水力旋流器选型

水力旋流器选型参数和考虑因素
水力旋流器在工业生产中有着很广泛的应用,如在磨矿领域就会使用水力旋流器来实现矿石的分级分离。

水力旋流器的选型需要综合考虑多项参数,以下就针对闭路磨矿来说明水力旋流器选型时需要提供的具体参数。

1、水力旋流器的工艺参数
水流旋流器在用于闭路磨矿时,要提供的工艺参数包括,旋流器所需处理浆液的浓度、粘度、固体比重、液体比重、固体含量、固体颗粒密度、进口浆料的固体颗粒粒度分布,旋流器单位时间内的固料处理量、给矿率、浆料通过量、磨矿所需粒度及浆料的酸碱度等。

2、水力旋流器的底流溢流要求参数
旋流器的底流和溢流要求参数,是指和底流溢流有关的流量、浓度和粒度等,包括旋流器的溢流密度或者含固体量、底流密度或者含固体量、循环负荷、过程控制约束等。

3、水力旋流器的其他参考因素
水力旋流器的设计过程中,旋流器制造企业还需了解使用单位的磨矿目的及后续的流程工序,以便能更好的保证后续流程中有用矿物更好的回收。

水力旋流器的设计还受闭路磨矿所使用的球磨机影响,如球磨机和棒磨机的进料率持续、循环负荷恒定,旋流器的矿浆提供量也恒定,自磨机则相反,进料率和循环负荷都可变,所以矿浆给料也可变。

4、水力旋流器的设计变量
旋流器的设计变量一般包括旋流器的直径、进口直径、溢流口直径和溢流口
高度等。

旋流器的设计变量会决定旋流器的实际使用效果,它是由旋流器的制造企业根据使用企业提供的工艺参数及其他条件来确定的。

5、水力旋流器的安装方式
水流旋流器常用的安装方式有垂直安装和倾斜安装。

水力旋流器的垂直安装
适用于给料波动较大、循环负载变化较大的工作条件,但对沉沙嘴的磨损严重。

水力旋流器选择倾斜安装,则更适合可变循环负荷的恒定底流提供,能降低沉沙嘴磨损,但在高浓度回路上表现较差。

随着电力工业的发展,燃煤电厂所排放的二氧化硫对环境的污染日趋严重。

而二氧化硫减排的最有效措施就是烟气脱硫。

燃烧后脱硫是广泛采用的脱硫技术,又称为烟气脱硫(FGD)。

湿式石灰石-石膏法是目前世界上应用最广泛也是最成熟的一种烟气脱硫技术,在世界脱硫市场上占有的份额到85左右。

它具有较高的脱硫效率(>90),单塔处理烟气量可达300万
Nm3/h,对高硫煤、大机组的烟气脱硫有非常重要的意义。

多年来,在分离、分级设备中,水力旋流器具有结构简单轻便、处理能力强、
维护费用低、易于更换磨损部件等优点,在电力FGD、冶金分级、废水处理等领域
有着十分广泛的应用。

1水力旋流器在烟气脱硫系统中的应用
1.1石膏水力旋流器在烟气脱硫系统中的应用
石膏作为湿式石灰石—石膏烟气脱硫工艺的副产品产生。

浆液中包含的固态
物质主要由石膏、石灰石、其它盐类混合物和灰粒等组成。

石膏处置过程分为两步:初级分离和二级脱水,其中初级分离由石膏水力旋流器完成,二级脱水由水平真空皮带脱水机进行。

浆液从吸收塔浆池由石膏排出泵送至石膏水力旋流器。

水力旋流器溢流主要
含有较细的固体颗粒(细石膏颗粒、未反应的石灰石、未溶解的石灰石杂质和飞灰),大部分水力旋流器溢流返回至吸收塔。

石膏水力旋流器的溢流含固量一般在
1~3%(Wt)左右,较细的固体颗粒主要为未完全反应的吸收剂、石膏小结晶等。

未完全反应的吸收剂继续参与脱硫反应;石膏小晶体作为吸收塔浆池中结晶长大的晶核,影响下一阶段石膏晶体的形成。

小部分石膏水力旋流器溢流必须排出系统,避免细小颗粒和氯化物浓集。

因此,小部分溢流由废水水力旋流器泵直接排至废水水力旋流器。

这个废水水力旋流器,一方面必须保留住FGD系统内的未反应的石灰石和小石膏颗粒;另一方面能使部分杂质通过废水排放,同时保持整个脱硫系统的氯离子浓度。

浓缩的石膏水力旋流器底流主要包含粗石膏颗粒,底流直接进入石膏浆液箱最终进入真空皮带脱水机或直接进入真空皮带脱水机。

水力旋流器的底流含固量一般在50%(Wt)左右,其中的游离水主要靠真空皮带脱水机脱除。

进入脱硫系统的石灰石中本身含有不参与反应的物质,加上烟气中的飞灰这些固体颗粒,最终进入吸收塔浆液中。

这些杂质一部分可以通过废水水力旋流器溢流排放从系统中去除;一部分还是进入真空皮带脱水机,不溶杂质影响了石膏的品质。

而合适的石膏-水力旋流器可以合理分配杂质的去向,提高石膏的品质。

图1石膏水力旋流器流程图
1.2石灰石水力旋流器在烟气脱硫系统中的应用
石灰石送到湿式球磨机内磨制并配成浆液,石灰石浆液用泵输送到水力旋流器经分离后,底流(含粗大颗粒)返回湿式磨机进一步研磨。

溢流物料(石灰石浆液的浓度控制在20~30(Wt)之间)存贮于石灰石浆液池中,然后经石灰石浆液泵送至吸收塔。

石灰石浆液的浓度太高对泵和管道的磨损较大;浆液浓度太低则泵的功耗太大。

同时,石灰石粒径的大小对石灰石的利用率、反应活性、泵与管道的磨损有很
大的影响。

而合适的水力旋流器的选用,不仅可以提高石灰石的利用率,也可减小浆液对泵及管道的磨损。

图2石灰石水力旋流器流程图
由此可见,选择合适的水力旋流器对提高石膏品质、提高石灰石利用率、降低运行费用等起到非常重要的作用。

2.水力旋流器的基本原理
图3水力旋流器的原理结构图
2.1水力旋流器的工作原理
水力旋流器的给料是固液混合物,它们在泵或引力的作用下以切线角度进入水力旋流器的小仓室。

经实验表明,合适的给料口应设计为一个开口为矩形的切展线入口,矩形的长边与水力旋流器的轴平行。

这种设计可以在很大程度上避免切线型入口在给料时所造成的湍流。

这种“切展线”设计代表了研究方向的主流。

给料进入小舱室之后开始旋转,引起一定的离心力冲击大量的固体颗粒,并将之带到水力旋流器的外壁。

固体颗粒呈螺旋状下到呈圆锥状的部分。

从这儿,较小的颗粒移向中心,然后呈螺旋状上升,通过涡旋状探测器出去,这就是所说的“溢流”。

正常情况下在大气压力的作
用下产生。

比较大的颗粒在到达圆锥型部分后保持沿着圆锥壁呈螺旋状下降,逐渐通过底部出口出去,这就是所说的“底流”。

象溢流一样,通常情况下,底流也是在大气压力的作用下产生的。

2.2水力旋流器的相关重要参数
2.2.1水力旋流器的分离粒径
在水力旋流器所有的应用中都有两个主要目的:其一是浓缩,其二是分级。

以前,分离的定义是固体颗粒的尺寸,尺寸为该固体颗粒尺寸的1到3的颗粒汇入溢流,尺寸大于这些的汇入底流。

但是,该尺寸很难准确的界定。

在实际的研究中应用另一种理论,即某一粒度的颗粒的50汇入溢流,50汇入底流,也就是所说的D50点。

从绘制的颗粒尺寸对底流颗粒分离率的图表(见图4),我们会发现靠近50分离点的曲线上升非常快,而分离率从97到99之间的曲线,可以发现曲线非常平,一个小小的误差就能大大地改变分离的尺寸。

所以,D50点可以更精确的确定分离点。

当减
小D50,分级效率曲线更陡,水力旋流器分级效率更高,大颗粒在底流的回收率提高,同时小颗粒在溢流的回收率也提高;反之亦然。

图4分级效率曲线
对于一定百分含量的物质,曲线需要修正。

并且,对于非常细小的颗粒,可以下移到零位置。

如图4所示修正分离效率曲线。

修正D50的基本值与下列参数有关:压降、给料固体浓度和相关的液体和固体的比重。

见式1中的公式:
D50(修正)=D50(基数)×A1×A2×A3(式1)
(A1、A2、A3代表以下不同变量中的修正因素)
变量A1是来料含固量系数:
A1=(1-0.0188A V)-1.43(式2)
其中A V为来料固体所占体积百分比
变量A2是水力旋流器中的压降系数,其对分离率的影响由公式可知:
A2=3.27P-0.28(式3)
变量A3是相关液体和固体的比重系数:
A3=水力旋流器本身的结构参数,它们在一定程度上也影响水力旋流器的分离率。

但是,用于工程设计时,这些因素可以忽略。

确定了上述这些变量和给定型号水力旋流器的D50基数之后,就可以计算典型的水力旋流器分离率了。

2.2.2.处理量
象大多数液流功能一样,一个给定水力旋流器可以处理的浆液量和压降有关。

处理量与压力降对给定水力旋流器的关系图是一条直线。

当来料含固量较低时,处理量与压力降、水力旋流器直径之间呈线性对数关系(见图5)。

因此,不同直径水力旋流器相同配置时,可以得出一组平行的性能曲线。

对于同一水力旋流器,来料压力越大,处理量越大;对于相同的来料压力,直径较大的水力旋流器处理能力也较大。

体现了同类别水力旋流器当改变外界环境时所能达到的处理量,也体现了不同类别水力旋流器所能达到的处理量。

图5水力旋流器处理量与压降、水力旋流器直径间的关系
3.水力旋流器的选型
正如上文所说,水力旋流器的两个作用,一是浓缩,二是分级。

对于脱硫工程来讲,最终打入吸收塔的石灰石浆液的参数作为石灰石水力旋流器运行好坏的考核;而打入真空皮带脱水机的石膏浆液和返回到吸收塔的石灰石、石膏浆液的参数作为石膏水力旋流器运行好坏的最
终考核参数。

原则上,水力旋流器的选型边界条件如下:单位时间的物料处理量、浆液浓度、固料比重、进口浆料的颗粒分布、浆液的pH值、要求的溢流浓度、底流浓度、颗粒的尺寸通过率。

而对于选定的某一型号水力旋流器系统,其内部的分配方式等结构对水力旋流器的分离、分级效果有很大的影响。

3.1水力旋流器选型参数的确定
水力旋流器选型的边界条件是由脱硫工艺本身决定的,待这些条件决定后,水力旋流器选型的主要任务就是选择水力旋流器的入口压力和直径。

一般地,整个水力旋流器内压降的测量主要是通过对比给料压力和溢流压力来完成的,并且,如前文所说,无论是溢流还是底流,通常都是通过大气压力排放的,这就是说给料压力就是压降。

从脱硫系统传统的布置可以看出,水力旋流器在垂直布置位置较高,这样水力旋流器的底流或溢流都可以通过重力的作用到达目的地,从而可以减少相应的泵与管道。

从前文可知,水力旋流器的压力与处理量呈线性对数关系,压降越大,处理量越大。

而这时因水力旋流器布置较高给料泵压力已经较高,显然对于加大泵的压力来增加水力旋流器处理量已不现实。

这样不仅会增加泵的造价,而且增加浆液对泵与管道的磨损。

对于水力旋流器分离分级效果的好坏,主要取决于分离粒度D50,当水力旋流器的入口压力一定时,尽量选用小直径的设备,这样必须增加旋流子的数量和相应的管件、阀门、仪器仪表等设备,从而增加一次投资。

在不影响分离粒度的前提下,应优先选用压力较小而设备直径较大的水力旋流器。

3.2水力旋流器选型结构的确定
在水力旋流器系统中,结构因素中最重要的就是如何在众多平行运行的水力旋流器中分配浆液。

在该系统中,应该选用一种母管,浆液可以从中心混合室通过母管呈放射状流入各个水力旋流器。

经实验表明,在合理的设计中,一根“放射母管”可以将浆液均匀地送入各个水力旋流器,包括给料浓度和颗粒尺寸分布。

如果应用“内嵌式”母管,当浆液流经管道时,每个水力旋流器里的给料都在母管内流动,这样,大质量的颗粒就会经过第一个水力旋流器而进入最后一个水力旋流器。

因为这些颗粒有足够的能量“拐弯”。

结果导致最后一个水力旋流器中粗糙
颗粒的浓度较高。

内嵌式母管的另一个问题是,如果最后一个水力旋流器关闭的话,母管的末端很可能会由于堵塞而报废。

如果分离率要求不高,或者给料浓度很低,内嵌式母管就是一个很好的选择,并且,比放射状母管经济的多。

3.3材质
对于湿法FGD系统来讲,水力旋流器内输送的介质具有较强的腐蚀性,同时由于水力旋流器内介质作强烈的旋转,微小的颗粒会对水力旋流器的冲刷产生严重的磨损。

因此,水力旋流器材质的选用既要考虑腐蚀,又要考虑磨损。

在脱硫工程已运行比较良好的水力旋流器中,水力旋流器的防腐耐磨材料一般选用以下两种材料:一是碳钢衬胶,二是聚氨酯。

二者都具有优良的防腐耐磨性能。

4.结论
水力旋流器因占地小、结构简单、处理能力强、易于操作等优点,在湿式烟气脱硫工程中得到首先的应用。

从石灰石水力旋流器和石膏水力旋流器在湿法烟气脱硫系统中的位置来看,它们都起到非常重要的作用。

石灰石水力旋流器运行的好坏,关系到石灰石消耗、泵的功耗以及脱硫系统整体运行性能;而石膏旋流器运行的好坏,影响到石膏的品质、吸收塔内晶体的形成速度。

因此,根据已知工艺参数选择合适的水力旋流器是水力旋流器运行好坏的关键。

分离粒度是水力旋流器的一个重要参数,在选择水力旋流器时重点要确定合理的分离粒度,在此前提下,综合考虑占地、造价等其它因素。