蜗壳式旋风分离器的原理与设计Word文件下载.docx
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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2007.4
f)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"
Ai
Q
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A
in
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)
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,0.3
n=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:
lln
Jv(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
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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-
xx
R一
丁亡(R—R2m)'
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&
lt;
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)dx
17
利用上面的方程可得:
,(x)
1717
=
1一(1_17)
_l_
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