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入口高浓度条件下的旋风分离器对比研究

吴学智  
【摘要】:煤气化是IGCC和煤基多联产等煤炭高效洁净利用的关键技术之一。粉煤加压密相输运床气化技术是适应高灰、高灰熔点煤种的新型气化炉。输运床气化炉高固体通量的运行条件使得旋风分离器必须在高入口浓度条件下满足高效、低阻和结构简化等技术要求,需要在传统“筒锥式”旋风分离器的基础上,进行结构型式的改进和优选。 本论文通过冷态实验、理论分析和数值模拟,对入口高浓度条件下的旋风分离器气固两相的流动特性和性能进行了研究,主要工作如下: (1)在不同入口气速(16~28m/s)、宽入口浓度范围(0-55kg/m~3)、不同物料(石英砂和Υ-A12O3颗粒)下对包括“筒锥式”在内的四种旋风分离器进行了分离性能(分离效率和压降)的正交试验;得到了分离效率和压降随入口气速和浓度的变化规律。根据输运床对于高浓度气固分离的技术要求,除传统评价指标(处理风量、效率和压降)之外,引入“固体处理量”和“结构复杂度”作为新的评价指标,应用灰色关联评价法对四种旋风分离器的性能进行了综合评价;结果表明,“低位置斜入口锥筒式”旋风分离器关联度最大;优选出“低位置斜入口锥筒式”旋风分离器和“筒锥式”旋风分离器分别作为输运床一级和二级气固分离机构。 (2)对优选出的“低位置斜入口锥筒式”和“筒锥式”旋风分离器的气相流场和气相流场中的示踪颗粒运动进行了数值模拟。模拟得出了两种旋风分离器的静压、动压和速度分布规律;揭示了“低位置斜进口锥筒式”旋风分离器筒体内的双涡旋结构和锥顶内的单涡结构;解释了较少的旋转圈数和较小的旋流数为“低位置斜入口锥筒式”旋风分离器在入口浓度小于20kg/m3时分离效率较低的重要原因。 (3)基于数值模拟得出的流场结构改进了Wang(2006)的旋转圈数模型,并耦合Rosin(1932)的停留时间模型,得出了优选出的两种旋风分离器空载压降计算方法和入口低浓度(0.2 kg/m~3)下分离效率的计算方法。“筒锥式”旋风分离器空载压降计算值和入口低浓度(0.2 kg/m~3)下效率计算值与本文以及文献数据符合程度较好;“低位置斜进口锥筒式”空载压降计算值与本文数据符合程度较好。 (4)基于相似理论,对优选出的“低位置斜入口锥筒式”旋风分离器进行了近似的相似模化。得出了影响旋风分离器性能参数的一组相似准则数;对该型式旋风分离器的负载压降数据进行了相似拟合;根据“团聚分离控制”、“离心力分离控制”以及“团聚分离和离心力分离综合控制”三种不同的分离机理对该型式旋风分离器的分离效率数据建立了相似关联式。建立的相似关联式与实验数据相关度较高(相关系数接近于1)。 (5)将基于不均匀颗粒-流体系统的EMMS曳力模型与双流体模型相耦合,对包括“低位置斜入口锥筒式”旋风分离器在内的输运床整体回路在高固体流率(Gs=907和580 kg/m~2s)两种工况下的气固流动进行了数值模拟。获得了输运床各单元部件的流动细节;得到了入口高浓度条件下“低位置斜进口锥筒式”旋风分离器的气固两相流场参数分布、“二次流动”结构和“短路流”流量,结果表明,颗粒向下和向器壁的运动对旋转圈数、气相流场的轴向以及径向速率分布有着重要影响;“短路流”流量随入口浓度增大而减小是该型式旋风分离器总效率随入口浓度增大而增大的重要原因。


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