IGCC粗煤氣除塵用徑向進口旋風分離器的性能研究*

謝 嘉 李秋萍 都麗紅 徐永杰 汪 焰 程建偉

(上海化工研究院)

IGCC粗煤氣除塵用徑向進口旋風分離器的性能研究*

謝 嘉**李秋萍 都麗紅 徐永杰 汪 焰 程建偉

(上海化工研究院)

針對IGCC特定的工藝條件，開發了一種新的JLX型徑向進口旋風分離器，并采用滑石粉和粉煤灰作為試驗物料，通過冷態試驗考察了其壓降和分離性能。結果表明：分離效率隨著進口濃度的增加而升高，但當進口氣速較大時，分離效率隨著進口濃度的增加而降低；當排氣管下口直徑比為0.375、進口氣速為25m/s、進口濃度為10g/m3時，對滑石粉分離效率可達到99%，對粉煤灰分離效率可達到97%。對粒徑10μm以上的粉煤灰粉塵顆粒，JLX旋風分離器基本都脫除。

旋風分離器 IGCC 粗煤氣 分離效率 粒級效率

整體煤氣化聯合循環(Integrated Gasification Combined Cycle，簡稱IGCC)發電系統是將煤氣化技術和高效聯合循環發電相結合的先進動力系統[1]。用于IGCC發電的粗煤氣，對煤氣凈化度要求很高，因為在中等進氣溫度下，粒徑大于5μm粒子的磨蝕和小于2μm粒子的沉積會對燃氣輪機的葉片產生巨大危害。為了確保燃氣輪機等長時間平穩運行，避免出現少量的煤塵微粒和有害氣體對高速旋轉的燃氣輪機葉片的沖蝕和腐蝕，必須在粗煤氣進入發電設備之前將其中的雜質脫除[2]。

目前IGCC系統粗煤氣除塵工藝較常用的是常溫濕法凈化系統，一般包括一級干式粗除塵，再加一級濕式洗滌除塵器精除塵。使用干式除塵器的目的一方面是粗除塵，另一方面是有利于收集飛灰，并使飛灰再循環至氣化爐，提高碳轉化率。

旋風分離器結構簡單，操作和投資成本低，是最理想的煤氣初步凈化設備。但是傳統的旋風分離器頂部一般為平頂板，且進氣管為矩形的切向進氣結構，存在多處直角焊縫，嚴重影響了旋風分離器承受較高的壓力和溫度載荷的能力[3]，所以常規旋風分離器的操作壓力一般小于0.5MPa，而IGCC發電系統粗煤氣操作壓力為2～4MPa。因此，針對IGCC特定的工藝條件，需要開發既有良好機械強度，又有良好分離性能的適用于高溫、高壓的旋風分離器。筆者通過冷態試驗對自行開發的JLX型徑向進口旋風分離器的分離性能進行了研究。

1 試驗裝置及流程

試驗用JLX型徑向進口旋風分離器(圖1)采用有機玻璃制作，筒體直徑200mm。其特點是采用圓形進氣管徑向進氣，頂部采用拱頂結構保證機械強度，同時在排氣管管壁外側設有防沖蝕導向擋板和多層螺旋導流葉片，通過螺旋導流葉片的導向作用使氣流旋轉，從而實現氣固分離。通過采用徑向進氣管，避免了切向進氣旋風分離器較難承受高溫高壓工況的缺點，同時降低制造費用；通過導向擋板和多層螺旋導流葉片，引導和強制氣流進行螺旋運動，防止過早軸向運動[4]。

圖1 JLX型徑向進口旋風分離器簡圖

試驗流程如圖2所示。采用負壓操作，物料通過振動加料器加入管道使其均勻分散到常溫空氣中，含塵氣體通過圓形進氣管進入旋風分離器，通過螺旋導流葉片的導向作用使氣流發生旋轉，從而實現氣固分離。經旋風分離器分離凈化后氣體通過引風機排空，分離下來的物料落入下方密閉可拆卸灰斗中，將灰斗中物料稱重，同時在出口管遠離上下游彎管處設置采樣裝置以采集含塵氣樣。

圖2 JLX型旋風分離器試驗流程示意圖

進口濃度由振動加料器自帶的控制器進行調節，進口氣速由風機變頻器進行調節。旋風分離器壓降采用U形管壓差計測量，操作風量采用渦街流量計測量，原始物料和進出口收集的顆粒采用激光粒度儀進行粒度分析。試驗物料采用325目滑石粉和粉煤灰兩種物料，粒徑分布見表1。首先采用滑石粉進行試驗，在較優的操作條件下再采用粉煤灰進行對比試驗。滑石粉密度為2 700kg/m3，中位粒徑為14.75μm。粉煤灰是燃煤電廠的電除塵器捕集下來的飛灰，中位粒徑為5.61μm。

表1 原料粒徑累積分布

2 結果與討論

考察旋風分離器的性能指標主要有壓力損失和分離性能指標。其中分離性能指標包括分離效率和粒級效率。

壓降的理論推導尚無可靠的方法，一般都是依靠試驗數據來歸納經驗公式。旋風分離器的能耗可用阻力系數來評價，定義為旋風分離器的壓力損失與進口動壓頭之比，計算旋風分離器的壓力損失的經驗公式和阻力系數的計算公式為：

(1)

(2)

式中 Δp——設備壓降，Pa；

ρ——空氣密度，kg/m3；

v——進口平均氣速，m/s。

旋風分離器的分離效率采用重量法計算：

(3)

式中Mc——灰斗收集的粉塵質量，kg；

Mi——單次試驗的粉塵加料量，kg。

原料和各級收料的粒徑分布采用激光粒度儀進行測定，第i個和第i+1個粒徑中間的分級效率計算公式為[5]：

(4)

式中Fe(xi)——排氣口粉塵第i個粒徑的累積分布；

Fe(xi+1)——排氣口粉塵第i+1個粒徑的累積分布；

Ff(xi)——原料粉塵第i個粒徑的累積分布；

Ff(xi+1)——原料粉塵第i+1個粒徑的累積分布。

2.1壓降

在純氣流條件下測定不同排氣管直徑的旋風分離器壓降與進口氣速的關系曲線(圖3)，由圖3可以看出JLX型旋風分離器的壓降隨著進口氣速的增加而迅速增大，隨著排氣管直徑de增大而減小。當進口氣速為10～25m/s、排氣管下口直徑比de/D為0.44時，壓降約在350～2 000Pa左右。JLX型旋風分離器與常規B型旋風分離器(美國Buell公司首先推出的旁室型旋風)在相同排氣管下口直徑比條件下的壓降對比如圖4所示，可以發現JLX型旋風分離器壓降低于B型旋風分離器。

圖3 進口氣速對壓降的影響

圖4 JLX型旋風分離器與B型旋風分離器的壓降對比

在排氣管下口直徑比為0.5、進口氣速為14～28m/s時采用滑石粉為試驗物料，通過改變進口濃度得到進口濃度對壓降的影響曲線如圖5所示。由圖5可以看出進口濃度對壓降的影響幾乎可以忽略，而隨著進口氣速的增加，壓降明顯升高，故進口氣速是影響壓降的主要因素。另外可以看出含塵條件下的壓降稍低于純氣流條件下的壓降，這是由于在純氣流條件下旋風分離器中的氣流湍流強度較高，而對于含塵氣流，由于顆粒的存在使得氣固兩相有效粘度變大，降低了兩相流的湍流強度，從而使壓降有所降低[6]。

圖5 進口濃度對壓降的影響

2.2分離效率

在不同氣速下，滑石粉分離效率隨進口濃度變化的曲線如圖6所示，由圖6可以看出當進口氣速較低時，分離效率隨著進口濃度的增加而升高，但當進口氣速達到一個較高值后，分離效率隨著進口濃度的增加反而降低；在進口濃度相同的條件下，分離效率隨著進口速度的增加而升高，但當進口氣速達到一個較高值后，分離效率隨著進口速度的增加反而降低。在進口氣速為25m/s、進口濃度為10g/m3時，分離效率可達到99%。

圖6 進口濃度對分離效率的影響

分析產生上述現象的原因，當進口氣速較低時，在旋風分離器內，隨著進口濃度的增加，固相顆粒之間相互作用，碰撞、團聚與夾帶作用都會得到增強，從而使得較小的顆粒凝聚在一起被捕集；同時大顆粒向器壁移動時產生的空氣曳力也會把小顆粒夾帶至器壁，從而提高了對小顆粒的分離效率[7]。但是當進口氣速過高使旋風分離器內顆粒反彈、返混增強，同時使徑向氣速加大,上行軸向氣速也加大，顆粒停留時間縮短，灰斗返氣夾帶變多[8]，此時其造成的影響已經超過濃度增加對分離效率的影響，分離效率降低。

將試驗結果與筆者早期進行試驗的DⅠ型旋風分離器(螺旋頂型)進行對比(圖7)，可以看出：JLX型旋風分離器的分離效率較DⅠ型旋風分離器的高。

圖7 JLX型旋風分離器與DⅠ型旋風分離器的分離效率對比

在進口氣速為18、25m/s的條件下進行粉煤灰試驗，發現JLX旋風分離器在相同條件下對粉煤灰的分離效率要低于對滑石粉的分離效率，如圖8所示。這主要是因為滑石粉顆粒粒徑大于粉煤灰顆粒，其產生的離心力更大，有利于顆粒向器壁遷移，使氣固兩相混合物更能有效分離。在進口氣速為25m/s、進口濃度為10g/m3時，JLX旋風分離器對粉煤灰分離效率可達到97%，仍然具有較好的分離效果。

圖8 粉煤灰與滑石粉試驗分離效率對比圖

2.3粒級效率

粒級效率是目前所討論的效率準則中受試驗物料粒度分布影響最小的效率，由粒級效率曲線可以預測該旋風分離器分離性能。圖9列出進口濃度為20g/m3、進口氣速為18～28m/s時的粒級效率曲線，由圖9可以看出：對于10μm以上的粉塵顆粒，旋風分離器基本都能捕集；隨著進口氣速增大，粒級效率先增加后增幅趨緩。這是因為進口氣速增大，離心力增大，顆粒可以更好地到達壁面被捕集，粒級效率上升。

圖9 滑石粉試驗進口氣速對粒級效率的影響

隨著顆粒直徑的減小,粒級效率首先降低,達到一個最小值,然后當顆粒直徑很小(小于2μm)時,粒級效率又增加,粒級效率曲線呈彎鉤狀(魚鉤效應)。許世森和許晉源研究認為是在旋風分離過程中細微塵粒的碰撞、摩擦及靜電力等作用使細微塵粒團聚而使得分級效率提高[9]。吳學智認為除了細粒的團聚效應，大顆粒對小顆粒的夾帶效應也是造成魚鉤效應的原因之一[10]。

圖10為JLX型旋風分離器進出口和灰斗收集的滑石粉顆粒顯微結構圖，可以看出進口顆粒為不規則片狀顆粒，從灰斗收集的顆粒顯微結構圖顯示大顆粒上吸附著小顆粒，說明大顆粒對小顆粒有凝并攜帶作用，從而使小顆粒的分離效率提高，出口顆粒則為更細的顆粒，粒徑基本為10μm以下，這也驗證了JLX型旋風分離器的試驗結果。

圖10 顆粒結構SEM照片

3 結論

3.1JLX型旋風分離器的壓降隨著進口氣速的增加而增大，隨著排氣管直徑de增大而減小。同等操作條件下進口濃度對壓降的影響幾乎可以忽略，進口氣速是影響壓降的主要因素。

3.2在結構不變的情況下，當進口氣速較低時，分離效率將會隨著進口濃度的增加而升高，但當進口氣速較大時，分離效率隨著進口濃度的增加而降低。當排氣管下口直徑比為0.375、進口氣速為25m/s、進口濃度為10g/m3時，JLX旋風分離器對滑石粉的分離效率可達到99%，對粉煤灰分離效率可達到97%。

3.3對10μm以上的粉塵顆粒，JLX型旋風分離器基本都能捕集。粒級效率曲線呈魚鉤狀, 并且存在一個臨界粒徑。當粒徑小于臨界粒徑時, 粒級效率將隨著粒徑的減小而增加；當粒徑大于臨界粒徑時, 粒級效率將隨著粒徑的增大而增加。

3.4在同樣操作條件下，JLX型旋風分離器的壓降較常規B型旋風分離器低； 分離效率較DⅠ型旋風分離器高。JLX型徑向進口旋風分離器既具有良好的機械強度，又有優良的分離性能，適合在高溫高壓工況下IGCC粗煤氣的凈化。

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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“科技創新行動計劃”資助項目(12dz1201700)。

**謝 嘉，男，1986年2月生，助理工程師。上海市，200062。

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0254-6094(2015)01-0033-06

2014-06-30)

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