臥式螺旋離心機(jī)操作參數(shù)對(duì)粉煤氣化灰水分離特性的影響
技術(shù)支持
1 引言
近年來，煤化工事業(yè)在我國(guó)快速發(fā)展，粉煤加壓氣化已成為煤化工的重要方法。中國(guó)石化與華東理工大學(xué)共同研發(fā)粉煤加壓氣化技術(shù)（簡(jiǎn)稱SE氣化爐），合成氣經(jīng)初步凈化單元洗滌除塵后送至合成界區(qū)。洗滌除塵后的渣水，在渣水處理單元實(shí)現(xiàn)干化回用。分析表明，灰渣中含有20%左右的未完全反應(yīng)的，灰渣干化后與原煤摻混、粉碎，再次送入氣化爐，實(shí)現(xiàn)資源充分利用。因此，氣化灰水干化分離成為裝置高效運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的真空帶式過濾因其在脫水過程中出現(xiàn)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(jī)因其具有優(yōu)良的分離效果、超高的工作效率、管理維護(hù)方便等特點(diǎn)在氣化灰水脫水行業(yè)中脫穎而出。臥式螺旋離心機(jī)采用高速旋轉(zhuǎn)的密閉結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部流場(chǎng)難以 測(cè)量，目前對(duì)臥式螺旋離心機(jī)的研究主要還是集中在轉(zhuǎn)鼓和螺旋推料器的強(qiáng)度校核方面，而對(duì)臥式螺旋離心機(jī)內(nèi)影響分離效率的研究尚顯不足。
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(jī)內(nèi)的流場(chǎng)及物性參數(shù)對(duì)臥螺離心機(jī)分離效率影響的方面，有關(guān)操作參數(shù)對(duì)臥螺離心機(jī)影響方面的研究有待深入。以某650型臥式螺旋離心機(jī)為研究對(duì)象，就轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、處理量和轉(zhuǎn)速差等方面，對(duì)氣化灰水脫水的臥螺離心機(jī)分離性能進(jìn)行研究。
2 臥式螺旋離心機(jī)三維模型創(chuàng)建和網(wǎng)格劃分
2.1 臥式螺旋離心機(jī)工作原理
臥式螺旋離心機(jī)主要由高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓、螺旋推料器和差速器等組成，其工作原理是：物料通過進(jìn)料管進(jìn)入臥螺離心機(jī)，在分料裝置處進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓。轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生巨大的離心力場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)物料固相與液相的分離，密度較大的固相會(huì)緊緊貼合在轉(zhuǎn)鼓的內(nèi)避面。螺旋推料器與轉(zhuǎn)鼓存在速度差異，兩者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)推動(dòng)固相向轉(zhuǎn)鼓小端移動(dòng)，而液相則順著螺旋推料器的外壁面流向轉(zhuǎn)鼓大端。
2.2 臥式螺旋離心機(jī)建模和網(wǎng)格劃分
結(jié)合某650型臥式螺旋離心機(jī)的尺寸:
轉(zhuǎn)鼓直筒段內(nèi)徑：650mm
轉(zhuǎn)鼓直筒段長(zhǎng)度：1906mm
轉(zhuǎn)鼓小段內(nèi)徑：364mm
轉(zhuǎn)鼓錐段長(zhǎng)度：928.5mm
螺旋螺距：208mm
螺旋厚度：14mm
螺旋的高度：158mm
利用PROE軟件對(duì)其進(jìn)行三維建模。所研究的臥式螺旋離心機(jī)由結(jié)構(gòu)規(guī)則的排渣口和復(fù)雜的螺旋結(jié)構(gòu)組成，所以對(duì)排渣口部分采用Cooper方法創(chuàng)建結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；對(duì)復(fù)雜的螺旋采用T-grit方法創(chuàng)建非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，從而有效利用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)性驗(yàn)證，分別取網(wǎng)格數(shù)目為346910、755343、1146978、1529354、2052376，其所對(duì)應(yīng)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(wǎng)格數(shù)為1529354的網(wǎng)格文件進(jìn)行之后的模擬。
3 數(shù)值模擬
在臥式螺旋離心機(jī)模擬的過程中，采用以下四點(diǎn)設(shè)置：
（1）臥螺離心機(jī)內(nèi)部的流體處于穩(wěn)態(tài)。
（2）臥螺離心機(jī)內(nèi)部流體不可壓縮。
（3）忽略離心機(jī)內(nèi)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(shè)置：入口采用速度入口，通過設(shè)定入口處的湍流強(qiáng)度和水力直徑來設(shè)定邊界條件。在螺旋與排渣口的交界面處設(shè)立interface面，流道內(nèi)與流體相連接處的面都設(shè)為運(yùn)動(dòng)面。采用馬爾文Master2000激光粒度測(cè)試儀對(duì)氣化灰水進(jìn)行測(cè)量。
對(duì)臥螺離心機(jī)的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，主要分為2個(gè)步驟：
（1）采用RSM湍流模型對(duì)臥螺離心機(jī)的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)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(jì)算之后，通過后處理軟件可以直觀看到整個(gè)臥螺離心機(jī)內(nèi)部含固率的分布情況，因此氣化灰水在臥螺離心機(jī)中的分離過程采用mixture模型。
（2）采用相同的計(jì)算方法對(duì)不同的操作參數(shù)進(jìn)行模擬，研究其對(duì)分離效率的影響。
4 模擬結(jié)果與分析
4.1 轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速對(duì)分離性能的影響
轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速是影響離心力大小的重要因素，因此其對(duì)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(jī)的轉(zhuǎn)速，來研究轉(zhuǎn)速對(duì)氣化灰水分離效率的影響。在保證臥螺離心機(jī)處理量為50.75m3/h，轉(zhuǎn)速差為20r/min的情況下，將轉(zhuǎn)速分別設(shè)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(jié)果。
從模擬結(jié)果中可以看出，臥螺離心機(jī)在轉(zhuǎn)速?gòu)?/span>100r/min逐漸提升到2000r/min的過程中，出渣含固率快速增加，繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速，出渣含固率增加趨緩。由于氣化灰水中顆粒與水的結(jié)合方式使得通過增加轉(zhuǎn)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(xiàn)相似的趨勢(shì)。通過分析出渣含固率和固相回收率，可以得到轉(zhuǎn)速越高分離效率越好。但在實(shí)際應(yīng)用中，通常不單單只考慮轉(zhuǎn)速，因?yàn)檫^快的轉(zhuǎn)速會(huì)給轉(zhuǎn)鼓部分帶來過重的負(fù)擔(dān)，從而降低轉(zhuǎn)鼓的使用壽命，轉(zhuǎn)速設(shè)置在2000r/min，不僅可以保證較高的分離效率，與此同時(shí)還可以盡可能延長(zhǎng)臥螺離心機(jī)的使用壽命。
4.2 處理量對(duì)分離性能的影響
傳統(tǒng)的理論認(rèn)為，當(dāng)處理量增大時(shí)，由于進(jìn)料口大小并無改變，也就是說提高了進(jìn)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(jī)內(nèi)的時(shí)間減少，不能在離心機(jī)內(nèi)充分分離，導(dǎo)致分離效率降低。由于臥螺離心機(jī)存在半徑逐漸減小的錐段，因此傳統(tǒng)理論并不完全適用于臥螺離心機(jī)。在保證臥螺離心機(jī)轉(zhuǎn)速為2000r/min，轉(zhuǎn)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、36.25m3/h、43.5m3/h、50.75m3/h、58m3/h，來模擬分析處理量的變化對(duì)臥螺離心機(jī)分離氣化灰水的影響。
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(dāng)處理量從50.75m3/h提升至58m3/h時(shí)，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(fā)生固液分離時(shí)需要在臥螺離心機(jī)內(nèi)停留一段時(shí)間，起初進(jìn)料速度的增加依然能夠使得氣化灰水在離心機(jī)內(nèi)進(jìn)行充分分離，但是隨著處理量進(jìn)一步提高，導(dǎo)致氣化灰水無法在臥螺離心機(jī)內(nèi)進(jìn)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?？梢娺M(jìn)料速度在50.75m3/h時(shí)，不僅能夠使得處理量達(dá)到極大值，還能保證物料在離心機(jī)內(nèi)能夠充分分離。
4.3 轉(zhuǎn)速差對(duì)分離性能的影響
轉(zhuǎn)鼓與螺旋推料器轉(zhuǎn)速存在一定的轉(zhuǎn)速差，可以保證轉(zhuǎn)鼓離心分離的氣化灰水向錐段移動(dòng)，以便于進(jìn)行進(jìn)一步的擠壓脫水。通常情況下，過大的轉(zhuǎn)速差會(huì)使得轉(zhuǎn)鼓內(nèi)液體的擾動(dòng)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(zhuǎn)速差又會(huì)使得沉渣無法及時(shí)排出，從而導(dǎo)致分離效率降低。在保證臥螺離心機(jī)轉(zhuǎn)速為2000r/min，處理量為50.75m3/h時(shí)，分別選取轉(zhuǎn)速差為10r/min、15r/min、20r/min、25r/min、30r/min、35r/min、40r/min，來模擬分析轉(zhuǎn)速差變化對(duì)臥螺離心機(jī)分離氣化灰水的影響。
隨著轉(zhuǎn)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(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速往往都是幾千轉(zhuǎn)每分鐘，而轉(zhuǎn)速差卻只有幾十轉(zhuǎn)每分鐘，其占轉(zhuǎn)速的比例還達(dá)不到5%，因此可以預(yù)料其對(duì)氣化灰水分離影響并不明顯，主要還是用于運(yùn)輸沉渣。而現(xiàn)實(shí)中臥式螺旋離心機(jī)的轉(zhuǎn)速差調(diào)節(jié)范圍也很有限，一般在（20～40）r/min之間，所以僅通過改變轉(zhuǎn)速差來提高分離效率是不切實(shí)際的。
5 結(jié)果驗(yàn)證
為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性，在裝置現(xiàn)場(chǎng)采用同型式臥式螺旋離心機(jī)進(jìn)行氣化灰水分離試驗(yàn)。為了考察轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速的變化對(duì)出渣含固率的影響，將不同轉(zhuǎn)速下的出渣口產(chǎn)物進(jìn)行烘干處理，計(jì)算所得試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果比較情況。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)存在10%以內(nèi)的誤差，但兩者呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，數(shù)值模擬的出渣含固率優(yōu)于試驗(yàn)結(jié)果，是由于模擬過程中不考慮溫度變化和熱量傳遞。
6 結(jié)論
（1）臥式螺旋離心機(jī)分離氣化灰水過程中，隨著轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)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，將轉(zhuǎn)速定在2000r/min。
（2）隨著進(jìn)料速度的增大，經(jīng)過臥式螺旋離心機(jī)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(dāng)處理量達(dá)到50.75m3/h之后，都有一定的下降。綜合考慮，在進(jìn)料速度為50.75m3/h，既能使得處理量較高，也能使得氣化灰水得到充分分離。
（3）與傳統(tǒng)的觀念不同，隨著轉(zhuǎn)速差的增加，經(jīng)過臥式螺旋離心機(jī)的氣話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(zhuǎn)速差設(shè)定在灰渣良好的推進(jìn)范圍內(nèi)即可。
