石灰石一石膏湿法FGD系统中石膏旋流器的选择.pdf

2 0 0 3年8月第4卷 第4期电力设备E le c h ic a l E q u ip m e n t礴A u g.2 0 0 3V o l.4 N o.4石灰石一 石膏湿法F G D系统中 石膏旋流器的选择 钟洪玲(北京国电 龙源 环保工程有限公司，北京1 0 0 7 6 1)摘要:论述了 石青旋流器 在石灰石 一 石青湿法F C。工艺系 统中 的重 要地位及作用。针对石青浆液混合物的特点，分析了固液两相物料平 衡关系，介绍了 旋流器的主 要物理参数及特性曲线。在此基A上，首次推出石青旋流器的选型原则，并引用 相关经脸公式提出 选型计算方法。此外，探讨了 选型过程中一些具有代表性的问 题对工程实践有一定的指导意义。关键词:旋流器;分离 牡度;压力降;处理量中图分类号:X 7 7 30 概述 石灰石一 石膏湿法烟气脱硫工艺中，石灰石浆液在吸收 塔内 对烟气 进行逆流洗涤，烟气中 的s o:与之反 应，生 成C a S 仇 2 H 2 0 并以 小颗粒状 转移到浆液中，利用空气将其强制氧化生成C a S 0 4 2 H 2 0 结晶。用石膏抽出 泵将浆液抽出，送往石膏旋流器，进行浓缩及颗粒分级，稀的溢流返回吸收塔，浓缩的底流送往真空脱水皮带机进行石膏脱水。石膏旋流器的溢流含固量一般在1%一 3%(质量含量)左右，固 相颗粒细小，主要为未完全反应的吸收剂、石膏小结晶 等，前者 继续参与脱硫反应，后者作为浆池中 结晶 长大的晶 核，影响着下一阶 段石膏大晶体的 形成。旋流器的底流含固量一般在4 5%一 5 0%(质量含量)左右，固相主要为粗大的石膏结晶，真空脱水皮带机的目的就是要脱除这些大结晶颗粒之间的游离水。固相中还有一部分始终不参与反应的惰性物质，主要由飞灰、石灰石杂质等组成。这些杂质少量可以通过废水排放从系统中清除，但大部分仍然分布在返回吸收塔的溢流或进行脱水的 底流中，无论对于_ L 一级的吸收塔还是下一级的真空脱水皮带机，这种不溶杂质都是不受欢迎的组分。对于吸收塔，不溶杂质的反复 循环和累积，必将干扰正常的 脱硫反应，增加系统动力消耗，也给吸收塔带来结垢的隐患对于真空脱水系统，不溶杂质一方面影响了产品石膏的纯度，另一方面，它们夹杂在大的石膏结晶之间，堵塞了游离水在结晶之间的通道，使石膏脱水变得困难。因此，我们希望浆液经旋流器分级后，小颗粒在吸收塔和脱水皮带机之间达成合理的分配，既要尽可能避免小颗粒中过多的不溶杂质经溢流返回吸收塔，又要避免过多小颗粒进人底流而影响了 石膏产品品质。综上所述，从石膏旋流器在湿法 F G D系统的位置来看，它是一个承上启下的作用，石膏旋流器的选型 必须慎重，选型不当必将影响脱硫系统的整体性能，为正常经济运行带来难以弥补的损失。，旋流器的结构及工作原理 水力旋流器是一种分离、分级设备，具有结构简单、占 地小、处理能力强、易于安装和操作等优点，在各行业中的应用十分广泛。如图1 所示，当带压浆液进人旋流器后，在强制离心沉降的作用下，大小颗粒实现分离过程。旋流器的 各个部件分别起不同的 作用。进料口 起导流作用，减弱因流向改变而产生的 紊流扰动;柱体部分为预分离区，在这一区域，大小颗粒受离心力不同而由外向内分散在不同的轨道，为后期的离心分离提供条件;锥体部分为主分离区，浆液受渐缩的器壁的影响，逐渐形成内、外旋流，大小颗粒之间发生分离、溢流目和底流口 分别将溢流和底流顺利导出，并防止二者之间的掺混。尽管旋流器的结构很简单，但其理论研究复杂而困难。在工程中，由于所关心的是旋流器的分离、分级性能及操作性能，因此，可以抛开复杂的内 部过程，万方数据电 力设备第 4卷其中，Q s=e c;,Q。=口 to c.,e t。二 Q.c.，颗粒质量平衡式 M;二 M o+M其中，M;二 Q j(d,),M o=Q j(d o),M (4)=Q-A d.)讲料)盖下流t颗粒筛上物质量平衡式E M i;=艺M i.+艺1 1 i(5)汐 卜 旋流夕 图1 水力旋流器的 结构依据实验中 总结出的 经验或半经验公式，合理选用适合的设备，并指导以后的运行。2 旋流器的物料平衡 浆液是由 固液两相物质构成的混合物，其中固 相又是由 不同化学物质以不同的含量组成的混合物。正如前文所述，旋流器的作用，一是浓缩，二是分级，因此，经旋流后的溢流、底流浆液，其含固量、颗粒分布、密度等物性参数均不相同。为便于理解，我们将浆液机械地划分为液相和固相两个部分，以 相为研究对象，各自 可建立质量平衡关系式。此外，对于固相，我们以颗粒为研究对象(不考虑化学组成)，对于各粒径颗粒，又可以 建立一系列的质量平衡关系式。至此，旋流器的物料平衡，就体现为浆液质量平衡、液相质量平衡、固相总量平衡、各粒径颗粒质量平衡、筛上物(大于某粒径颗粒的总和)质量平衡等。如果将旋流器人口、溢流口、底流口 分别标识为i,o,u.将固 相、液相分别标识为，、1，颗粒粒径标识为J,则有以下关系式:浆液质量平衡式 4，二 Q o+Q.(1)液相质量平衡式 Q t;二 Q la+Q l u (2)其中 Q u=Q i(1 一 c),Q t,.=Q to(1 一 c o),Q l。二 Q u(1 一 C )少少少 以上各式中，口为浆液的质量流量,M为固相颗粒的质量流量，。为固相颗粒在浆液中的质量含量，f(d)为某粒径颗粒在固相的质量含量。一 般来说，当 旋流器外形尺寸和操作压力确定后，其对于颗粒的 分级效率就确定下 来了，这样，对于已知的来流颗粒分布，可以利用E x c e l 表编制一套程序，计算来流、溢流、底流三个节点七 各粒径颗粒的流量与百分含量，从而判断该设备是否能达到系统要求。3 旋流器的特性曲线 了 解旋流器的基本物料平衡原则之后，需要进一步理解有关设备的各种特性曲线以及影响这些曲线的主 要参数，从而进行选型 计算，并定性、定量地预测外围条件的变化对旋流器性能的影响。3.1 颗粒的底流回收率及分级效率曲线 定义固体颗粒在底流的质量流量与来流的质量流量之比为底流回收率刀，即(c 一。,)c.(c。一 C o),(6)底 流回 收率是旋流器所能实现的 浓缩效果，是设备选型的重要输人条件。湿法F G D系统的石膏旋流器，其底流回 收率一般大于7。%。由于固 相由 各种粒径的颗粒组成，因此，不同粒径的颗粒也有各自在底流的回收率 称之为分离效率，有(7)总的底流回 收率与各粒径颗粒回收率之间，有以下关系式:二 厂 n/(x)d x(8)固相质量平衡式 Q A;二 Q-+Q.(3)当 某粒径的颗粒全部进人底流，视该粒径以及大于 该粒径的 颗粒在底流的回收率为1，那么，小于该粒径的颗粒的分离效果在0 一 1 之间分配，颗粒越小，分离效率越低。将各粒径的分离效率绘制成图，即可得到如图z 所示的 分级效率曲 线，这条曲 线标志着旋流器对来料的分级性能，使我们对于各物理量在溢万方数据第4 期钟洪玲:石灰石石 膏湿法几D系统中石膏旋流器的选择流、底流的分配一目了然。一 万理夕一 一一 一;不下门、刀1.，一厂丁/厂-，自叮 可 成门r _ 愿 万 幕旧燕 不 一 图瘫!国川 儿粼燕燕】陌燕 淡 黝巍 鬓露 淞蘸礁 燕胶 擎 燕 瞬狱赢 翻蘸篡 蘸麟 黝 剔乍 黔巍觑1簇 t 羹雌 黎 熬爵礁 鄂篡 囊 摹嘟一馨 耀.舞 瘫 合 法 自嘴 溅愚成 薪 翻 派 鲤 瞪臻 竺监曰嘴澳 滩 畏 嵘 薪 麟 玉 翻暇 熟羲焦馨黝纂嘿 蘸矍 翼于 鬃黝为旋流器的压力降(进料n与溢流口 压力差)，k Pa;p，一 PI 为两相密 度差，酬c m 3;c v 为来料固 相所占 体积百分数，其中cv=c 1 Pp，一 c (P。一 尸)】O颗粒粒径曲”m 式(9)具有重要的物理意义，它表明，当压力降越大，来流含固量越低，两相密度差越大，或旋流器直径 越小，则分离粒度越小，分级效率越高。式中，定义基本分离粒度nll日n州户创nU曰U刀n乃llCU门训On，JhljJ口、月，1 望僻拟寺回形崔复纂 图2 分级效率曲线 一a 工况;-一b 况 式(8)具有很强的实用性。该式右边积分在儿何上等于曲线右下侧区域的面积，亦即浆液固相在底流的回 收率招曲 线左上侧区域的面积，即为浆液固相在溢流部分的回 收率(1 一 刀)。平行于x 轴作一条直线与曲 线相交，可以 得出 某分离效率对应的颗粒粒径;平行于了 轴作一条直线与曲线相交，可以 得出某粒径颗粒在溢流、底流中的分配。此外，通过分级效率曲 线，可以判断各设备分级效果的优劣。图2 中，曲 线a、b 为同一个旋流器在不同工况下的分级效率曲 线，曲线a 比曲线b 陡，表明a 工况下，大颗粒和小颗粒之间的混杂比b 工况少，因此a 工况比b 工况的分级效果好3.2 旋流器的分离粒度凡。定义分级效率为50%的点所对应的颗粒粒度，为 旋流器的分离 粒度(又 名切割粒径cu t po i nt)，记为心。分离粒度是分级效率曲线上的重要一点，也是选择旋流器的关键参数。分离 粒度的 物理意义，直观 地讲可以 用来表征一个旋流器所能 达到的 分离效果。即 粒径大小为么。的颗粒经旋流器分离后，有50%进人溢流，50%进人底流，而大于此粒径的颗粒多半进入底流，小于此粒径的颗粒多半进人溢流。当减小魂。，则大颗粒在底流的回收率提高，同时小颗粒在溢流的回收率提高，大小颗粒之间实现更好的分离，分级效率曲线变得更陡，旋流器分级效率更高。研究表明，决定内。的参数主要有旋流器直径D。、压力降 尸、来流 含固 量c i、固 液 两 相 密 度差(几-p l)等。事实_ L，当 来料物 性参数和压力降确定，分离粒度和设备直径之间基本上是一一对应的关系，有以下经验公式 d。=(2.8 4 D。)0 6 6来流浓度系数 C:二(1 一 0.0 1 8 8 c、)一 4 3压力降系数(1 0)(1 1)几 二 3.2 7 P一 仓 2 8(1 2)密度系数C，=匕 旦 1)P日一P 1(1 3)由 此，式(9)可简单描述为 魂。=d o C I C Z C 3(1 4)里目、喇涅惬次祷减 旋流器直径Dc内 n图3 基本分离粒径与 旋流器直径关系曲线ds o二(2.5 4 刀。)。6 6(1一0.o l s s c v)一14 3(9)式(1 4)体现了影响旋流器分离粒度的最主要因素。此外还有其他一些参数，如旋流器溢流口 直径、人口 直径、筒体及锥体长度、锥体角度等，也都在一定程度上影响旋流器的分离粒度。式(1 5)是结合了旋流器的几何尺寸得出的经验公式，可以看出，在一定范围内减小溢流口 直径，或加大底流口直径，均可降低分离粒度，提高分离效率。(3.2 7 P式中，d、为 分离粒度，坛 鲡:以 只 切卜 1 8 D。一 5.4 3 D。+3.04D i+3P，一Pl卿;D。为旋流器直径，。m 泌p一。1 9 c v一 6 V (1 5)-ozs)(+栩+0 卜 哎D 以 扫 _”一 6 万方数据电 力设备第 4卷式中，D o,D,D;为 旋流 器溢 流口、底流口 及进料日 直径;V 为来流体积流量;p 十 4 2 0 为大于4 2 0 p m颗粒的重量 浓度，%，对 于石膏浆液，口+4 2 0=0 沼-5 3 为小于5 3Ji m颗 粒的 重 量浓 度，%，对于 石膏 浆液尹一 5 3 9 0%。3.3 处理.与压力降的关系曲线 一般地，旋流器的处理量表示为来流体积流量。它表征旋流器在操作条件下对浆液的处理能力。当来流含固量较低时，处理量与压力降、设备直径之间呈线性对数关系。有以下关系式0(2+,)二 2二一 A P D,;,rD p,l L 却 K,、4 p式中n p,凡为比 例 放 大 系 数，由 实 验 得 出类别的 旋流器，该值为 常数;7 4 为液相粘度脱 水系 统，液 相 为 水，取值0.0 0 1 P a s,(1 6)，对于某一，对于石膏 当 选择较大的 入口 及溢流口 直径时，旋流器的处理能力也有所增加，因此，同一直径的旋流器采用不同的配置，可以得出一组平行的性能曲线。各旋流器制造厂均提供旋流器的 性能曲 线图，图中不但可以 体现不同类别旋流器所能达到的处理量，也体现同类别旋流器当改变配置时可实现的处理范围。藉由这一手段，可以 在条件许可时，使不同的旋流器达到相同的出力，也可以使相同的旋流器实现不同的目的，从而拓广其使用范围，增加操作弹性。4 设备选型4.1 选型原则 旋流器选型的主要任务是选定旋流器的直径和人口 压力，而这两个参数综合起来，就是选定其分离粒度d,。前已 述及，分离粒度d 5 o 越小，旋流器的分级效果越好。但这并不意味着可以无止境地减小d 5 o，来达到更好的 分级效果。由 式(8)可定 性地看出，要减小d 5。有两种途径:提高旋流器人口 压力;选用小直径设备。但工程中，前者不利于石膏输出泵的选型，后者经济性较差。因为从布置上看，将石膏浆液远距离输送至高位布置的石膏旋流器，泵的扬程已经比较高了，这时如果管道尾端的旋流器还要求一个高的人口 压力，要想选出流量与压力匹配的石膏输送泵是很困难的。即便退而求其次，选用大流量泵以匹配扬程，就必须在泵的出口 增设回流管，以 平衡超额的流量。这种不得己而为之的选型，一方面降低了浆液泵的性价比，另一方面也加大了泵体的磨损。而如果选用小直径旋流器，为达到设计处理量，则需增加旋流器的运行数量和相关的管件、IN 1 门等，从而增加了工程的一次性投资。此外，不管采用以上何种方案，旋流器内部都将产生更为激烈的湍流流动，从而加剧了设备的磨损，缩短设备使用寿命。正如前文所述，旋流器的分离效果需要结合整个F G D系 统 来考虑，小颗粒的分配在前 后两级设备之间应找到一个最佳点。因此，最佳分离粒度的选择是在工程中经过不断摸索总结出来的。在满足分离粒度要求的前提下，通常优先选择进料压力较低而设备处理量较大的方案。需要指出的是，某些厂家在设备选型时，用解析分离粒度d:来取代d,即 将进料颗粒筛L 物粒度积分曲 线上百分率等于底流回收率7 7 所对应的粒度值d x，近似为分离粒度d 5。并以 此作为选型依据。但笔者认为，这种方法并不可取。因为以解析分离粒度取代分离粒度，只适用于底流回 收率在5 0%左右的工况，而石膏旋流器的底流回 收率通常大于7 0%，有时甚至达到8 0%，如果仍然采用这种做法，其误差是相当大的。4.2 选型相关f 在选择旋流器的时候必须综合考虑浓缩和分级两个作用，二者之间又是紧密联系的，其中浓缩是比较具体的概念，从宏观上实现旋流器对脱硫系统的物质分配，而分级是比较抽象的概念，从微观上对脱硫系统的运行效果进行控制。针对浓缩和分级两个方面，我们将设计输入条件分为以下两类:(1)明确条件。包括来流流量、含固量、固液两相密度、底流回收率等物理量。明确条件是旋流器浓缩效果的保证，由F G D 系统的设计计算决定。(2)模糊条件。包括来流固相颗粒的粒度分布、分离粒度要求、人口 压力等物理量。模糊条件是与颗粒分级密切相关的，它从以往工程经验中获得，但又因系统方案及当地条件不同而异。设备选型计算时，首先以 模糊条件作为选型参考值，在此基础上试算初选设备类型，再利用明确条件确定旋流器运行数量。当然，由于计算条件是模糊的，选型结果可能与实际发生偏离。为此，计算取值在一定程度上应当保守一些，并为将来运行可能发生的偏离留出足够的变通余地和弥补措施。具体计算步骤如图4,5 材质 石膏旋流器的材质一直为广大用户所关注，因此也是设备选型的工作内容之一。带压浆液在旋流器内 作强烈的 旋转运动时，剧烈的冲 刷将导致器壁严重磨 损，此 外，由 于 脱 硫 石 膏 浆液 呈弱 酸性(P H 值为 4.5万方数据第4期钟洪玲:石灰石.石膏湿法F G D系统中 石膏旋流器的选择部件所受的 磨损程度也不一致，磨损最严重的部位通常发生在湍流流动最为剧烈的部位 底流口，其次是进料口。因 此，这两个部件可以 选用更耐磨的 碳化硅材料，以便从整体上提高设备的使用寿命。图4 石膏旋流器选型计算流程图6 结论 在石灰石一 石膏湿法F G D系统中，石膏旋流器的 溢流和底流 分别进人吸收 塔和真空脱水皮带机，其固相小颗粒在溢流和底流中的分配，影响着整个系统的正常运行。因此，石膏旋流器的选型必须慎重。分离粒度是衡量旋流器分离效果的重要参数，它由 设备压力降、外形尺寸及浆液物理性质等因素决定。选择石膏旋流器的关键是确定合理的分离粒度。在分离粒度差别不大的条件下，为防止设备磨损，降低工程造价，应优先选用压力降较小而设备直径较大的方案。湿法F G D系统产生的石膏是酸性浆液，因此，设备应选用碳钢衬胶或聚氨脂材料。在磨损剧烈的局部，如底流口，可采用碳化硅材料。左右)，将导致器壁的酸性腐蚀。器壁的磨蚀不仅会缩短设备使用寿 命，而且会因 关键部位的尺寸变化影响分离效率，导致溢流及底流流量发生改变。因此，旋流器的材质应综合考虑防腐、耐磨两个方面。目 前普遍采用的石膏旋流器的防腐耐磨材料有两 种:碳钢衬胶;聚氨脂。二者均具有优良 的 耐化学腐蚀及耐磨损性能。其中橡胶内衬可以制成可更换的活套橡胶内衬，更加便于使用。由于旋流器内流场、压力场的分布极不均匀，各7 参考文献1 1 1 褚良 银，陈文梅，等.水力旋流器.北京:化学工业出版 社，1 9 9 1.收稿日期:2 0 0 3 一 0 6 一 1 8作者简介:钟洪玲(1 9 7 3 一，女，硕士，工程师，从事火力发电厂工程设计及项目 管理。S e l e c t i o n o f G y p s u m D e w a t e r i n g We t L i me s t o n e 一 g y p s u mH y d r o 一 c y c l o n e f o rF GD Z h o n g H o n g l i n g(B e ij i n g S P L o n g y u a n E n v i ro n m e n t P r o t e c t i o n E n g i n e e r i n g C o.L t d,B e ij i n g 1 0 0 7 6 1，C h i n a)A b s t r a c t:G y p s u m h y d ro一 c y c l o n e i s v e ry i m p o rt a n t f o r t h e w e t F G D p ro c e s s.T h e l i t t l e p a rt i c l e s i n t h e o v e r f l o wa n d u n d e r f l o w a r e n o t s o w e l c o m e f o r b o t h t h e A b s o r b e r a n d t h e B e l t f i l t e r.O n e o f t h e m o s t i m p o rt a n t f a c t o r s t o v a l-u e t h e c y c l o n e p e r f o r m a n c e i s t h e C u t P o i n t.I t i s i n f e c t e d m a i n l y 场t h e p r e s s u r e d r o p,t h e c y c l o n e d i a m e t e r a n dt h e g r a v i t y o f s o l i d s a n d l i q u i d o f s l u r r y.T h e p e r f o r m a n c e a n d m a i n p a r a m e t e r s o f g y p s u m卜 d ro一 c y c l o n e a r e i n t r o-d u c e d i n t h e p a p e r.T h e p r i n c i p a l a n d m e t h o d f o r d e v i c e c a l c u l a ti o n a n d s e l e c t i o n a r e o ff e r e d b a s e d o n s o m e e x p e r i-e n t i a l e x p r e s s i o n s.T h e t y p i c a l p r o b l e m s i n s e l e c t i o n p r o c e s s，d i s c u s s e d,w h i c h h a s d i r e c t o r i a l s 吻i f i c a n c e.K e y w o r d s;h y d。一 c y c l o n e;c u t p o i n t;p r e s s u re d r o p;c a p a c i t y万方数据