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旋风、内(外)旋系统及多管旋风

一、高温带压高效低阻耐磨旋风分离器及最优化设计技术

旋风分离器是利用气态非均一系,在作高速旋转时所产生的离心力,将粉尘从气流中分离出来的一种干式气固分离设备。由于颗粒所受的离心力远远大于重力和惯性力,所以旋风分离器能经济地分离的最小粒径可达到5~10μm。此外,旋风分离器结构比较简单,操作、维护方便,性能稳定,又不受含尘气体的浓度、温度、物性等限制,且造价较低,所以已广泛地应用于工业生产中。由于旋风分离器内的气流运动极为复杂,属于三维湍流的强旋流。因此旋风分离器的结构型式将直接影响分离性能。

上海ag环亚集团官网 化工科技有限公司主要科研人员长期从事旋风分离器的研究及开发,迄今已有伍十余年的历史,在理论研究、工业性应用研究的基础上先后开发出D型(DI型、DⅡ型及DⅢ型)、B型、ET型、EI型、EⅡ型、DEⅡ型及ZAF型等多种新型高效旋风分离器,建立了多种型号旋风分离器在不同操作条件下的粒级效率和阻力计算数学模型,针对旋风分离器内气流的湍流、返混等影响因素,同时考虑气体介质的性质、温度、粘度、粉尘密度及旋风分离器进口粉尘浓度等等对旋风效率和阻力的影响,涉及多组多级旋风分离器不同的组合形式, 应用化工系统工程的基本原理,开发出旋风分离器串、并联分离系统《CS1旋风分离系统模拟计算程序》。经上千次工业装置的冷、热态试验考核表明,该计算程序的计算结果与实测值基本相吻,两者误差均小于5%。该软件的开发属国内首创,应用该计算程序可旋风分离系统进行最优化设计,不仅可以预测单个旋风分离器的各项分离性能,而且解决了多组多级旋风分离器系统如何进行最佳组合的问题,避免了设计上的随意性及盲目性。另外我公司多名教授直接参与撰写《化学工程手册》、《除尘设备设计》、《化工机械工程手册》及《除尘器》等多部权威性著作。

上海ag环亚集团官网 化工科技有限公司多名设计人员具备A1、A2、D级和SAD级压力容器设计资质,外置式旋风分离器常常工作于带压工况,即须划分为压力容器,由于旋风分离器结构非常复杂,因此在旋风分离器的头部采用大型商用有限元分析软件对其进行了三维建模和结构强度分析,采用了分析设计方法;旋风其余部分采用常规压力容器设计方法。旋风的设计及制造完全满足GB150-2011《压力容器》标准要求,提供目前国内最为完整的非规则形状压力容器设计计算书及产品合格证等资料。

①为了解决旋风分离器运行在600℃以下的高温及磨损较为严重等问题,我公司在设计上选取较低的进口气速,可以大大减轻磨损。同时为了解决旋风分离器磨损及腐蚀问题,旋风分离器内部采用了“龟甲网+刚玉”(耐磨层厚度20~26mm)的专利衬里技术,该衬里在600℃以下高温下具有优异的耐磨性能,经多年的实际运行,旋风分离器磨损及腐蚀很少,获得了用户的好评,可确保旋风使用寿命大于叁年。

②为了解决旋风分离器运行在1200℃高温条件及磨损较为严重等问题,一方面在设计上选取较低的进口气速,可以大大减轻磨损。另一方面高效旋风分离器内部采用了“轻质隔热浇注料(厚度170mm)+耐磨刚玉浇注料(厚度80mm)”的专利衬里技术,耐热衬里具备良好的隔热性能, 能确保设备壳体的温度T≤100℃(此处暂不考虑露点腐蚀问题)。同时该衬里在1200℃高温下具有优异的耐磨性能,确保旋风使用寿命大于叁年。

1 EⅡ型高效旋风分离器

1.1 主要性能特点

上海ag环亚集团官网 化工科技有限公司开发研制的EⅡ型高效旋风分离器,采用异型进口及导流挡板的特殊结构形式,抑制了上涡流的产生,从而提高了分离效率,同时也降低了阻力。该分离器具有以下特点:

①分离效率高,对于20μm分离效率高达98%~99%,切割粒径dcut=1~2.5μm。
②结构简单,操作弹性大,操作负荷在20%内变化,对分离效率影响很小。
③在较低的进口气速(如12m/s)下尚能保持较高分离效率。

在达到相同分离效率的要求下,EⅡ型高效旋风分离器不必采用较高的进口气速,因此该旋风的磨损较其它类型明显降低;同时EⅡ型高效旋风分离器内部结构极为简洁,其内部容易采用各种耐磨/耐热衬里方式,在高温下(可达约1200℃)具有优异的耐磨及隔热性能,设备寿命可达五年以上。

1.2 与国内外其它型式的旋风性能比较

按国际净化空气会议提出的代表性粒径,直径为Φ830mm的EⅡ型和B型旋风分离器, 分级效率对比如下表所示:

型  式

风  量

入口速度

压  降

粒级效率(%)

粒  径(μm)

m3/h

m/s

mmH2O

1

5

10

20

B 型

8970

19.8

262

36.4

69.8

83.9

93.8

EⅡ型

8148

17.9

221

51.1

85.0

94.4

98.8

 

从EⅡ型和B型旋风分离器总效率曲线对比得出:在相似的操作条件下,EⅡ型比B型分离效率高5%~8%,即使EⅡ型在低进口气速11.1m/s下比B型在17.7m/s下其效率仍高2%左右,但阻力要下降一倍左右(注:B型旋风系美国Buell型旋风分离器)。EⅡ型高效旋风分离器与美国GE公司专利产品Catclone-Ⅱ型旋风分离器在相同的条件下,其Φ830mm EⅡ型和B型旋风总效率曲线对比  分离性能比较见下表。


进口速度Vi(m/s)

14

18

22

26

 

效  率η(%)

EⅡ型

93.2

93.8

94.3

94.7

Catclone-Ⅱ型

91.2

91.7

91.8

90

 

1.3 应用范围

EⅡ型高效旋风分离器及其系统优化技术,已广泛应用于石油、化工、煤炭、肥料、冶金、水泥、电力及环境保护等邻域,在国内已有千余套的成功应用实例。包括:

①洁净煤技术。包括化肥工业、煤炭、电力行业中对各种造气炉、气化炉、高炉及锅炉等烟气净化,对以煤或焦炭为原料,生产氮肥包括城市煤气的各种造气炉的高温烟气净化,其单级效率为99%,既提高了后系统如废热锅炉、热管换热器的换热效果,又解决了设备的严重堵塞和磨损。用干法除尘替代湿法除尘,不仅可以回收高品位的热能,节约大量的水资源,又能减少水的二次污染。以Φ2400mm直径固定床造气炉为例,采用EⅡ型高效旋风分离器每天可回收尘煤5~6吨,每年经济效益为30万左右。

②工业生产中尾气净化。如在钙镁磷肥生产中,本技术用于高炉尾气除尘,及烘干、球磨系统的粉尘回收都收到极其显著的效益。以年产10万吨装置为例,采用EⅡ型高效旋风分离器每天能回收磷肥14吨左右,年经济效益为百余万元。此外,用于石灰窑尾气净化中,又达到了三废治理和环境保护的目的。

③在粉体工程中,用于细颗粒产品的回收。包括农药、化肥及精细化工,如聚四氟乙烯、ABS等多种粉体物料的干燥、粉碎、分级等设备的后处理,采用EⅡ型高效旋风分离器相对于普通旋风可提高10~15%颗粒回收率。

④燃料气预处理。燃料气(天然气/煤层气/油田伴生气/粗煤气/生物质气化气等等)通常含有较多的水、油及固体等杂质,仅靠过滤方式的各类过滤器分离难以做到长期稳定运行,采用EⅡ型高效旋风分离器作为预分离器,可以将后续精密过滤器的使用周期延长十倍以上。

⑤在流态化技术中,作为流化床反应器内气固分离的主要设备,用以捕集昂贵的催化剂微粒。如石油化工行业中:丙烯腈、石油催化裂化、苯酐、苯胺、丁烯氧化脱氢、百菌清等作为内旋风以回收不同的催化剂微粒,采用多级EⅡ型高效旋风分离器其总分离效率可达99.9~99.99%以上,催化剂单耗小于1kg/T(产品)。不仅降低了产品的成本,减少了后续分离器的负荷,而且改善了流化床反应器的操作性能。以年产5万吨丙烯腈装置为例,催化剂单耗每降低0.1kg/T(产品),其经济效益约160万元/年。

1.4 主要规格

 

型号

 

外形尺寸(mm)

处理风量

Q

(Nm3/h)

进口

Di

出口

De

直径

DN

高度

H

EII/0.6k

100

110

200

1200

480~580

EII/1.3k

150

160

300

1700

1080~1300

EII/2.3k

200

220

400

2100

1900~2300

EII/3.6k

250

270

500

2500

3000~3600

EII/5.2k

300

330

600

3000

4300~5200

EII/7.0k

350

380

700

3500

5900~7000

EII/9.2k

400

440

800

3900

7700~9200

EII/11.6k

450

500

900

4300

9700~11600

EII/14.3k

500

550

1000

4800

12000~14300

EII/17.4k

550

600

1100

5200

14500~17400

EII/20.7k

600

660

1200

5700

17200~20700

EII/24.3k

650

700

1300

6100

20200~24300

EII/28.2k

700

770

1400

6600

23500~28200

EII/32.3k

750

820

1500

7000

27000~32300

注:以上外形尺寸为单台旋风分离器参数, 旋风分离器可多组多级并联、串联使用,此表仅供参考,最后尺寸将根据具体的工艺条件,需经《CS1旋风分离系统模拟计算程序》计算而得。

600℃高温耐磨衬里旋风(龟甲网/刚玉)   1200℃高温耐磨隔热衬里旋风(抓钉/隔热浇注料/刚玉)

 

1.5 高温带压高效耐磨旋风分离器应力分析示例简介

  多晶硅反应器合成气旋风分离器设计参数 :
气体介质:HSiCl3、SiCl4、二氯硅烷、HCl、H2、Si粉
工作温度:T=530℃
设计温度:T=550℃
工作压力:P=3.0MPa
设计压力:P=3.3MPa

  旋风分离器进口部分三维建模和有限元网格划分 :

  旋风载荷及边界条件 :对受到工作气体作用的旋风分离器进口部分内表面施加3.3MPa的内压及T=550℃温度约束。

  旋风分离器进口部分整体等效应力Tresca应力分布