缩放型入口对石膏旋流器分级效率的影响分析

闫 亮

（中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司，山西 太原030001）

石灰石／石膏湿法烟气脱硫是目前最成熟、应用最广泛的烟气脱硫技术，具有脱硫效率高，可靠性高，可利用率高，对煤种的适应性广等特点[1，2]。石膏旋流器是湿法烟气脱硫系统的重要部件，主要对质量浓度为10%~15%的石膏浆液进行浓缩和颗粒分级。

入口段的结构形式直接影响旋流器的工作性能，不同的入口结构在处理能力、分离效率、能耗等各方面都有显著差异。本文提出一种缩放型入口，用以改善旋流器的工作性能。

1 缩放型入口的提出

图1为两种不同形式入口管的结构简图，从图中也可看到颗粒的分布情况。图1（a）是最常见的矩形入口结构，入口段与柱段相切，沿介质运动方向管道横截面积不发生变化，文中称为直管；图1（b）为缩放型入口，该入口段的外表面1仍与旋流器柱段相切，管道横截面为矩形，沿介质运动方向，横截面积先减小后增大。两个入口段的初始位置以及与柱段相交处的管道宽度都为L.入口为直管时，不同粒径石膏颗粒在管道内随机分布，并以此状态随液相水一同进入旋流器柱段，随后进行预分离[3]。

采用缩放型入口时，石膏颗粒在渐缩段内仍然是随机分布，随着管道截面积的减小，浆液速度增大，且运动方向沿渐缩面2发生倾斜。进入渐扩段后，粗颗粒会保持之前的运动方向，向外表面1附近集中，进入旋流器主体后分布在柱段的外围区域；而细颗粒由于受到惯性作用较小，其运动方向受渐扩面3的影响发生改变，与粗颗粒发生分离并汇集在渐扩面3附近，进入旋流器主体后分布在柱段的内圈。

2 数值模拟

2.1 湍流模型

基于水力旋流器内部流体为强旋湍流，湍流结构具有明显的各项异性，本文采用RSM雷诺应力模型进行液相湍流流场的计算。

2.2 DPM模型

在连续相流场收敛后，加入DPM（离散相模型）离散相模型，对颗粒的运动轨迹进行追踪。

（1）进口条件：石膏颗粒密度为2 300 kg/m3，按粒径不同分为 7 组：2.5、7.5、12.5、17.5、22.5、27.5、35（μm）.

（2）溢流管边界条件：逃逸escape.

（3）底流管边界条件：捕捉trap.

（4）筒壁边界条件：认为颗粒运动到壁面时服从镜面反射原理，以此对颗粒的下一点位置和速度参数进行计算。

3 结果与讨论

表1为入口速度v=5 m/s时，两种入口结构下不同粒径颗粒的追踪结果。其中：number tracked为入口处捕捉到的颗粒数目；number escaped为从溢流口逃逸的颗粒数目；number trapped为从底流口捕捉到的颗粒数目。

表1 不同入口结构下石膏颗粒分离情况（v=5m/s）

入口为直管的情况时，2.5μm颗粒从底流口流出的数目多于从溢流口流出的，说明该结构对细颗粒的分离效果较差，这会影响石膏浆液的二级脱水，另一方面会影响脱水后的石膏品质[4]。

缩放型入口由于对粗细颗粒进行了初步分离，降低了被粗颗粒携带的细颗粒比例，因此从溢流口流出的细颗粒明显增多，但12.5μm颗粒的分离效率有所降低，这和流速以及缩放比例有一定的关系。

水力旋流器的分级效率是指悬浮液多分散性固相颗粒群中各级粒度颗粒的分离效率（或各级粒度颗粒的底流回收率）[5]。

根据模拟结果，分级效率 G（dx）可由公式（1）计算得出：

图2为不同入口结构、不同速度下石膏旋流器的分级效率曲线。可以看出，入口为直管，入口速度v=8m/s时所有颗粒的分离效率都最高，这说明对于石膏旋流器，增大速度反而使分级性能变差。对于缩放型入口结构，不论入口速度如何，2.5μm与7.5 μm颗粒的分级效率降低了10%~20%左右，并且还能满足粗颗粒较高的分离效率，说明缩放型入口对来流速度（工作压力）有良好的适应性，更适合工作压力多变的石膏旋流器。

图2 不同粒径石膏颗粒分级效率曲线

4 结束语

（1）缩放型入口可实现粗细颗粒的初步分离，为石膏旋流器柱段及锥段的分离建立了良好的基础；

（2）缩放型入口结构能增大细颗粒从溢流口流出的比例，一定程度上减轻了“底流夹细”现象；

（3）缩放型入口对石膏旋流器工作压力的变化有更好的适应性。

[1]严祯荣，耿丽萍，杨 茉，等．WFGD水力旋流器中石灰石颗粒分级试验与数值模拟[J].热能动力工程，2010，25（3）：321-325．

[2]黄 军，安连锁．溢流口结构对石膏旋流器分离性能的影响[J].动力工程学报，2011，31（2）:137-141.

[3]KraipechW，Nowakowskik A，Dyakowsk T.An Investigation of TheEffectofTheParticle-Fluid and Particle-Particle Interactions on The Flow within A Hydrocyclone[J].Chemical Engineering Journal，2005，（111）:189-197.

[4]黄 军，安连锁，杨 阳，等.结构参数对石膏旋流器分股比的影响分析[J].动力工程学报，2011，31（9）:678-681.

[5]沈国清，杨亚龙，安连锁，等.石灰石-石膏湿法脱硫系统石膏旋流器分级效率的研究[J].动力工程学报，2012，32（8）:639-645.