（动力工程及工程热物理专业论文）导叶式旋风管内颗粒返混夹带机理研究.pdf

摘要 灰斗内的颗粒返混夹带现象是影响旋风管分离效率的主要因素。为了控制返混夹带 提高分离效率，本文通过实验测量与理论计算研究了颗粒在导叶式旋风管内的分离过程 和逃逸过程、不同粒径颗粒的返混夹带现象及影响因素。 实验研究表明：( 1 ) 灰斗内的颗粒返混夹带是旋风管内颗粒逃逸的重要组成部分， 以p s c 1 0 0 型旋风管为例，在流量q = 2 0 0 m 3 h 时，有2 3 的粉尘从灰斗返混，最大 返混颗粒粒径为3 8 1 t i n ；( 2 ) 灰斗内的流动状态以及颗粒之间、颗粒与器壁的相互作用 影响着灰斗内不同粒径颗粒的返混。 理论计算的结果表明：( 1 ) p s c 一1 0 0 型导叶式旋风管流量q i = 2 0 0 m 3 h 时，计算 最大返混颗粒粒径d 口一= 3 4 7 t m ； ( 2 ) 不同粒径的颗粒返混后的最大上行距离不同， 大粒径颗粒返混后被内旋流分离出来的时间长，被夹带逃逸的可能性高，实验所得的最 大返混颗粒d 。= 3 8 t a n 的最大上行距离为8 5 m m ，远小于旋风管分离空间高度 h = 2 9 0 m m ，灰斗返混的大颗粒多次进入内旋流，多次被分离下来，直至颗粒距离芯管 末端距离小于其被分离所需距离。 关键词：导叶式旋风管，返混夹带，粒度分布，二次分离 t h em e c h a n i s mr e s e a r c ho np a r t i c l eb a c k - m i x i n ga n dr e - e n t r a i n m e n ti n t h eg u i d ev a n ec y c l o n et u b e x uw e n w e 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 ) 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 ga n dr e e n t r a i n m e n ti st h em a j o rf a c t o ri nt h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c y o ft h ec y c l o n et u b e t h ep r o c e s so fs e p a r a t i o na n de s c a p eo ft h ep a r t i c l ei nt h eg u i d ev a n e c y c l o n et u b e ，a n dt h ep h e n o m e n o na n di n f l u e n c i n gf a c t o ro ft h ep a r t i c l e sw i t hd i f f e r e n t s i z e ，w e r ea l lr e s e a r c h e di nt h ep a p e rb yt h ee x p e r i m e n ta n dt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n ，i no r d e rt o c o n t r o lt h ep h e n o m e n o nb e t t e ra n di m p r o v et h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c y t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a t ：( 1 ) p a r t i c l eb a c k m i x i n ga n dr e e n t r a i n m e n tw a st h e i m p o r t a n tp a r to ft h ee s c a p ei nt h ec y c l o n et u b e ，w i t ht h ep s c 一10 0t y p ec y c l o n et u b ef o r e x a m p l e ，w h e nt h ef l o wr a t ew a s2 0 0 m h ，t h eb a c k m i x i n gp a r t i c l eq u a n t i t ya c c o u n t e df o r 2 3 i nt h et o t a l ，t h em a xb a c k - m i x i n gp a r t i c l es i z ei s3 8 1 a m ；( 2 ) t h ef l o ws t a t ei nt h eh o p p e r a n dt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e np a r t i c l e s ，p a r t i c l ea n dt h ew a l la f f e c tt h ed i f f e r e n ts i z ep a r t i c l e s b a c k m i x i n gi nt h eh o p p e r t h er e s u l t so ft h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o ns h o w e dt h a t ：( 1 ) w h e nt h ef l o wr a t eo ft h e p s c 一10 0t y p ec y c l o n et u b ew a s2 0 0 m h ，t h em a x i m u ms i z eo ft h ew a s3 4 7 p r o ；( 2 ) t h e m a x i m u mu p - d i s t a n c e so fd i f f e r e n ts i z ep a r t i c l e sw e r ea l ld i f f e r e n t ，t h et i m et h a tt h e b a c k - m i x i n gp a r t i c l es e p a r a t e db y t h ei n n e rv o r t e xw a sl o n g e rw h e nt h ep a r t i c l ew a sb i g g e r , a n dt h ep o s s i b i l i t yt h a tp a r t i c l et oe s c a p ew a sh i g h e r ，t h em a x i m u mb a c k - m i x i n ga n d r e e n t r a i n m e n tp a r t i c l e d 口= 3 8 p z n ，g a i n e di nt h ee x p e r i m e n t ，i t sm a x i m u mu p - d i s t a n c ew a s 8 5 r a m ，a n dt h a tw a sf a rl e s st h a nt h ec y c l o n et u b e ss e p a r a t i o ns p a c eh e i g h tw h a tw a s2 9 0 r a m ， t h eb a c k m i x i n gp a r t i c l ee n t e r e di n t ot h ei n n e rv o r t e xm o r et h a no n c e ，a n dw a ss e p a r a t e d r e p e a t e d l y ，u n t i lt h ev e r t i c a ld i s t a n c ew h i c ht h ep a r t i c l el o c a t i o nr e a c h e dt h et a i le n do f t h e e x h a u s tt u b ew a sl e s st h a nt h es e p a r a t e dd i s t a n c e k e yw o r d s ：g u i d ev a n ec y c l o n et u b e ， b a c k - m i x i n ga n dr e e n t r a i n m e n t , p a r t i c l e s i z e d i s t r i b u t i o n , s e c o n d a r ys e p a r a t i o n 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章前言 旋风分离器是一种成本低、效率高、可靠性高的分离设备，是现今工业应用最有效 的气固分离设备之一f l 】。其工作分离机理是：在一定的压差动力下将含尘气流引入分离 器，通过特殊的入口结构将含尘气流的直线运动转变为强旋转运动，那么，由于气固两 相间的密度差，离心力作用在固相颗粒上，使其克服气流的阻力向壁面运动，而壁面附 近的边界层内存在较小的湍流，使得颗粒会沿着壁面进入灰斗中从而得到分离【2 】。 旋风分离器能够在非常恶劣的操作环境下运行，其操作温度可超过1 0 0 0 0 c ，操作压 力可达i o m p a ，例如在煤粉的流化燃烧与气化、石油化工的催化裂化等工业中都有应用 旋风分离器。目前为了回收高温烟气中的能量，提高经济效益，带烟气轮机的能量回收 系统被越来越多的炼油厂所采用。而保证能量回收系统实现经济效益的前提是烟机的正 常运行。而正是烟机之前的旋风分离器，通过分离处理从再生器出来的含尘烟气，降低 了烟机入口催化剂浓度，减少颗粒对烟机装置磨损，保障了烟机安全长期稳定的运行。 同样在天然气输送过程中，旋风分离器用于分离天然气管道中各种杂质颗粒，对保证长 输管道、流体机械和测量仪表的安全运行起着重要作用。 由此可见，在催化裂化能量回收系统中，关键部件是轴流导叶式旋风管【3 】，这将是 本文研究对象。虽然现有的导叶式旋风管能够基本满足烟机入口含尘烟气的净化要求， 但是在实际现场应用中，导叶式旋风管仍然存在着各种问题，如旋风管内壁结垢、排尘 口堵塞等，使得装置的分离性能不稳定，对整个系统造成隐患h j 。而且目前人们对对旋 风管性能的要求也不断提高。一方面由于大气环境中的小粒径颗粒能够在人体的肺部沉 积，危害人类健康，所以依据环境保护与保障人类健康的需求，要求旋风管提高分离捕 集小粒径颗粒的能力，减少烟气对的污染；另一方面从经济效益角度来看，则希望能够 进一步降低旋风管的压降损失，以降低生产能耗【5 】。所以尽一切努力与办法去提高旋风 管的分离性能和操作弹性，具有重要意义。 从试验发现和理论研究中可知，旋风分离器分离段的下行气流将旋风管内壁附近已 经分离下来的颗粒带入到灰斗内，使其在灰斗内沉降下来，由于灰斗是封闭的空间，部 分进入灰斗的气流，在触碰到灰斗内壁后折返，而折返过程中总会夹带部分已分离的粉 尘，这就是灰斗内的返混夹带现象。同时外旋流中的部分颗粒由于颗粒间或与器壁的的 碰撞作用被卷入内旋流中被夹带排出到大气中。而且目前在催化裂化装置中，新型催化 剂强度弱，容易破碎成粒径更小的颗粒，不利于旋风管的分离，造成更多的颗粒返混夹 第一章前言 带，以致最终逃逸，所以说，旋风管内的颗粒返混夹带严重影响了旋风分离器分离效率 的提高，研究分析灰斗内的颗粒返混夹带，以及返混颗粒的逃逸情况，采取有效的措施 抑制颗粒的返混夹带，对优化改进旋风管结构，提高旋风管分离性能具有重要意义。 从旋风分离器投入应用的一百多年进程中，科研人员对各类旋风分离器的分离性 能、内部的流动形态等都有了较全面的认识。同时本课题组人员针对轴流导叶式旋风管 的研究开发改进也做了大量工作，而具体到旋风管内的颗粒返混夹带现象，只是开始初 步的研究。 本课题基于教育部重点项目( n o l 0 9 1 5 9 ) “导叶式旋风管内气固两相流控制机理 的研究 基础上，进行展开，对颗粒返混夹带机理进行研究。通过全面细致研究分析导 叶式旋风管的返混夹带现象，利用实验测试的方法来分析旋风管颗粒返混夹带的影响因 素，各影响因素的影响程度；灰斗内返混夹带颗粒进入内旋流后的情况，最终返混颗粒 的逃逸几率等问题，为提高导叶式旋风管分离性能提供参考依据。 2 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 2 1 颗粒返混夹带现象 旋风分离器内气流流动情况非常复杂，三维速度分布，即切向速度、轴向速度和径 向速度。其主主流型是内外层旋涡流，除此之外，由轴向速度和径向速度构成次级流型， 包括短路流、纵向旋涡流、外层旋涡中的局部涡流、内旋流的摆尾偏流【6 】。次级流动对 旋风分离器的分离效率等产生不利的影响。 吴小林等通过实验研究指出，影响旋风分离器分离效率的不利因素有，顶灰环、短 路流，以及灰斗的返混夹带【_ 7 1 。 而对于导叶式旋风管，短路流和灰斗的返混夹带现象的不利影响更为突出。图2 1 所示为导叶式旋风管内颗粒逃逸示意。针对短路流，研究人员研究开发了开有侧缝的锥 体，即分流型芯管，安装在排气管直管的末端，抑制了短路流，并由于侧缝的惯性分离， 减少了短路流夹带颗粒逃逸的程度，对于短路流颗粒夹带现象，分流型芯管对其的控制 作用，也有了不少的研究【8 】【9 】【l o 】。本文则针对颗粒的返混夹带进行研究。 图2 2 所示，一般旋风分离器，灰斗内气流的流动状态。当气流碰到灰斗内壁折返 是，会将灰斗内与排尘口附近已经分离下来颗粒重新扬起，带入内旋流中，这就是灰斗 内的返混夹带现象。 图2 - 1 导叶式旋风管内颗粒逃逸示意图 f i g2 - 1 s e c t i o n a lv i e wo fp a r t i c l ee s c a p i n ga n d f i g2 - 2 b a c k - m i x i n gi nt h eg u i d ev a n ec y c l o n et u b e t 图2 - 2 灰斗内流线图 t h es t r e a m l i n ei nd u s t - d i s c h a r g i n gc o n e 灰斗内的颗粒返混夹带类似旋风分离器的“二次尘源”，虽然有部分返混颗粒会被 内旋流二次分离下来，但最终有返混颗粒由排气管逃逸，所以说灰斗内颗粒返混夹带将 3 第二章国内外关于颗粒返混的研究综述 影响旋风分离器的分离效率。对此，众多国内外研究者通过研究返混夹带的机理，建立 分离模型，分析其影响因素，来开发个各种防返混技术、结构等来抑制颗粒返混现象。 2 2 分离效率模型的研究 由于旋风分离器内的气流及颗粒运动十分复杂，人们对于旋风分离器内颗粒分离机 理的研究有各种不同的论述，形成了各自的分离机理模型，例如，停留时间理论、平衡 轨道理论。2 0 世纪7 0 至8 0 年代，d l e i t h ，w l i c h t 1 1 】和p w d i e t , z 1 2 】分别建立了横向返混 边界层分离理论和分区模型。 停留时间理论，也叫转圈理论，如图2 3 ，最早是由r o s i n 等人于1 9 3 2 年提出，该理 论假定在分离器内随气流运动的颗粒，受离心力的作用，向边壁做径向运动，其切向速 度是恒定的，颗粒在旋风分离器内部旋转足够圈数，即有足够的停留时间运动到器壁而 被分离，主要考虑颗粒向器壁的移动，并忽略了气体径向速度的影响【1 3 】。 将排气管向下延伸到分离器底部，形成一个圆柱面c s ，如图2 4 所示，平衡轨道理 论是对处于该圆柱面上的旋转颗粒建立力的平衡分析得到的，它考虑了向心径向气速的 影响，并反应出排气管尺寸对旋风分离器分离效率的影响。但是没有考虑颗粒群相互作 用对分离的影响；而且平衡轨道模型假设整个c s 面上的气体速度分量为常量，所以它只 是理想化的模型【1 3 1 。 p a n i c b 图2 _ 3 停留时间模型 f i 9 2 - 3t h et i m e - o f - f l i g h tm o d e l s 4 p a r t i c l e 图2 - 4 平衡轨道模型 f i 9 2 - 4 t h ee q u i l i b r i u m - o r b i tm o d e h 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 而在边界层分离理论中，考虑颗粒群向器壁移动，假设颗粒完全径向混合，而没有 轴向混合，与旋风分离器内的实际浓度场不相符；而且，该理论计算出的旋风分离器分 离效率比实际应用中的低【l l 】。 还有后来的分区理论，例如三区模型、四区模型，以及陈建义等人提出的多区模型 等等。分区理论将分离器分成了几个不同的区域，认为不存在颗粒横向完全返混，但此 理论模型过分强调了颗粒的湍流与扩散，对大粒径颗粒并不适用。 关于旋风分离器分离效率的计算，已经有之前介绍的各类模型。而吴小林等人认为， 这些模型方法有各自缺点，并且都没有分析出颗粒带出的根源及特点，他们根据旋风分 离器内浓度场的分布特点，作出了几点简化假设：内外旋流分界处，轴向速度最大， r = o 时，轴向速度为0 ；内旋流的浓度主要由灰斗返混引起；在 ， 吃的外旋流 区内的浓度主要是排尘口附近的返混引起的；短路流流量为q ，其平均浓度为就是短 路流区地面处在，= ，处得浓度值c 。，综合以上假设提出了分离效率计算模型，如图2 5 所示【1 4 1 。 q s v ， c ； 一 一 v z s h c。莎 砌 l 7d e - 一一 卜- - 函工 + 函t p 图2 - 5 计算模型示意图 f i g2 - 5 t h es k e t c h e ss h o w i n go ft h ec o m p u t a t i o nm o d e l 以上各种分离机理模型都是针对切流式旋风分离器，而对于导叶式旋风管，由于本 身结构的特点，目前还很少有文献报道。 王建军等人在前人研究的基础上，建立了一个针对导叶式旋风管的颗粒分离模型， 将旋风管内部空间分为5 个区域，如图2 6 所示，i 区为入口环形空间下行流区，i i 区为 导流锥区下行流区，区为柱形分离空间下行流区，区为返混区，v 区为上行流区。 并在测量流场与颗粒浓度场的实验基础上提出了灰斗中返混夹带量的计算方法，指出考 第二章国内外关于颗粒返混的研究综述 虑灰斗颗粒返混夹带影响的分离模型能够提高对小于5 p m 颗粒的分离效率的计算精度 【l5 】 o 图2 - 6 旋风管内分区示意图 f i g2 - 6 t h es k e t c h e ss h o w i n go f t h ed i f f e r e n ts e c t i o n si nt h ec y c l o n et u b e 然而该模型，在计算返混夹带量时，简化认为测得的该截面上的颗粒浓度分布只是 由返混夹带产生，而忽略了在分离空间内被卷入到内旋流中颗粒的影响，且并没有深入 研究返混夹带的颗粒最终被气体带出排气管的逃逸情况。 2 3 颗粒返混夹带影响因素的研究 国内外的众多研究者研究返混夹带现象，总结影响旋风分离器返混夹带的影响因 素。并尝试用不同的方法来防止排尘口的颗粒返混夹带现象，提高旋风分离器的分离效 率。而流场与颗粒浓度分布是研究旋风分离器技术的理论基础，为了研究颗粒返混夹带 的机理以及影响因素等方面，就要先从这两方面着手了解清楚。 吴小林、田彦辉1 7 1 、姬忠礼等人用五孔球探针或者热线风速仪研究了蜗壳式、 p v 型等旋风分离器全空间的三维速度分布，并总结了结构参数和操作参数对流场的影响 规律。王建军、金有海等人采用五孔球探针，分别对p d c 型旋风管灰斗内排尘口处、p s c 型旋风管的流场进行了测量研究，得到了p d c 型灰斗排尘口处、p s c 型旋风管内的的流 动分布规律，指出在排尘口下部存在“旋流屏蔽作用，即一圈向外扩散的强旋转气流， 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 一方面能够将进入灰斗的粉尘颗粒迅速甩向边壁，并防止返混颗粒进入，另一方面还可 以将返混夹带的颗粒二次分离下来【1 9 】【2 0 】。 人们通过对各种旋风分离器内部流场分布的实验研究，了解了分离器内部速度分布 特点，为今后颗粒浓度分布以及颗粒返混夹带影响因素的研究奠定了基础。 b a k e r 通过对比了不同尺寸的排尘口直径发现，当排尘口口径要选择适当，排尘口 口径过大，返混夹带现象会加剧，而过小，造成内旋流摆动容易将灰斗边壁上的粉尘卷 起，小颗粒逃逸量增大，而且入口浓度大时排尘口容易堵塞，使分离失效【2 1 1 。 吴小林、黄学东用等速抽气采样法测定了蜗壳式以及p v 型旋风分离器内的颗粒浓度 分布特点，实验数据显示，不同粒径的颗粒在同一截面上分布规律不同，如图2 7 所示， 但总势均为为内低外高，即颗粒浓度沿径向不是均匀分布的，不存在横向完全返混；不 同空间截面上，颗粒浓度分布特点不同，并一定的分离空间高度有利于内旋流对返混颗 粒的二次分离；通过对比正常入口加料与灰斗加料时的颗粒浓度分布曲线，发现两种加 料方式下，外旋流部分曲线差别较大，而内旋流部分的颗粒浓度分布曲线基本重合，认 为内旋流夹带的颗粒主要是来自由灰斗中的返混夹带；由于气体湍流运动对不同粒径颗 粒的湍流扩散产生不同程度的影响，所以入口气速对不同粒径颗粒浓度分布影响不同， 主要影响较小粒径颗粒的浓度分布；而分离器入口浓度升高，使得颗粒的碰撞、团聚、 返混夹带等作用加剧，小颗粒浓度下降；排气管下口直径对颗粒浓度分布影响不大；分 离器入口面积增大后，同一粒径颗粒在同一位置处的浓度有所下斛7 】瞄】。 。q r 田m 图2 7 旋风分离器分离空间内颗粒浓度分布 f i g2 - 7 p a r t i c l ec o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o ni nt h es e p a r a t i o ns p a c eo ft h ec y c l o n e 万顾军，孙国刚等人用数值计算的方法模拟了入口颗粒粒径不同的情况下，旋风分 离器内颗粒浓度分布，指出入口颗粒粒径越小，灰斗处的返混夹带越严重f 2 引。而马庆磊 等人则用实验方法研究了入口颗粒粒径分布不同的情况下，导叶式旋风管内的颗粒浓度 7 第二章国内外关于颗粒返混的研究综述 分布，指出颗粒粒径不同，分离机理不同，粒径较大的颗粒在旋风管内主要受惯性分离 的作用，而粒径较小的颗粒受离心力作用小，在分离过程中主要依靠大粒径颗粒的夹带 作用分离；入口颗粒的粒径越小，由于小颗粒受气流湍流扩散的强烈作用，不容易被分 离下来，容易造成返混夹带，导致旋风管的分离效率下降 2 4 】。 王建军等人在对p d c 型旋风管内颗粒浓度场进行测试分析时指出，当保证灰斗底部 一定的泄气率时，可以减少排尘口处的上行气量，减弱灰斗中颗粒返混夹带的现象【2 5 1 。 但目前针对导叶式旋风管返混夹带影响因素的研究并不全面，而且并没有在粒级效 率计算模型中体现出返混夹带各影响因素。 2 4 防返混夹带技术的研究 为了优化提高旋风分离器的分离性能，就要将灰斗内的返混夹带降到最低，为此研 究人员为开发旋风分离器防返混技术做了大量的工作。 池森龟鹤通过研究指出，若从排气管下端到灰斗内壁的距离大于1 0d 1 ( 排气管直 径) ，则可以控制灰斗内的返混夹带量，使其降到很小；当入口粉尘粒径越小时，此距 离应越大。 h o f f i n a n n 在旋风分离器锥体底部增设一直管，对加直管旋风分离器进行了喷烟和 加尘实验，认为：当一个延长直管附在旋风分离器底部时，尾涡常常位于直管段，而不 在锥体部分，从而有利于改善旋风分离器的分离效果【2 6 】。 图2 - 8 分离器加直管结构示意图 r i g2 - 8c 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 钱付平等通过研究发现，气流在分离器灰斗内的旋转还很强烈，试验中在旋风分离 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 器底部增设不同长度直管，如图2 8 所示，气流涡旋进入直管中，粉尘能够得到进一步 的分离，抑制了颗粒返混现象；通过对比不同长度直管下的实验结果，得知直管长度应 有一个最优值，其最优值范围是o 3 o 5 m 2 7 1 。 除了以上增设直管段，增加分离器分离空间高度的方法，人们更多的采用在排尘口 处增设防返混结构的措施，更直接有效的抑制灰斗返混夹带，而且针对不同类型的旋风 分离器一直对其改进优化。 图2 - 9 ( a ) 所示为平板型泄料盘，是最早的防返混措施，工程应用效果一般，而且 泄料口较小，容易堵塞，其上方的分离空间存在不稳定的“二次涡 ，影响旋风管分离 性能；图2 - 9 ( b ) 为美国m 壳牌分离单管的排尘口，通过优化单管各结构的尺寸，引 导气流在排尘口附近形成旋流屏蔽，抑制灰斗内的返混夹带，但是由于国内催化裂化生 产工艺水平较低，且工况不稳定，所以该结构在国内工程应用中防返混效果不够理想； 图2 。9 ( c ) 为排尘口处的双锥结构，该结构能够使得气流通过时减弱气流的涡旋强度， 从而减少颗粒的返混夹带，而且在排尘口处形成了旋流屏蔽，也抑制了颗粒的返混夹带， 不会堵塞，排尘口安装双锥结构的旋风分离器，气量波动对其影响较小 2 8 】【2 9 3 0 j e 3 1 1 。 ( a ) 带泄料盘( b ) m 壳( c ) 双锥结构 图2 - 9 排尘口样式示意图 f i g2 - 9 s k e t c hm a po ft h ed i f f e r e n ts t y l e so ft h ed u s to u t l e t 2 0 世纪7 0 年代起，联邦德国开发了一种圆锥形的“防旋涡器 ，安装在旋风分离 器的排尘口处，能够防止分离空间内的强旋转气流直接旋入到灰斗内部，造成已分离粉 尘的再次扬起，减小灰斗的返混夹带。苏联开发的新型旋风分离器，也在排尘口处加了 类似“防旋涡器”的结构，以提高分离效率，而且工程实际应用效果较好 3 2 。 针对单切向入口的旋风分离器，吴小林等在排尘口下面增设了如图2 1 0 所示的防 返混锥结构，使得旋风分离器内“旋进涡核”( 简称p v c ) 的存在范围缩小，虽然仍然 存在，但旋进涡核已经触碰不到灰斗壁面，从而抑制了已分离粉尘颗粒返混，而且小直 径的放返混锥效果更好一些；同时加防返混锥使得锥底切向速度有所提高，有利于颗粒 的分离【3 3 】。 9 第二章国内外关于颗粒返混的研究综述 筒停 肇体 蔚蠢露t 灰斗 图2 1 0 防返混锥结构简图 f i g2 - 1 0 s k e t c hm a po fa n t i - b a c k - m i x i n gc o n e 高永卫等人认为图2 9 ( c ) 中所示的双锥结构并没有完全消除排尘口处气流的涡旋， 所以双锥结构防返混效果有限。他们指出灰斗返混夹带的根本原因是：气流强旋涡深入 到灰斗内，在排尘口中心区域形成低压，并将粉尘再次扬起，携带着由低压区进入单管， 造成逃逸，所以在旋风管排尘口安装了止旋器，结构如图2 1 1 所示，利用叶片的导向 的作用，使气流通过止旋器后不再旋转，图2 1 2 所示，从根本上的来消除气流旋涡从 而减小旋风管的返混，提高分离效率【2 8 1 。 i 繇 t 1 i 、奠列 例 ， 移 ( a ) 止旋器( b ) 加装了止旋器的排尘区 图2 1 1 止旋器的结构示意图 f i g2 - 1 1 t h es k e t c hm a po fd i s p e l v o r t e xs t r u c t i i r e 固幽 i舱口ii 捧尘口l f 少上上弋t 邢 ： 弋 ( a ) 不加止旋器( b ) 加止旋器 图2 1 2 止旋器止旋效果图 王建军等在p d c 型旋风管排尘双锥的上、下锥结合处对称地开设了防混孔，与没 有防返混口的旋风管相比，灰斗内的三维速度在形态分布上并没有差别，但数值均增大， 因此，开设防混孔能增强排尘口处的“旋流屏蔽 作用，更有效地防止灰斗返混夹制1 9 1 。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 在对p d c 型旋风管流场测试分析的基础上，王建军等人发现，在双锥结构上下锥 体结合部位的环形空间，存在旋转气圈，形成灰环，由于该灰环靠近上锥下口，向心速 度较大，很容易造成短路流，夹带粉尘，不利于旋风管的分离，所以经过试验研究，开 发了安装单锥排尘结构的p s c 型导叶式旋风管，如图2 1 3 所示，p s c 型旋风管对小粒 径颗粒的分离效果要比p d c 型旋风管好，分离效率更高【州。 胃 f 。 r i 十。 t u 图2 1 3p s c 型旋风管结构简图图2 1 4 带有开缝的排尘单锥结构示意图 f i g2 - 1 3 s k e t c hm a po f t h ep s cc y c l o n et u b e f i g 2 - 1 4 t h ed u s td i s c h a r g ec o n ew i t hs l i t s 通过对排尘单锥内的流场进行测量分析，发现单锥内的气流切向速度较大，仍有较 强的分离作用，排尘锥的下部区域时上下行流的折返区，容易造成返混夹带，所以他们 又在排尘单锥上进行了开缝，其结构如图2 1 4 所示，排尘锥上的侧缝能够起到分流的 作用，减弱了在排尘锥下口处上下行流交错时，形成的颗粒返混夹带程度，有利于提高 旋风管的分离效率，能够及时将边壁附近的颗粒甩至灰斗边壁，解决了排尘口容易堵塞 的问题f 3 5 】【3 6 】。 总结目前的防返混减少颗粒夹带逃逸技术，主要是通过减少短路流，减弱排尘口处 的涡旋作用，加强内旋流的二次分离作用实现的。 2 5 本章小结 通过对导叶式旋风管内流场、颗粒浓度场的研究，人们已经了解了颗粒的返混夹带 现象，也认识到了该现象对提高优化旋风管分离性能的有着严重的不利影响。通过研究 颗粒返混夹带的机理以及它的影响因素，人们尝试在建立分离效率模型时，能够尽量准 确的描述颗粒返混夹带对分离效率计算的影响程度。并以此为理论基础，研究并开发出 第二章国内外关于颗粒返混的研究综述 各种能够削弱颗粒返混夹带的新结构，从而进一步提高旋风管的分离效率。 然而旋风管灰斗，尤其是排尘口附近，流动情况比较复杂，存在二次涡流、内旋流 的偏流等次级流动，造成颗粒在其内的运动分析比较复杂。基于流场和浓度场研究的基 础上，尝试提出更加合理而且简单的简化，去分析颗粒在灰斗内的运动，以及颗粒返混 之后的运动情况。 在文献调研中，发现，之前人们的研究更偏重于间接的从流场、浓度场角度，或者 说是理论方面来分析颗粒的返混夹带，而很少直观的研究不同参数下，旋风管内颗粒返 混夹带量的变化，返混颗粒最终的逃逸情况。基于这一点，本文中将试图从这方面取得 进一步的结论成果。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第三章实验装置、方法及内容 本文的实验内容主要有：( 一) 正常入口加料时，不同参数下的性能实验，即压降、 分离效率、逃逸颗粒粒度分析；( 二) 灰斗加料时，灰斗返混量的测量，出口逃逸颗粒 粒度变化的实验分析。通过实验研究，分析灰斗返混夹带的影响因素，返混颗粒的粒度， 分析返混夹带的机理，为之后的理论分析奠定实验基础。 3 1 实验装置 本文实验装置如图3 1 所示。 图3 1 导叶式旋风管实验装置图 f i g3 - 1 s k e t c hm a po f t h eg u i d ev a n ec y c l o n et u b e 实验装置主要由以下部分组成，其各系统简要介绍如下： ( 一) 旋风管：对于本文中所用的立管式旋风管，其由上而下的组成部分为：排气 室、排气管、进气室、导叶、分流型芯管( 也称为导流锥) 、旋风管分离空间、排尘锥、 灰斗。本文实验所用旋风管分离空间内径d l = l o o m m ，为便于试验观察，除分流型芯管 采用钢制造之外，其余均采用有机玻璃制成： ( - - ) 动力系统：为1 台鼓风机，其电机功率2 2 k w ，采用负压操作，即将空气由 1 3 第三章实验装置、方法及内容 进气室入口抽入； ( 三) 测量系统：包括温度计、u 型管压差计、毕托管、天平、秒表以及库尔特激 光粒度分析仪。通过前三种物件各自的读数，来测量和计算旋风管的入口流量，毕托管 按照测量标准要求安装，u 型管压差计还被用来测量旋风管排气室压降；天平用来称重， 秒表用来控制旋风管入口粉尘浓度，而库尔特激光粒度分析用来测量粉尘的粒度分布。 ( 四) 通风管道：与大气环境相通的铁皮管路，其为内径3 0 0m m ； ( 五) 出口逃逸颗粒捕集系统：即与排气室相连的布袋式过滤器，将最终逃逸的颗 粒捕集下来，便于实验结果分析。 实验时，装置在负压下进行操作，空气被风机抽入旋风管，而实验用的粉尘原料被 人工从进气室入口加入，两者旋风管进气室充分混合，含尘气流经过造旋叶片( 即导叶) 后变为旋转气流，由于气固两相间的密度差，使得固相粉尘颗粒在离心力作用下向边壁 移动而被分离下来，在灰斗内被收集，而进入灰斗内的气体碰到边壁后折返，通过排气 管进入排气室，最后排出大气。 3 2 实验参数与结果的计算分析 3 2 1 分离性能测试计算方法 在对旋风管进行性能对比与结构优化时，都要对旋风管的能耗损失，即总压降凹， 与旋风管对固相颗粒的分离能力，即总分离效率7 7 ，这两方面进行测试对比。通过改变 的参数，即旋风管的结构参数与操作参数，利用实验装置中的测量系统，来测定与各项 参数相对应的凹与刁，此为旋风管的分离性能实验。本文实验中气相流体为空气，固 相颗粒采用3 2 5 目滑石粉，其中位粒径d 5 0 = 1 1 u n ，密度= 2 7 0 0 k g m 3 。 各参数、实验结果的测量与计算： ( 1 ) 总压降尸 尸= 鼻一p o ( 3 - 1 ) 只：入口静压，实验中使用的u 形管压差计，单位为m m h ：2 0 ； 只：出口静压，表压，m m h 2 0 ，最后总压降廿数据处理时换算成单位p a 。 鼻与p o 由u 型管压差计测得，由于本文实验中采用负压操作，旋风管入口与大气相 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 通，所以= 0p a ，所以本文中旋风管总压降为a p = - p o ，p a 。 ( 2 ) 入口流量q 旋风管的入口流量q 是由鼓风机之后的阀门所控制的，其数值大小由毕托管测量得 知。因为毕托管安装在排气管上，所以毕托管直接测量的是旋风管的出口流量q 的有 关数据，经公式计算求得q o 后，还需利用气体状态方程尸y = n r t ，换算求得入口流量 q ，图3 - 2 为毕托管测量方法简图。 图3 2 毕托管测量方法 f i g3 - 2t h e m e t h o do ft h ep i t o tt u b e 毕托管的测压点要置于管道的中心，正对流体的来流方向，根据伯努利方程得： 一只= 丢p g 矿：( 3 - 2 )一只= 去p g 矿2 o 则排气管中流体实际速度圪为： v o = k p v = k p 式中： k p ：毕托管的校准系数，本文实验中使用标准毕托管，其系数k ，= 1 ； 只：测量点全压( 表压) ，m m h 2 0 ； 只：测量点静压( 表压) ，m m h 2 0 ； 色：流体密度，k g m 3 ，本文实验中所用流体指的是空气。 ( 3 - 3 ) 第三章实验装置、方法及内容 根据理想气体状态方程p v = n r t 可得： p m 以2 面 将式( 3 4 ) 代入公式( 3 3 ) 中，则有： 圪= 巫2 ( p , - g ) r t 瑙9 4 5 式中。 p ：测量点静压( 绝对压力) ，尸= 只+ 异，p a ； 只：测量点全压( 表压) ，m m h 2 0 ； e ：测量点静压( 表压) ，m m h 2 0 ： r ：气体常数，对于空气来说，r = 8 3 1 4 j ( m o l k ) ； m ：气体摩尔质量，空气m = 2 9 x 1 0 3 培t 0 0 1 只：实验当地大气压，实验中取昂= 1 0 3 3 6 m m h 2 0 ； t ：气流温度，由排气管道中的温度计测得，。 那么旋风管出口流量为： q o = 3 6 0 0 ，号d ；五圪= 2 4 1 1 7 式中： q ：旋风管出口流量，m 3 h ： d 2 ：排气管管道内径，d 2 = 0 0 6 8 m ： 五圪：排气管管道截面平均气速，对于管径为6 8 m m 的排气管，取旯= 0 8 9 。 由旋风管出口流量q 按照如下换算可得入口流量q f 为： 卵糌幺= 2 5 3 0 7 8p 鼻。酉+ p o 式中压力单位均为m m h 2 0 。 ( 3 ) 加尘时间 1 6 ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 - 6 ) ( 3 7 ) 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 f ，= 3 6 0 0 m i c i q i 式中： m ，：实验中加入旋风管的粉尘质量，g ； e ：实验中需控制的旋风管入口颗粒浓度，g m 3 ： q ：旋风管入口流量，m 3 h ，算得时间t ，其单位为秒s 。 ( 4 ) 总分离效率7 7 ( 3 - 8 ) 实验中，每次旋风管入口加料粉尘质量m ，一定，所以旋风管的总分离效率r ，由 旋风管灰斗内收集的粉尘质量计算确定。 旋风管总分离效率r 为： 叩= 等枷。 式中，m 。表示旋风管灰斗内收集的粉尘质量，g ； ( 3 - 9 ) 实验中每种情况一般测量2 3 次，而后取效率的算术平均值，当出现变化较大的数 据结果时，就要再多次测量，将坏点剔除 ( 5 ) 旋风管粒级效率刁( d p ) 计算出旋风管的分离总效率r 之后，再利用激光粒度分析仪，将旋风管入口原料、 出口捕集颗粒的粒度分布测出，则可根据公式( 3 一1 0 ) 计算出旋风管的粒级效率，7 ( d p ) ： ，7 ( d p ) = 1 - ( 1 - r l 两f o ( d p ) 式中： d p ：颗粒粒径，肛： l ( d p ) ：旋风管出口样品中，粒径为d ，的颗粒的体积分布频率数值； z ( d p ) ：旋风管入口原料样品中，粒径为d p 的颗粒的体积分布频率数值。 ( 3 1 0 ) 第三章实验装置、方法及内容 3 2 2 旋风管出口固相颗粒粒度分布分析 本文实验中，在旋风管出口毕托管测速系统之后的排气管管线上，设置了布袋式过 滤器，来捕集在旋风管中未能分离下来，而从旋风管出口逃逸的颗粒。滤布材料选用涤 纶p e 5 0 4 。利用库尔特l s 2 3 0 激光粒度分析仪，来分析布袋式过滤器捕集的固相颗粒， 即得到旋风管出口固相颗粒的粒度分布。 本文实验中用到的库尔特l s 2 3 0 激光粒度分析仪是准确分析样品中颗粒的粒度分 布的关键锁在。 激光粒度分析仪的测量原理如图3 3 所示。当光在传播过程中与颗粒接触时，会产 生各个方向上的散射和衍射光，而且强度不同。光波波长、颗粒或者孔隙的尺度都影响 着散射光和衍射光的角度分布。本文所用的库尔特l s 2 3 0 激光粒度分析仪，采用波长一 定且为单色光的激光作为光源，从而使得散射光和衍射光的角度分布的决定因素，就只 有颗粒粒径了。那么，可以说不同的角度的光环对应着不同粒径的颗粒，每个角度光环 获得的光能量在总的光能量中所占的比例，反映了该粒径颗粒的分布频率。当粒度仪中 以十字星型式，在四个象限交错排列，数目多达1 3 2 个的检测器收集到这些信息后，利 用精密的数学公式、弗兰侯夫和米氏等理论来计算所测样品颗粒的粒度分布。 图3 - 3 粒度分析仪的测量原理简图 f i g3 - 3 t h es k e t c hm a po ft h ep r i n c i p l eo f t h el p s a 库尔特l s 2 3 0 激光粒度分析仪能够测量粒径在0 0 4 2 0 0 0 1 a m 范围内的颗粒，本文中 分析颗粒粒度时，保证仪器的循环泵速不变，加入的样品浓度控制在8 9 之间，尽 量排除不同因素的干扰，使得数据更有准确性。同时分析仪采用其专利技术：“双镜头 技术与偏振光强度差技术( p i d s 技术) 以及精密的数据处理，大大提高了颗粒粒度分 析的准确性与效率，使得所得数据的可靠性得到保障。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 3 3 实验方案及内容 3 3 1 阻力特性实验 测试旋风管阻力特性这部分实验，其内容就是，在如图3 _ 4 、3 5 所示的这两种导叶 式旋风管结构下，对比各旋风管的总压降随流量变化的实验，图3 5 所示的旋风管结构 与图3 - 4 中的旋风管的不同之处在于，前者在分离管底部安装了排尘锥结构。实验中所 用旋风管的主要结构尺寸参数如图3 _ 4 所示：旋风管内径d = 1 0 0 r a m ，排气管内径 d 2 = 6 8 r a m ，灰斗内径d = 2 5 0 r a m ，导向叶片外侧出口角1 3 1 = 3 0 0 、内侧出口角1 3 2 = 2 5 。， 分离空间高度( 分流型芯管下口至排尘锥下口) h = 2 9 0 m m 。 图3 4 结构1 示意图 f 遮3 - 4 s k e t c hm a po ft h e f i r s tk i n do fs t r u c t u r a l 1 9 图3 - 5 结构2 示意图 f i g3 - 5s k e t c hm a po f t h e s e c o n dk i n do fs t r u c t u r a l 第三章实验装置、方法及内容 程 划 焱7 图3 _ 6 分流