油頁巖旋風分離器分離性能的試驗研究

王佰長，劉永衛，劉 佳，孫國剛

（1.大慶油田有限責任公司新能源辦公室，大慶163453；2.中國石油大學 （北京）過程裝備實驗室）

1 前 言

世界油頁巖資源豐富，折算的頁巖油資源量數倍于石油和天然氣，被認為是一種最現實、最有希望補充或接替石油的能源［1］。隨著石油資源的日趨緊張和需求的持續增長，世界各國近年都很重視油頁巖的開發利用［2－4］。干餾制油和燃燒產熱、發電是當今油頁巖工業利用的兩個主要方式［1，5］，這兩種工業利用工藝中共同面對的關鍵問題是高溫油氣或煙氣除塵。旋風分離器結構簡單、造價低、使用中幾乎免維護，對高溫、高壓、高顆粒濃度工況的適應性好，常是高溫氣固分離的首選設備。油頁巖流化床燃燒裝置、國外現有工業化生產的油頁巖煉油裝置，如巴西佩特羅瑟克斯（Petrosix）爐、愛沙尼亞的葛洛特（Galoter）爐以及國內外正在進行的許多頁巖煉油中試裝置，均采用旋風分離器進行高溫除塵。旋風分離器的分離性能直接影響整個油頁巖干餾或燃燒裝置的穩定運行和經濟效益，是裝置中的一個關鍵設備。雖然目前對旋風分離器已進行了相當廣泛且深入的研究［6－8］，但國內外文獻中迄今尚未見有關油頁巖顆粒旋風分離器的試驗研究報道，更無從高溫干餾油氣（或燃燒煙氣）中去除頁巖顆粒的分離效率、壓降等具體數據公開。文獻［8］曾針對油頁巖干餾系統旋風分離器的設計需要，收集了不同溫度、壓力及顆粒濃度下不同結構尺寸的旋風分離器試驗數據，分析評價了Leith－Licht等幾個分離器模型關聯式的預測性，但他們的試驗數據中恰恰缺少油頁巖的數據。這顯然不能滿足油頁巖干餾和燃燒工業裝置高溫除塵旋風分離器的設計與操作優化的要求。本課題采用國內石油催化裂化領域已大規模工業應用的PV型高效旋風分離器模型，用油頁巖顆粒進行實驗室冷態模型試驗，考察入口氣速、排氣管直徑等對油頁巖顆粒旋風分離性能的影響，并在同一分離器上通過試驗對比研究油頁巖顆粒與滑石粉的分離效率差別，為油頁巖干餾及燃燒裝置的旋風分離器設計與應用提供基礎試驗支持。

2 試驗裝置及方法

實驗室冷模試驗裝置流程示意見圖1。該裝置由風機、旋風分離器、測量儀表、過濾裝置及通風管道組成，其中旋風分離器采用PV型高效旋風分離器，分離器結構尺寸見圖2。試驗在常溫、常壓下進行，采用吸風式負壓操作，氣體為常溫、常壓空氣，氣量通過風機入口的閥門調節，用畢托管測量；分離器壓降由U形管測量。分離效率采用定量加塵、收塵及稱重的方法測定。試驗中分離器入口的顆粒質量濃度固定在10g/m3。

圖1 試驗裝置系統示意

圖2 分離器結構尺寸

由于大顆粒比較容易分離去除，工業裝置中主要是小顆粒較難去除，從而影響裝置操作和產品質量。因此，本試驗采用顆粒較小的200目篩下油頁巖粉作為試驗物料，以考察旋風分離器分離細小油頁巖顆粒的能力；試驗用油頁巖平均顆粒密度為1 350kg/m3，平均體積粒徑為21.68μm；顆粒粒度分布采用BT－9300S型激光粒度儀測量，200目篩下油頁巖粉粒度分布見圖3。

3 結果與分析

在實驗室大氣環境下測量的旋風分離器純氣流阻力特性見圖4。從圖4可見，該旋風分離器的純氣流壓降（ΔP）隨入口氣速的增加而增大，與入口氣速的關系可擬合為：ΔP＝12ξρgVi2。式中：Vi為分離器入口氣速，m/s；ρg為氣體密度，kg/m3；ξ為阻力系數。由試驗數據擬合可得出ξ＝9.25。

圖3 200目篩下油頁巖粉粒度分布—顆粒分率； —顆粒累計率

圖4 純氣流壓降與入口氣速的關系—試驗數據；■—擬合曲線

3.1 純氣流阻力特性3.2 油頁巖顆粒的分離效率

用200目篩下油頁巖粉為試驗粉料，測量不同入口氣速下的分離效率，結果見圖5。由圖5可見，隨著入口氣速的增加，油頁巖顆粒的旋風分離效率先增大后減小，呈上凸形曲線；入口氣速在15m/s左右時分離效率最高；超過15m/s后，分離效率迅速下降。即在本試驗條件下，該分離器對油頁巖顆粒分離效率最佳的入口氣速約為15m/s。這是因為隨入口氣速的增加，分離器內切向速度增大，即離心力增強，有利于顆粒分離，分離效率趨于增加；但入口氣速增加也使氣流在分離器內停留時間縮短，這會降低顆粒被分離的機會；并且入口氣速增大到一定程度時，還可能使已沉降到器壁處的顆粒重新被卷揚起來，形成所謂的彈跳返混［6］，使分離效率反而下降。Kalen和Zenz［9］將水平管內顆粒彈跳返混現象的研究結果，推廣用于旋風分離器，并導出了產生此現象的跳躍速度及最佳入口氣速。但本試驗實測的油頁巖捕集效率最高的入口氣速僅為15m/s左右，比許多常見顆粒的最佳分離效率時的氣速低許多，這可能是由于油頁巖顆粒自身的一些特性所致。

圖5 油頁巖與滑石粉的分離效率比較■—油頁巖；●—滑石粉

滑石粉是實驗室研究評價旋風分離器性能經常采用的試驗物料，文獻中用滑石粉測試的旋風分離器效率數據非常多。為進一步認識油頁巖顆粒旋風分離效率的特殊性，采用平均粒徑11μm、密度2 700kg/m3的450目滑石粉在同一分離器上進行分離效率測試，并將滑石粉的分離效率也繪于圖5中以便對照。從圖5可以看出：雖然旋風分離器對滑石粉的分離效率也是隨入口氣速的增加先增加后降低，也存在一效率最高的入口氣速，但對滑石粉分離效率最高的入口氣速約為24m/s，而對油頁巖分離效率最高的入口氣速卻只有15m/s；在效率最高的入口氣速之前，對滑石粉的分離效率較低，但隨入口氣速增加而增加較快，而對油頁巖的分離效率增幅則相對較小。在較低入口氣速時，分離器對油頁巖顆粒的分離效率大于對滑石粉的分離效率；在較高入口氣速時（如大于20m/s），對油頁巖顆粒的分離效率則低于對滑石粉的分離效率，即同一臺旋風分離器對油頁巖和滑石粉的分離效率差別顯著。產生這一差別的原因：一是旋風分離中顆粒所受到的離心力正比于顆粒密度的一次方和粒徑的三次方，粒徑對分離效率的影響大于密度；試驗所用的油頁巖顆粒平均粒徑約為滑石粉的2倍，但密度只有滑石粉的一半。所以油頁巖顆粒是大而輕，滑石粉則是重而小，旋風分離器中分離顆粒主要靠離心力，故正常情況下對油頁巖的分離效率應大于對滑石粉顆粒的分離效率；入口氣速超過最高效率的入口氣速后，顆粒的彈跳、碰撞與返混加劇，分離效率便會降低；油頁巖顆粒較脆，氣速越高，碰撞破碎越多，分離效率也就下降越多。

顆粒的種類對旋風分離器的分離性能有較大的影響，當旋風分離器處理的顆粒種類不同時，應當考慮這種差別。在設計油頁巖旋風分離器時應當考慮油頁巖顆粒特性對分離效率的影響，而不能簡單套用處理其它物料旋風分離器的現成設計。對于本試驗的分離器，用于常溫、常壓空氣中分離滑石粉物料時，可取有關設計手冊中經常推薦的22～24m/s等較高入口氣速，因為這一氣速接近滑石粉的效率最佳的氣速。而用于分離油頁巖顆粒時，則宜取較低的入口氣速，如15m/s左右，否則將可能達不到滿意的分離效果。

3.3 排氣芯管直徑的影響

保持分離器其它尺寸不變，分別調整旋風分離器的排氣芯管直徑為Φ90mm，Φ120mm，Φ150mm，采用200目篩下油頁巖粉繼續進行分離效率的測定，結果見圖6。從圖6可以看出，分離效率隨排氣芯管直徑的縮小而增大，當然分離器的壓降也隨著芯管直徑的減小而增加；同時，芯管直徑減小時，不同入口氣速間分離效率的差距也變小，即分離效率的操作彈性變好；如芯管直徑為Φ90mm時，入口氣速從10m/s增加到20m/s，分離效率可基本上維持在94%左右，變化幅度約在0.1%以下，波動較小；但分離效率最佳的入口氣速基本上沒有變化，仍在15m/s左右。這說明可以通過調整旋風分離器的結構尺寸提高分離效率，使油頁巖旋風分離器的分離性能得到提高。在本試驗中，芯管直徑Φ90mm的分離器是對油頁巖分離效率相對較高的分離器。

圖6 排氣芯管直徑對油頁巖分離效率的影響排氣芯管直徑：■—90mm；●—120mm；▲—150mm

4 結 論

（1）同一旋風分離器對不同種類顆粒的分離效率有較大的差異。冷模試驗結果表明，對200目篩下油頁巖顆粒分離效率最佳的入口氣速約為15m/s，顯著低于用450目滑石粉測得的24m/s；油頁巖旋風分離器的設計應當充分考慮所處理的油頁巖顆粒特性對分離效率的影響。

（2）調整旋風分離器的排氣管尺寸可以改變對油頁巖顆粒的分離效率及操作彈性，排氣管直徑越小，分離效率越高，分離器的操作彈性越好；但分離效率最佳的入口氣速基本不受影響。

［1］ 錢家麟，尹亮.油頁巖：石油的補充能源［M］.北京，中國石化出版社，2008：1－3

［2］ Colorado School of Mines，Colorado energy research institute.30thOil Shale Symposium Colorado School of Mines，Golden，Colorado October 18－22，2010［EB/OL］.http：//outreach.mines.edu/cont＿ed/oilshale/index.html

［3］ 尹亮.依靠科技進步，發展產業優勢，推動我國油母頁巖綜合利用產業又好又快發展［C］//油母頁巖分會2010年年會論文集，青島，中國煤炭加工利用協會油母頁巖分會，2010：1－5

［4］ 錢家麟，王劍秋，李術元.世界油頁巖開發利用動態［J］.中外能源，2008，13（1）：11－15

［5］ Sun Guogang，Wang Maohui，Xu Guiying.Current status of oil shale extraction technology［C］//International Symposium on Gasification and Application.Shanghai：Chinese Society of Particuology，8～11th，2008：85－91

［6］ 時銘顯.化學工程手冊第21篇——氣態非均一系分離［M］.北京，化學工業出版社，1989：77－133

［7］ 孫國剛，時銘顯.旋風分離器捕集細粉效率的技術研究進展［J］.現代化工，2008，28（7），64－69

［8］ Masin J G，Koch W H.Cyclone efficiency and pressure drop correlations in oil shale retorts［J］.Environmental Progress，1986，5（2）：116－122

［9］ Kalen B，Zenz F A.Theoretical－empirical approach to saltation velocity in cyclone design［J］.AIChE Symp Ser，1974，70（137）：388－396