粉煤灰分选系统旋风分离器的串并联工艺分析

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摘要：粉煤灰分选是火力发电厂粉煤灰综合利用的重要组成部分，是减少废固排放，实现循环经济的关键工艺之一。旋风分离器是粉煤灰分选工艺中主要的收尘设备，关于其采用串联或并联工艺的争论由来已久，本文意在通过详实的理论分析，探究两种工艺的优缺点。

关键词：粉煤灰 分选 旋风分离器 串并联

中图分类号：TU522.3+5文献标识码： A 文章编号：

粉煤灰分选工艺是火力发电厂粉煤灰综合利用的一种重要工艺，燃煤锅炉除尘器收集的粗灰，经过分选系统处理后成品为满足Ⅰ、Ⅱ级的标准粉煤灰，进而实现综合利用。旋风分离器是粉煤灰分选系统中用来捕集由分级机分选出来的细灰的一个收尘设备。当含尘气流从进口以一定速度切向进入旋风分离器时，气流由直线运动变为圆周运动。旋转气流的大部分沿外筒内壁作螺旋向下朝锥体运动，通常称此为外旋气流。由于粉尘颗粒的质量远大于气体，所以具有较大的离心力，在随外旋气流运动时逐渐被甩向筒壁，然后在重力作用下螺旋下降，并从锥体出口排出。下旋气流进入锥体后逐渐加速，中心负压增大，在锥体某一位置，主气流进入锥体中心，并以相同旋转方向反转成向上的螺旋运动，直至从内筒出口排出，少量被夹带的和入口处因短路而直接进入内筒的颗粒也同时随洁净气流排出。旋风分离器的捕集效率直接影响细灰产量和整个分选系统的效率，它的耐磨性能也直接影响分选系统的正常运行。因此设计和制作一台先进的高效耐磨分离器，是粉煤灰分选系统设计制作中非常重要的一环。为了解决大处理量分选系统中旋风分离器的效率和磨损，提出了两台旋风分离器串联和并联运行的问题，下面就串联和并联工艺谈一些看法。

1、影响旋风分离器捕集效率的因素

1.1临界分离粒径（被分离的颗粒最小极限粒径或100%被分离粒径）

下面引入被世界各国学者公认且普遍采用的临界分离粒径公式

a.罗辛―勒姆拉（Rosin、Rammler）公式

1932年，Rosin、Rammler等人根据旋风分离器转圈理论，得出的临界分离粒径的公式是：

（1）

式中：μ―空气动力粘度，kg/m.s ；

Lw―气流总宽度（ 等于进口宽度b），m ；

ui―气体进口速度，m/s ；

Nc―气体的旋转圈数；

ρp、ρa―分别为颗粒和气体的密度，kg/m3 。

b.西菲尔德―拉普耳（Shepherd、Lapple）公式

1940年，按转圈理论，并取速度指数n=0.5，内旋气流半径等于0.7倍内筒半径，即r0=0.7r,提出的公式是：

，m（2）

式中：d―内筒外径，m 。

从式（1）和式（2）可知，临界捕集粒径与入口风速ui和转圈数NC的0.5次方成反比(即气固分离效率与入口风速ui和转圈数NC的0.5次方成正比)，与内筒外径d或进口气流宽度LW的0.5次方成正比（即气固分离效率与内筒外径d或进口气流宽度LW的0.5次方成反比）。换言之，入口速度越高，临界捕集粒径越小；转圈越多临界捕集粒径越小；内筒外径越小，捕集粒径也越小。通常转圈数NC≤7，入口速度ui≤30m/s，所以对一般密度ρp=0.5～7.0 g/cm3的粉粒体，临界分离粒径大约在5μm～2μm左右。当颗粒粒径dp≤5μm时，由于质量小，离心力很小，不足以克服中心上旋气流负压引起的曳力而被吸入，并从内筒排出。理论上对小于临界捕集粒径的颗粒捕集效率为零，而对大于临界捕集粒径的颗粒捕集效率为100%。实际上由于粉粒体的凝并（细小颗粒吸附在一起凝并成较大颗粒）和夹带（大颗粒中夹杂有小颗粒）效应，大量小于临界捕集粒径的颗粒也会被捕获，捕集效率不可能为零。而大于临界捕集粒径的颗粒由于壁面的反弹、排灰口内旋气流的二次扬尘也会将其带入内旋流从内筒排出，所以捕集效率不可能为100%。

结论：对于任一组粒子群，临界分离粒径越小其颗粒捕集效率越高，从式（1）和式（2）也可以得出如下结论：旋风分离器入口速度越高、转圈越多、内筒外径越小（内筒外径与外筒内径是有一定比例要求的，内筒外径小，相应外筒内径也小）旋风分离器的捕集效率越高。工程应用中，也不能无限制的提高旋转圈数和旋风分离器入口速度，因为旋风分离器的阻力与旋转圈数成正比、与入口速度平方成正比、磨损与速度三次方成正比，过高的旋转圈数和入口流速度，将会造成整套工艺系统的运行阻力和设备磨损都大大增加。

2、旋风分离器的串联运行

从上述影响旋风分离器效率的因素分析可以看出，若两台相同的旋风分离器串联运行，第1级旋风分离器捕集不到的的颗粒，第2级仍然捕集不到，所以第2级旋风分离器的捕集效率几乎为零。如果第二级旋分离的直径小于第1级或旋转圈数大于第1级，更细一些的颗粒会被收集少部分，这种配置方式则不如直接废除第1级旋风分离器，选用第2级旋风分离器为好。

如果旋风分离制造质量很高，外筒、内筒、锥体三者在同一轴线上，外筒内壁光华无任何凸起处，第2级旋风分离器效率几乎为零（这在国内某大学流体工程实验室已得到证实）。在工程实际应用中，由于旋风分离器的制造质量（特别是外筒内壁的光滑度，外筒、内筒及锥体中心的同轴度无法保障）、安装质量都会影响旋风分离器的捕集效率，通过第1级旋风分离时，假定某粒子在沿外筒内壁作旋转运动时碰到不光滑内壁凸起物，被凸起物反弹进入气流中心被带出，在第2级旋风分离器被捕集，这样，两级串联的效率会稍稍高于1级的效率，然而2台旋风分离器的造价比1台高1倍，阻力也增加1倍，运行维护和能耗都会增加，依靠2级串联所增加的微不足道的这一点效率，是得不偿失的。

前已述及：旋风分离器的捕集效率与其进口速度（也是气流在旋风筒内的切向速度）、气流在旋风分离器内旋转圈数、外筒内径有关。提高进口速度虽然能提高旋风分离器的捕集效率，但速度不能无限制提高，因为阻力与速度平方成正比，与磨损的三次方成正比，工程应用中，一般不允许超过30m/s，通常按24～25m/s设计。

比如某分选工程设计工况风量48000m3/h，要维持进口速度为24m/s，若选1台旋风分离器，则应选外筒内径1680mm的Ⅰ型旋风分离器，进风量48000m3/h，进口速度为24m/s；若选两台旋风分离器并联运行，则应选外筒内径1420mm的Ⅱ型旋风分离器，进风量24000m3/h，进口速度为24m/s。很显然2台Ⅱ型旋风分离器的并联运行，其捕集效率远大于采用1台Ⅰ型旋风分离器或采用两台Ⅰ型旋风分离器串联运行的捕集效率高得多。这是因为旋风分离器的分离机理就是离心分离、重力收集。粒子获得的离心力越大越易分离。

式中：

F：粒子在旋风分离器所获得的离心力

m：临界粒径粒子的质量

v：气流在旋风筒内的切向速度

r；旋风分离器外筒内壁半径

上述公式可以看出，当m及v一定时，离心力F只决定于旋风分离器的半径，半径小的离心力大，捕集效率也高。所以直径小的旋风分离器的捕集效率远高于直径大的旋风分离器的捕集效率。

若选择2台Ⅱ型旋风分离器串联运行，虽然捕集效率略有提高，则流速增加1倍，阻力增加4倍，磨损增加8倍，这是不可取的。

若选择4台Ⅱ型旋风分离器，两两串联，再两组并联，虽然捕集效率略有提高，但造价增加1倍，阻力也增加1倍。也是不可取的。

3、旋风分离器的并联运行

由旋风分离器的收尘机理可知，当处理风量增大时，为了不使阻力增加，必须加大入口面积，增大入口面积后，若圆筒直径不变，则内旋气流的形成受阻，气流无法顺畅地从内筒排出，并破坏外旋流场，严重影响捕集效率。特别当入口宽度超过内外筒的间距时，入口气流直冲内筒（指切向入口的分离器），此时旋转流场无法形成，也就无法实现气固分离。为此，在风量超过规定的入口风速时，必须按一定的比例同时增大入口面积、外筒和内筒的直径。在增大外筒直径的同时，捕集效率也会下降（因颗粒离心力变小）。例如：外筒内径为600mm，入口速度在18m/s时的捕集效率是92%，而外筒内径为1600mm，在相同入口速度下，捕集效率只有85%（因颗粒离心力变小）。为了解决大处理风量时有较高的捕集效率，就出现了多管旋风分离器，实际上它是由多级相同直径的小旋风分离器并联而成的。按道理说，这么小的单管旋风分离器，其捕集效率可达到99%，但事实上多管旋风分离器的总效率无法超过90%，一般只能达到85%左右。究其原因，是每个旋风分离器的入口风量分配不均，造成某些旋风分离器的风量大、效率高，而某些旋风分离器的风量很小，效率很低，使总体效率大大低于单个。因此，近年来，随着高效单筒旋风分离器处理风量的提高，多管旋风分离器除在高温除尘系统还有使用外，在一般的气固分离系统中应用已越来越少。但为了解决大处理风量时有足够高的捕集效率，工程上采用双筒并联运行仍为多见。在粉煤灰分选系统中，原灰处理量大于35吨/时的系统，处理风量在30000m3/h以上时，若采用单筒旋风分离器，圆筒直径要大于1.6米，高度可能超过6米，效率难于达到90%。为此，采用双筒并联是可取的。考虑制作、运输和安装方便，并获得更高的捕集效率和系统分选效率，处理风量大于20000米3/时的分选系统均可考虑采用双筒并联运行的方案。

综上所述，双筒旋风分离器并联运行的优点是：

1）解决大处理风量时旋风分离器的捕集效率偏小的问题，可提高细灰产量和系统的分选效率。

2）降低了圆筒直径和总体高度，便于制作、运输、安装和空间布置。

3）不改变系统的总压力损失，系统布置简单。

使用双筒旋风分离器并联时必须注意的几个问题：

1）两个旋风分离器的处理风量必须均匀，否则会影响总体捕集效率。

2）两个旋风分离器的进口直接与分级机的两个排风口对接时，两路管道的特性必须相等，即连接管道的形状、长度必须对称。否则，会影响总体捕集效率。

3）制作时，两个旋风分离器的尺寸误差应尽量小，耐磨措施必须相同，即必须保证对称。否则，会影响总体捕集效率。

参考文献：

[1]岑可法.气固分离理论及技术.浙江大学出版社.1999.03