有些是关于流场的测定， 其中以荷兰人t e rl i n d e n l 6 1 在1 9 4 9 年所做的测定工作最为突出。有些是关于旋风分离 器的除尘效率与压力损失、结构形式、结构尺寸之间的关系。通过大量的试验研究，认 识到了一些影响压力损失和分离效率的因素，如气流进口速度、温度、粉尘颗粒的密度、 分散度、气流的粘度、分离器结构形式及尺寸的比例。对旋风分离器大量的实验研究， 推动了其飞速的发展 7 1 。 从二十世纪六十年代到现在，旋风分离器有了新的发展，将旋风分离器的目标锁定 在提高超微颗粒的分离效率上。人们在对旋风分离器内部流场及浓度场进行大量测试的 基础上，对旋风分离器内部流场的形式及除尘过程有了更加全面的认识，这就为旋风分 离器捕集微细颗粒打下了理论基础 4 1 。1 9 6 3 年德国西门子公司的科研机构发现，如果把 旋风分离器捕集分离的空间移到旋源叠加的流场内，则除尘器的捕集分离能力将会大为 增加，因而研制成功一种称为d s e 的旋风分离器。它能捕集分离0 4 u m 的颗粒。1 9 7 5 年德国一些科研单位把这些无量纲编成电子计算机计算程序进行研究。 鉴于旋风分离器内的流场是湍流流场，而在近壁处有一层流底层，1 9 7 9 年l e i t h 与 l i c h t 类比电力除尘器的分离机理，提出了湍流混渗边界层分离理论，并给出相应的分 2 第一章绪论 级效率计算公式f 引。与此同时，研究发现，旋风分离器内的流场是由两种性质不同的旋 涡准自由涡与强制涡及流向相反的源流或汇流叠加起来的流场，两种旋涡大致以内 筒芯管的延长面的圆筒面为分界面。在分界面以外为准自由涡流动与汇流的叠加，而分 界面以内是强制涡与源流的叠加。而旋风分离器的除尘作用是在准自由涡和汇流叠加的 流场内进行的，这对捕集分离不很理想 9 1 。七十年代以后，各种利用强制涡和源流叠加 的流场为除尘空间的旋风分离器陆续研制出来。如英国的c o l l e c t i o n ，日本的j e l c l o n e 及 r o t c l o n e 等等。 1 3 课题提出 近年来，国内外现有的旋风分离器结构尺寸设计方案有多种，归纳起来均为经验型 设计和半经验型设计，经验型设计由于没有数学模型作指导，也就无法估计它的性能， 且费时耗能，不符合优化原则。半经验型设计指l e i t h 1 0 】设计法，它理论性较强，构造的 数学模型与实际吻合较好，克服了经验型设计方法的缺点，是目前较为进步的设计方法， 但其数学模型不完善，不能按实际需求设计，通用性较差。而且，目前定型的旋风分离 器产品，大多是以提高效率为目标而研制的，但根据现场实际的需要，有时高效率并不 是第一要求( 如多级分离系统中的第一级分离器) ，这样一来，己有的定型产品，并不能 满足各种用户的需要，这就给研究者提出了一个问题：研究出旋风分离器的通用设计方 法，以便用户在有了该方法后，就可根据自己的实际需要设计出适用于自己使用条件下 的旋风分离器。这样不但更适合现场需要，也会使系统更为合理，同时还可节约投资， 创造经济效益，符合优化原则。 本文在s t a i r m a n d 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 的开孔率，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 ) 阐述旋风分离器的分离机理与性能； ( 2 ) 对国内外有关旋风分离器研究工作的综述； ( 3 ) 对管芯切口量，开孔率等不同的结构，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： ( 4 ) 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； ( 5 ) 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。 3 西安石油大学硕士学位论文 第二章旋风分离器的分离机理及性能 2 1 旋风分离器的基本工作原理 2 1 1 旋风分离器的结构 旋风分离器的结构如图2 1 ，当含尘气流由进 气管进入旋风分离器时，气流将由直线运动变为 圆周运动。旋转气流的绝大部分沿器壁呈螺旋形 向下，朝椎体流动。通常称此为外旋气流，含尘 气体在旋转过程中产生离心力，将重度大于气体 的尘粒甩向器壁，尘粒一旦与器壁接触，便失去 惯性力而靠入口速度的动量和向下的重力沿器 壁面下落，进入排尘管【1 1 j 。旋转下降的外旋气流 在达到锥体，因锥体的收缩而向分离器中心靠 拢，根据“旋转距 不变原理，其切向速度不断 提耐1 2 l 。当气流到达锥体下端某一位置时，即以 同样的旋转方向从旋风分离器中部，由下反转向 灰管 4 一圆锥体5 一圆筒体 6 一进气管 图2 - 1 旋风分离器 上，继续作螺旋流动，即内旋气流，最后干净气流经排气管排出旋风分离器外， 一部分未被捕集的尘粒也由此逃失。 2 1 2 旋风分离器内的流场 旋风分离器内的流场是一个相当复杂的三维流场【1 3 】。气体在旋内分离器作 旋转运动时，任一点的速度均可分解为切向速度m 、轴向速度v ：和径向速度v ，。 ( 1 ) 旋风分离器的三维速度分布 切向速度h 分布 切向速度对于粉尘颗粒的捕集与分离起着主导作用。含尘气体在切向速度 的作用下，使尘粒由里向外离心沉降。 在排气管以下任一截面上的切向速度沿半径的变化规律为： 在旋风分离器中心部分的旋转气流，其切向速度v f 随着半径的增大增大，是 类似与刚体旋转运动的强制涡，称为“内涡旋”；分离器外部的旋转气流，其切 向速度m 则随着半径的增加而减少，是准自由旋涡，称为“外旋涡”。在内、外 涡旋的交界面上，切向速度达到最大值，如图2 - 2 。各种不同结构的旋风分离 器，其切向速度分布规律基本相同。表达通式为： 4 第二章旋风分离器的分离机理及性能 u ，- “= 常数 式中，为气流质点的旋转半径，即距分离器轴心的距离；以为旋转指数。对外涡旋， n = o 砌8 ：在内涡旋的外侧面上n = o ，m = 常数，并达到了最大值；对内涡旋，刀一l 则有： 兰：国：常数 姜 r 幽 一i 量石强套由涡 卜圆 筒 擒 八薹夕重。l u ： 涡 1 一 r o 气 半径方向 流 骺 静压心 中 厶 簋 f l j 口平均压力 心夕。 图2 2 旋风分离器内气体的切向速度和压力分布图 径向速度v ， 根据实验表明1 4 l ，在排气管入口以下的空间存在着向心的径向流动。在旋风分离器 中，径向速度沿着高度的分布并不是均匀的，尤其是在排气管入口附近的径向速度值较 大，对粉尘的捕集是不利的。 由于径向速度值比切向速度值小一个数量级，而在分离器内径向压力梯度又较大， 所以极难测定，因而，至今对径向速度的分布规律还研究不足【l 4 1 。 轴向速度屹 靠近旋风分离器外壁的一层旋转气流的轴向速度是下行的，中心部分是上行的， 这样的轴向速度分布，构成了旋风分离器内气体的双层旋转流动结构。实验证明，在这 两层部分气体交界面上轴向速度为零，该交界面与器壁平行呈倒圆锥形。 ( 2 ) 旋风分离器的涡流 旋风分离器内，除了主旋转气流外，还存在着由轴向速度和径向速度 ，相互作用 而形成的涡流。涡流对旋风分离器的分离效率和压力损失影响较大【”l 。常见的涡流有以 下几种： 短路流即旋风分离器项盖、排气管外面与筒体内壁之间，由于径向速度与轴 向速度的存在，将形成局部涡流( 上涡流) ，夹带着相当数量的尘粒向中心流动，并沿排 5 格求越鹾尽搴 西安石油大学硕士学位论文 气管外表面下降，最后随中心上升气流逸出排气管，影响了分离效率。实验和理论分析 u 6 j 指出，短路流可达总流量的1 5 。 纵向旋涡流 纵向旋涡流是以旋风分离器内、外旋流分解面为中心的器内再循环而形成的纵向流 动。由于排气管内的有效流通截面小于排气管管端以下内旋流的有效流通截面，因此在 排气管管端处产生节流效应，从而使气体对大颗粒的甩力超过颗粒所受的离心力，而造 成“短路”，影响了分离性能。 外层涡流中的局部涡流 由于旋风分离器壁面不光滑，如突起、焊缝等等，可产生与主流方向垂直的涡流， 其量虽只约主流的f i 5 t 1 6 l ，但这种流动会使壁面附近，或者己被分离到壁面的粒子重新 甩到内层旋流，使较大的尘粒在净化气中出现，降低了旋风分离器的分离能力。这种湍 流对分离5 u r n 以下的颗粒尤为不利。 底部夹带 外层旋流在锥体顶部向上返转时可产生局部涡流，将粉尘重新卷起，假使旋流一直 延伸到灰斗，也同样会把灰斗中粉尘，特别是细粉尘搅起被上升气流带走。底部夹带的 粉尘量占从排气管带出粉尘总量的2 0 3 0 0 5 1 6 j 。因此，合理的结构设计，减少底部夹带是 改善旋风分离器捕集效率的重要方面。 2 1 3 旋风分离器内的压力分布 一般旋风分离器内的压力分布如图2 - 2 所示。根据实测结果分析，旋风器内的压力 损失在轴向，圆周切向及径向的变化情况可归纳为如下几点： ( 1 ) 轴向压力变化 在捕集分离空间，沿轴上下方向的速度变化很小，几乎不产生压差，而气流从排气 管沿轴向压力变化很大。 ( 2 ) 切向压力变化 不论是捕集分离空间或排尘后排气空间，沿气流旋转在圆周的切向压力变化很小， 仅由于气流不均匀而稍有变化。 ( 3 ) 径向压力变化 由于离心力作用，压力沿径向变化非常显著，尤其是在中心部分，其压力梯度更大， 但动压变化不大，主要受静压支配。 2 2 旋风分离器的性能及其影响因素 2 2 1 旋风分离器的性能指标 ( 1 ) 处理气体流量q n 处理气体流量是代表分离器处理气体能力大小的指标，一般以体积流量表示。实际 6 第二章旋风分离器的分离机理及性能 运行的分离装置，由于漏气等原因，往往旋风分离器的进i = 1 和出口的气体流量不同，因 此，用两者的平均值代表处理气体流量，用q 表示，即： q ：毕 式中：q 处理气体流量，m 3 s ； q i n 旋风分离器的进口气体流量，m 3 s ； q 2 n 旋风分离器的出口气体流量，m 3 s ； 旋风分离器的漏风率6 可用下式计算 万：鱼型二垒丝1 0 0 蜴 ( 2 ) 压力损失a p 分离器的压力损失是评定分离器性能的重要技术指标，它也是衡量分离设备的能耗 和运转费用的一个指标。 旋风分离器的压力损失主要包括以下几个方面： 进口管的摩擦损失： 气体进入旋风分离器内，因膨胀或压缩而造成的能量损失： 气体在旋风分离器中与气壁的摩擦所引起的能量损失； 旋风分离器内气体因旋转而产生的能量耗损； 排气管内摩擦损失，同时旋转运动较直线运动需要消耗更多的能量； 排气管内气体旋转时的动能转化为静压能的损失。 压力损失应用旋风分离器进、出口全压之差来表示，即： a p = ( p q ) ，一( p g ) 而全压 ( p q ) = 静压( 仡) + 动压( p d ) 又 1 ，2 易= 导， 么g 凹= 阿料陋料2 阶蚍( 警 y 式中：俾咖、例 旋风分离器进、出i = i 全压( m m h 20 ) ； 俨力、例 旋风分离器进、出口静压( m m h 2d ) ； 俨功、f 黝h 旋风分离器进、出口动压( m m h 20 ) ； 吁，v h 旋风分离器进出口速度( ，觚) ： g 重力加速度咖) ； r 气体重度( k g m3 ) 。 7 西安石油大学硕士学位论文 对于进、出e l 截面相等的旋风器1 ，所以 a p = ( 心) ，一( 尸z ) 即压力损失可用进、出e l 静压差来表示。 在压力损失的计算中，常引进一个阻力系数蠡定义为旋风分离器的压力损失与进 口动压之比。即： 心 亏。v j 2 9 ) y 所以 蚪丢y 式中阻力系数 a p 旋风分离器压力损失( m m t t 2 0 ) ； 其余符号同前。 阻力系数计算公式很多，见表2 1 表2 - 1 阻力系数计算公式 作者公式 s h e p h e r d - l a p p l e 洋等 标准切向进1 2k = 1 6 有进i = 1 叶片k = 7 5 螺旋面进口k = 1 2 f i r s t 1 2 k l ，a b 孝= 腾( h - d r d 2 心 a l e x a n d e r 纠瓦a b 饼“一- 制抽) s t a i r m a n d 纠叫2 学t + 2 ( 身 b a r t h 訾脂4 a bp 厶) 善= 公式中部分符号意义如下： r 入口高度 6 入口宽度 d d 一一简体直径 8 出一芯管直径 d 广排尘口直径 j 卜筒体高度 第二章旋风分离器的分离机理及性能 阡总高度 r 芯管插入深度。 ( 3 ) 分离效率叩 分离器的分离性能，通常用分离效率来表示。旋风分离器的分离效率通常采用总分 离效率珂和分级效率粕两种。 总分离效率作为分离器性能衡量指标受到很大局限性，它受尘粒大小的影响很大， 即使在同一装置、同一运行条件下，由于尘粒分散度的不同。其性能也有显著的差别， 而分级分离效率是按粒径的不同分别表示的分离效率，能够更好地反映分离器的性能。 旋风器的分级分离效率很难直接从实验中测定，现在己有几种理论公式或半经验公式可 以计算分级效率，不过都存在一定的局限性【1 7 1 ，但是可以通过实验测定的总效率和加入 料及收下料的粒度组成计算而得，计算公式如下： f 积a1，1 、 仇邓总l 面j u q7 式中：积c 卜收下料中给定粒径范围内的颗粒的累积含量： 积卜加入料中给定粒径范围内的颗粒的累积含量。 2 2 2 影响旋风分离器性能的主要因素 影响旋风器性能的因素甚多，不仅几何尺寸和结构型式的变化有影响，物性和操作 条件不同，影响程度也不一样。影响因素的定性分析，己有不少人进行过研究【1 7 】( 1 8 彩l ， 其规律基本摸清，但由于实验装置及测定方法不一致，得出的结论也各有差异。 ( 1 ) 旋风分离器几何尺寸对其性能的影响 在旋风分离器的几何尺寸中，以旋风分离器的直径、气体进口以及排气管形状与大 小为最主要的影响因素。 旋风分离器的直径( 筒体直径) d o 一般，旋风分离器的直径越小，旋转半径越小，粉尘所受的离心力越大，旋风分离 器的分离效率也就越高。但过小的简体直径，由于旋风分离器器壁与排气管太近，可造 成较大直径颗粒有可能反弹至中心气流而被带走，使分离效率降低。另外，筒体太小容 易引起堵塞，尤其是对于粘性物料。因此，一般筒体直径不宜小于5 0 7 5 胁肌。工程上常 用的旋风分离器的直径( 多管式旋风分离器除外) 是在2 0 0 朋朋以上。如今，旋风分离 器的直径也日趋大型化，己出现大于1 0 0 0m m ，甚至2 0 0 0 删竹的大型旋风分离器。 在定的旋风分离器的几何形状和工作条件下，因旋风分离器直径的改变而引起的分离 效率的变化，可近似用下面方法进行修正。即将原给定的分级效率曲线的横坐标值乘以 比值( 新旋风分离器直径原旋风分离器直径) 以后，按等效率原则，进行平移，就可得 到新的分级分离效率曲线( 见图2 3 ) 。 9 西安石油大学硕士学位论文 寥 褂 崧 裰 隶 234 567 粒径d ( u m ) 原分级分离效率一新求分级分离效率 图2 - 3 旋风除尘器直径对分级分离效率的影响 旋风分离器高度日 通常，较高分离效率的旋风分离器都有较大的长度比例。它不但使进入筒体的尘粒 停留时间增长，有利于分离，且能使尚未到达排气管的颗粒，有更多的机会从旋流核心 中分离出来，减少二次夹带，以提高分离效率。足够长的旋风分离器，还可避免旋转气 流对灰斗顶部的磨损。但是过长的旋风分离器，会占据较大的空间，尤其对于内旋风分 离器来说，更受到设备内部空间位置的限制。因此，提出旋风分离器自然长度l 这一概 念。即从排气管下端至旋风分离器自然旋转顶端的距离。可用下式计算： 瑚m 斛3 在设计中，旋风分离器的高度应保证有足够的自然长度，但大于自然长度过长的旋 风分离器显然也是不经济的。一般，常取旋风分离器的圆筒段高度f - - ( i 5 2 0 ) d d 。旋 风分离器的圆锥体可以在较短的轴向距离内将外旋流转变为内旋流，因而节约了空间和 材料。另外，在“自由旋流区 采用圆锥体结构，旋转半径可逐渐变小，使切向速度不 断提高，离心力随之增大，这样，分离效率将会随离心力的增加而提高。圆锥体的另一 个作用，是将己分离出来的粉尘微粒集中于旋风分离器中心，以便将其排入集尘箱中。 旋风分离器的圆锥体高度，直接与圆锥体的半锥角a 和锥体下端排灰口直径d 2 有 关。当锥体高度一定，而锥体角度较大时，由于气流旋流半径很快变小，很容易造成核 心气流与器壁撞击，使沿锥壁旋转而下的尘粒被内旋流所带走，影响分离效率。所以， 半锥角a 不宜过大。另外，它还取决于粉尘的物理性质，一般a 3 0 0 ，或小于等于9 0 0 减去粉尘的内摩擦角。设计时常取0 【为1 3 1 5 0 。对于较大的旋风分离器以及在处理粉 1 0 0 0 0 0 0 0 0 8 6 4 2 第二章旋风分离器的分离机理及性能 尘浓度较高的情况下，应考虑能使粉尘顺利地排出，即通过排灰口的粉尘的重量流速不 宜过大，这就需要设计较大的排灰口直径。但排灰口直径越大，则会有较多的气体进入 灰斗，形成激烈的旋涡气流，反而容易将己被捕集的粉尘重新卷起，影响分离效率。 ，1 、 设计中一般取d 2 = i 一一i 1i d o j二 h = ( 3 一- 4 归。 旋风分离器的进口 旋风分离器的进v i 多数是矩形的。矩形进口管的高( a ) 和宽( b ) 之间的比例要适当。 通常高而窄的进口管与器壁有更大的接触面积，b 越小，临界粒径越小，分离效率越高。 但进口也不能太高，否则，为了保持一定的气体旋转圈数，必须加高整个分离器的高度， 如果高度不够，分离效率反而可能下降。一般矩形进口管高与宽之比为： b = 【0 2 0 2 5 ) d o a = ( 0 4 o 7 5 ) d o 排气管 排气管是影响旋风分离器性能的一个关键部件。排气管直径以减小，使内涡旋的直 径而减小，最大切线速度增大，分离效率提高，但其压力损失也同时增大。反之，分离 效率越低，压力损失也越小。所以在旋风分离器设计时，需控制d o d , 在一定范围内， 也即排气管直径不能取得过小，以免带来动能消耗过大的后果。 一般常取t = ( 0 4 o 6 5 ) ? o 由于旋流是在排气管与器壁之间运动。因此，排气管的插入深度h 。，直接影响旋风 分离器的性能。插入深度过大，缩短了排气管与锥体底部的距离，减少了气体的旋转圈 数o 同时也增多- y - - 次夹带的机会：排气管插入深度过大，会增加表面摩擦，提高压力 损失。但插入的深度过小，或甚至不插入简体，会造成正常旋流核心的弯曲，甚至破坏， 使其处于不稳定状态。同时也容易造成气流短路而降低分离效率。因此，插入深度要适 当，一般取h , 2 0 8 a 。 ( 2 ) 操作条件对旋风分离器性能的影响 进口气速聊及气体流量q a 进口气速v j 在一定范围内，进口气速越高，分离效率也越高。但是，已有实验证明，当进口风 速超过某一值后，分离效率会随着”的增大而下降，这是由于进口风速过高，使分离器 内尘粒反弹、返混增强，以及由粉尘颗粒的碰撞，摩擦加剧而被粉碎等，造成分离效率 下降。除此，考虑到压力损失值几乎与进口风速的平方成正比，而进口风速达到一定范 围时，其分离效率提高不大，因此，进口风速亦不宜取得太大。一般取进口气速为 1 0 2 5 m s ，最好不超过3 5 m s 。 b 气体流量q 气体流量q 对总分离效率的影响可近似用下式估算： 西安石油大学硕士学位论文 1 0 0 一r 。q 6 1 0 0 一仉v 包 式中：仉，仉分别为条件口，b 情况下的总分离效率( ) ： q 口、q 6 分别为条件口，b 情况下的气体体积流量( m ) 。 气体流量变化时，分级分离效率的修正，可在分级分离效率曲线中，根据等分离效 率原则，按需求分级分离效率曲线上的粒径等于给定曲线的粒径乘 原气体流量新气体流量，从而得到需求的新的分级效率曲线。 气体的密度p ，粘度、压力尸、温度r 对旋风分离器性能的影响 气体的密度对分离效率的影响可以在临界粒径计算公式中得以表明，即气体密度越 大，临界粒径亦越大，故分离效率下降。但是，气体的密度和固体密度相比，特别是在 低压下几乎可以忽略。所以，其对分离效率的影响较之固体密度来说，也可以忽略不计。 通常温度越高，旋风分离器压力损失越小；气体密度增加，则压力损失也增加。粘 度的影响在计算分离器压力损失时常忽略不计。但从临界粒径的计算公式中知道，临界 粒径与粘度的平方根成正比。所以分离效率是随着气体的粘度的增加而降低。由于温度 升高，气体粘度增加，当进口气速等条件保持不变时，分离效率也略有降低。 气体流量为常数时，粘度对分离效率的影响可按下式进行近似计算： 坐丑：医 1 0 0 1 6 、f z b 式中：仇，仉。分别为条件a ，b 情况下的总分离效率( ) ： 。6 分别为口，b 条件下的气体粘度( k g s m 2 ) 。 或按需求分级分离效率曲线上的粒径等于给定曲线的粒径乘 新气体粘度原气体粘度，从而得到新的分级分离效率曲线。 气体粘度变化，直接与温度的改变有关，因此必将引起气体实际流量q 的变化。所 以在修正粘度同时还需对气体流量加以修正。 气体含尘浓度对旋风分离器性能的影响 旋风分离器的分离效率，随粉尘浓度增加而提高，这是因为含尘浓度大时，粉尘的 凝聚与团聚性能提高，使较小的尘粒凝聚在一起而被捕集。另外，在含尘浓度较大时， 大颗粒向器壁移动产生了一个空气甩力，也会将小颗粒夹带至器壁而被分离。大颗粒对 小颗粒的撞击也使小颗粒有可能被捕集。但值得注意的是，含尘浓度增加后分离效率虽 有提高，可是排气管排出之粉尘的绝对量也会大大增加。 总分离效率随含尘浓度的变化可用下式估算： 虹：0 1 铊 1 0 0 一r b l c 4j 式中：岛、岛一分别为口 b 条件下的含尘浓度悖锄3 ) 。 第二章旋风分离器的分离机理及性能 粉尘浓度对旋风分离器的压力损失有影响。处理含尘气体的压力损失要比处理清洁 空气时小，当进1 3 粉尘浓度为l 2g m 3 时，压力损失可以降低到清洁气体的6 0 。粉尘 浓度增至2 5 0g m 3 时，压力损失下降缓慢，但在浓度超过5 0g m 3 时，压力损失又迅速 下降。这是因为气体中即使含有少量颗粒，也会使气体的内摩擦力增加。由于分离到器 壁的颗粒产生摩擦，使旋转流速度降低，减小了离心力，因而，压力损失也就下降。含 尘浓度变化对压力损失的影响，近似表示为： a p ：竺三( 2 2 ) 0 0 1 3 4 2 2 9 c + l 式中：p 含尘气体的压力损失( m m h 2 0 ) ： a p c 请洁气体的压力损失( m m h 2 0 ) ； r 进口粉尘的浓度( g m j l 。 ( 3 ) 固体粉尘的物理性质对旋风分离器性能的影响 固体粉尘的物理性质主要指颗粒大小d 、密度p 。与粉尘的粒径分布。 固体颗粒大小( 即粒径d ) 对旋风分离器性能的影响 较大粒径的颗粒在旋风分离器中会产生较大的离心力，有利于分离。所以，在粉尘 筛分组成中，凡大颗粒所占有的百分数越大，总分离效率越高。 颗粒密度p 。对旋风分离器性能的影响 粉尘颗粒密度p 。对分离效率有着重要的影响。临界粒径计算式中，比。和颗粒密度p 。 的平方根成反比，风越大，如。越小，分离效率也越高。它们的关系是： 需求分级分离效率曲线上的粒径= 给定曲线的粒径需 颗粒密度对压力损失影响很小，设计计算中可以忽略不计。 影响旋风分离器性能的因素，除上述以外，分离器内壁粗糙度也会影响旋风分离器 的性能。浓缩在壁面附近的粉尘微粒，可因粗糙的表面引起旋流，使一些粉尘微粒被抛 入上升的气流，进入排气管，降低了分离效率。所以在旋风分离器的设计中应避免没有 打光的焊接、粗劣的法兰连接结点、设计不当的进口等等。 1 3 西安石油大学硕士学位论文 第三章旋风分离器结构改进的现状与发展趋势 随着工业装置生产规模的提高以及操作条件变得更为苛刻，对旋风分离器性能的要 求也不断提高。一方面要求旋风分离器有更强的捕集细粉的能力：另一方面要求旋风分 离器的压降进一步减少，以降低能耗。所以，迫切需要研究出高效能且低能耗的新型旋 风分离器。根据第二章介绍的分离器性能有多种影响因素，通常是采用有针对性地开发 新结构或优化各部分尺寸的匹配关系的方法来减少不利因素的影响，以达到高效的目的。 国内外已有许多学者在这方面做出了大量试验研究，也提出了很多可行的措施和设计方 案并已应用于实际工程中。 3 1 旋风分离器结构尺寸设计方法的现状 3 1 - l 旋风分离器进口结构的研究现状 普通旋风分离器单体大多采用了单切向进口或蜗向的进口结构形式，气固两相流进 入旋风分离器后，随着远离旋风分离器排气芯管入口截面，平衡尘粒逐渐减小，即空间 点上颗粒分离能力逐渐增强。因此，优化改进位于旋风分离器上部的进口结构形式是旋 风分离器技术改进的可行措施。但是采用切向或蜗向单进口结构形式易造成旋风分离器 内部气流场的轴不对称( 涡核偏向2 7 0 0 一侧) ，不但增大了旋风分离器的阻力，而且增加 了排气芯管短路流。所以赵兵涛等叫】提出优化改进旋风分离器进口结构，首先增设了进 口回转通道图3 - 1 ，通过试验得出所有增设回转通道的旋风分离器分离效率均大于无回 转通道的效率。因为阻力系数的变化可影响进口速度的变化，进口速度的大小反映出旋 风分离器分离能力的强弱。当阻力系数较小时，进v i 速度较大，表明旋风分离器分离能 力强，由于回转通道的增设，使颗粒在进入旋风分离器腔体前进行预分离，从而使分离 效率增大，但随着回转角度的继续增大，二次返混影响增大，这就使得分离效率在9 0 0 甚至2 7 0 0 以后有所减小，但总体仍高于0 0 的分离效率。所以改变其回转角度，就改变了 两相流含尘浓度分布，使含尘浓度外浓内淡，从而减少短路流的携尘量。 9 0 6锄9 弦进l ，j 图3 - i 单双进口回转通道 1 4 虢遴髓 第三章旋风分离器结构改进的现状与发展趋势 同时若采用双进口回转通道形式，则有利于降阻增效，由于进气口面积增大为原来 的2 倍，使进口气流速度减半，从而降低了阻力；由于采用渐缩的回转结构，减小了颗 粒到达捕集壁面的距离，从而提高了分离效率；进一步的流场测定结果表明，双进口结 构由于采用在旋风分离器内多点对称进气，增强了旋风分离器内部流场的轴对称性，使 短路流携尘量减少，同时实现了降阻增效，又增强了气流场轴对称性，以降低旋风分离 器阻力。 具体试验结果表明，将旋风分离器常规进口结构优化改进为采用单进口等宽通道进 口结构时，旋风分离器回转角度为9 0 0 时性能较优，比0 0 ( 无回转通道) 时的阻力降低 1 4 7 3 ，效率提高2 4 8 。采用双进口渐缩通道进口结构时，旋风分离器性能优于所 有单进口，比0 。( 无回转通道) 时的阻力降低3 3 0 6 ，效率提高3 9 5 。 3 1 2 旋风分离器出口结构的研究现状 在旋风分离器内部的旋转气流中，颗粒物受离心力作用作径向向外( 朝向筒锥壁) 运 动，运动速度可由颗粒物所受的离心力及气流阻力的运动方程求得。显然旋风分离器分离 的目的就是使颗粒物尽快到达筒锥体边壁。因此，延长颗粒物在旋风分离器中的运动时间， 在气流作用下提高颗粒物与筒锥体壁相撞的概率，可以提高旋风分离器除尘效率。y z h u l 2 5 l 提出的旋风分离器结构如图3 - 2 所示，在普通旋风分离器中增加一个筒壁，这一筒 壁将旋风分离器内部空间划分为2 个环形区域，同时，排气芯管被移到了下方，排气芯 管中的上升气流也变成了下降气流，颗粒物在内外2 个环形区域内都得到了分离，事实 上，这种旋风分离器相当于将2 个旋风子结合到了一起。从理论上讲，这种结构改进提 高了颗粒物被收集的概率。 图3 - 2 加内筒壁的旋风分离器 西安石油大学硕士学位论文 z h u 型旋风分离器试验结果( 气流流量范围为1 0 4 0l r a i n ，粒径范围为0 6 - 8 8 9 m 颗粒物) 与s t a i r m a n d 高效旋风分离器进行了比较，改进后的旋风分离器，除尘效率得到 提高，并且随气流流量的增大而增大：同时，对于相同无因次尺寸的旋风分离器来说， 前者的阻力也小于后者。yz h u 考虑各方面因素给出相应优化综合指标，得出改进后的 旋风分离器性能优于传统的旋风分离器。但这种改动后的旋风分离器较原有传统旋风分 离器结构稍为复杂。由于旋风分离器对微细颗粒物效率较低，尤其对粉尘粒径小于1 0 p r o 的颗粒的除尘效率随着颗粒直径减小逐渐降低。也就是说，在旋风分离器的运行过程中， 绝大部分微细粉尘穿透了分离区域，导致对微细粉尘效率下降。p l o m p 掣冽提出在顶部 增加二次分离附件p o c 的方法( 图3 - 3 ) 。 分离戮辑： - 排气管芯 图3 3p o c 结构( p o s tc y c i o n e ) p o c 二次分离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，