旋風分離器頂灰環灰量的實驗測量

何興建，禮曉宇，宋健斐，魏耀東

旋風分離器頂灰環灰量的實驗測量

何興建，禮曉宇，宋健斐，魏耀東

（中國石油大學（北京）化工學院，北京102249）

旋風分離器進行氣固分離過程中，在頂板的外側存在一個濃度比較高的旋轉頂灰環。頂灰環的存在一方面增加了顆粒向內測逃逸幾率，另一方面造成了旋風分離器器壁的磨損。對于分離FCC催化劑顆粒的旋風分離器，頂灰環的旋轉是不穩定的，會發生周期性的脫落，因此存在一個最大頂灰環灰量。根據旋風分離器顆粒藏量的測量方法，測量了最大頂灰環灰量與入口速度和入口濃度的關系。實驗結果表明最大頂灰環灰量隨入口速度和入口濃度的增加而增大。

旋風分離器；頂灰環；灰量；入口速度；入口濃度

旋風分離器是工業中廣泛使用的高效氣固分離設備，有關旋風分離器的研究多集中于結構參數的改進和操作參數的優化兩個方面[1-3]。實驗表明旋風分離器內的氣固兩相流動是非常復雜的，表現為不僅存在橫截面上一次旋轉流，還有縱截面上的二次流[4]。二次流的存在導致了旋風分離器環形空間的頂板附近出現顆粒頂灰環的現象[5]。頂灰環的存在一方面造成顆粒的逃逸影響旋風分離器的分離效率，另一方面造成對器壁的沖蝕磨損[6]。目前對此頂灰環的研究尚缺乏有關的文獻。為此，本文通過測量旋風分離器內顆粒藏量的方法[7]，實驗測量旋風分離器的頂灰環的灰量與入口速度和入口濃度的關系，并進行頂灰環流動的機理分析，為旋風分離器的性能改進提供支持。

1 實驗裝置和測量方法

1.1 實驗裝置

實驗裝置和旋風分離器的結構見圖 1-2，筒體直徑300 mm，排氣管直徑為110 mm，入口尺寸為176 mm×84 mm。為保證氣體的流動平穩，實驗采用負壓操作。

加料設備采用自動加料機。試驗粉料采用FCC催化劑和325目滑石粉。實驗氣體介質為常溫氣體，氣體氣速由標準畢托管測量。FCC催化劑的中位粒徑106.77（μm），振實堆積密度943.4（kg/m3）。325目滑石粉的中位粒徑為14.3 (μm)，振實密度961.5（kg/m3）。

1.2 頂灰環灰量的測量方法

實驗過程中，隨著加料量的穩定加入，在旋風分離器環形空間的頂板外側出現顆粒頂灰環，這個頂灰環沿旋風分離器筒體壁面旋轉，見圖3。實驗表明采用不同的粉塵，頂灰環的旋轉形態會發生很大的變化。

例如，325目滑石粉形成的頂灰環連續穩定地旋轉，灰環的尺寸變化也不明顯；而采用FCC催化劑，頂灰環的旋轉是不穩定的，會發生周期性的脫落，如圖4所示。隨著加塵時間的增加，頂灰環的濃度逐漸增加，尺寸不斷增大，當達到某一個量時，即頂灰環達到最大含塵量，灰環開始螺旋旋轉脫落下行，一直延伸到灰斗，此時頂灰環消失。隨后很快又有新的頂灰環形成，頂灰環的濃度又開始增長，直到頂灰環開始再一次脫落，如此周期性的變化。由于存在頂灰環的脫落現象，這樣實驗中通過多次測量旋風分離器內的顆粒藏量，就可以對頂灰環的灰量進行定量的測量。當最大頂灰環灰量時，測量旋風分離器內的藏量也最大；頂灰環消失時，測量旋風分離器內的顆粒藏量最小。假設旋風分離器空間除頂灰環區域外，其他部分的顆粒藏量不變，則兩個藏量之差可以認為就是旋風分離器的頂灰環的最大灰量。

旋風分離器的藏量定義為操作中旋風分離器內部空間全部顆粒的質量。旋風分離器內的藏量是通過在旋風分離器灰斗和旋風分離器進口和出口安裝碟閥，在旋風分離器在操作時，同時關閉進口，出口和灰斗上的碟閥，收集旋風分離器內部的顆粒稱重進行的。實驗選定4個入口速度和4個入口濃度，每個實驗測量20次，得出每組灰量的最大值與最小值的差值作為頂灰環的灰量值。

2 結果與討論

2.1 頂灰環存在的條件和脫落分析

當顆粒進入旋風分離器環形空間后，大部分顆粒跟隨氣流做旋轉運動，在離心力的作用下向器壁運動，再沿器壁向下流動，然后流經筒體空間和錐體空間到達灰斗，最后被分離下來。但在環形空間，其中一部分顆粒在二次流的作用下，旋轉向上流動。這部分顆粒在旋轉過程中，在徑向方向受到向心的曳力和離心的離心力，在豎直方向受到向下的顆粒重力和二次流向上的軸向速度產生的向上曳力，當達到力的平衡時，顆粒就會懸浮在環形空間的外側，形成旋轉的頂灰環，見圖5。

頂灰環在旋轉過程中，其灰量是一個動平衡過程，小粒徑顆粒由于向心曳力大于離心力，在向心曳力的作用下向升氣管移動，最終從升氣管下端口逃逸；大粒徑顆粒由于重力大于軸向向上的曳力，脫離頂灰環沿器壁向下移動，進入分離空間被分離。與此同時不斷有新顆粒補充到灰環中。對于FCC顆粒，顆粒的粒徑比較大，補充的灰量大于逃逸的灰量，頂灰環的顆粒量不斷增大，與邊壁的摩擦力也不斷增大，導致旋轉速度下降，離心力減小，二次流作用減弱，旋轉氣體提供的能量減小，顆粒的力平衡被打破，向上的軸向曳力不足以懸浮托舉頂灰環，使得頂灰環脫落下降。頂灰環脫落后，旋轉速度開始增大，離心力增加，二次流作用增大，顆粒又開始聚集在環形空間，形成新的頂灰環。因此，FCC顆粒形成的頂灰環具有一定的周期性脫落特點。

2.2 旋風分離器的藏量測量

設入口濃度為Ci，旋風分離器的內部空間體積為V，則旋風分離器的基本藏量為Mm=Ci×V。在實際操作中，顆粒在離心力的作用下聚集在旋風分離器的器壁上，形成了顆粒堆積層和頂灰環，旋風分離器的藏量M遠大于基本藏量Mm，約為基本藏量的20倍[7]。圖6是在不同的入口濃度和入口速度下，測量的旋風分離器藏量。

圖 6表明顆粒藏量值隨著入口速度增大而增加，當入口速度增加到15m/s后，顆粒藏量增加的幅度更大，呈非線性趨勢增加。

旋風分離器的入口速度增大后，旋風分離器內的流場的各個速度分量均增大，尤其是切向速度的增加使得顆粒受到的離心力更大，兩者是2次方關系。這樣器壁表面的顆粒層受到的離心力也增大，導致顆粒層的聚集更多的顆粒，但向下的軸向速度增加的幅度是線性的，所以顆粒層下行排料速度基本是呈線性增大的，由此造成了旋風分離器分離空間內部存在有更多的顆粒。

2.3 入口速度對頂灰環灰量的影響

圖7是入口速度與頂灰環灰量的關系曲線。實驗結果表明入口速度增加后，頂灰環的灰量值也增加，且呈非線性趨勢增加。當入口速度增加到15m/s后，頂灰環的灰量值增加的幅度更大。

通常旋風分離器的入口速度增大后，環形空間二次流的強度增大。這樣二次流上行氣體對顆粒的曳力將會增加，托起的灰環量值也將會增加，導致了頂灰環灰量隨入口速度增加而上升。在入口速度上升15m/s以上時，旋風分離器內環形空間的二次流將急劇加強，軸向氣流對顆粒的托起力急劇上升，進而出現頂灰環灰量值急劇上升的現象。反之，當入口速度低到一定程度時，二次流的作用比較小，上行的軸向氣流速度也比較小，不足以托舉顆粒，沒有出現頂灰環的現象。

2.4 入口濃度對頂灰環灰量的影響

圖8是入口濃度與頂灰環灰量的關系曲線。

從圖8中可以看出，頂灰環灰量在低風速和高風速情況下都隨入口顆粒濃度的上升而增加，近似于線性關系變化。但在試驗范圍內（5～20 g/m3），頂灰環值隨入口濃度增加而上升的幅度非常小。在固定的入口速度下，環形空間的二次流的強度是穩定的，因此對顆粒的托起力將不變。當入口顆粒濃度增加后，在環形空間積累的顆粒越大，進而出現隨顆粒濃度上升而緩慢上升的現象。這說明頂灰環灰量主要受二次流強度的影響，而與入口濃度的關系不密切。

3 結 論

旋風分離器環形空間的內二次流導致了顆粒在環形空間的懸浮聚集，形成了一個旋轉的頂灰環現象。對于分離FCC催化劑顆粒的旋風分離器，頂灰環的旋轉是不穩定的，會發生周期性的脫落，因此存在一個最大頂灰環灰量。入口速度的增加可使二次流的作用增強，最大頂灰環的灰量增大，尤其是入口速度超過15 m/s后增加明顯；而入口濃度的增加對二次流的作用不明顯，最大頂灰環的灰量在試驗范圍內與入口濃度呈線性關系。

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［5］薛曉虎，魏耀東，孫國剛，時銘顯.旋風分離器上部空間各種二次渦的數值模擬[J]. 工程熱物理學報，2005，26(2): 243-245.

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［7］禮曉宇，何興建，宋健斐，魏耀東.旋風分離器內顆粒藏量的實驗測量[J].中國粉體技術，2014，20（3）：6-10.

2.3 集輸子系統熱效率和?效率影響因素

集輸子系統中加熱爐進風溫度對集輸子系統的熱效率和?效率影響都非常小，可以忽略不計。

3 結 論

（1）在注氣鍋爐子系統方面，該部分的熱效率和?效率隨著給水流量、進風溫度的升高而提高；隨著給水壓力、蒸汽壓力、蒸汽干度、過量空氣系數的增加而降低。隨著給水溫度的增加，該部分的?效率升高，熱效率下降。給水流量是主要影響因素，蒸汽壓力次之。給水流量每增加0.2t，熱效率和?效率分別提高0.70%和0.30%左右；蒸汽壓力每增加0.5MPa，熱效率和?效率分別下降0.62%和0.28%左右。

（2）在注采子系統方面，該部分的熱效率和?效率隨著注氣壓力的升高而提高，隨蒸汽干度的升高而降低。注入蒸汽干度是主要影響因素，蒸汽干度從55%提高到60%,熱效率和?效率分別下降0.80%和0.20%，蒸汽干度從95%提高到100%，熱效率和?效率分別下降0.65%和0.16%，隨著蒸汽干度的增加，蒸汽干度對熱效率和?效率的影響減小。

（3）在集輸子系統方面，該部分的熱效率和?效率隨著加熱爐進風溫度的提高而增大。但加熱爐進風溫度對系統熱效率和?效率的影響很小，可以忽略不計。

參考文獻：

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Experimental Measurement on the Top Particle Ring in the Cyclone Separator

HE Xing-jian, LI Xiao-yu, SONG Jian-fei, WEI Yao-dong
（College of Chemical Engineering, China University of Petroleum（Beijing），Beijing 102249，China）

There exists a relatively high concentration rotating top particle ring in the annular space of cyclone during the gas-solid separation process. The top particle ring supplies the chance of particle escaping, furthermore causes the erosion of the cyclone wall. For separating FCC catalyst particles, the top particle ring rotation is unstable and the top particle ring falls off periodically. So there is a maximum mass of the top particle ring. In this paper, the relationship between the mass of top particle ring with the inlet velocity and inlet concentration was measured according to the cyclone separator reserve measurement. The experimental results show that mass of the top particle ring increases with increasing of the inlet velocity and inlet concentration.

Cyclone separator; Top particle ring; Dust mass; Inlet velocity; Inlet concentration

TQ 051.8

： A

： 1671-0460（2015）05-1143-04

國家自然基金項目，項目號：21176250。

2014-12-05

何興建（1989-），男，四川瀘州人，在讀研究生，研究方向：從事化工過程機械研究。E-mail：he1191565966@126.com。

宋健斐（1979-），女，副教授，博士，從事石油化工設備的教學與研究工作。E-mail：songjf@cup.edu.cn。