三旋单管排尘口返混现象的解决方案

三旋单管排尘口返混现象的解决方案

风速检测器是在气阻分离过程中应用最广泛的装置。第三级旋风分离器是流化催化裂化反应装置中的关键设备之一。它的作用是回收昂贵的催化剂,保证整个装置的平稳运行,确保高温烟气轮机的寿命等。旋风分离器内部流场是复杂的三维气固两相湍流旋转流场,其中固体颗粒的运动还伴随有扩散与碰撞等过程。初始条件具有一定的随机性,某些边界条件又有不确定性。所以,到目前为止,还无法完全从气固两相流的基本方程出发,用数值模拟的方法求解流场,只能通过大量的实验来寻求流动规律以提高其各方面的性能。影响第三级旋风分离器分离效率的因素很多。例如在单管排尘口,已被分离出的粉尘很容易又返回洁净的气流中,造成分离效率下降,被称为返混夹带,简称返混。大量的研究表明,返混是影响第三级旋风分离器分离效率的主要因素之一。下面将简要介绍VAS型旋风分离单管在防止返混中的改进。1轴向速度沿径向分布旋风分离单管实验装置见图1。旋风分离单管内部流动可分为切向、轴向和径向速度3个方面进行描述。切向速度分布的轴对称性很好,而且沿轴向的衰减也很小。沿径向的分布形态可分为内旋流和外旋流。轴向速度沿径向也呈轴对称形态。外旋流为下行流,内旋流为上行流。径向速度比切向速度小一个数量级,它的分布较紊乱。除中心涡核很小一部分外,绝大部分是向心气流。可以看出,旋风分离单管内部存在很强的旋涡,正是这个内上外下的旋涡起着气固分离的作用。然而,由于旋涡不会轻易终止于流场内部,所以旋涡会从排尘口深入到灰斗(集尘器)内,并在排尘口中心位置形成低压区。该旋涡把排尘口和灰斗中的粉尘重新旋起,并使之随气流重新由排尘口中心的低压区进入单管内上升的洁净气流中,造成分离效率下降。这就是三旋单管在排尘口存在返混现象的根本原因。2排尘口中旋流屏蔽的防返混机理为了防止返混,提高单管分离效率,人们进行了大量的研究工作。早期的防返混措施是加装各式的泄料盘,典型的泄料盘形式见图2a,其虽然能有一定的防返混效果,但使用时往往存在泄料口堵塞的问题,造成单管失效。美国M壳牌分离单管的排尘口未加任何其它结构,见图2b。其防返混的主要方法是通过单管各尺寸的优化,在排尘口附近形成一种特殊的旋流,产生所谓旋流屏蔽,阻止灰斗内细粉的夹带返混。但是,由于国内流化催化裂化生产工艺过程控制不够理想,气量不稳定,造成旋流屏蔽不易产生或不能保持稳定,故防返混效果不够理想。近几年发展起来的新型分离单管多采用双锥结构来抑制返混,见图2c。其基本原理是在排尘口设置双锥结构,通过使排尘口气流通道突然扩大再收缩,再突然扩大的办法扰乱气流,从而减弱深入灰斗的旋涡强度。它的确起到了一定的防返混效果。但是由于没有完全消除排尘口的旋涡,所以防返混效果有限。总之,为防止旋风分离器的返混,人们对排尘口作了不少的研究,也采取了许多措施,但并未取得非常理想的效果。3单管vas反混合技术3.1防止返混的关键技术VAS型三旋单管是由西北工业大学、西安三桥机电设备厂和锦西炼化总厂联合研制的新型三旋分离单管,具有处理量大、分离效率高、压降损失小和工作寿命长等特点。它采用了许多新技术,其中在排尘口加止旋器来防止返混是其关键技术之一。VAS型三旋单管排尘口止旋器结构见图3,止旋器由止旋叶片和整流锥构成。其基本工作原理:由于叶片的导向作用,使通过止旋器进入灰斗的气流不再旋转而沿轴向运动。这样可以消除排尘口处的旋涡,避免在排尘口中心处产生低压区,从而避免了排尘口和灰斗中的粉尘再次被吸入。从根本上消除了产生返混的条件,达到提高分离效率的目的。同时由于加装了排尘口止旋器,排尘气流为轴向运动(只出不进),排尘效率高,不必采用增大泄料气量的办法来提高分离效率,故而加装排尘口止旋器还可以起到减小泄气量,增加能量回收的作用。3.2厚度分布设计止旋器由整流锥和止旋叶片构成。对整流锥形状的要求不高,只要是光滑的椭球形即可。止旋叶片的设计包括各剖面中弧线设计和厚度分布设计。取剖面为翼型形状,中弧线为圆弧,则:圆弧角θ=α1/(1−0.26s/cs−−−−√)θ=α1/(1-0.26s/cs)圆弧半径R=cs/2tan(θ/2)+bR=cs/2tan(θ/2)+b式中,s为叶片周向间距,α1为叶片入口角度,cs为叶片弦长,b为圆弧中心弧高。取相对厚度8%～12%的对称翼型厚度分布。3.3单管冷态分离效率为了观察VAS型三旋单管出口的流场情况,证明止旋器的作用,我们进行了止旋器作用的流场显示实验。具体做法是将集尘器开观察窗和在三旋排尘口加丝线网。由于丝线很轻,对气流的跟随性很好,可以直观地显示出低速流场的情况。流场显示实验结果见图4。不加止旋器时排尘口存在强烈的旋涡,而且在排尘口的中心气流是向内流的,会将粉尘重新带回单管。加装止旋器后,排尘口不存在明显旋涡,而且气流只出不进,不可能将粉尘重新带回单管,止旋器起到了止旋的作用。为了使单管出口向下的气速增加,减少返混的影响,通常还可以用加大泄料气量的方法提高分离效率。一般要求泄料气量为3%～5%,最低不能低于3%。单管冷态分离效率实验表明,泄料气对VAS型分离单管的分离效率几乎没有影响。典型实验结果见图5。使用中,泄料气为2%,甚至1%,说明VAS型分离单管仍然保持较高的分离效率。这从另一个方面证明了止旋器具有既防返混又节约能源的作用。4多管回混的现代工程中的算法及带来的困难理论分析及实验表明,采用在VAS型三旋分离单管出口处加装止旋器的方法解决返混问题,完全能够达到预期的目的。值得提出的是,返混问题在多管组合时最为严重。