臥式螺旋離心機操作參數對粉煤氣化灰水分離特性的影響

談志超，劉雪東，郭文元，張 煒

（1.常州大學機械工程學院，江蘇 常州 213164；2.江蘇省綠色過程裝備重點實驗室，常州大學，江蘇 常州 213164；3.中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103）

1 引言

近年來，煤化工事業在我國快速發展，粉煤加壓氣化已成為煤化工的重要方法。中國石化與華東理工大學共同研發粉煤加壓氣化技術（簡稱SE汽化爐），合成氣經初步凈化單元洗滌除塵后送至合成界區。洗滌除塵后的渣水，在渣水處理單元實現干化回用。分析表明，灰渣中含有20%左右的未完全反應的C，灰渣干化后與原煤摻混、粉碎，再次送入氣化爐，實現資源充分利用。因此，氣化灰水干化分離成為裝置高效運行的重要環節。傳統的真空帶式過濾因其在脫水過程中出現濾餅開裂，破壞分離真空條件，使得脫水效果難以保證。

臥式螺旋離心機因其具有優良的分離效果、超高的工作效率、管理維護方便等特點在氣化灰水脫水行業中脫穎而出。臥式螺旋離心機采用高速旋轉的密閉結構，其內部流場難以精確測量，目前對臥式螺旋離心機的研究主要還是集中在轉鼓和螺旋推料器的強度校核方面，而對臥式螺旋離心機內影響分離效率的研究尚顯不足。文獻[1]在未考慮臥螺離心機內螺旋的作用下，在Fluent中采用RSM 模型與DPM 模型，對臥螺離心機內的液-固兩相流進行了三維數值模擬，從而獲得了流場內的速度和壓力分布情況。文獻[2]采用Fluent 中的DPM 模型，將模擬所得周向滯后與理論計算的滯后量進行對比，試驗在一定程度上驗證了數值模擬的可行性。文獻[3]對臥式螺旋離心機內的流場進行了數值模擬，從而得到了周相速度和軸相速度大小分布情況。文獻[4]通過在不同顆粒直徑、固相密度和液相黏度條件下對臥螺離心機的內部流場進行三維穩態計算，總結了顆粒的直徑、固相密度和液相黏度對分離效率的影響。文獻[5]通過對不同長徑比的臥式螺旋離心機進行數值模擬，從而得出長徑比對分離效率的影響。文獻[6]提出了一種改進的數學模型來模擬洗煤過程中螺旋道內顆粒的流動行為。文獻[7]采用計算流體動力學軟件結合離散元法軟件，對離心機內水、空氣和顆粒的多相流動進行了數值模擬。文獻[8]利用計算流體力學方法，繪制了離心機進料區的流場圖。

已有氣化灰水脫水方面的研究成果主要集中在臥螺離心機內的流場及物性參數對臥螺離心機分離效率影響的方面，有關操作參數對臥螺離心機影響方面的研究有待深入。以某650 型臥式螺旋離心機為研究對象，就轉鼓轉速、處理量和轉速差等方面，對氣化灰水脫水的臥螺離心機分離性能進行研究。

2 臥式螺旋離心機三維模型創建和網格劃分

2.1 臥式螺旋離心機工作原理

臥式螺旋離心機主要由高速旋轉的轉鼓、螺旋推料器和差速器等組成，其工作原理，如圖1 所示。物料通過進料管進入臥螺離心機，在分料裝置處進入轉鼓。轉鼓高速旋轉，產生巨大的離心力場，實現物料固相與液相的分離，密度較大的固相會緊緊貼合在轉鼓的內壁面。螺旋推料器與轉鼓存在速度差異，兩者之間的相對運動推動固相向轉鼓小端移動，而液相則順著螺旋推料器的外壁面流向轉鼓大端。

圖1 臥螺離心機工作原理Fig.1 Working Principle of Decanter Centrifuge

2.2 臥式螺旋離心機建模和網格劃分

某650 型臥式螺旋離心機的主要結構尺寸，如表1 所示。結合其尺寸，利用PROE 軟件對臥式螺旋離心機進行三維建模。所研究的臥式螺旋離心機由結構規則的排渣口和復雜的螺旋結構組成，所以對排渣口部分采用Cooper 方法創建結構化網格；對復雜的螺旋采用T-grit 方法創建非結構化網格，從而有效利用結構網格和非結構網格的優點。對網格進行無關性驗證，分別取網格數目為346910、755343、1146978、1529354、2052376，其所對應的排渣口含固率分別為55.484%、56.628%、57.118%、56.743%、56.942%。綜合考慮選取網格數為1529354 的網格文件進行之后的模擬，網格模型，如圖2 所示。

表1 臥式螺旋離心機三維模型幾何尺寸Tab.1 3D Model Geometry Size of Horizontal Spiral Centrifuge

圖2 臥螺離心機網格劃分效果Fig.2 Meshing Effect of Decanter Centrifuge

3 數值模擬

在臥式螺旋離心機模擬的過程中，采用以下四點設置：

（1）臥螺離心機內部的流體處于穩態；

（2）臥螺離心機內部流體不可壓縮；

（3）忽略離心機內部的熱量傳遞和溫度變化

（4）氣化灰水中的顆粒均為球形，并且均勻分布。

邊界條件設置：入口采用速度入口，通過設定入口處的湍流強度和水力直徑來設定邊界條件。在螺旋與排渣口的交界面處設立interface 面，流道內與流體相接處的面都設為運動面。采用馬爾文Master2000 激光粒度測試儀對氣化灰水進行測量，其粒度分布，如圖3 所示。D50=26.426μm。其他參數設置：液相密度為998.2kg/m-3、液相粘度為0.001003Pa/s、固相顆粒密度為2000kg/m-3、入口灰水含固率為20%。

圖3 氣化灰水粒度分布測量結果Fig.3 Measurement Results of Particle Size Distribution of Gasification Ash Water

對臥螺離心機的內部流場進行數值模擬分析，主要分為2個步驟：

（1）采用RSM 湍流模型對臥螺離心機的內部流場進行模擬，由于mixture 模型允許相與相之間的貫穿，并且在Fluent 中完成計算之后，通過后處理軟件可以直觀看到整個臥螺離心機內部含固率的分布情，如圖4 所示。因此氣化灰水在臥螺離心機中的分離過程采用mixture 模型。

圖4 氣化灰水固相體積分數分布圖Fig.4 Solid Volume Fraction Distribution Diagram of Gasification Ash Water

（2）采用相同的計算方法對不同的操作參數進行模擬，研究其對分離效率的影響。

4 模擬結果與分析

4.1 轉鼓轉速對分離性能的影響

轉鼓轉速是影響離心力大小的重要因素，因此其對分離效率的影響不言而喻。通過改變某650 型臥式螺旋離心機的轉速，來研究轉速對氣化灰水分離效率的影響。在保證臥螺離心機處理量為50.75m3/h，轉速差為20r/min 的情況下，將轉速分別設置成100r/min、300r/min、500r/min、700r/min、900r/min、2000r/min、3000r/min、4000r/min、5000r/min，模擬所得結果，如圖5 所示。

圖5 轉鼓轉速對分離效果的影響Fig.5 Effect of Rotation Speed of Drum on Separation Performance

從圖5 中可以看出，臥螺離心機在轉速從100r/min 逐漸提升到2000r/min 的過程中，出渣含固率快速增加，繼續提高轉速，出渣含固率增加趨緩。由于氣化灰水中顆粒與水的結合方式使得通過增加轉鼓速度并不能讓出渣含固率一直快速增加。固相回收率的變化與出渣含固率變化呈現相似的趨勢。通過分析出渣含固率和固相回收率，可以得到轉速越高分離效率越好。但在實際應用中，通常不單單只考慮轉速，因為過快的轉速會給轉鼓部分帶來過重的負擔，從而降低轉鼓的使用壽命，轉速設置在2000r/min，不僅可以保證較高的分離效率，與此同時還可以盡可能延長臥螺離心機的使用壽命。

4.2 處理量對分離性能的影響

傳統的理論認為，當處理量增大時，由于進料口大小并無改變，也就是說提高了進料速度，使得軸向速度增大，從而使得氣化灰水停留在離心機內的時間減少，不能在離心機內充分分離，導致分離效率降低。由于臥螺離心機存在半徑逐漸減小的錐段，因此傳統理論并不完全適用于臥螺離心機。在保證臥螺離心機轉速為2000r/min，轉速差為20r/min 的情況下，處理量分別選取為7.25m3/h、14.5m3/h、21.75m3/h、29m3/h、36.25m3/h、43.5m3/h、50.75m3/h、58m3/h，來模擬分析處理量的變化對臥螺離心機分離氣化灰水的影響，如圖6 所示。

圖6 處理量對分離效果的影響Fig.6 Effect of Treatment Capacity on Separation Performance

從圖6 可以看出，隨著處理量的增加，起初出渣含固率和固相回收率沒有顯著的變化，但是當處理量從50.75m3/h 提升至58m3/h 時，出渣含固率和固相回收率都有一定程度的下降。氣化灰水由于離心力的作用，在發生固液分離時需要在臥螺離心機內停留一段時間，起初進料速度的增加依然能夠使得氣化灰水在離心機內進行充分分離，但是隨著處理量進一步提高，導致氣化灰水無法在臥螺離心機內進行充分分離就被帶至排渣口，從而使得出渣含固率和固相回收率都有所下降。可見進料速度在50.75m3/h時，不僅能夠使得處理量達到最大值，還能保證物料在離心機內能夠充分分離。

4.3 轉速差對分離性能的影響

轉鼓與螺旋推料器轉速存在一定的轉速差，可以保證轉鼓離心分離的氣化灰水向錐段移動，以便于進行進一步的擠壓脫水。通常情況下，過大的轉速差會使得轉鼓內液體的擾動加大，因而造成排渣口的含水量增加以及溢流口的含固量增加，而過小的轉速差又會使得沉渣無法及時排出，從而導致分離效率降低。在保證臥螺離心機轉速為2000r/min，處理量為50.75m3/h 時，分別選取轉速差為10r/min、15r/min、20r/min、25r/min、30r/min、35r/min、40r/min，來模擬分析轉速差變化對臥螺離心機分離氣化灰水的影響，如圖7 所示。

圖7 轉速差對分離效果的影響Fig.7 Effect of Speed Difference on Separation Performance

從圖7 可以看出，隨著轉速差逐漸增大，出渣含固率與固相回收率并無顯著的變化。這是由于轉鼓的轉速往往都是幾千轉每分鐘，而轉速差卻只有幾十轉每分鐘，其占轉速的比例還達不到5%，因此可以預料其對氣化灰水分離影響并不明顯，主要還是用于運輸沉渣。而現實中臥式螺旋離心機的轉速差調節范圍也很有限，一般在（20～40）r/min 之間，所以僅通過改變轉速差來提高分離效率是不切實際的。

5 結果驗證

為了驗證模擬結果的可靠性，在裝置現場采用同型式臥式螺旋離心機進行氣化灰水分離試驗，如圖8 所示。為了考察轉鼓轉速的變化對出渣含固率的影響，將不同轉速下的出渣口產物進行烘干處理，計算所得試驗結果與數值模擬結果比較情況，如圖9 所示。由圖可知，實驗數據與模擬數據存在10%以內的誤差，但兩者呈現相同的變化趨勢，數值模擬的出渣含固率優于試驗結果，是由于模擬過程中不考慮溫度變化和熱量傳遞。

圖8 臥螺離心機現場裝置Fig.8 Field Device of a Decanter Centrifuge

圖9 實驗數據與模擬數據對比Fig.9 Comparison Between Experimental Data and Simulated Data

6 結論

（1）臥式螺旋離心機分離氣化灰水過程中，隨著轉鼓轉速的增加，氣化灰水的出渣含固率與固相回收率都是在2000r/min 之前有明顯的增加，在其之后增加趨緩。綜合考慮，將最佳轉速定在2000r/min。（2）隨著進料速度的增大，經過臥式螺旋離心機分離的氣化灰水的出渣含固率和固相回收率無明顯下降，但當處理量達到50.75m3/h 之后，都有一定的下降。綜合考慮，在進料速度為50.75m3/h，既能使得處理量最高，也能使得氣化灰水得到充分分離。（3）與傳統的觀念不同，隨著轉速差的增加，經過臥式螺旋離心機的氣化灰水出渣含固率與固相回收率并無明顯的變化。綜合考慮，將轉速差設定在灰渣良好的推進范圍內即可。