高温旋风分离分级效率的理论计算及其分析

高温旋风分离分级效率的理论计算及其分析 刁永发 Ξ 沈恒根 　许晋源 (西安交通大学) 　　 许世森 (国家电力公司热工研究院) 摘 　要 　旋风分离器是高温除尘技术中优先考虑的预除尘设备。以平衡尘粒模型以及相 似理论原理分析为基础 ,给出了该分离器高温旋风分离的分级效率的计算方法 ,对反映其 在高温状态下分离特性的参数分割粒径 dc50和分布指数 m 进行了分析。以 Stairmand 高效 旋风分离器为例 ,分级效率的理论计算结果与高温旋风分离的试验值进行了比较对照。 关键词 　旋风分离器 　高温除尘 　分割粒径 　分级效率 　平衡尘粒模型 符 　号 　说 　明 Dp ———平衡点位置直径 ,m ; D1 ———旋风分离器筒体直径 ,m ; D2 ———旋风分离器芯管直径 ,m ; D3 ———旋风分离器排灰口直径 ,m ; D′———高温下旋风分离器的筒体直径 ,m ; H ———旋风器芯管截面到排灰口的距离 ,m ; KA0 , KD2 , KD3 ———旋风器无量纲结构参数 ; T ———气体的热力学温度 , K; V 0 ———旋风分离器的入口速度 ,m/ s ; V 0′———高温下旋风分离器的入口速度 ,m/ s ; θ———旋风分离器锥体半角 ; μ———气体动力粘度 ,Pa·s ; μ′———高温下气体的动力粘度 ,Pa·s ; ρp ———粉尘的真密度 ,kg/ m3 ; ρp′———高温下粉尘的真密度 ,kg/ m3 。 　　整体煤气化联合循环 ( IGCC) 和增压流化床 联合循环 ( PFBC2CC) 是目前公认的 能较好解决 燃煤发电的节能和环保两大难题的清洁煤发电技 术。IGCC 和 PFBC2CC 中均有燃气轮机 ,燃气的 净化程度是燃气轮机安全运行及延长寿命的关 键 ,高温除尘是关系到 IGCC 和 PFBC2CC 能否过 关的一项关键技术[1 ] ,而且 IGCC 和 PFBC2CC 技 术遇到高温腐蚀问题 ,高温除尘久攻不下 ,因此研 究高温状态下的旋风除尘具有十分重要的意义。 国内外高温旋风除尘的研究已有多年 ,旋风分离 器具有结构简单、耐高温及运行费用低等优点 ,是 高温除尘系统中值得推荐的预除尘设备 ,为了对 其高温分离性能进行深入的研究 ,本文描述了高 温状态下旋风分离器内各空间点分离能力的平衡 尘粒 ,考虑三维涡汇升降流对尘粒的作用 ,进一步 研究了高温对旋风分离器分离特性的影响。 1 　常温状态下旋风分离器的分割粒径 1. 1 　常温状态下旋风分离器的平衡粒径 文献[2 ,3 ]描述了微细尘粒运动的状态方程 , 给出了常温状态下旋风分离器的平衡尘粒模型 , 根据该模型计算的旋风器的平衡粒径 : dpt = 2. 62 μD1 ρp V 0 0. 5 KA 0 K2 n + 1D2 cosθΚH (1 + KD3) 0. 5 Cn + 0. 5p (1) 式中 　KA 0 = A 0/ D21 ; KD2 = D2/ D1 ; KD3 = D3/ D1 ; KH = H/ D1 ; Cp = Dp/ D2 。 1. 2 　平衡粒径用于计算旋风分离器的分割粒径 　　笔者认为 ,在含尘气流径向通过轴向流零界 面时 ,在芯管直径以上的界面空间中 ,有 50 %的 尘粒直径为 dc50的粉尘穿过被排放 ,在芯管直径 以下的界面空间中 ,有 50 %的尘粒直径为 dc50的 粉尘被阻留而被捕集 ,则有 Cp = 1. 0 ,因此旋风分 离器的分割粒径 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示为 : 61　　　　　　　　　　　　　　　　　　化 　工 　机 　械 　　　　　　　　　　　　　　　2000 年 Ξ 刁永发 ,男 ,1969 年 12 月生 ,博士生。陕西省西安市 ,710049。 dc50 = 2. 62 μD1 ρp V 0 0. 5 KA0 K2 n + 1D2 cosθΚH (1 + KD3) 0. 5 (2) 2 　高温状态下旋风分离器的分割粒径 2. 1 　相似理论分析 由相似第二定理[4 ]可以知道 :凡同一种类现 象 ,当被同一完整方程组所描述时 ,如果单值条件 相似 ,而且由单值条件的物理量所组成的相似准 则在数值上相等 ,则这些现象就必定相似。因此 , 按照相似理论 ,保持几何相似 ,常温与高温旋风分 离器中流体的流动被同一完整控制方程描述 ,当 两者处于同一自模化区时 ,通过常温状态下旋风 分离器的分离特性 ,进一步研究高温时的分离性 能。 2. 2 　高温旋风分离器的分割粒径 通常在高温除尘应用中 , 温度范围在 0～1 200 ℃之间。旋风分离器的分离性能将随着 单体形状大小和运行工况的变化而变化 ,其分割 粒径 dc50也相应变化。当气流中含尘浓度不高 , 尘粒的存在不影响气流运动。假设尘粒之间没有 相互作用。旋风分离器的壁面粗糙度和尘粒对壁 面冲击碰撞的影响忽略不计。按照相似原理 ,保 持旋风分离器几何相似 ,旋风分离器内的气流运 动能自动保持模化 ,模型与实物处于同一自模化 区。这样 ,斯托克斯准则 S tk 成为几何相似旋风 分离器内尘粒运动保持相似的唯一定性准则。当 旋风分离器的粒子都较细 ,其滑移运动处于斯托 克斯区时 ,则对于相似状态的不同设备 S tk 相同 : S tk = V 0ρp d2c 18μD (3) 以分割粒径 dc50作为特性粒径代替粒径 dc ,则当 S tk相同时 ,有 : d′c50 dc50 = D′ D ρp ρp′ V 0 V 0′ μ′ μ (4) 式中高温空气和烟气的动力粘度与温度的函数关 系式[5 ]表示为 : 空气 　μ′= 1. 75 ×10 - 8 × 273 + t273 0. 683 (5) 烟气 　μ′= 1. 65 ×10 - 8 × 273 + t273 0. 683 (6) 联合式 (2) 、(4) ～ (6) ,可以计算出高温旋风分离 器的分割粒径 dc50。 3 　高温旋风分离器分级效率的理论计算 3. 1 　分布指数 m 的计算 考虑切向速度分布指数 n 随温度的变化 ,则 高温下旋风分离器的分离特性的分布指数 m 按 文献[6 ]的分析讨论确定 ,对于切向进气和蜗壳进 气方式 ,分别采用不同的分布指数 ,即 : m = 1 n + 1 (7a) 切向进气 　n = 1 . 0 - (1 . 0 - 0 . 67 D0. 14) T283 0. 3 (7b) 蜗壳进气 　 n = 0. 82 (10 - 4 ×Rep) 0. 18 　6 ×103 < Rep < 3 ×104 n = 1. 60 (10 - 4 ×Rep) 1. 5 　　Rep < 6 ×103 (7c) 式中 　Rep = ( D/ H) ( DV 0ρ/μ) 　 D = 4/ ( A /π) 0. 5 3. 2 　分级效率的计算 采用分割粒径 dc50表示的分级效率的计算 式 : ηi ( dc) = 1 - exp - 0. 693 dcdc50 m (8) 将式 (2) 、(4)～ (7)代入式 (8) ,可以计算出高温旋 风分离器的分级效率 : ηi ( dc) = 1 - exp - 0. 693 1. 62 ( S tk) 0. 5 KH (1 + KD3) cosθ KA 0 K2 n + 1D2 0. 5 m (9) 　　显然 ,该公式反映了斯托克斯准则数 S tk 以 及旋风分离器的结构参数和运行参数对高温下旋 风分离器的分级效率的影响。 4 　算例考核及讨论 　　Stairmand 高效优化设计的长锥体旋风分离 器[5 ]的结构尺寸为 :直径 300 mm ,高 1 000 mm ,筒 体高 450 mm ,入口高 150 mm ,入口宽 60 mm ,出 口直径 150 mm。温度有 : 20、200、400、600、800 ℃。则不同温度下旋风分离器的分割粒径以及分 级效率计算结果分别见图 1、2。 71第 27 卷 　第 1 期 　　　　　　　　　　化 　工 　机 　械 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 图 1 　S tai rm and 旋风分离器的分割 　粒径随温度的变化情况 图 2 　S tai rm and 旋风分离器的分级 　效率随温度的变化情况 　　由计算结果可知 ,当气体温度升高时 ,旋风分 离器的切向速度分布指数 ,即涡旋指数 n 随之减 小。在相同条件下 ,临界分割粒径 dc50也会随着 温度的升高而增大 ,旋风分离器的分级除尘效率 随着温度的升高而下降。采用本文提出的高温旋 风分离新理论 计算公式 六西格玛计算公式下载结构力学静力计算公式下载重复性计算公式下载六西格玛计算公式下载年假计算公式 计算 ,与高温旋风分离除 尘性能的实验研究[1 ]比较 ,计算值与实验值绘于 图 3 ,计算值与实验值及相对误差列于表 1。 图 3 　高温旋风分离分级效率的实验与 理论计算结果 　　对于 Stairmand 高效旋风分离器 ,其高温旋 风分离的实验值与理论计算值相比 ,变化规律表 现为 :随着温度的升高 ,旋风分离的分割粒径变 大 ,分级分离效率下降 ,分离能力减弱 ;当入口含 尘粒度分布相同时 ,Stairmand 高效旋风分离器的 分割粒径 dc50约为 2. 2～3. 8μm ;对于粒径大于 20μm 的颗粒 ,粗颗粒在常温下分离效率最高可 以达到99. 9 % ;对于 10μm 的细尘粒 ,常温下分离 效率能达到 90 %以上。但是 ,随着温度的升高 , 分级分离效率降低 :对于大于 20μm 的粗尘粒 ,分 级分离效率下降不明显 ,计算值与实验值相对误 差减小 ;而小于10μm的粒径 ,效率下降比较明显。 究其原因 :温度升高 ,气体的粘度增加 ,对细颗粒 的作用比较明显。因此 ,利用本文提出的高温旋 风分离的分级效率的理论计算方法 ,可以探讨高 温旋风分离的分离特性。 表 1 　高温旋风分离分级效率的计算值及其相对误差 温度/ ℃ 粒径/μm 1 2 3 5 7 10 15 20 40 60 计算值　 0. 33 0. 45 0. 55 0. 68 0. 75 0. 82 0. 92 0. 94 0. 99 0. 99 20 实验值　 0. 25 0. 46 0. 60 0. 76 0. 83 0. 90 0. 94 0. 96 0. 99 1. 00 相对误差 0. 32 0. 02 0. 08 0. 08 0. 10 0. 08 0. 02 0. 02 0 0. 01 计算值　 0. 28 0. 41 0. 50 0. 63 0. 70 0. 80 0. 90 0. 93 0. 98 0. 99 200 实验值　 0. 20 0. 40 0. 51 0. 69 0. 75 0. 83 0. 88 0. 91 0. 98 1. 00 相对误差 0. 40 0. 02 0. 02 0. 09 0. 07 0. 04 0. 02 0. 02 0 0. 01 计算值　 0. 24 0. 37 0. 44 0. 57 0. 67 0. 76 0. 86 0. 91 0. 98 0. 99 400 实验值　 0. 19 0. 36 0. 49 0. 64 0. 73 0. 81 0. 85 0. 90 0. 97 0. 99 相对误差 0. 26 0. 03 0. 10 0. 11 0. 08 0. 06 0. 01 0. 01 0. 01 0 计算值　 0. 23 0. 33 0. 41 0. 53 0. 62 0. 72 0. 84 0. 90 0. 98 0. 99 600 实验值　 0. 16 0. 34 0. 45 0. 61 0. 70 0. 76 0. 83 0. 89 0. 96 0. 99 相对误差 0. 44 0. 03 0. 09 0. 13 0. 11 0. 05 0. 01 0. 01 0. 02 0 计算值　 0. 20 0. 30 0. 38 0. 52 0. 60 0. 69 0. 83 0. 89 0. 97 0. 99 800 实验值　 0. 15 0. 32 0. 44 0. 59 0. 69 0. 75 0. 82 0. 88 0. 95 0. 99 相对误差 0. 33 0. 06 0. 14 0. 13 0. 15 0. 08 0. 01 0. 01 0. 02 0 81　　　　　　　　　　　　　　　　　　化 　工 　机 　械 　　　　　　　　　　　　　　　2000 年 　　由式 (2) 、(4) 和 (9) 可知 ,气体的压力对分割 粒径 dc50和分级分离效率的影响是通过气体密度 的变化而影响入口流速 V 0 的 ,对气体的动力粘 度μ和粉尘的真密度ρp 影响较小。高温旋风分 离的运行控制在最佳流速范围 16～22 m/ s ,有时 还采用较高的流速 ,而且气体的密度与粉尘的真 密度相比要小得多。压力对分割粒径和分级分离 效率的影响表现为随入口流速的变化而变化 ,调 整入口流速 ,可以消除压力变化对旋风分离的除 尘性能的影响。这样 ,高温旋风分离的分级分离 效率主要随着温度的变化而变化。 5 　结论 5. 1 　通过高温条件下旋风分离的平衡尘粒和斯 托克斯准则分析 ,计算出了高温旋风分离的分级 分离效率 ,该分级分离效率的计算公式反映了斯 托克斯准则数 S tk 以及旋风分离器的结构参数和 运行参数对分离性能的影响。 5. 2 　压力对旋风分离的分离性能的影响主要通 过旋风分离器入口速度的变化而体现 ,当控制入 口流速变化时 ,可以忽略压力对旋风分离器分离 性能的影响。 5. 3 　在相同条件下 ,高温旋风分离的分割粒径随 着温度的升高而变大 ,分级分离效率随着温度的 升高而下降 ,旋风分离器的分离能力会明显减弱 , 这对指导旋风分离器的设计与工业应用有重要意 义。 参 　考 　文 　献 1 　许世森. 移动颗粒层过滤及旋风分离的高温除尘研 究 : [博士论文 ] . 西安 :西安交通大学 ,1996 2 　沈恒根 ,刁永发 ,许晋源. 平衡尘粒模型用于旋风分离 器分级效率的计算. 环境工程 ,1998 ,16 (6) :30～32 3 　沈恒根 ,叶龙 ,许晋源等. 旋风分离器平衡尘粒模型. 动力工程 ,1996 ,16 (1) :33～36 4 　李之光. 热力设备模型实验研究基础. 北京 :国防工业 出版社 ,1973 5 　Stairmand C J . The design and performance of cyclone separators. Trans. IChE. ,1951 ,29 :356～383 6 　刁永发. 双进口旋风分离器分离特性的研究 : [硕士论 文 ] . 西安 :西安建筑科技大学 ,1997 (收稿日期 :1999208209 ,修回日期 1999209213) 91第 27 卷 　第 1 期 　　　　　　　　　　化 　工 　机 　械 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ABSTRACTS 　　Design , manufacture ,and test run of the hot test units for polyester reactors. Pan Chunhua ( Chemical Machinery Plant , Nanjing Chemical Industry Corporation , Sino2Petro2 chemical Industry Group ,Nanjing ,Jiangsu ,China) (1)⋯⋯ The design ,manufacture ,and test run of the hot test u2 nits for polyester reactors were presented. The test run result shows that the operation of the hot test unit was good ,and the requirement of design was realized. Key Words :Polyester Reactor , Hot Test , Design , Test Run An experimental investigation of the mechanical per2 formance of f ilter cloth. Lu Zhiming , Yan Gang , Qian Yi , Zhang Kangda ( Zhejiang University of Technology , Hangzhou ,Zhejiang ,China) (4)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ Through the strong pulling tests of four kinds of syn2 thetic fiber filter cloth ,the mechanical performance index of the filter cloth in dry and wet conditions were measured ,the influence of various pulling speeds on the fracture strength and the fracture tensile rate of the filter cloth was derived. It was concluded that the stress of the filter cloth could relax when it was beyond the yield point . Key Words :Filter Cloth ,Mechanical Performance , Test An experimental investigation of recovering the seal oil from the catalytic hot oil pumps using hard packing. Guo Hui ( Fushun Institute of Petroleum , Fushun ,Liaoning , Chi2 na) (7)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ In an investigation ,the hard packing was used to isolate the seal oil from the process fluid for recovering the seal oil from the catalytic hot oil pump. The basic structure and the seal principles of the hard packing were presented , and the formula of specific pressure was given. The test result was ideal. Key Words :Hot Oil Pump , Hard Packing , Recovery of Seal Oil Super speed testers for booster impellers. Wu Rongren (Zhejiang University ,Hangzhou ,Zhejiang ,China) (9)⋯⋯ A super speed tester for booster impellers was present2 ed. It possesses the advantages of wide parameter ranges in test rotary speed ,weight ,sizes ,and is suitable for super speed test of the impellers of the boosters made in China. Key Words :Super Speed Tester ,Booster , Impeller On2l ine monitoring of the foul thermal resistance and corrosion rate in cooling water systems. Yan Xiaoyu , Wan Pingyu ,Zhang Shiyang ,Wang Weizhen ,Liu Xiaoguang (Bei2 jing University of Chemical Technology ,Beijing ,China) (12) ⋯ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ The on2line monitoring method was studied of the foul thermal resistance and corrosion rate in cooling water sys2 tems ,an on2line monitoring unit of the foul thermal resistance and corrosion rate in cooling water systems was developed that could simulate the cooling water flow and the condition of heat transfer ,eliminate the self2corrosion electric displace2 ment and the solution IR drop ,and the newly2developed cor2 responding software realized the computerized automatic con2 trol for the whole measurement and data processing. The test result shows that the unit could truly reflect the scale and corrosion of heat exchangers. Key Words :Cooling Water , Foul Thermal Resistance , Corrosion Rate ,On2Line Monitoring Theory calculation of the high temperature cyclone fractional eff iciencies and analysis. Diao Yongfa , Shen Henggen , Xu Jinyuan ( Xi’an Jiaotong University , Xi’an Shaan2xi ,China) Xu Shisen(Research Institute of Thermody2 nanics and Heat Transfer ,the National Power Company ,Xi’ an ,Shaanxi ,China) (16)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ The cyclone separators were the preferable crude re2 movers in the high temperature dust removal technology. Based on the equilibrium particle model and the similar theo2 ry ,the calculation method of the fractional efficiencies of the cyclone separators in high temperatures was given , the half cut diameter dc50 and the distribution index m which reflected the separating characteristics of the cyclone separators in a high temperature condition were analysed. The theoretical calculation result and the experimental value of the high tem2 perature cyclone separation were compared taking the Stair2 mand high efficient cyclone separators for example. Key Words :Cyclone Separator , High Temperature Dust Removal , Cut Diameter , Fractional Efficiency , Equilibrium Particle Model Parameter calculation of HDPE steam tube rotary dry2 ers. Zhao Xu( Res lnst of Chem Mach ,Lanzhou , Gansu ,Chi2 na) Ying Hongshan ( Goods & Equipment Company , Sino2 Petrochemical Industry Group ,Beijing , China) Yue Yongfei (Res. Inst of Chem. Mach ,Lanzhou , Gansu ,China) (20) ⋯⋯⋯ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ The calculation method of some important parameters , such as the heat transfer coefficient ,dead time and so on of the closed steam tube rotary dryers was proposed. Key Words : Closed Steam Tube Rotary Dryer , Heat Transfer Coefficient ,Dead Time Counter calculation of the eff icient area of the valve seat in the on2l ine adjustment of safety valves. Dong Lin2 feng ,Xing Yuan ,Li Congxin ( Shanghai Jiaotong University , Shanghai ,China) (23)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ Based on the researches of the on2line adjustment of safety valves and on the production features of chemical in2 dustry ,the keypoint of the calculation of release pressure in the adjustment process ,i. e , the calculation of the efficient area of the valve seat ,was solved. Two practical calculation methods of the efficient area of the valve seat were proposed. The two methods proved to be high efficient and accurate 55第 27 卷 　第 1 期 　　　　　　　　　　化 　工 　机 　械