旋风分离器结构改进的研究现状和发展趋势_王清华

第38卷第2期2007年3月　

锅　炉　技　术

BOIL ER TECHNOLO GY

Vol.38,No.2Mar.,2007

收稿日期:20061010

作者简介:王清华(1971),男,内蒙古呼和浩特人,讲师,硕士,主要从事热能工程专业方面的教学和研究。

文章编号:　CN311508(2007)02000505

旋风分离器结构改进的研究现状和发展趋势

王清华

(内蒙古工业大学电力学院,内蒙古呼和浩特010080)

关键词:　旋风分离器;结构改进;研究现状;发展趋势

摘　要:　对工业上普遍应用的颗粒分离设备———旋风分离器结构改进(包括进口、出口、锥体及排尘结构)的研究现状进行了回顾。在此基础上,提出了旋风分离器结构改进的发展趋势,即:由于进口区域和排尘结构对于颗粒的分离至关重要,因此有必要对这部分结构进行深入研究;为了进一步改善旋风分离器的分离性能,除了利用离心力外还需结合其它的除尘机理;为了降低研究成本可以采用计算流体动力学技术来优化旋风分离器结构。

中图分类号:　T K 223.4 文献标识码:　A

1　前　言

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5～10μm 以上的颗粒效率较高。由于能耗相对比较小,结构简单可靠,广泛地应用于冶金、化工、石油、建筑、机械、电力、轻纺、食品等工业部门。旋风分离器中颗粒分离的机理是:颗粒由于离心力的作用克服气流的阻力向壁面运动,到达壁面附近后,由于边界层内较小的湍流,颗粒会沿着壁面进入灰斗中,从而得到分离。对于微细颗粒(粒径小于5μm ),由于其所受到的离心力小于气流对其的阻力,因此,一般来说,这一类颗粒很难得到分离。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。而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。本文在回顾前人研究现状的基础上,提出今后旋风分离器的发展趋势。

2　旋风分离器结构优化的研究现状与发展

方向

2.1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270°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[1]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,进口速度较大,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90°甚至270°以后有所减小,但总体仍高于0°的分离效率。所以改变其回转角度,就改变了

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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

。

图1　单双进口回转通道 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90°时性能较优,比0°

(无回转通道)时的阻力降低14.73%,效率提高2.48%。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33.06%,效率提高3.95%。

2.2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.Zhu [2]提出的旋风分离器结构如图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。Zhu 型旋风分离器试验结果(气流流量范围为10～40L/min ,粒径范围为0.6～8.8μm

颗粒

图2　加内筒壁的旋风分离器

物)与Stairmand 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。Y.Zhu 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10μm 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。Plomp 等[3]提出在顶部增加二次分离附件POC 的方法(图3)。POC 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,并与挡板相撞后通过缝隙掉入挡板下部的壳体中,另一部分即使在一开始没有与边壁相撞,但由于始终受到离心力的作用,在到达POC 顶部时,其中也会有很大一部分通过缝隙处而进入挡板与壳体之间的空间,随后由于POC 中主气流的约10%通过缝隙形成渗透流。在渗透流的推动下,颗粒物被吹出壳体。研究结果得知,在特定结构尺寸和运行条件下总效率比改进前提高了2%～20%,POC 的阻力约为旋风分离器本体10%,

该阻力与渗透气流量无关

图3　POC 结构(Post Cyclone )

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第2期王清华:旋风分离器结构改进的研究现状和发展趋势

(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祝下,加装POC的办法能提高旋风分离器的性能,特别是对3μm以上粉尘分离很有效。

2.3旋风分离器锥体结构的研究现状

Xiang Rongbiao等[4]研究了锥体尺寸对用于大气采样的小型旋风分离器的影响情况,以颗粒大小和气流流速为变化参数,对3个具有不同下部直径锥体的旋风分离器测出了效率。测定结果得知:锥体下部直径大小对旋风分离采样器的效率影响显著,但是并不显著影响不同粒径颗粒物效率之间的变化程度。当锥体下部开口部分直径大于排气芯管直径时,该锥体参数的减小,在不明显增加阻力的前提下,采样效率会随之提高;由阻力测试结果还可看出锥体开口部分直径不宜小于排气芯管直径。从理论上讲,锥体下部直径减小能引起切向速度的提高,从而离心力增大;对于具有相同筒体直径的旋风分离器,若锥体开口小,则最大切向速度靠近锥壁,这使得颗粒能够更好地分离,同时,如果锥体开口较小,涡流将触及锥壁,使颗粒又有可能重新进入出气气流,但是后者与前者相比对旋风采样器影响较小。所以,适当减小锥体下部直径有利于效率的提高。

已有分析得出,排气管下口直径比(D e/D)的变化对旋风分离器的效率及压降有显著影响,流场测试结果表示直径比减小,内旋流区缩小,离心力场增强,故分离效率提高,但压降也急剧上升,因此为了解决上述矛盾。陈建义等[5]提出在减小径比同时,在排气管上沿环向开若干条纵向的狭缝。该狭缝一方面增加了气流出口的通流面积,从而有效地降低了压降。另外,由于开缝方向和环向成一定角度且顺着气流方向,所以气流是急剧改变方向后才进人缝隙的。这样气流中所夹带的颗粒则由于惯性大而难以进入狭缝而逃逸,从而确保了旋风分离器效率不致下降。并通过试验测出,这样不但使效率提高,压降也比用常规的排气管低,同时还可以有效改善“顶灰环”和“短路流”等不利影响。同时,在一定处理气量下,分离空间高度增加后,一方面含尘气流在旋风分离器内平均停留时间延长,可促进气固进一步分离;另一方面,从灰斗及排尘口返混上来的颗粒获得二次分离的机会增多,因而可有效抑制返混对分离的不利影响,并且分离空间高度的改变几乎不会对压降产生影响。

针对循环流化床锅炉飞灰分离器必须具有的特点(即必须具有足够高的分离效率,提供足够多的物料进行循环,以满足炉内燃烧、脱硫和传热等方面的需要),华中科技大学[6]、浙江大学[7]提出了一种新型的旋风分离器———下排气式旋风分离器(图4)。此种新型旋风分离器一般垂直布置,它同样是利用旋转含尘气流产生的离心力,将粉尘从气流中分离出来的一种气固分离装置。其基本结构类同于上排气旋风分离器,只是其排气方式为顺流,即于分离器下方采用排气管引出空气,气流入口可采用直切式或蜗壳式等型式。含尘气流内筒体侧面沿切向导入,气流在筒体内旋转向下,大部分气流至排气管排出,另有小部分气流则继续下旋,到达底板时折转流动方向,逆着排气管向上运动到排气口排出,分离出来的粉尘则进入锥体灰斗排出。华中科技大学、浙江大学、西安交通大学以及清华大学[6～8]等单位对这类旋风分离器进行了详尽的试验及理论研究。结果表明,该旋风分离器能明显改善锅炉的结构布置,而且还可以提高分离效率,特别适合于循环床锅炉,现已应用于各种容量循环床锅炉的设计

。

图4　下排气旋风分离器

2.4旋风分离器排尘结构的研究现状

纵观过去的100多年,旋风分离器的主要研究方向还是集中在进出口状况,涡流检测和筒体上,相对于排尘结构部分则很少有人注意。国内外只有极少数学者进行过相关的研究。

1982年Mot hes[9]发现沿筒壁下降的下旋流与从灰斗上升的气流在锥体底部位置交换特别频繁,于是他提出在此加一防混锥的方法。K irch[10]也就这一方向做了试验,并发现当灰斗

7

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满载时,防混锥能够提高效率,但是对于灰斗不

满的旋风分离器,防混锥的效果又不是太明显,防混锥示意图参见图5

。

图5　防混锥

由于已有试验表明:锥体底部的下行流量并不为0,表明有一部分气流进入了灰斗,因为灰斗底部堵死,气流必将反向重新进入锥体的内旋流中,这将会搅起已被分离出的颗粒并把其中较细的颗粒再次带入内旋流中,产生所谓的“灰斗返混”问题,这也是影响分离效率的一个重要问题。所以有部分学者提出在旋风分离器锥体底部增设一直管,可使含尘气流进入直管后进一步分离。实际上,工业应用中经常能看到具有一直管的旋风分离器(如CFBC 、PFBC 以及FCC 等)。然而,除了最早推荐这种结构的Keche 外,国外仅有Hoffamnn [11]以及Stefan Obermair [12]对此进行过进一步的研究。国内基本没有学者对此进行过研究。

Hoffmann 等[11]是最早对底部加直管旋风分

离器进行专门研究的学者之一。他通过试验表明,

增设直管可以使涡旋尾部停留在直管中(图6),从而增加了旋风分离器的有效分离空间,改善了分离性能。Stefan Obermair 等[12]研究了加直管,

带防

图6　

直管内尾涡的形成

图7　Stefan Obermair 等[12]试验用旋风分离器结构

对于混锥和普通的旋风分离器三者的流场(图

7),气流轴向速度,切向速度和RMS (均方根值)都绘出图像做出了具体的对比研究。发现在3种结构中气流都形成了双涡旋结构,流动方式基本类似,但分离效率却有很大不同。图7中结构

A ,也即普通带灰斗旋风分离器,锥体中潜在的尾

涡流继续进入灰斗,由于灰斗中强烈的涡流和低端的高速湍流,这种类型的旋风分离器很难有好的分离效率。而对于带防混锥的结构B ,其灰斗和分离器的粒子交换减少了,这也导致了灰斗中流体轴向和切向速度的降低。但是,沿外壁的二次气流并没有全部进入灰斗,一部分直接流向中间和上升流混合了进入排气管,这个情况则会对分离效率产生负面影响。但总的来讲防混锥改善了分离效率。但是增设直管的旋风分离器的流场则比较理想,其灰斗中湍流明显减弱,大部分区域RMS 值为0。从其反折向上的上升涡流随着高度的增加,涡流区域越来越小,但其切向速度仍很大,这样便增大了离心力的作用,利于灰粒分离;又由于直管的增设,使灰粒更加可能在直管中脱离内涡流而随外涡流下降。可以完全促进外壁二次流通过出灰口,二次涡流带动气流从下而上回到旋风分离器分离空间中。但由于灰斗、直管中气流的高速切向运动和较低湍流的影响。锥体中的流场由于排尘结构的改变而改变,但是涡流的结构状况却没有变化。

钱付平[13]也针对灰斗返混,对底部加直管的旋风分离器内流场进行了数值模拟,发现在接近直管的底部,气流切向速度平均3～4m ,而该端面的轴向速度分布也表明气流旋转至此,轴向速度接近于0,这足以说明,通过增设直管,就将涡流尾端引入到直管内了。

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第2期王清华:旋风分离器结构改进的研究现状和发展趋势

然而,尽管加直管能取得好的分离效果,但是直管并不是越长越好,应有一最优长度。另外,不同筒体直径的旋风分离器对应的最优直管长度是否存在一定的关系以及不同直管长度时旋风分离器内颗粒运动情况还需进一步研究。

由于排尘口处于负压较大的部位,保证排尘口的严密性对提高分离效率有重要作用。试验数据表明,漏风5%,则分离效率降低50%;漏风10%～15%,则效率降至0。反之,如能从排尘口抽出部分气流却能提高分离效率。早在1951年,Stairmand[14]就认为料斗抽气能提高旋风分离器的分离效率,但是一直没有被人重视。直到1986年,Sage&Wright[15]才对抽气量和抽气位置与分离效率的关系进行了试验研究结果认为,料斗抽气比出口管抽气更有效,如能从排尘口抽出10%的气流,可以使排出气体中的含尘浓度减少40%。抽出的小股气流经过二次小旋风子净化,根据净化的程度,或者直接排出(送至主旋风分离器的排气口),或者返回到主旋风分离器的入口,再进行净化。G il等(2002)[16]在PFBC旋风分离器料腿底部增设一气体抽吸喷嘴,通过对料腿内部压力场和速度场(气相)的测量得出:当料腿中气体抽吸率(占进口总气量的百分比)大于0.3%时,涡旋会深深地被吸入料腿。小的抽气率会产生巨大的切向速度,这样不但改善了旋风分离器性能,而且可以确保颗粒输送至排放设备。G il没有给出不同抽气率下旋风分离器的分离性能。抽气率并不是越大越好,应有一最优值。

3　结　论

通过对旋风分离器结构的研究现状的回顾,作者认为在后续的研究中还应明确以下几个关键问题:

(1)从已发表的文献可以看到,仍有必要对旋风分离器进口及排尘结构进行进一步的研究,进口区域对于旋风分离器内颗粒的分离至关重要,而排尘结构对于颗粒的有效收集具有重要的意义。

(2)旋风分离器对于5μm以下粒径的颗粒无能为力,所以要想进一步改善旋风分离器的分离性能仅仅依靠离心力是办不到的。因此有必要在旋风分离器中引入新的除尘机理(如静电力等)。

(3)随着计算机技术的发展,应用计算流体动力学技术对旋风分离器进行结构优化已变得格外重要,因此,结合计算流体动力学和实验进一步优化旋风分离器结构不仅可以节省大量的人力物力,而且还能取得合理的结果。

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Combus t i on Orga niza t i on of Coal Fi ne s i n CFB

DAN G Li2jan,　J IAN G Min2huan,　SUN Xian2bin,　XIAO Ping,　L U Huai2an

(Thermal Power Research Insitnte,Xi’an710032,China)

Ke y w ords:CFB;　boiler;　combustion;　combined;　burner;　design;　optimization Abs t rac t:In order to imp rove combustion of fine coal particles in CFB,optimum design scheme of mixing t hem wit h hot air to p reheat and to burn t hem in added combustor is sug2 gested which can supply enough air for fine coal particles to burn completely.The scheme can optimize o xygen p rofile in t he f urnace of CFB and minimize dallied2burn p henomena.

(上接第9页)

Inve s t i ga t i on S t a t us a nd De vel op me n t Dire c t i on

of Cycl one’s Ge ome t ry Imp rove me n t

WAN G Qing2hua

(Electric Power College,Inner Mongolia University of Technology,Hohhot010080,China)

Ke y w ords:cyclone;　geometry improvement;　investigation status;　development direction

Abs t rac t:This paper present s t he investigation stat us of geometry imp rovement of t he cyclone,including inlet,outlet,cone and dust outlet.Based on t his,t his paper pro spect s t he develop ment direction of t he cyclone,it is necessary to research t he inlet and dust outlet geomet ry f urt her owing to t heir important effect on t he separation of t he particle in t he cyclone;in order to imp rove t he separation performance of t he cyclone,ot her separation mechanism sho uld be included besides t he cent rif ugal force;comp utational fluid dynamics can be used to optimize t he cyclone geomet ry by way of reducing t he cost of t he research.

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