IGCC粗煤气除尘用径向进口旋风分离器的性能研究*

谢 嘉 李秋萍 都丽红 徐永杰 汪 焰 程建伟

(上海化工研究院)

IGCC粗煤气除尘用径向进口旋风分离器的性能研究*

谢 嘉**李秋萍 都丽红 徐永杰 汪 焰 程建伟

(上海化工研究院)

针对IGCC特定的工艺条件，开发了一种新的JLX型径向进口旋风分离器，并采用滑石粉和粉煤灰作为试验物料，通过冷态试验考察了其压降和分离性能。结果表明：分离效率随着进口浓度的增加而升高，但当进口气速较大时，分离效率随着进口浓度的增加而降低；当排气管下口直径比为0.375、进口气速为25m/s、进口浓度为10g/m3时，对滑石粉分离效率可达到99%，对粉煤灰分离效率可达到97%。对粒径10μm以上的粉煤灰粉尘颗粒，JLX旋风分离器基本都脱除。

旋风分离器 IGCC 粗煤气 分离效率 粒级效率

整体煤气化联合循环(Integrated Gasification Combined Cycle，简称IGCC)发电系统是将煤气化技术和高效联合循环发电相结合的先进动力系统[1]。用于IGCC发电的粗煤气，对煤气净化度要求很高，因为在中等进气温度下，粒径大于5μm粒子的磨蚀和小于2μm粒子的沉积会对燃气轮机的叶片产生巨大危害。为了确保燃气轮机等长时间平稳运行，避免出现少量的煤尘微粒和有害气体对高速旋转的燃气轮机叶片的冲蚀和腐蚀，必须在粗煤气进入发电设备之前将其中的杂质脱除[2]。

目前IGCC系统粗煤气除尘工艺较常用的是常温湿法净化系统，一般包括一级干式粗除尘，再加一级湿式洗涤除尘器精除尘。使用干式除尘器的目的一方面是粗除尘，另一方面是有利于收集飞灰，并使飞灰再循环至气化炉，提高碳转化率。

旋风分离器结构简单，操作和投资成本低，是最理想的煤气初步净化设备。但是传统的旋风分离器顶部一般为平顶板，且进气管为矩形的切向进气结构，存在多处直角焊缝，严重影响了旋风分离器承受较高的压力和温度载荷的能力[3]，所以常规旋风分离器的操作压力一般小于0.5MPa，而IGCC发电系统粗煤气操作压力为2～4MPa。因此，针对IGCC特定的工艺条件，需要开发既有良好机械强度，又有良好分离性能的适用于高温、高压的旋风分离器。笔者通过冷态试验对自行开发的JLX型径向进口旋风分离器的分离性能进行了研究。

1 试验装置及流程

试验用JLX型径向进口旋风分离器(图1)采用有机玻璃制作，筒体直径200mm。其特点是采用圆形进气管径向进气，顶部采用拱顶结构保证机械强度，同时在排气管管壁外侧设有防冲蚀导向挡板和多层螺旋导流叶片，通过螺旋导流叶片的导向作用使气流旋转，从而实现气固分离。通过采用径向进气管，避免了切向进气旋风分离器较难承受高温高压工况的缺点，同时降低制造费用；通过导向挡板和多层螺旋导流叶片，引导和强制气流进行螺旋运动，防止过早轴向运动[4]。

图1 JLX型径向进口旋风分离器简图

试验流程如图2所示。采用负压操作，物料通过振动加料器加入管道使其均匀分散到常温空气中，含尘气体通过圆形进气管进入旋风分离器，通过螺旋导流叶片的导向作用使气流发生旋转，从而实现气固分离。经旋风分离器分离净化后气体通过引风机排空，分离下来的物料落入下方密闭可拆卸灰斗中，将灰斗中物料称重，同时在出口管远离上下游弯管处设置采样装置以采集含尘气样。

图2 JLX型旋风分离器试验流程示意图

进口浓度由振动加料器自带的控制器进行调节，进口气速由风机变频器进行调节。旋风分离器压降采用U形管压差计测量，操作风量采用涡街流量计测量，原始物料和进出口收集的颗粒采用激光粒度仪进行粒度分析。试验物料采用325目滑石粉和粉煤灰两种物料，粒径分布见表1。首先采用滑石粉进行试验，在较优的操作条件下再采用粉煤灰进行对比试验。滑石粉密度为2 700kg/m3，中位粒径为14.75μm。粉煤灰是燃煤电厂的电除尘器捕集下来的飞灰，中位粒径为5.61μm。

表1 原料粒径累积分布

2 结果与讨论

考察旋风分离器的性能指标主要有压力损失和分离性能指标。其中分离性能指标包括分离效率和粒级效率。

压降的理论推导尚无可靠的方法，一般都是依靠试验数据来归纳经验公式。旋风分离器的能耗可用阻力系数来评价，定义为旋风分离器的压力损失与进口动压头之比，计算旋风分离器的压力损失的经验公式和阻力系数的计算公式为：

(1)

(2)

式中 Δp——设备压降，Pa；

ρ——空气密度，kg/m3；

v——进口平均气速，m/s。

旋风分离器的分离效率采用重量法计算：

(3)

式中Mc——灰斗收集的粉尘质量，kg；

Mi——单次试验的粉尘加料量，kg。

原料和各级收料的粒径分布采用激光粒度仪进行测定，第i个和第i+1个粒径中间的分级效率计算公式为[5]：

(4)

式中Fe(xi)——排气口粉尘第i个粒径的累积分布；

Fe(xi+1)——排气口粉尘第i+1个粒径的累积分布；

Ff(xi)——原料粉尘第i个粒径的累积分布；

Ff(xi+1)——原料粉尘第i+1个粒径的累积分布。

2.1压降

在纯气流条件下测定不同排气管直径的旋风分离器压降与进口气速的关系曲线(图3)，由图3可以看出JLX型旋风分离器的压降随着进口气速的增加而迅速增大，随着排气管直径de增大而减小。当进口气速为10～25m/s、排气管下口直径比de/D为0.44时，压降约在350～2 000Pa左右。JLX型旋风分离器与常规B型旋风分离器(美国Buell公司首先推出的旁室型旋风)在相同排气管下口直径比条件下的压降对比如图4所示，可以发现JLX型旋风分离器压降低于B型旋风分离器。

图3 进口气速对压降的影响

图4 JLX型旋风分离器与B型旋风分离器的压降对比

在排气管下口直径比为0.5、进口气速为14～28m/s时采用滑石粉为试验物料，通过改变进口浓度得到进口浓度对压降的影响曲线如图5所示。由图5可以看出进口浓度对压降的影响几乎可以忽略，而随着进口气速的增加，压降明显升高，故进口气速是影响压降的主要因素。另外可以看出含尘条件下的压降稍低于纯气流条件下的压降，这是由于在纯气流条件下旋风分离器中的气流湍流强度较高，而对于含尘气流，由于颗粒的存在使得气固两相有效粘度变大，降低了两相流的湍流强度，从而使压降有所降低[6]。

图5 进口浓度对压降的影响

2.2分离效率

在不同气速下，滑石粉分离效率随进口浓度变化的曲线如图6所示，由图6可以看出当进口气速较低时，分离效率随着进口浓度的增加而升高，但当进口气速达到一个较高值后，分离效率随着进口浓度的增加反而降低；在进口浓度相同的条件下，分离效率随着进口速度的增加而升高，但当进口气速达到一个较高值后，分离效率随着进口速度的增加反而降低。在进口气速为25m/s、进口浓度为10g/m3时，分离效率可达到99%。

图6 进口浓度对分离效率的影响

分析产生上述现象的原因，当进口气速较低时，在旋风分离器内，随着进口浓度的增加，固相颗粒之间相互作用，碰撞、团聚与夹带作用都会得到增强，从而使得较小的颗粒凝聚在一起被捕集；同时大颗粒向器壁移动时产生的空气曳力也会把小颗粒夹带至器壁，从而提高了对小颗粒的分离效率[7]。但是当进口气速过高使旋风分离器内颗粒反弹、返混增强，同时使径向气速加大,上行轴向气速也加大，颗粒停留时间缩短，灰斗返气夹带变多[8]，此时其造成的影响已经超过浓度增加对分离效率的影响，分离效率降低。

将试验结果与笔者早期进行试验的DⅠ型旋风分离器(螺旋顶型)进行对比(图7)，可以看出：JLX型旋风分离器的分离效率较DⅠ型旋风分离器的高。

图7 JLX型旋风分离器与DⅠ型旋风分离器的分离效率对比

在进口气速为18、25m/s的条件下进行粉煤灰试验，发现JLX旋风分离器在相同条件下对粉煤灰的分离效率要低于对滑石粉的分离效率，如图8所示。这主要是因为滑石粉颗粒粒径大于粉煤灰颗粒，其产生的离心力更大，有利于颗粒向器壁迁移，使气固两相混合物更能有效分离。在进口气速为25m/s、进口浓度为10g/m3时，JLX旋风分离器对粉煤灰分离效率可达到97%，仍然具有较好的分离效果。

图8 粉煤灰与滑石粉试验分离效率对比图

2.3粒级效率

粒级效率是目前所讨论的效率准则中受试验物料粒度分布影响最小的效率，由粒级效率曲线可以预测该旋风分离器分离性能。图9列出进口浓度为20g/m3、进口气速为18～28m/s时的粒级效率曲线，由图9可以看出：对于10μm以上的粉尘颗粒，旋风分离器基本都能捕集；随着进口气速增大，粒级效率先增加后增幅趋缓。这是因为进口气速增大，离心力增大，颗粒可以更好地到达壁面被捕集，粒级效率上升。

图9 滑石粉试验进口气速对粒级效率的影响

随着颗粒直径的减小,粒级效率首先降低,达到一个最小值,然后当颗粒直径很小(小于2μm)时,粒级效率又增加,粒级效率曲线呈弯钩状(鱼钩效应)。许世森和许晋源研究认为是在旋风分离过程中细微尘粒的碰撞、摩擦及静电力等作用使细微尘粒团聚而使得分级效率提高[9]。吴学智认为除了细粒的团聚效应，大颗粒对小颗粒的夹带效应也是造成鱼钩效应的原因之一[10]。

图10为JLX型旋风分离器进出口和灰斗收集的滑石粉颗粒显微结构图，可以看出进口颗粒为不规则片状颗粒，从灰斗收集的颗粒显微结构图显示大颗粒上吸附着小颗粒，说明大颗粒对小颗粒有凝并携带作用，从而使小颗粒的分离效率提高，出口颗粒则为更细的颗粒，粒径基本为10μm以下，这也验证了JLX型旋风分离器的试验结果。

图10 颗粒结构SEM照片

3 结论

3.1JLX型旋风分离器的压降随着进口气速的增加而增大，随着排气管直径de增大而减小。同等操作条件下进口浓度对压降的影响几乎可以忽略，进口气速是影响压降的主要因素。

3.2在结构不变的情况下，当进口气速较低时，分离效率将会随着进口浓度的增加而升高，但当进口气速较大时，分离效率随着进口浓度的增加而降低。当排气管下口直径比为0.375、进口气速为25m/s、进口浓度为10g/m3时，JLX旋风分离器对滑石粉的分离效率可达到99%，对粉煤灰分离效率可达到97%。

3.3对10μm以上的粉尘颗粒，JLX型旋风分离器基本都能捕集。粒级效率曲线呈鱼钩状, 并且存在一个临界粒径。当粒径小于临界粒径时, 粒级效率将随着粒径的减小而增加；当粒径大于临界粒径时, 粒级效率将随着粒径的增大而增加。

3.4在同样操作条件下，JLX型旋风分离器的压降较常规B型旋风分离器低； 分离效率较DⅠ型旋风分离器高。JLX型径向进口旋风分离器既具有良好的机械强度，又有优良的分离性能，适合在高温高压工况下IGCC粗煤气的净化。

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StudyonPropertiesofCycloneSeparatorwithRadialInletforIGCCCrudeGasDedusting

XIE Jia, LI Qiu-ping, DU Li-hong, XU Yong-jie, WANG Yan, CHENG Jian-wei

(ShanghaiResearchInstituteofChemicalIndustry,Shanghai200062,China)

According to IGCC specific process conditions, a JLX-type radial inlet cyclone separator was developed. Both talc and fly ash were taken as cold test materials to investigate into the separator’s pressure drop and separating performance. The test results show that the separation efficiency can rise with the increase of

*上海市科委“科技创新行动计划”资助项目(12dz1201700)。

**谢 嘉，男，1986年2月生，助理工程师。上海市，200062。

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2014-06-30)

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