旋风分离器基本理论与最佳设计
第6章 旋风分离器
集气筒
烟气出口
烟气入口
分离单管 隔热耐磨单层衬里 吊筒
集尘室
6.3 旋风分离器内气固两相流动规律
颗粒的分离是在含尘气流在分离器中的运动过程中实现的， 因此，分离器内气固两相的流动分布规律是决定分离性能的主 要因素 。
6.3.1 旋风分离器内气相流动规律
(1) 三维气流速度方向的定义
R
θ
C(dp)/Ci(dp)
1.20 1.00 0.80 0.60 0.40
dp=3μm dp=5μm dp＝8μm dp＝12μm dp＝16μm
0.20
0.00 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 r/R
图5－5 主要分离空间内颗粒粒级浓度沿径向分布(z=225)
(1) 分离器内颗粒浓度分布－沿壁面条带形螺旋线状分布
6.3.2 旋风分离器内固相流动分布规律
(2) 分离器内颗粒浓度分布－沿径向外高内低
6.3.2 旋风分离器内固相流动分布规律
(2) 分离器内颗粒浓度分布－沿径向外高内低
密相区
密相区
密相区
稀相区
稀相区
6.3.2 旋风分离器内固相流动分布规律
6.3.2 旋风分离器内固相流动分布规律
(3) CLK型(扩散型)
筒体下部为一倒锥形，并在底部装有倒置 的顶部开孔的漏斗形挡灰盘，其下沿与四壁底 圈留有齿缝。这种结构的作用是防止返回气流 将落下的粉尘重新卷起，因而提高了除尘效率， 尤其对直径10μm以下颗粒，效果更为明显，它 适用于净化颗粒浓度高的气体。
(4) CZT型(长锥型)
具有较长的锥体，一般采用锥体 长度为2.8D。体积小、用料省、除尘 效率高，适用于捕集非黏性的金属、 矿物、纤维性粉尘、刨花和木屑，特 别对纤维性的棉尘除尘效率几乎为 100%。
旋风分离器结构及参数标定方案设计
（２）分离效率测定
称取质量为Ｍ１的物料．均匀喂入设计的系统
中，形成一个气固两相流。 经一定时间后，停机。从旋风分离器的集灰 斗中取出从两相流中分离出的部分物料，并 称量，为M2。 总分离效率用下式计算。 ηT=M2/M1
分别对喂入物料和收下物料做粒度分析，
可用下式求得部分分离效率．
3
计算公式
(1) lapple
A 16 2 De
2
(2) cassal
ab 11.3 2 3.33 D e
2
5 分离效率计算
(1 n)Qd p (2H1 H 2 )r2 x 1 exp[ ] 2 1 n 1 n n 2 2 18a (r2 r1 )r2 (r2 r1 )
其它事项
绘图仪器及图板： 以班级为单位到学校借用 2 图纸：个人购买 3 设计说明书：到教材科领用 4 时间安排：两周 5 成绩评定
1
1
根据处理风量计算旋风分离器的规格
Q Fi Vi
其中：Fi为旋风分离器入口面积。 Fi=ab=c1c2D2, c1c2为常数.
Q 为处理风量
Vi 为入口风速， 可在14－22m/s之间选取．
２结构尺寸的计算，可根据不同的形式选取 各部分尺寸代号如图,比例关系见下表
De b a
h H
s D
五 图纸要求
一号图纸1张
完整表现旋风筒的结构及尺寸 完整表现参数测定系统流程 图面安排如下
10
图线框
标题栏
25
594Χ841
标题栏
济南大学 材料科学与工程学院
指导教师
16 8
设计 成绩
旋风分离器设计方案
旋风分离器设计方案用户：特瑞斯信力（常州）燃气设备有限公司型号： XC24A-31 任务书编号： SR11014 工作令： SWA11298 图号： SW03-020-00编制：日期：本设计中旋风分离器属于中压容器，应以安全为前提，综合考虑质量保证的各个环节，尽可能做到经济合理，可靠的密封性，足够的安全寿命。
设计标准如下：a. TSG R0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》b. GB150-1998《钢制压力容器》c. HG20584-1998《钢制化工容器制造技术要求》d. JB4712.2-2007《容器支座》2、旋风分离器结构与原理旋风分离器结构简单、造价低廉，无运动部件，操作范围广，不受温度、压力限制，分离效率高。
一般主要应用于需要高效除去固、液颗粒的场合，不论颗粒尺寸大小都可以应用，适用于各种燃气及其他非腐蚀性气体。
说明：旋风分离器的总体结构主要由：进料布气室、旋风分离组件、排气室、集污室和进出口接管及人孔等部分组成。
旋风分离器的核心部件是旋风分离组件，它由多根旋风分离管呈叠加布置组装而成。
旋风管是一个利用离心原理的2英寸管状物。
待过滤的燃气从进气口进入，在管内形成旋流，由于固、液颗粒和燃气的密度差异，在离心力的作用下分离、清洁燃气从上导管溜走，固体颗粒从下导管落入分离器底部，从排污口排走。
由于旋风除尘过滤器的工作原理，决定了它的结构型式是立式的。
常用在有大量杂物或有大量液滴出现的场合。
其设计的主要步骤如下：①根据介质特性，选择合适的壳体材料、接管、法兰等部件材料；②设计参数的确定；③根据用户提供的设计条件及参数，根据GB150公式，预设壳体壁厚；④从连接的密封性、强度等出发，按标准选用法兰、垫片及紧固件；⑤使用化工设备中心站开发的正版软件，SW6校核设备强度，确定壳体厚度及接管壁厚；⑥焊接接头型式的选择；⑦根据以上的容器设计计算，画出设计总设备图及零件图。
4、材料的选择①筒体与封头的材料选择：天然气最主要的成分是甲烷，经过处理的天然气具有无腐蚀性，因此可选用一般的钢材。
加压系统旋风分离器的设计要点
细 灰 被 甩 到 筒 壁 ，而 筒 壁 内侧 已被 水 润 湿 ，易 于 捕 获 液 滴 。在 重 力 作用 下 液膜 沿 壁 流 至 分 离 器 的 下 部 储 液槽 。气 体 不 断 旋 转 ， 先 是 自上 而 下 ，探 底 后 折 返 向上 旋 转 ，经排 气 管逸 出分 离 器 ， 因液 体密 度 远 大于 （ ～ ２ ５ 倍 ）气 体 密度 ，所 以在 上述 旋 转过 程 中均有 分 离效 果 。 正 常 操 作 时 由于气 流 旋 转 ，相 应 地 拉 动 储 液 槽 内液 体 旋 转 ，细 灰 相对 集 中 于分 离 器 中心 线 附 近 ， 自黑水 出口排 出 。
主要受压兀件材料
７ ． １ ５ ２ ８ ０ ６ ． ４ ２ ５ ０ 水煤气、冷凝 液 （ 易爆 ）
Ｑ ３ ４ ５ Ｒ ＋ ０ ０ Ｃ ｒ １ ７ Ｎ ｉ １ ４ Ｍ ｏ ２
腐蚀裕量 （ Ｉ Ｉ １ ｎ １ ）
０
焊缝接头系数 （ 筒体 ／ 封 头） 设备直径 （ 唧）
（ １ ）基 层材 料Ｑ３ ４ ５ Ｒ 钢 板 应满 足ＧＢ ７ １ ３ — ２ ０ ０ ８ 《 锅 炉 和 压 力 容 器 用 钢 板 》 的规 定 ，供 货 状 态 为 正 火 ，且逐 张进 行 超 声 波 检 测 ，符 合 Ｊ Ｂ／ Ｔ ４ ７ ３ ０ ． ３ —
第３ 期
一 ７一
加压系统旋风分离器 的设计要点
何玉伟 ，林藏华
（ 中航 黎明锦 西化 工机械 （ 集团）有限责任公司 ，辽宁 葫芦 岛 １ ２ ５ ０ ０ １ ） Fra bibliotek［ 摘
要］ 本文介 绍 了 加压 系统用旋风分 离器的结构及性 能，论述 了各主要部件的设计要 点，可供设计人员参考。
旋风集尘器分离器的原理及设计参数
旋风集尘器分离器的原理及设计参数本帖最后由 bombcat 于 2010-11-4 12:22 编辑看了很多木有们DIY的旋风分离器，真是八仙过海各显神通，做出来的尺寸、比例也是五花八门。
在翻阅了论坛上关于旋风集尘器的帖子之后，感觉多数木有的DIY主要还是以模仿为主，似乎缺少那么点理论依据，于是我查阅了一些技术资料。
看过之后感觉在工业上要比较准确地分析和设计一个旋风分离器还是很复杂的，需要考虑风压、流速、粉料粒径、密度、粘度、桶壁光滑程度等诸多因素，这些对于我们收集木屑的用途来说过于复杂了，很多数据也是不可能掌握的，所以我本着避繁就简、简单实用的原则摘录一些资料，希望能对以后DIY旋风分离器的木友有所帮助。
工业上最常用的旋风式分离装置有两种形式：①旋风分离器：切向入口，本体为筒体+锥体型这种形式的旋风分离装置最常见，当然其入口、出口及灰斗处都有若干种变形可供选用，后面细说。
木有们DIY的旋风集尘器大多也是这个原理的，起码都是入风口在本体的切向，但DIY的集尘器本体就只是一个锥体，没有做成筒体+锥体形式的，可能是受国外那个成品旋风分离器DUST DEPUTY的影响吧。
绝大多数DIY这种造型分离器的木有都是采用花瓶作为锥体本体，比如=saga=f117whw做的这个：②旋风管：具有轴向导流叶片入口，本体为直筒型在木有DIY的集尘器中有类似这样旋风管结构的，比如xuelichina做的“大型旋风集尘器”以及岳阳楼用饮水机水桶改造的集尘器：这两位木有的集尘器虽然本体是直筒结构，但进风口还是采用与筒体切向，而不是标准旋风管那样从筒体顶盖处轴向进风。
从筒体顶盖轴向进风的好处是气流轴向对称，且因采用导流板，给进气流一定的向下的速度，使夹杂着灰尘的空气更快地向下运动，而不仅仅是靠重力。
先说说旋风式分离器的一些基本概念和原理吧。
按照第一张图所示，夹杂着尘粒的气体从进气口进入筒体后，沿筒内壁做向下的旋转运动，在这个过程中由于离心力的作用，气流内的尘粒被甩向桶壁，实现气体和固体的分离，尘粒在重力作用下沿桶壁旋转下降落入灰斗。
环保设备设计基础4_旋风除尘器
提高
降低 降低 提高 提高或降低 提高或降低 提高或降低 降低
提高
——
降低 提高
—— ——
提高 提高
（二）操作条件 （1）入口速度与入口风量：18-23m/s，<35m/s
100 η 1 Q2 ( ) 100 η 2 Q1 100 η 1 μ1 ( ) 100 η 2 μ 2
1 2
1 2
2A
3.85b 0.6D 2.26D 2.0D 0.3D 860（770） 1350 （1210） 1950 （1740）
1.75 A
4.9b 0.58D 1.6D 1.3D 0.145D 440（490） 670（770） 990（1110）
12m/s 15m/s 18m/s
i
：
（4）按给定条件计算旋风式除尘器的分离界面粉尘粒径和预期
旋风除尘器排灰装置：
锁气器 (a)双翻板式 (b)回转式
旋风除尘器实验室装置
3、按结构型式分： （1）多管旋风除尘器
由多个相同构造形状和尺寸的小型旋风除尘器（又叫旋 风子）组合在一个壳体内并联使用。具有处理风量大, 除尘 效率较高的特点。
多 管 旋 风 除 尘 器
（2）旁路式旋风除尘器
ρ p1 -ρ 1 100 η 1 ( )2 100 η 2 ρ p 2 -ρ
P0 P 0.013 2.29C S 1
பைடு நூலகம்
（4）粉尘粒径 ：粒径越大，颗粒密度越大，效率越gao
（5）含湿量：分散度高而黏着性很小（<10μm，颗粒含量 30-40%，含湿量1%）效果不好，细颗粒量不变，含湿量 5%-10%，效果较好。
达到的除尘效率，计算除尘器的压力损失。 2 1/ 3 D 交界圆柱面的高度 h0 l 2.3d e A 交界圆柱面的直径 d0 0.7de 交界圆柱面的切向速度
蜗壳式旋风分离器的原理及设计
蜗壳式旋风分离器的原理及设计蜗壳式旋风分离器是一种常用的气固分离设备，广泛应用于化工、环保、冶金等行业。
它通过利用离心力和重力的作用，将气体中的固体颗粒分离出来，从而实现气固两相的分离。
本文将详细介绍蜗壳式旋风分离器的原理和设计。
一、原理蜗壳式旋风分离器的工作原理基于旋风效应和离心力的作用。
当含有固体颗粒的气体通过进气口进入旋风分离器时，由于进气口的设计使气体呈螺旋状进入，形成旋风流动。
在旋风流动中，气体的速度逐渐加快，而固体颗粒由于惯性的作用而向外部壁面挪移。
当气体流速达到一定程度时，固体颗粒受到离心力的作用，沿着旋风分离器的外壁向下运动，并最终被采集在底部的集料室中，而净化后的气体则从出口排出。
二、设计1. 蜗壳式旋风分离器的结构蜗壳式旋风分离器主要由进气口、蜗壳体、旋风管、出口和集料室等组成。
进气口通常位于设备的顶部，用于引导气体进入旋风分离器。
蜗壳体是旋风分离器的主体部份，其内部呈螺旋状，用于形成旋风流动。
旋风管是连接蜗壳体和出口的管道，用于将净化后的气体从分离器中排出。
集料室位于分离器的底部，用于采集分离出的固体颗粒。
2. 进气口的设计进气口的设计对蜗壳式旋风分离器的性能有着重要影响。
进气口通常采用切割板或者导流板等结构，用于引导气体进入旋风分离器时形成螺旋状流动。
进气口的形状和尺寸应根据具体的工艺要求温和体特性进行设计，以确保气体能够均匀地进入旋风分离器，并形成稳定的旋风流动。
3. 蜗壳体的设计蜗壳体是蜗壳式旋风分离器的核心部份，其内部呈螺旋状结构。
蜗壳体的设计应考虑气体流动的速度和方向，以及固体颗粒的分离效果。
通常情况下，蜗壳体的螺旋角度和螺旋线的间距会影响气体流速和固体颗粒的分离效果。
较大的螺旋角度和较小的螺旋线间距可以增加气体的离心力，从而提高固体颗粒的分离效果。
4. 出口的设计出口是蜗壳式旋风分离器的重要组成部份，用于排出净化后的气体。
出口的设计应考虑气体的流速和阻力，以及固体颗粒的再次带走。
旋风分离器的设计
长气体停留时间，所以，细而长的器身有利于颗粒的离心沉降，使分离效率 提高。
B:减小上涡流的影响：含尘气体自进气管进入旋风分离器后，有一小部分气
体向顶盖流动，然后沿排气管外侧向下流动，当达到排气管下端时汇入上升 的内旋气流中，这部分气流称为上涡流。上涡流中的颗粒也随之由排气管排 出，使旋风分离器的分离效率降低。采用带有旁路分离室或采用异形进气管 的旋风分离器，可以改善上涡流的影响。
XLP型：XLP型是带有旁路分离室的旋风分离器，采用蜗壳式进气口，其上沿 较器体顶盖稍低。含尘气进入器内后即分为上、下两股旋流。“旁室”结构 能迫使被上旋流带到顶部的细微尘粒聚结并由旁室进入向下旋转的主气流而 得以捕集，对5am以上的尘粒具有较高的分离效果。根据器体及旁路分离室 形状的不同，XLP型又分为A和B两种形式，其阻力系数值可取〜。
临界粒径de的颗粒d50= J D/Ui(ps—p)]二am
d/ d50=
查询图可知，n为 四台旋风分离器并联
△p=Epui72
取△p=1460Pa,E二，允许的最大气速：Ui=(2△p/Ep)
取de=6am N=5,进气口宽度hB=Vs/ Ui= D2/8 ,
D=
D=4B B=0 0414m
入口高度h=D/2=
d50= J D/Ui(Ps-p)]
对于同一型式且尺寸比例相同的旋风分离器，无论大小，皆可通用同一条粒 级曲线。标准旋风分离器的np与d/d50的关系：
总效率no=2xinpi,Xi为进口处第i段颗粒占全部颗粒的质量分率。
②旋风分离器的压强降
压强降可表示为进口气体动能的倍数：△p=Epui2/2
E为阻力系数，对于同一型式及相同尺寸比例的旋风分离器，E为常数，标
蜗壳式旋风分离器的原理与设计说明书
蜗壳式旋风分离器的原理与设计l0余热锅炉2007.4蜗壳式旋风分离器的原理与设计杭州锅炉集团股份有限公司王天春徐亦芳 1前言循环流化床锅炉的分离机构是循环流化床锅炉的关键部件之一,其主要作用是将大量高温,高浓度固体物料从气流中分离出来,送回燃烧室,以维持燃烧室一定的颗粒浓度,保持良好的流态化状态,保证燃料和脱硫剂在多次循环,反复燃烧和反应后使锅炉达到理想的燃烧效率和脱硫效率.因此, 循环流化床锅炉分离机构的性能,将直接影响整个循环流化床锅炉的总体设计,系统布置及锅炉运行性能.根据旋风分离器的入口结构类型可以分为:圆形或圆管形入口,矩形入口,"蜗壳式"入口和轴向叶片入口结构.本文重点分析在循环流化床锅炉中常用的"蜗壳式"入口结构.2蜗壳式旋风分离器的工作原理蜗壳式旋风分离器是一种利用离心力把固体颗粒从含尘气体中分离出来的静止机械设备.入口含尘颗粒气体沿顶部切向进入蜗壳式分离器后,在离心力的作用下,在分离器的边壁沿轴向作贴壁旋转向下运动,这时气体中的大于切割直径的颗粒被分离出来, 从旋风分离器下部的排灰口排出.在分离器锥体段,迫使净化后的气流缓慢进入分离器内部区域,在锥体中心沿轴向逆流向上运动,由分离器顶部的排气管排出.通常将分离器的流型分为"双旋蜗",即轴向向下外旋涡和轴向向上运动的内旋涡.这种分离器具有结构简单,无运动部件,分离效率高和压降适中等优点,常作为燃煤发电中循环流化床锅炉气固分离部件.图l蜗壳式旋风分离器示意图蜗壳式旋风分离器的几何尺寸皆被视为分离器的内部尺寸,指与气流接触面的尺寸.包括以下九个(见图1):a)旋风分离器本体直径(指分离器简体截面的直径),D;b)旋风分离器蜗壳偏心距离,; c)旋风分离器总高(从分离器顶板到排灰口),H;d)升气管直径,D;e)升气管插入深度(从分离器空间顶板算起),s;余热锅炉2007.4f)入口截面的高度和宽度,分别为a和 b;g)锥体段高度,H;h)排灰口直径,Dd;2.1旋风分离器中的气体流动图2为一种标准的切流式筒锥形逆流旋风分离器的示意图,图中显示了其内部的流态状况.气体切向进入分离器后在分离器内部空间产生旋流运动.在旋流的外部(外旋升气管涡),气体向下运动,并在中心处向上运动 (内旋涡).旋风分离器外部区域气体的向下运动是至关重要的.因为,依靠气体的向下运动,把所分离到器壁的颗粒带到旋风分离器底部.与此同时,气体还存在一个由外旋涡到内旋涡的径向流动,这个径向流动在升气管下面的分离器沿高度方向的分布并不均匀.轴向速度切向速度/图2切向旋风分离器及其内部流态示意图图2的右侧给出了气流的轴向速度和切向速度沿径向位置的分布图.轴向速度图表明气体在外部区域沿轴向向下运动.切向速度图表明气体在内部区域沿轴向向上运动. 轴向速度在中t2,线附近常常存在一个滞留区域,有时甚至出现气体轴向速度是向下的. 切向速度分布类似于兰金涡:外部的准自由涡(无摩擦流体的旋转运动,其涡流运动中的切向速度使得流体微元在所有径向位置上的动量矩相同)和内部的准强制涡(涡流内各点有相同的旋转角速度,就像刚体旋转一样).对于径向速度沿径向的分布规律,我们面面知道并不太多.一般来说,径向速度要比切向速度小得多,且很难精确测定.但升气管下口以下的径向速度通常是由外向内,但沿高度方向的分布是不均匀的.而且,升气管下口附近的向心径向速度最大,这与气体的二次流动有关.旋风分离器凹壁附近的旋流本身是不稳定的流动,因此旋流运动引起的压力梯度将造成旋风分离器内壁产生"二次流".静态压力沿旋流的外部区域是增加的.从顶板一直到下部的锥体整个壁面的边界层内部都存在压力梯度.另一方面,由于该边界层内的切向速度较低,其结果是在器壁附近区域的12余热锅炉2007.4气团存在向心的合力,于是沿旋风分离器顶板到锥体壁面出现图3所示的内流动.因此,这个向心的合力,是由器壁和气团之间的摩擦阻力来平衡.在顶板附近流动的气体沿升气管外壁向下流动.这就造成了升气管下口末端的径向速度增加,这常称为"升气管末端短路流", AiQ约占整个气团的10%.随着升气管的长度变短,比例还会提高.实验研究表明,除了以上边界层的二次流动外,在旋风分离器的涡核处还存在类似"面包卷"形状的二次流态.这种流态会使颗粒在旋风分离器内做循环运动.图3旋风分离器内气体运动三维示意图 Linden最早通过实验测量了旋风分离器内气体运动时的三维速度,即切向,径向和轴向速度.(1)切向速度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.排气管以下任一区域段上切向速度沿半径的变化规律可分为三个区域,靠近旋风分离器壁面为工区,切向速度Vow为常数,通常称为自由旋流区.图3所示分离器中,…一一一V.win:=一Ain一ab式中,Q是进入旋风分离器的流量;其余参数见图3所示.矩形入口旋风分离器的入口收缩系数 a:—一{一?+【(—{一)一—{一]/)t—)-一.一0.5D—R'c是旋风分离器入口气固两相流中的颗粒质量与气体质量的比值.在旋风分离器中心到"最大切向速度面",即排气管下部的中心区域,通常称为强制旋流区(?区).它类似刚体旋转运动, 其切向速度与旋转半径r之比为一常数, 即v0esr,=常数,此常数为角速度co.余热锅炉2007.4l3计算内旋涡半径Rcs处的气体切向速度, 其表达式为:(R/R)一式中,AR为有摩擦力存在的旋风分离器内部总面积,它包括顶板,简体和锥体表面以及升气管的外表面.AR=AD0f+Ab.1+Ac.+k :?【R2一畦+2II(H—Hc)+(R+lid)?曜+(R—lid)+2RxsJ是气体的几何平均旋转速度,它取决于近壁处的旋转速度和内旋涡的旋转速度V0cs.Muschelknautzt和Trefz定义旋风分离器雷诺数为:RiRiVp式中,p和分别表示气体的密度和绝对粘度;V0m是气体的几何平均旋转速度,=?vewv.c8,在大多数度情况下,式中 (v/v8rn)项是小于l的量,可以省略.这对于ReR值远远大于2000的工业用旋风分离器而言是可行的.在工区与?区之间气体的旋转则表现为另一种性质.通常称为半自由旋流区(II 区),其切向速度分布规律为v.rn=常数. 无损失时指数n为l,而刚体转动指数n为一l.在II区由于气体与器壁之间的摩擦产生一定的损失,在低浓度和光滑的器壁测得 n介于0.5,0.8之间,但在循环流化床锅炉的高浓度下并非如此.Mexander给出n的经验公式:,个,0.3n=l一(1一o.67D~?H)?{l,0, 式中,旋风分离器直径D的单位为m; 温度T为热力学温度,单位为K;T0为室内温度,283K.由于没有考虑器壁摩擦与入口浓度对旋流强度的影响,公式计算的n值偏低,影响 n值的因素是很复杂的.n与Re有关,Re 越大n值越趋近于l.最大切向速度面的位置,即强制旋流的半径主要取决于排灰管下口半径.经实验证明,与实际测定结果接近.(2)径向速度径向速度远远小于切向与轴向速度,大部分是向心的,只在中心涡核才有小部分的向外的径向速度.CS柱面是位于升气管下面,直径等于升气管的直径,长度止于分离器内表面的一个柱体.假设忽略器壁附近的径向速度,同时假设在CS柱面上的径向速度是均匀分布的,则有:llnJv(R)J;VrCS=式中,D是升气管的直径,也是CS柱面的直径;Hc.是CS柱面的高度;v(Rx) 是CS柱面的平均径向速度,绝对值为vrCs. 实际流动中,径向速度沿CS不是均匀分布的,分布十分复杂且不易测量.在升气管下口附近有一个径向向内的"短气流". 一部分气体在高度为Hc.,直径为D的假想简体上部区域短路进入升气管.这种现象是导致分级效率呈现非理想s形曲线分布的原因之一.柳绮年认为旋风分离器的径向气流速度分布是非轴对称的,尤其是锥体下部, 自然旋风长停止点处,靠近排灰口附近,有较明显的"偏流".此外,径向速度也不是均匀的,尤其在排气管下口附近,径向向心速度很大,有时甚至高达5,10m/s,出现 "短路"现象.这个气流会把颗粒拽到中心向上流动,很快进入排气管,对分离不利. (3)轴向速度轴向速度的分布也很复杂.在分离空间内,一般可将气流分为外侧下行流和内侧上行流两个区域.上下流的分界点与分离器的形状有关.在圆筒体部分,此分界面近似呈14余热锅炉2007.4圆柱形,其半径一般要稍大于排气管的半径.外侧下行流的流量沿轴向向下逐渐变小,约有15%,40%会进入排灰口.大部分气体是径向通过轴心逐渐变成向上的内旋涡流.在排灰口附近,分离出颗粒的气体还会通过中心返回旋风分离器.被分离下来的颗粒还会带回分离器,这也对分离不利.外侧向下的轴向速度一般总是大于颗粒的终端沉降速度,所以旋风分离器不是垂直放置也可以JI颐币0}jF灰.器壁表面的轴向速度Vzw::,R:,~/-R-xxR一丁亡(R—R2m)'一2.2旋风分离器中的颗粒流动循环流化床锅炉进入旋风分离器的颗粒浓度一般很高.当入口浓度co大于极限入口浓度c0L时,进入分离空间的颗粒超出极限浓度部分在进入旋风分离器时立即被甩到器壁上,以沉降的方式下行;而气体携带的那部分颗粒受到方向向内的阻力和方向向外的离心力作用,将在内旋涡流动中按照其粒径分布进行离心分离.因此,可以将旋风分离器的分离过程划分为沉降分离和离心分离两个过程的串联.coL=0.025《)?(10co)式中,X50为切割点粒径;Xmed为颗粒的质量平均粒径;当co?1时,k=0.15;当co <1时,k=一0.11,0.101nco 颗粒进入旋风分离器后,一部分被捕集,其余逃逸.进入,捕集和逃逸分别用符号M,,M和M.来表示它们的质量.旋风分离器中的颗粒质量平衡关系为:Mf=M.+M.总的分离效率可简单用旋风分离器捕集的颗粒质量与进入颗粒质量的比值来计算:M.,M.M.17瓦叫一一Mf—Me+—Me在工业过程中,总分离效率通常是一个最常用的评价指标.但是,对表征某个具体的旋风分离器本身性能而言,这个指标并不全面.因为它不仅取决于旋风分离器本身, 而且还取决于颗粒的粒径及密度.用分级效率更能全面反映旋风分离器的分离效果. 旋风分离器的分离性能最好用所谓的分级效率曲线(GEC)来表征,它是指在给定粒径或粒径范围的分离效率.对于进入,捕集及逃逸的粉料来说,如果相应的体积或质量密度分布分别是ff(X),fc(X)和fe(X), 则颗粒之间的颗粒质量平衡如下: ff(x)dx=1fc(x)d+(1—1)fe(x)fd =崛(x)=1(x)+(1—1)dF(x)因此,对于小于给定粒径的粉料,通过对上式逐项积分便得到其质量平衡方程: Ff(x)=(x)+(1—17)Fe(x)分级效率定义为,粒径在x—1dx和x +1dx间,被旋风分离器捕集的颗粒与进入颗粒的比值:M.fc(X)dx17利用上面的方程可得:,,(x)1717=1一(1_17)_l_(1-17)如果旋风分离器的分离是一个理想化的陡降切割,则在"临界"或"切割"粒径处的分级效率曲线是一条垂直线.在实际中得到的是一条光滑的s形的分离效率曲线(见图4).切割粒径或x50切割点(常指"dS0 切割粒径")被认为是分离效率等于0.5时的颗粒粒径.余热锅炉2007.4'150550X图4典型的呈S形的分级效率曲线示意图 X50粒径非常类似于普通纱网或筛子的筛孔.所有粒径大于X50的来料将被捕集或都被"截留"下来,而所有粒径小于X50的颗粒都不会被捕集.实际上,筛子本身也呈现某种非理想分离现象,对颗粒粒径不是一个理想化的陡降切割.分级效率曲线在切割粒径附近的陡降度反映了旋风分离器"切割锐度".用分级效率曲线在X50的斜率来表示.颗粒的雷诺数::式中,U啪是圆柱面CS上的切割粒径颗粒的终端速度U,啪-v赢如果ReD约小于O.5,则应用斯托克斯定律计算切割粒径:xso=5.18【RJ上式是在半径为Rx处利用一个简单的, 稳定状态下颗粒阻力与离心力的平衡关系式而得到的.这种情况下,阻力系数的经验公式:,当o.3<Rep<100oc.:当计算的颗粒粒径在斯托克斯范围内时,根据Barth(1956)模型,在圆柱面CS 上,旋转的颗粒所受到的作用力有:向外的离心力pp()和向内的斯托克斯阻力 3碌.在离心力的计算中,气体的密度与颗粒的密度相比可忽略.建立离心力和阻力的平衡方程,Barth关于旋风分离器切割粒径的着名表达式的修正式为: 厂——而一Xso一般在O.9—1.4的范围内.Muschelknautz和Trefz认为大约入口气量的 10%走旋风分离器的短环路,这部分气量沿着旋风分离器的顶板和升气管的外壁以螺旋方式进入升气管而排出.这部分气量一般占入口气量Q的4%16%,平均值是10%, 其余约90%的入口气量Q沿器壁内流动并由外旋涡进入内旋涡.确定切割粒径后,则用Dirgo和Leith (1985)函数来拟合分级效率这个曲线(参见Overcamp和Mantha,1998)有: 1(x)=—ITI常取6.4.()首先按照颗粒粒径分布划分为N个粒度级的质量组分,每个质量组分之和构成了全部颗粒质量;然后用每个质量百分数乘以该组分平均粒径下的捕集效率(分级效率), 分级效率是从分级效率曲线计算而得的.所有N个粒度级组分的总和就得到总效率. 其表达式为:=?r/i?zhMFi,式中,zhMFi是第i个组分的质量百分数.此时旋风分离器的总效率为:r/=(?一)+()i姗;式中,zhMFi是第i组分的质量百分数; r/i是第i粒度级组分的捕集效率. 2.3旋风分离器中的压降在旋风分离器中,当忽略流体摩擦时,16余热锅炉2007.4根据伯努利方程,流场中的静态压力和动态压力是可以转换的.在速度高的地方,静态压力低.反之,在速度低的地方,静态压力高.在实际流动中,由于摩擦的影响,机械能量的摩擦耗散损失将造成伯努利三项式之和沿流动方向减少.根据Muschelknautz模型,旋风分离器 "压降"指的是包括静压和动压之和的降低. 压降分为三部分:进口损失,旋风分离器本体分离空间的损失和升气管内的损失. 在旋风分离器进入通道内气固两相混合物必须从外部的低速区加速运动后,再进入旋风分离器本体中.假定在颗粒和气体之间的"滑移"速度忽略不计,则加速区的损失为::(1+c0)式中,(1+co)p是从加速区vl加速到 v2的气固混合物的密度.旋风分离器本体中的能量损失比较高, 主要是气固两相与器壁摩擦损失和旋风分离器的内部旋转损失造成的.壁面的摩擦损失越大,导致旋流强度越弱.在高含尘浓度的初级旋风分离器中,壁面摩擦阻力引起的壁面能量损失占总压力降的重要部分.气固两相与器壁摩擦损失,即旋风分离器中的损失表示为: ^DfARtO(VOwVOc8)y一2×O.9Q旋转涡核在升气管中的损失:Px:了]如因此,旋风分离器总压力损失是人口加速损失,器壁摩擦损失和旋转涡核在升气管中损失的总和:?P=?Pa+?Pbod+?PMuschelknautz基于实验给出摩擦系数f 的表达式,分为两部分,一部分是纯气流的旋风分离器摩擦系数fair;另外一部分是考虑了粉料影响的摩擦系数fd.总摩擦系数的表达式变为:f=+fdt+o.(是~//t%rp项表示器壁上流动颗粒灰带的堆积密度或器壁上流动颗粒层的堆积密度,它约等于O.3一O.5pbLI1k.k是颗粒静止状态下堆积密度.在缺乏资料时,可以设定p出 =O.4p.为弗劳得数,其表达式为:=—VI,vx是升气管进口气体的表观轴向进口速度.3标准切流式蜗壳,筒锥型旋风分离器设计要点循环流化床锅炉的分离机构必须满足下列几个要求:?能够在高温情况下正常连续工作;?能够满足极高浓度载粒气流的分离,因为进入分离装置的固体颗粒含量可达 550kg/m3;?具有低阻性,因为分离装置的阻力增大势必要提高风机的压头,增加能耗;?具有较高的分离效率,实际循环倍率在很大程度上是靠分离器的效率来保证的; ?能够与锅炉设计的流程相适应,使锅炉结构紧凑,易于设计.我们在设计循环流化床锅炉的旋风分离器时,不但要考虑含固体烟气的温度高,流量大及浓度高的特点,而且其结构还受锅炉柱子距离的限制,不能无限制加大旋风分离器的直径.所以蜗壳式旋风分离器是目前工业应用中常选择的型式.(1)人口设计旋风分离器的切向人口结构有矩形人口和圆管人口两种.由于圆管人口要过渡到旋风分离器筒体的矩形人口,设计时需要增加一个像文丘里流量计(收缩角不超过2l.,余热锅炉2007.417扩散角不超过15.)那样的过渡段,而且长度不能太短,否则导致颗粒的结垢及旋风分离器人口局部区域的冲蚀磨损加剧.所以常选用横截面是矩形的流通人口.这种矩形人口可以与旋风分离器筒体的外壁平齐地结合成一体.如果人口面积相当大或者粉料浓度比较高时,则最好在径向方向增加人口面积.为使人口与旋风分离器本体的外壁光滑地结合在一起,需要逐渐收缩使外半径逐渐过渡到与旋风分离器本体的外径一致,这就是"蜗壳"式人口结构.这种结构又分为圆筒环绕式蜗壳和"对数"螺旋式蜗壳.圆筒环绕式蜗壳分为90~,180.,270.和360~四种,后一种结构制造相对要复杂,所以在循环流化床锅炉中常选用前一种结构中的180. 蜗壳人口结构.这种蜗壳式人口结构紧凑,气流从人口进入到旋风分离器本体内部是一个较平稳的气体动力学过渡过程,同时也对人口高浓度气流中的颗粒提供了一定的预分离空间.在处理大气量时,能避免人口的气流直接冲刷升气管外壁,不但能防止流体流动的湍流扰动和可能产生的冲蚀问题,而且也减小了气流中颗粒对于旋风分离器壁的碰撞,降低了颗粒的反弹和返混.蜗壳式人口结构增大旋风分离器人口半径,导致进入流体的旋转动量增加,旋涡的旋转速度增加,切割粒径减小,同时导致总压力损失的增加.由于受空间和能耗的限制,"蜗壳式" 人口结构不能无限制扩大.由于旋风分离器的磨损与气体速度的四次方成正比,所以工程上设计速度一般在18m/s,26m/s.当处理的颗粒具有高磨损性时,选择过高的人口速度,会急剧增加冲蚀磨损,尤其是对旋风分离器本体或锥体段下部的磨损. (2)旋风分离器长度旋风分离器不能任意长.如果太长,旋涡就会在分离器本体的某一位置结束.这一点称为"自然转折点",或称为旋涡的"端点"或"尾端",而将这一点到分离器升气管末端之间的距离称为自然旋风长(如图5 所示),这一开拓性的工作是由Alexande (1949)来提出的.如果在透明旋风分离器的内壁上存在运动的颗粒,就可以清楚地看到旋涡端部的灰环.直到现在,还不能确定旋涡端点的准确特性.有关文献和旋风分离器研究人员对这一现象解释有以下两种:一是认为旋涡的端部是轴对称的,端部代表一种回流"气泡"运动;另一种观点认为旋涡的端点会附在侧壁上(即旋涡核是弯曲的), 且沿壁面高速旋转(见图5).在液体旋风分离器内,可以很容易观察到这种旋涡旋进现象,而涡核中存在气泡.尽管旋涡可能附在分离器下部壁面和旋转摆动,旋涡并不能在轴向某一点停止,准确地说,应是一个面.该主旋涡会在它的下游诱发一个二次旋涡.这种现象称为流体耦合.Ln图5自然旋风长示意图基于旋涡长度就是有限分离空间长度这一假设,有人会认为自然旋涡长度可以等同旋风分离器的实际长度,实际不全对.实验结果表明当旋涡端点位于筒锥形旋风分离器的锥体段时,有效长度减少引起的分离性能18余热锅炉2007.4下降要比预想的大得多.所以应避免旋涡端部位于锥体上.当旋涡位于分离器的底面时,这个平面的固体颗粒存在明显的返混现象,当然也影响到旋风分离器的切割直径. 除了对分离性能有不利影响外,旋涡端部在旋风分离器内也会引起结垢和堵塞现象,因为固体颗粒在旋涡端部以下位置的运动减弱.当进入旋风分离器内部时,可以确定旋涡端部的位置.如果在壁面,则会发现沿分离器的锥体或简体段出现壁面沉积物, 或抛光环或磨成环形沟槽,当然这与粉料的磨蚀性有关.磨损严重时会损坏旋风分离器的下部.旋涡端部的位置是难以通过模型进行分析确定的.到现在为止,最着名的计算自然旋风长的公式是由Alexander提出的: Lri=2.3Dx()Btitmer(1999)认为上式主要适用于直径很小的旋风分离器.当旋风分离器的直径为几米和整个雷诺数范围内如何确定旋涡末端位置仍然没有解决.旋风分离器长度是如何确定的,现在还不能给出一个一般性的回答.各个厂家选择也不一样.旋风分离器长度的选择是在可靠性(旋涡不应该在器壁上终止)和分离性能之间的一个折衷.在其他情况相同时,增加旋风分离器长度将能逐渐提高分离性能并降低压降.Maclean等人申请的专利(1978),声称使用这个长度的优点是使分离性能更好和磨损更小.旋风分离器最优设计长度为: :一1.09_/~1.X+4.49U^|n式中,Ax和Ai分别是升气管和烟气人口的横截面积.(3)升气管设计在旋风分离器的顶部设有升气管,它是一个简单的空心圆筒体,与外面的旋风分离器简体同心,它的内插长度大约延伸至人口中部左右.其作用是将分离后的"干净"气体从旋风分离器顶部排出,然后排人尾部的竖井烟道中.由于旋风分离器的切割直径和压力损失与升气管的直径密切相关,它常常被称为旋风分离器的核心参数.一般情况下是把升气管的长度延伸到人口的中部位置.这种升气管的优点是升气管短,制造费用较少,重量轻,通过旋风分离器切向人口检查和维修比较方便;由于升气管短,对升气管与旋风分离器顶板连接的焊缝所施加的应力较小;也会使总压力损失稍微减小.但是升气管插入长度是人口高度的一半,或者更小,一部分气固流体将从人口直接进入升气管走"短路",使旋风分离器的分离性能下降.反之,如果把升气管延伸到人口底板,关于费用,重量,检查的容易性,应力,压力损失和"短路"等一系列问题将产生与上述刚好相反的结果.由于绕升气管的流动气体将对升气管产生冲击,并引起升气管的侧向振动.在升气管与旋风分离器顶板连接的圆周部位,这个振动能导致疲劳裂缝.裂缝将造成气体"短路",即直接从旋风分离器顶板排出.如果不及时解决, 则会导致升气管与顶板的完全开裂,并掉人旋风分离器的底部.把升气管设计成下小上大的锥形结构, 可以把净化的气流的一部分旋转能量转换为静压力.基于Muschelknaum—Brunner (1967)提供的数据,采用这种结构,内旋涡压力损失减少15%,20%.(4)旋风分离器的磨损当旋风分离器分离煤,砂,飞灰,焦等磨蚀性颗粒时,磨损是造成非计划性停炉的主要原因之一.所以侵蚀磨损是工厂运行和维修部门最关心的问题.。
循环流化床锅炉高温旋风分离器设计
摘要在循环流化床锅炉里，通常将旋风分离器布置在锅炉炉膛出口，以便将高温烟气流中的热固体物料分离下来进入回料阀进入炉膛继续循环，以便保证炉膛内一定的灰浓度同时也提高了燃烧效率。
现在我国大部分旋风分离器都是根据烟气量计算出旋风分离器筒体直径后，通过设计手册确定各部分尺寸，但这种设计方法针对性差，实际分离效果不能满足要求。
针对这问题，本设计以130t/hCFBB旋风分离器的设计为例，通过对压降损失和分离效率的计算，筛选出最佳的分离粒径，以该粒径为参考，确定旋风分离器各部分的尺寸关系并最终计算出各部分的尺寸，完成旋风分离器的设计。
通过本设计的设计思路和方法，可有效地提高分离效率，为循环流化床锅炉的稳定运行提供了保障。
关键词：高温旋风分离器；分离效率；压降损失；尺寸计算AbstractCyclone plays an important role in circulating fluidized bed.In the circulating fluidized bed boiler,Usually arranged in the boiler furnace cyclone export to the high temperature gas stream down into the thermal separation of solid materials into the furnace return valve to cycle in order to guarantee a certain degree of gray levels within the furnace also increases combustion efficiency.Now most of our cyclone are calculated according to smoke after the cyclone cylinder diameter,through the various parts of the design manual to determine size,but targeted poor design, the actual separation can not meet the requirements.To address this problem, The design makes 130t/hCFBB cyclone design for example,On the calculation of the pressure drop and separation efficiency, then select the best particle size, To the diameter of reference to determine the relationship between the size of various parts of cyclone and finally calculate the size of each part to complete the design of cyclone.Through the design of design ideas and methods can effectively improve the separation efficiency, sTab operation of circulating fluidized bed boiler to provide a guarantee.Key Words：high temperature cyclone separator；separation efficiency；pressure drop；size calculation目录前言 (1)1 绪论 (2)1.1 循环流化床锅炉的发展趋势及其所带来的技术难题 (2)1.1.1 国内外循环流化床锅炉发展 (2)1.1.2 循环流化床锅炉大型化的技术难题 (4)1.2 循环流化床分离装置的发展 (4)1.2.1 循环流化床分离装置的分类 (4)1.2.2 分离器的发展及应用 (5)2 旋风分离器的发展及应用 (11)2.1 旋风分离器的结构及工作原理 (12)2.2 旋风分离器气粒两相运动研究的进展 (12)2.3 旋风分离器的分离机理 (14)3 旋风分离器内气流运动概况分析 (16)3.1 颗粒的沉降速度和离心分离速度 (16)3.2 旋风分离器内气流流动概况 (19)3.3 极限粒径 (22)4 压降和效率的计算方法 (27)4.1 压降 (27)4.1.1 压降的影响因素 (27)4.1.2 压降的计算 (27)4.2 效率 (29)4.2.1 表示方法 (29)4.2.2 效率的计算方法 (30)5 结构尺寸的确定 (33)5.1各部尺寸关系 (33)5.1.1 进口管 (33)5.1.2 排气管 (35)5.1.3 筒体直径 (36)5.1.4 圆柱体长度 (36)5.1.5 圆锥体 (37)5.1.6 集灰斗 (37)5.1.7 旁室 (37)5.2 尺寸计算 (38)5.3 小结 (39)6 影响分离性能的因素 (40)7 结论 (41)致谢 (42)参考文献 (43)附录A (44)附录Ｂ (53)前言随着经济发展，石油、煤炭等一次能源消耗量不断增加，储量急剧减少，全世界都面临着能源危机。