蜗壳式旋风分离器的原理与设计

蜗壳式旋风分离器的原理与设计

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蜗壳式旋风分离器的原理与设计

杭州锅炉集团股份有限公司王天春徐亦芳 1前言

循环流化床锅炉的分离机构是循环流化床锅炉的关键部件之一,其主要作用是

将大量高温,高浓度固体物料从气流中分离出来,送回燃烧室,以维持燃烧室一定

的颗粒浓度,保持良好的流态化状态,保证燃料和脱硫剂在多次循环,反复燃烧和

反应后使锅炉达到理想的燃烧效率和脱硫效率.因此, 循环流化床锅炉分离机构的性能,将直接影响整个循环流化床锅炉的总体设计,系统布置及锅炉运行性能.根

据旋风分离器的入口结构类型可以分为:圆形或圆管形入口,矩形入口,"蜗壳式"

入口和轴向叶片入口结构.本文重点分析在循环流化床锅炉中常用的"蜗壳式"入

口结构.

2蜗壳式旋风分离器的工作原理

蜗壳式旋风分离器是一种利用离心力把固体颗粒从含尘气体中分离出来的静

止机械设备.入口含尘颗粒气体沿顶部切向进入蜗壳式分离器后,在离心力的作用下,在分离器的边壁沿轴向作贴壁旋转向下运动,这时气体中的大于切割直径的颗粒被分离出来, 从旋风分离器下部的排灰口排出.在分离器

锥体段,迫使净化后的气流缓慢进入分离器内部区域,在锥体中心沿轴向逆流

向上运动,由分离器顶部的排气管排出.通常将分离器的流型分为"双旋蜗",即轴

向向下外旋涡和轴向向上运动的内旋涡.这种分离器具有结构简单,无运动部件,

分离效率高和压降适中等优点,常作为燃煤发电中循环流化床锅炉气固分离部件.

图l蜗壳式旋风分离器示意图

蜗壳式旋风分离器的几何尺寸皆被视为分离器的内部尺寸,指与气流接触面的

尺寸.包括以下九个(见图1):

a)旋风分离器本体直径(指分离器简体截面的直径),D;

b)旋风分离器蜗壳偏心距离,; c)旋风分离器总高(从分离器顶板到排灰口),H;

d)升气管直径,D;

e)升气管插入深度(从分离器空间顶板算起),s;

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f)入口截面的高度和宽度,分别为a和 b;

g)锥体段高度,H;

h)排灰口直径,Dd;

2.1旋风分离器中的气体流动

图2为一种标准的切流式筒锥形逆流旋风分离器的示意图,图中显示了其内部

的流

态状况.气体切向进入分离器后在分离器内部空间产生旋流运动.在旋流的外

部(外旋升气管

涡),气体向下运动,并在中心处向上运动 (内旋涡).旋风分离器外部区域气体

的向下运动是至关重要的.因为,依靠气体的向下运动,把所分离到器壁的颗粒带

到旋风分离器底部.与此同时,气体还存在一个由外旋涡到内旋涡的径向流动,这

个径向流动在升气管下面的分离器沿高度方向的分布并不均匀.

轴向速度

切向速度

/

图2切向旋风分离器及其内部流态示意图图2的右侧给出了气流的轴向速度

和切向速度沿径向位置的分布图.轴向速度图表明气体在外部区域沿轴向向下运

动.切向速度图表明气体在内部区域沿轴向向上运动. 轴向速度在中t2,线附近常常存在一个滞留区域,有时甚至出现气体轴向速度是向下的. 切向速度分布类似于兰金涡:外部的准自由涡(无摩擦流体的旋转运动,其涡流运动中的切向速度使得流体微元在所有径向位置上的动量矩相同)和内部的准强制涡(涡流内各点有相同的旋转角速度,就像刚体旋转一样).

对于径向速度沿径向的分布规律,我们面

面

知道并不太多.一般来说,径向速度要比切向速度小得多,且很难精确测定.但升气管下口以下的径向速度通常是由外向内,但沿高度方向的分布是不均匀的.而且,升气管下口附近的向心径向速度最大,这与气体的二次流动有关.

旋风分离器凹壁附近的旋流本身是不稳定的流动,因此旋流运动引起的压力梯度将造成旋风分离器内壁产生"二次流".静态压力沿旋流的外部区域是增加的.从顶板一直到下部的锥体整个壁面的边界层内部都存在压力梯度.另一方面,由于该边界层内的切向速度较低,其结果是在器壁附近区域的

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气团存在向心的合力,于是沿旋风分离器顶板到锥体壁面出现图3所示的内流动.因此,这个向心的合力,是由器壁和气团之间的摩擦阻力来平衡.

在顶板附近流动的气体沿升气管外壁向下流动.这就造成了升气管下口末端的径向速度增加,这常称为"升气管末端短路流", Ai

Q

约占整个气团的10%.随着升气管的长度变短,比例还会提高.实验研究表明,除了以上边界层的二次流动外,在旋风分离器的涡核处还存在类似"面包卷"形状的二次流

态.这种流态会使颗粒在旋风分离器内做循环运动.

图3旋风分离器内气体运动三维示意图 Linden最早通过实验测量了旋风分离器内气体运动时的三维速度,即切向,径向和轴向速度.

(1)切向速度

切向速度对于粉尘颗粒的捕集与分离起着主导作用.含尘气体在切向速度的作用下,使尘粒由里向外离心沉降.排气管以下任一区域段上切向速度沿半径的变化规律可分为三个区域,靠近旋风分离器壁面为工区,切向速度Vow为常数,通常称为自由旋流区.图3所示分离器中,

…一一一V.win:=一A

in

一

ab

式中,Q是进入旋风分离器的流量;其余参数见图3所示.

矩形入口旋风分离器的入口收缩系数 a:—一

{一?+【(—{一)一—{一]/)

t—)-一.

一0.5D—R'

c是旋风分离器入口气固两相流中的颗粒质量与气体质量的比值.

在旋风分离器中心到"最大切向速度面",即排气管下部的中心区域,通常称为强制旋流区(?区).它类似刚体旋转运动, 其切向速度与旋转半径r之比为一常数, 即v0esr,=常数,此常数为角速度co.

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计算内旋涡半径Rcs处的气体切向速度, 其表达式为:

(R/R)

一