（机械工程专业论文）催化裂化用旋风分离器减阻节能的实验研究.pdf

s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t e p r o f e s s o rw a n g j i a n j a n c o l l e g eo fm e c h a n i c a l e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g c h i n a u n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c 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： 日期：劣年j 月s _ s f ! 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、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：缓 指导教师签名：垂缉一 日期：砂f1 年 日期：跏1 年 y 月2 i f i p 西日 加装导流锥后，切向速度峰值随着开缝面积比的减小而变小，动能损失也变少，系统产 生湍能的几率变小。但是开缝面积比的少到一定程度后，动能损失又会变大，实验得出 这个比值在3 左右系统的动能损失最少，压降最小。 通过对切流式旋风分离器入口加装挡板结构的阻力特性、流场研究和性能试验，分 析出了挡板结构提高效率的因素和造成阻力损失升高的原因，性能试验得到的分离因数 也验证了单一的挡板结构带来的压降损失远远大于升高的效率。但是为今后对切流式旋 风分离器改变入口结构进行减阻的实验研究提供了依据。 关键字：旋风分离器，导流锥，挡板，减阻，流场 f c c e n e r g yw i t hc y c l o n es e p a r a t o r f r i c t i o nr e d u c t i o no fe x p e r i m e n t s ( 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 g p r o c e s s ) t a n g a i h u ad i r e c t e db yp r o f w a n g j i a n j u n a b s t r a c t a s h e a v y o i lf c ct e c h n o l o g i e s ，w h e na s k e dt oc y c l o n es e p a r a t o rs e p a r a t i o ne f f i c i e n c ya t t h es a m et i m e ，g u a r a n t e e dt ot r yt or e d u c ei t sr e s i s t a n c el o s s e s ，h a sr e a c h e dt h ep u r p o s eo f e n e r g y - s a v i n g f r i c t i o nr e d u c t i o n t h i ss u b j e c ta d o p t se x p e r i m e n t a lm e t h o do fd i f f e r e n t s t r u c t u r a lp a r a m e t e r s ，u n d e rt h eg u i d ev a n ec y c l o n es e p a r a t o rr e s i s t a n c ec h a r a c t e ra n dt h e i n t e r n a lf l o wf i e l dm e a s u r e m e n ta n da n a l y s i s d r a wt h es i d es e a mc a ng u i d ec o n et oe n h a n c e t h ee f f i c i e n c yo fs e p a r a t i o n ，b u td i v e r s i o nc o n et oac e r t a i ne x t e n ti tw o u l di n c r e a s et h es y s t e m p r e s s u r ed r o p o n l ya d da p p r o p r i a t es e a mt h ed i v e r s i o na r e ai so p e n ，c a ng u a r a n t e ec o n e s t r u c t u r ed o e s n ti m p r o v es y s t e mp r e s s u r ed r o pa tt h es a m et i m e ，s t i l lc a ni n c r e a s et h e s e p a r a t i o ne f f i c i e n c y e x p e r i m e n t sa l s oc o n f i r mt h es e p a r a t i o ns p a c ec a ni m p r o v ee f f i c i e n c y i n c r e a s er e d u c e d p r e s s u r ed r o p t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ei n t e r n a lf l o wf i e l do b t a i n e da f t e r t h ed i v e r s i o nc o n e ，t a n g e n t i a lv e l o c i t yp e a ka so p e na n dd e c r e a s eo fs e a ma r e at h a ns m a l l e r , k i n e t i ce n e r g yl o s sh a sa l s oc h a n g e dl i t t l e ，s y s t e mt op r o d u c et u r b u l e n tc a nc h a n c et os m a l l e r b u tt h el e s st h a no p e ns e a m sa r e at oac e r t a i nd e g r e e ，k i n e t i ce n e r g yl o s sa n dg e tb i g g e r , e x p e r i m e n t a lc o n c l u d e dt h a tt h er a t i oo ft h r e eo rs oi nt h el e a s t ，k i n e t i ce n e r g yl o s ss y s t e m m i n i m a lp r e s s u r e t h r o u g ht oc u ts t r e a m i n gc y c l o n es e p a r a t o re n t r a n c eo fa d d i n gb a f f l es t r u c t u r er e s i s t a n c e c h a r a c t e r ，f l o wf i e l dr e s e a r c ha n dp e r f o r m a n c et e s t ，a n a l y z et h es t r u c t u r eo ft h ep a d d l e e f f i c i e n c yf a c t o r sa n dc a u s ei n c r e a s e dr e s i s t a n c el o s s e so fr e a s o n ，p e r f o r m a n c et e s t i n gg e t s e p a r a t i o nf a c t o ri ta l s op r o v e sas i n g l ep a d d l es t r u c t u r eb r i n gp r e s s u r ed r o pi sf a rg r e a t e rt h a n r i s i n ge f f i c i e n c y , l o s s b u tf o rf u t u r ec u ts t r e a m i n gc y c l o n es e p a r a t o r e n t r a n c es t r u c t u r ec h a n g e f r i c t i o nr e d u c t i o no fe x p e r i m e n t a lr e s e a r c hp r o v i d e sab a s i s k e yw o r d s ：c y c l o n es e p a r a t o r , d i v e i o nc o n e ，b a f f l e ，f r i c t i o nr e d u c t i o n ，f l o wf i e l d l l 目录 第一章前言1 第二章旋风分离器减阻节能的实验研究概述2 2 1 旋风分离器旋风室内加入新结构的实验研究。3 2 2 旋风分离器改变入口管结构的实验研究5 2 3 旋风分离器加装螺旋形减阻器的实验研究8 2 4 旋风分离器改变出口结构的实验研究。9 第三章实验装置及方法、内容1 2 3 1 实验装置系统1 2 3 1 1 导叶式旋风分离器试验装置1 2 3 1 2 切流式旋风分离器试验装置1 3 3 2 试验方法。1 3 3 2 1 参数测量及计算1 3 3 2 2 流场测量方法1 7 3 3 实验内容1 8 3 3 1 基准实验。1 8 3 3 2 不同结构参数的实验1 8 第四章导叶式旋风分离器减阻结构的实验研究2 0 4 1 实验研究的意义2 0 4 2 导流锥对旋风管阻力特性的影响2 1 4 2 1 基准结构的阻力特性2 1 4 2 2 导流锥对旋风管阻力特性的影响2 2 4 3 导流锥对旋风管内流场的影响2 6 4 3 1 基准结构的流场分析2 6 4 3 2 带导流锥的旋风管内流场分析2 8 4 4 ，j 、l 右! i ( ) 第五章直切式旋风分离器减阻结构的实验研究3 2 5 1 实验研究的意义。3 2 5 2 分离器入口加挡板的阻力特性实验3 3 5 2 1 基准结构下的阻力特性3 3 5 2 2 入口加挡板对旋风管阻力特- 性的影响3 4 5 3 入口加挡板对旋风管内流场的影响3 5 5 3 1 环形空间3 5 5 3 2 分离空间3 6 5 3 3 锥形空间3 7 5 3 4 旋风管内流场对称性的分析3 8 5 4 入口加挡板对旋风管分离性能的影响3 9 5 5 ，j 、结4 1 第六章结论和展望4 2 6 1 主要结论4 2 6 2 对今后工作的展望4 2 参考文献4 4 攻读工程硕士学位期间取得的学术成果4 6 致谢z r 7 中国缸油人学( 华东) t 程硕i ：学位论文 第一章前言弟一早月| j 苗 旋风分离器作为除尘设备，被广泛应用于石油、化工、冶金、热能工程、环保等行 业中。对消除大气污染、保障人类健康及保护生态环境起着非常重要的作用。在石油化 工行业的催化裂化装置中，旋风分离器用于分离回收贵重催化剂，是降低催化剂损耗、 提高经济效益的关键设备。随着分离性能的不断提高，旋风分离器的能耗也在逐渐上升。 能耗的增加又给企业带来了更多问题，在强调节能环保的今天，降低旋风分离器的压降 成为了刻不容缓的目标。 炼油厂催化裂化装置中沉降器的操作温度为4 8 0 5 3 0 c ，压力为o 1 加2m p a ( 表) ， 而再生器的操作温度为6 0 0 7 0 0 。c ，压力为0 1 o 2 4m p a ( 表) ，都是高温、高压的环境。 如果旋风分离器内部的阻力损失过大，使得进出口压降过高，从而造成整个沉降器或再 生器的不稳定，进而对高温流化态的催化剂造成影响，使旋风分离器产生磨损、结垢、 分离性能不稳定等一系列问题，严重时造成停产等这些都会对企业造成更多经济费用， 在日益追求经济效益最大化的今天，这些问题无疑给企业又增加了更大的负担。 降低了催化裂化装置中旋风分离器的内部阻力，有效地减少了整个系统能量损失， 从而在相同入口的系统压力下，则能够增大第三级旋风分离器的入口压力，让烟气轮机 更大限度的回收能量，让能源更多的用于企业的生产中，在能源枯竭的今天，对企业的 节能减排起着重要的意义。 同时保证旋风分离器的效率也是企业生产的关键指标，不能因为减少了压力损失， 而过多的降低效率。从沉降器分离出来的催化剂进入再生器，再进入反应器这个循环过 程使得催化剂高效充分的使用。这个过程中催化剂的单耗一般要控制在一吨原油损失 l k g 催化剂( 1 吨催化剂2 万元) ，对于一个年产1 千万吨的炼油厂来讲，催化剂的损耗就 要花费2 亿元。所以催化剂对于一个炼油厂来讲是一个非常重要的成本开支，只有严格 的保证和提高旋风分离器的效率，同时降低分离器内部的阻力损失，才能最有效地降低 企业的成本，达到节能减阻的目的。 本课题的研究目的在于通过全面分析切流式和导叶式旋风管压力损失的机理和内 部流场分布；通过改变部分结构参数，在保证高分离效率的同时，大幅度的降低旋风分 离器的压降，以降低整个装置的压力损耗，保证装置的稳定，从而达到催化裂化用旋风 分离器节能减阻的经济效益。 第二二章旋风分离器减阻节能的实验研究概述 第二章旋风分离器减阻节能的实验研究概述 旋风分离器进口与出口的全压之差称为分离器的压降a p ，其大小不仅取决于分离 器的结构型式，还与分离器的操作条件( 如气体密度、气流速度等) 有密切关系【1 1 。 一般认为气固两相流通过旋风分离器造成的阻力损失可以理解为两部分的压降之 和，即从入口到内外旋流交界面处的压降和内外旋流交界面到排气管出口的压降。前者 是为了把能量提供给有效的离心力场，还包括了入口局部损失及气流与边壁的摩擦损失 等，是对气固两相分离过程起积极作用的。后者以克服排气的各种损失所需的能量，基 本上对整个分离过程不起积极作用1 2 1 。 2 工程上阻力损失常用下式表达：舻= ；警p z 。 5 式中：卜阻力系数；卜旋风分离器阻力损失( p a ) 。 随着工业发展的需要，为使旋风分离器达到高效低阻的目的，自1 8 8 6 年m o r s e 的第 一台圆锥形旋风分离器问世以来，国内外众多学者对旋风分离器的结构、尺寸和流场特 性等进行了大量的实验研究。 由于旋风分离器的工作过程是一种极其复杂的三维强旋两相湍流运动，理论和实验 研究都有着很大的局限性，而且人们一直对它的基本力学过程研究不充分，导致了现在 再对旋风分离器进行设计和操作时仍带有很多的经验性质。又由于旋风分离器本身分离 机理的限制影响，致使进一步提高其分离效率的研究已经达到了瓶颈。旋风分离器在现 在生产中的应用更加广泛，尤其是在环境保护意识日趋严格要求的当今，越来越多的双 级或多级除尘系统把他作为了预除尘设备，使得功率的损耗进一步的加大。整个系统的 功率消耗又是与系统的总阻力成正比的，所以设法降低旋风分离器内的阻力对整个系统 的减阻节能有很大的实际意义。 尤其是随着大炼油工业的迅速发展，旋风分离器的应用空间有了更大的提升。以往 的研究者单纯关心的是分离器的分离效率，而现在则更多考虑在保证分离效率的同时， 还要减阻、提高寿命及减小结焦等因素。其中减阻与效率又作为旋风分离器的两个相对 立的主要指标，一直成为当今更多学者与专家研究的主要方向与攻克的目标。 普遍认为旋风分离器内的压力损失有以下几部分f 3 】： 1 ) 进入分离器后气流由于突然膨胀而产生的压力损失； 2 ) 旋风分离器内气流与器壁之间摩擦造成的压力损失； 2 第_ 二章旋风分离器减阻节能的实验研究概述 一个测点进行的。 实验通过加装减阻杆后的旋风分离器速度场及压力场的变化，分析得出减阻杆减小 压力损失的原因有以下几方面：( 1 ) 因为切向速度的峰值变小，使得气流的旋转动能损失 降低。( 2 ) 因为切向速度梯度和轴向速度梯度变缓，使得分离筒内产生湍能的可能性降 低。( 3 ) 同时还由于径向上静压梯度变缓，使得气流在分离筒的内摩擦阻力降低。( 4 ) 因为 轴向上逆压梯度变小，降低了由压差引起的阻力。 另外通过对流场的变化分析发现减阻杆在减小压力损失的同时，对分离效率没有造 成过多影响的原因有以下几点：( 1 ) 减阻杆对下行流区的切向速度没有造成过多的影响。 ( 2 ) 安装减阻杆后使得下行流区域变宽，增加了颗粒进入下行流区的机会，使颗粒更容易 得到分离。( 3 ) 安装减阻杆后径向上的静压梯度变小，颗粒向外运动时所受的阻力变小， 也增加了颗粒分离的机率。( 4 ) 对各种情况下降流量的测定比较分析发现，非全长的减阻 杆增加了下降流量，增大了含尘空气在分离器内的停留时间，因此有利于颗粒的分离。 后来王连泽等人【5 】在旋风分离器内适当的位置安装减阻杆，并使用了五孔球形探针、 激光多普勒测速仪和粒子图像测速仪等设备对旋风分离器安装前后的时均流场与湍流 场进行了测量。试验证实了加装一定类型的减阻杆能够达到在减阻的同时，还能不降低 或提高旋风分离器的除尘效率。这是由于粉尘的分离是由下行流区的切向速度大小决定 的，而减阻杆没有降低下行流区的切向速度。它的存在使得每一截面上的径向压力梯度 都减小了，粉尘颗粒在向外运动中所受压差阻力也减小，使旋风分离器的下行流区宽度 增加，让更多的粉尘颗粒更容易地进入下行流区进行分离。 最后总结出在旋风分离器内安装减阻杆可以在保证分离效率不降低的前提下使流 动阻力降低。安装减阻杆后减阻幅度的大小与其横截面的迎风宽度、背风面曲率半径及 插入长度都有关系。减阻杆降低了流场中内旋流切向速度，消弱了中心区域的湍流强度， 使湍流耗散减弱。 王建军等【6 】又通过实验得出旋风分离器内气流的高速旋转、湍流脉动和回流区的存 在是分离器内排气管内产生流动阻力损失的重要因素。通过在分离器内部安装减阻杆， 改变排气管内流场分布形态，降低了排气管内旋转动能，减弱了湍流脉动并且使回流区 消失，因此大大降低了分离器的能量损失，到达减阻的目的。同时还发现减阻杆的迎风 截面宽度和形状还影响着排气芯管内流场分布和减阻幅度，发现迎风截面的宽度越大的 减阻杆，绕流边缘也越尖锐，排气芯管内的切向速度越小，同时内部的轴向速度分布越 均匀，旋风分离器的减阻幅度越大。 4 中固石油人学( 华东) - 1 2 程颂l ：学位论文 张从智【7 】利用d n 4 7 6 m m 的p v 型旋风分离器在2 0 0 0 、2 4 0 0 、2 8 0 0 和3 2 0 0 m 3 h 四种入 口流量下进行减阻杆的试验研究，首先记录标准p v 型旋风分离器不加减阻杆的数据，后 安装长度为1 7 8 0 m m 直径为8 m m 的圆形减阻杆在分离器的0 。、9 0 。、1 8 0 。、 2 7 0 。 的不同位置，并且在同一方位角进行了6 个不同安装位置的测量，分别距离分离器中心 轴线1 2 7 、1 4 2 、1 5 7 、1 7 2 、1 8 6 和2 0 0 m m ，测出的系统总压降、入口流量、入口速度和 阻力系数都与标准型旋风分离器进行对比。还进行了两根杆对称布置( 相隔1 8 0 。) 和 不对称布置( 相隔9 0 。) ，三根杆以上不对称布置的测量。系统的总压降用u 型管压差计 测量，一端连接在分离器进口，另一端连接排气口，总压降直接由u 型管压差计读出。 入口流量则由入口管道的毕托管测出。 通过实验结果分析，得出不论减阻杆加装在什么位置，都可以大幅度减低系统的总 压降，减少分离器的能量损失。又通过改变周向方位和径向位置的实验分析，得到单根 减阻杆安装在周向2 7 0 。径向1 7 2 m m 的位置时，减阻效果最佳，减阻幅度能够达到 3 7 5 2 。 他们又通过对加装两根减阻杆的减阻效果分析，得出了两根减阻杆不论对称放置还 是不对称放置，分离器总压降都降低了接近5 0 。同时总结了对入口速度为v = 1 8 6 m s ， 做出了压降随减阻杆根数增加而变化的曲线如图2 2 所示。最后得到加装多根减阻杆的 减阻幅度更大，甚至超过5 0 ，只是压降降低的速度越来越慢，最后趋近于某一个值。 q 。 工 e e 蛩 誓篁 i 、 趱 1 2 0 0 36 减阻抨根数( 根) 图2 - 2 减阻杆根数对总压降的影响 f i 9 2 - 2f r i c t i o nr e d u c t i o nr o do ft o t a lp r e s s u r ed r o pr o o tn u m b e ro fi n f l u e n c e 2 2 旋风分离器改变入口管结构的实验研究 5 第_ 二章旋风分离器减阻节能的实验研究概述 祝立涮8 】通过在切流式旋风分离器内安装几种不同的导向板进行实验研究，得出改 变排气芯管的插入深度，除尘效率也在变化，芯管插入越深，效率越高，插入越浅，除 尘效率越低，这是由于上涡流所携带的粉尘很容易随气流进入排气管，形成所谓的短路 流，从而降低除尘效率，排气芯管的插入深则有效地防止了短路流的发生。而分离器的 阻力损失又是先随着芯管的插入深度增加而降低，在深度为2 0 g r a m 处达到最小阻力损 失，后随芯管插入深度的增加而增大。表明分离器插入深度为2 0 0 m m 左右时，即相当于 简体直径的一半左右时，对分离器的阻力是一个最佳位置。 后来又通过安装了合适的方形和弧形导向板，使绕流一周后的气流和入口来流基本 上相平行的汇合，有效的抑制了压缩流，抑制了流股混合引起的紊流，阻止了涡流的形 成，从而减少了二次扬尘，使得分离效率仍随入口流速的提高而迅速增加，所以在入口 流速比较高的情况下，降低了阻力损失，而且提高了分离效率。又通过对方形和弧形导 向板的比较，得到弧形导向板的综合效果要更好。总结出旋风分离器的入口速度应选择 在分离效率曲线的最高点所对应的入口速度，这样安装上导向板既能够降低分离的阻力 又提高分离效率。并且方形导向板高h 和入口高度之比取1 0 0 1 2 9 ，宽度b 和高度h 之 比取0 7 0 左右最合适l 引。 刘文欢【1 0 】对加装三种不同尺寸的弧形减阻疏导器的分离器进行了实验研究，分离器 的外筒直径d 为3 3 g r a m ，三种弧形减阻疏导器的各部分代号如图2 3 和无量纲尺寸如表 2 - 1 ，分析得出弧形减阻疏导器的尺寸对减阻效果及旋风筒的分离效率影响较大，最佳 弧形减阻疏导器的匹配尺寸应介于1 号和3 号形状尺寸之间。发现对相同规格的旋风筒采 用合适的弧形减阻疏导器，旋风筒阻降降低约2 0 3 5 ，而分离效率仅下降3 5 。 a 扫 图2 - 3 弧形减阻疏导器符号指代图 f i 舀- 3 a r ei sf r i c t i o nr e d u c t i o n d r e d g er e f e rt ot h em a ps y m b o l 6 中困杠油人学( 华东) t 程颁i ：学位论文 表2 1 减阻疏导器无量纲尺寸 t a b l e 2 - lf r i c t i o nr e d u c t i o np e r s u a t i o ni m p l e m e n tt h ed i m e n s i o n l e s ss i z e 赵涮1 1 】通过分析旋风除尘器的阻力损失引起原因，提出了安装导向板和内筒的减阻 措施。造成阻力损失的原因有： 一、内旋气流造成的能量损失( 包括出口损失) 。实验为了降低旋风除尘器的阻力 损失，在除尘器内部加装内筒把下行的外涡旋和上行的内涡旋气流分开，有效的消除内 外涡旋气流的相互交叉、掺混、碰撞摩擦造成的能量损失。但是内筒必须放置在中心轴 处，当减小轴附近自下向上的气流区域的切向及轴向速度和增加该区域的静压及全压 时，内筒使气流以最大切向速度向外壁移动，从而大大减少了压力损失。 二、由于短路流构成上部气流回转，使得部分气流在进入分离器后旋转一圈与进来 的气体上吹到一起，导致入口进来的气流被挤压到筒壁上，产生压缩现象。使壁面处气 流的流速增加，气流与壁面摩擦力增大，同时使气流在分离器环形空间和分离空间里的 回转圈数变多，导致了系统压力损失的变大。 实验为了阻止这种压缩现象的发生，在入口处安装方形导向板，使旋转一圈后的气 流呈现小曲率半径旋转下降的现象，达到了降低除尘器阻力的目的。得出不仅导向板的 形状和尺寸大小对效率和阻力有影响，高度对效率和阻力都有更大影响，只有适当的形 状和尺寸才具有既降低阻力又提高效率。 钱付平等【1 2 1 对常规旋风分离器的进口结构进行了改进，让旋风分离器的入口具有一 定的截面角如图2 4 所示，比较了不同入口截面角时旋风分离器内部的流场分布，并对 不同入口截面角的旋风分离器进行了分离效率和压力损失的实验研究，结果表明，具有 一定的入口截面角的旋风分离器，切向速度数值在流场的部分区域有所降低。但在下行 流区域，切向速度却有所提高，且切向速度在外旋流区增大而在内旋流区减小，这个结 构可以在很大程度上减小排气芯管底部的“短路流”，压力损失的变化情况是：随着入 口截面角的增加，旋风分离器的压力损失逐渐减小，并总结出入口截面角为4 5 。时是最 佳选择。 7 第一二章旋风分离器减阻节能的实验研究概述 ( a ) 常规结构( b ) 具有入口截面角结构 图2 _ 4 结构图 f i 9 2 - 4 c h a r t 2 3 旋风分离器加装螺旋形减阻器的实验研究 田坪【1 3 j 通过对s l k 型高效低阻分离器的分离过程和理论的论述，分析了分离器各部 分对分离效率和压力损失的影响，从而对s l k 型旋风分离器进行了相关的结构改进：使 旋风入口下斜一定的角度，使气流在旋转的同时保证向下的旋转。旋风入口管采用半圈 螺旋管道代替传统的直吹入口，并且减小入口螺旋道截面。还采用合适的锥行空间角度 并加长锥体，加长排气口长度直到螺旋轨道下部。同时减小筒体高度和分离器排出口直 径，选择合理的螺旋圈数和螺旋半径。 结构设计的改进不仅使旋风分离器内气流的流动状态得以改变，有效的降低了锥体 部分的二次扬尘和避免了上灰环现象的发生，而且由于旋风分离器内气流旋转速度的增 加而增大尘粒的离心力，使传统型旋风分离器内分离不掉的小颗粒得以除去。提高了对 微细粉尘的分离能力，同时降低旋风分离器的压力损失。 自崇功1 1 4 】在旋风分离器内筒下端和内部加装一种新型减阻装置，即抑制内旋涡流动 并收出口气流旋转动能的螺旋减阻装置。通过内筒的下端和内部装设减阻器，抑制了中 心强制涡旋转运动并引导进入内筒中的旋转气流动能回收转变为压力能，从而大幅度降 低旋风分离器的总压降。由于减阻器只是对内旋流起作用，而几乎没有影响到对分离起 决定作用的外旋流，因此对结构的分离效率也几乎没有影响。实验得出，在旋风分离器 内筒及其下端加装螺旋型减阻器，可以大幅度降低压降，且内筒直径越小时，减阻效果 越明显。在一般内筒直径与旋风分离器简体直径之比为o 5 的条件下，可降低压降4 0 ， 8 中围油人学( o 仁东) t 程颂l ：学位论文 而对结构的分离效率的影响小于1 。如果进口风速控制在1 4 2 0 m s 范围内，采用这种减 阻器均能取得显著减阻器效果，实验还证明通过调节进口风速对减阻效果无明显影响。 2 4 旋风分离器改变出口结构的实验研究 王建掣1 5 l 对导叶式旋风分离器内的流场利用五孔球探针进行了测量实验，发现改变 导向叶片参数、导流锥的结构参数和排尘结构参数等对旋风管内的流场的影响十分明 显。他们通过对流场的分析，进一步研究了改变导流锥结构参数对分离器分离性能的影 响。实验使用了三种结构的导流锥，发现基准结构和开缝面积比为2 2 的导流锥在下口都 有短路流的存在，影响了分离效率；开缝面积比为3 5 的导流锥，叉因为下行气体流量的 减少，使得气流旋转强度不够，流动很不稳定，产生局部二次涡流；开缝面积比为2 7 的导流锥基本消除了短路流，保证了侧缝流量与下行流量的比例，有利于分离器颗粒的 分离。 实验还得出单锥排尘结构更有利于排尘，尤其是单锥侧缝开孔面积比为0 3 左右时， 二次涡流最小。 马艳杰等【1 6 1 对p s c 1 0 0 型导叶式旋风分离器利用五孔球探针进行了不同结构参数和 操作条件下的流场测量。找到了加装导流锥的旋风管内三维速度和静压的变化情况，还 通过改变开缝面积比，发现比值越大的导流锥，流场的切向速度峰值越大，旋转强度越 大，分离效率高。 实验得到加装导流锥以后的旋风管内切向速度趋近于等速流，在轴向速度也能看出 明显的上行流和下行流分界，使得流场的旋转强度增大，对分离有利。径向速度的方向 在分离空间大部分区域是沿径向向外的，中内区域沿径向向内，同时发现静压是沿分离 器器壁往中心变小的。 刘金红【1 7 】设计了一种固体弹性中置物减阻器如图2 5 ，得出任何抑制气流旋转的减 阻措施，在达到降低系统压降的同时，都会对分离效率有不同程度的影响。在分离器内 放置中置物填堵轴心区域的高负压区，是回收高湍流去的涡流耗散能量、降低压力损失 的一种方法。并认为适宜的中置物形状为弹性体，相配叶片的入口角为5 0 。这种减阻 器的使用可以使分离器的压力损失降低2 7 9 ，效率因子提高2 8 2 。 9 第二章旋风分离器减阻节能的实验研究概述 图2 - 5 叶片形状及位置 f i 9 2 - 5 b l a d es h a p ea n dp o s i t i o n 彭雷【1 8 】与李双权【1 9 1 先后通过将c f b 锅炉旋风分离器及p v 型旋风分离器的排气芯管 偏置( 如图2 6 ) ，来研究偏置后旋风分离器内压降及效率的变化，分离器偏置后，偏向处 的流通截面积变小，此位置的流动规律呈先加速后减速，让更多的固体颗粒甩向壁面被 分离出来，提高了分离效率。切向入口旋风分离器内部的漩涡中心和分离器几何中心是 不致的，当排气芯管中置时，9 0 。 - 1 8 0 。方向紧靠排气芯管外壁形成有离体漩涡区， 因此排气芯的管偏置有利于破坏分离的离体漩涡区，尤其是这种离体漩涡区的偏置，更 有利于改善分离器内部流场分布和提高分离效率，同时向1 8 0 。的偏置使进入分离器的 颗粒离中心筒更远，增加了颗粒的穿透能力，减少了颗粒形成上灰环被气流夹带排出的 可能。彭雷指出排气芯管偏置对分离器的分离效率及分离器阻力都有显著影响。相对排 气芯管不偏置，偏置以后效率有了5 1 - - 1 0 8 的明显提高，而阻力( 能耗) 总体也有 所下降，最大下降幅度达n 8 5 ，并指出1 8 0 。附近的排气芯管偏置设计是最有效的方 法。李双权等对p v 型旋风分离器进行排气芯管偏置后，对效率及压降的影响进行了进一 步的研究，并指出排气芯管偏向2 5 5 。时分离效率提高最明显，但是过大的排气芯管偏 心距，会使分离效率有所降低，所以偏心距一定要合适的控制好范围，通过排气芯管偏 心来改善流场的非轴对称性，让环形空间的流场更稳定，还能够明显降低旋风分离器的 压降，根据试验可以看出到排气芯管偏心能够压降下降9 4 - - 一1 5 8 ，排气芯管偏向 1 5 。n 1 3 5 。区域时压降有增高的趋势，偏向1 3 5 。n 3 1 5 。区域时则有下降的趋势。 1 0 中困石油人学( 乍东) t 程颂i ：学位论文 来漉方囱 图2 6 旋风分离器排气管偏置位置 0 4 f i 9 2 - 6c y c l o n es e p a r a t o rv e n t - p i p eo f f s e tp o s i t i o n s 1 1 第三章实验装置及方法、内容 3 1 实验装置系统 第三章实验装置及方法、内容 3 1 1 导叶式旋风分离器试验装置 主要由鼓风机、通风管道系统、旋风管本体、加尘系统及测量系统五部分组成。图 3 - 1 为导叶式旋风管加减阻结构的性能实验装置。实验采用正压鼓风式操作。 各系统简要说明如下： 鼓风机：采用2 台离心式鼓风机串联，其中第一级风机的电机容量为2 2 k w ，流量为 3 8 0 0 m 3 h ；第二级风机的电机容量为1 8 5 k w ，流量为3 2 2 1 4 7 2 3 m 3 h 。 加尘系统：包括一台7 5 k w 的活塞式压缩机、冷凝器和集气罐。 测量系统：七孔球形压力探针，u 形管压差计，标准毕托管，电子称和温度计。 1 灰斗2 排尘锥3 旋风管4 导流锥5 导向叶片6 进气室7 排气管 8 排气室9 排气管路1 0 毕托管1 1 温度计1 2 压差计1 3 小毕托管 1 4 压缩机1 5 冷凝器1 6 加料器1 7 贮气罐1 8 电机1 9 鼓风机2 0 进气管 图3 1p s c 2 5 0 导叶式旋风分离器减阻结构性能实验装置 f i 9 3 - 1 p s c 2 5 0g u i d ev a n ec y c l o n es e p a r a t o rf r i c t i o nr e d u c t i o ns t r u c t u r ep e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t d e v i c e 导叶式旋风管的主要结构参数为： 旋风管 d = 巾2 5 0 r a m 叶片参数 1 3 1 = 2 5 。， 3 2 = 3 0 。 1 2 图3 - 2 直切式旋风分离器性能试验装置 f i 9 3 - 2 v e r t i c a lc u t t i n gt y p ec y c l o n es e p a r a t o rp e r f o r m a n c et e s t i n gd e v i c e 切流式旋风管的主要结构参数为： 旋风管d = 由3 6 0 m m 分离空间h s = 1 4 5 0 m m 试验采用负压操作，离心通风机的电机容量为7 5 0 k w ，流量为7 6 8 m 3 h 。加料直接 从入口均匀加料。 测量系统：七孔球形压力探针，u 形管压差计，标准毕托管，电子称和温度计。 3 2 试验方法 3 2 1 参数测量及计算 1 、有关流量的计算 毕托管的测压点位于管道的中心，正对来流的方向。由毕托管可直接测出的压力为 1 3 从而有 1 4 中国石油大学( 华东) t 程硕i ：学位论文 对于实际流体 从而毕托管测量流量的公式为： q = 三d 2 1 矿一；d2 a v = ；d 2 a k ， ( 3 5 ) ( 3 - 6 ) ( 3 7 ) 式中：k ，为毕托管常数，对于标准毕托管k ，鲁1 ；p 为流体密度；q 为管道流量； d 为出口管道内径；矿为管道截面平均气速；a 为流量系数。 又只= p 水( 动压) 由p v = ，水丁得， p ；警号p 一罟( 3 - 8 )m 尺r 对于空气， m = 2 9 x 1 0 。1 堍m o l 因此： v 吨再- k p 厕 对于标准毕托管：k p = l ；对于空气，r = 8 3 1 4 5 j t o o l k ；代a ( 3 9 ) 得 p 丽辱一席焉一、f 焉2 p h r t j 2 1 x 8 3 1 4 5 ( 2 7 3 1 5 + t ) h = | - 。一 1 f( 只+ e o ) 2 9 x 1 0 3 - 2 3 9 4 6 ( 3 - 9 ) ( 3 - 1 0 ) 只为动压，单m m h 2 0 ，p o 为大气压，单位l m m n 2 0 ，只为静压，单位扰垅日2 0 出口流量： q 叫；百1 万d 2 i 。孑1 万d 2 a y ( 3 1 1 ) 对于切流式旋风分离器，管道出口( 毕托管所在的管道) 内径为d ，a = 0 8 9 因此 1 5 序 晦 i 1 第三章实验装置及方法、内容 既= 三翮2 0 8 9 2 3 9 4 6 3 6 0 0 ：1 6 7 3 8 d2 3 6 0 0 ( 3 一1 2 ) 标况下入1 3 流量： 瓯一焉饥( m 3 h ) ( 3 - 1 3 ) 式中：p 赫风分离器出口静压，m m h 2 0 ；p 卜入口静压，m m h 2 0 。 截面平均气速： 矿；粤m s ( 3 - 1 4 ) 三耐2 3 6 0 0 2 、加尘时间的计算 由旋风分离器入口流量、入1 3 粉尘浓度和加尘量可确定加尘时间t ： 扣等 ( 3 1 5 ) 式中： g 一加尘质量，g ； c i 一分离器入口粉尘浓度，g m 3 ； q i 一分离器入口流量，m 3 h ； p s c 2 5 0 导叶式旋风分离器加尘采用气力输送方式，粉尘经压缩空气喷吸连续加料。 控制风量调节阀与加尘量、加尘时间，可控制加尘浓度。p v 型直切式分离器采用入1 3 加 料方式。 加尘时间是根据入口流量、加尘总质量和入口浓度算出，相应的在保证连续加料的 同时，只要控制好在规定的时间内加够总质量，也就保证了入1 3 浓度。 3 、阻力系数的计算 旋风分离器的阻力系数可由压力降与入口气速推得。旋风分离器的压力降大小是评 价其性能的重要指标了。旋风分离器压力降的大小不但影响动力消耗，而且也受工艺条 件的限制。气体通过旋风分离器的压力降可表示成进口气体动能的某一倍数，即 a p - - - - 亭等( 3 - 1 6 ) 1 6 中国石油人学( 华东) 工程硕i ：学位论文 所以 2 a p g2 1 p 蛀 ( 3 - 1 7 ) 式中：卸一压力降，n m 2 ； 以一气体在旋风分离器入口管中的流速，m s ； p 一气体密度，船m ，； 亭一阻力系数，对同一结构型式及尺寸比例的旋风分离器，亭为常数。 4 、分离效率的计算 实验用粉尘为中位粒径1 l i b r a 左右的滑石粉，对每个测量点进行多次分离效率的测 量，稳定后取算术平均值。 旋风管的分离效率用下式计算： ，7 一等x 1 0 0 ( 3 - 1 8 ) 式中： r 旋风管分离效率； g 厂灰斗底部收集的粉尘质量，g ； g 一加尘质量，g 。 3 2 2 流场测量方法 七孔球探针是一种高性能的流场测量仪器，能测量出三维流场中的气流速度、气流 方向、总压和静压甚至马赫数、粘性系数和雷诺数。与热线风速仪、粒子成像测速仪( p i v ) 以及激光多普勒测速仪( l d v ) 相比，具有设备结构简单，测量方法容易，价格便宜， 环境影响因素低，流场测量参数完整，精度高的自身优点，并且测量过程中相对于探针 轴线的来流的角度可以达n 7 0 。 - - - - 8 0 。因此自