臥式螺旋離心機操作參數(shù)對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)在我國快速發(fā)展，粉煤加壓氣化已成為煤化工的重要方法。中國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。
臥式螺旋離心機因其具有優(yōu)良的分離效果、超高的工作效率、管理維護方便等特點在氣化灰水脫水行業(yè)中脫穎而出。臥式螺旋離心機采用高速旋轉(zhuǎn)的密閉結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部流場難以 測量，目前對臥式螺旋離心機的研究主要還是集中在轉(zhuǎn)鼓和螺旋推料器的強度校核方面，而對臥式螺旋離心機內(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內(nèi)的流場及物性參數(shù)對臥螺離心機分離效率影響的方面，有關(guān)操作參數(shù)對臥螺離心機影響方面的研究有待深入。以某650型臥式螺旋離心機為研究對象，就轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、處理量和轉(zhuǎn)速差等方面，對氣化灰水脫水的臥螺離心機分離性能進行研究。
2 臥式螺旋離心機三維模型創(chuàng)建和網(wǎng)格劃分
2.1 臥式螺旋離心機工作原理
臥式螺旋離心機主要由高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓、螺旋推料器和差速器等組成，其工作原理是：物料通過進料管進入臥螺離心機，在分料裝置處進入轉(zhuǎn)鼓。轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生巨大的離心力場，實現(xiàn)物料固相與液相的分離，密度較大的固相會緊緊貼合在轉(zhuǎn)鼓的內(nèi)避面。螺旋推料器與轉(zhuǎn)鼓存在速度差異，兩者之間的相對運動推動固相向轉(zhuǎn)鼓小端移動，而液相則順著螺旋推料器的外壁面流向轉(zhuǎn)鼓大端。
2.2 臥式螺旋離心機建模和網(wǎng)格劃分
結(jié)合某650型臥式螺旋離心機的尺寸:
轉(zhuǎn)鼓直筒段內(nèi)徑：650mm
轉(zhuǎn)鼓直筒段長度：1906mm
轉(zhuǎn)鼓小段內(nèi)徑：364mm
轉(zhuǎn)鼓錐段長度：928.5mm
螺旋螺距：208mm
螺旋厚度：14mm
螺旋的高度：158mm
利用PROE軟件對其進行三維建模。所研究的臥式螺旋離心機由結(jié)構(gòu)規(guī)則的排渣口和復(fù)雜的螺旋結(jié)構(gòu)組成，所以對排渣口部分采用Cooper方法創(chuàng)建結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；對復(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。對網(wǎng)格進行無關(guān)性驗證，分別取網(wǎng)格數(shù)目為346910、755343、1146978、1529354、2052376，其所對應(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)格文件進行之后的模擬。
3 數(shù)值模擬
在臥式螺旋離心機模擬的過程中，采用以下四點設(shè)置：
（1）臥螺離心機內(nèi)部的流體處于穩(wěn)態(tài)。
（2）臥螺離心機內(nèi)部流體不可壓縮。
（3）忽略離心機內(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)為運動面。采用馬爾文Master2000激光粒度測試儀對氣化灰水進行測量。
對臥螺離心機的內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬分析，主要分為2個步驟：
（1）采用RSM湍流模型對臥螺離心機的內(nèi)部流場進行模擬，由于mixture模型允許相與相之間的貫穿，并且在Fluent中完成計算之后，通過后處理軟件可以直觀看到整個臥螺離心機內(nèi)部含固率的分布情況，因此氣化灰水在臥螺離心機中的分離過程采用mixture模型。
（2）采用相同的計算方法對不同的操作參數(shù)進行模擬，研究其對分離效率的影響。
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型臥式螺旋離心機的轉(zhuǎn)速，來研究轉(zhuǎn)速對氣化灰水分離效率的影響。在保證臥螺離心機處理量為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，臥螺離心機在轉(zhuǎn)速從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。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。但在實際應(yīng)用中，通常不單單只考慮轉(zhuǎn)速，因為過快的轉(zhuǎn)速會給轉(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，與此同時還可以盡可能延長臥螺離心機的使用壽命。
4.2 處理量對分離性能的影響
傳統(tǒng)的理論認(rèn)為，當(dāng)處理量增大時，由于進料口大小并無改變，也就是說提高了進料速度，使得軸向速度增大，從而使得氣化灰水停留在離心機內(nèi)的時間減少，不能在離心機內(nèi)充分分離，導(dǎo)致分離效率降低。由于臥螺離心機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。在保證臥螺離心機轉(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臥螺離心機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，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)生固液分離時需要在臥螺離心機內(nèi)停留一段時間，起初進料速度的增加依然能夠使得氣化灰水在離心機內(nèi)進行充分分離，但是隨著處理量進一步提高，導(dǎo)致氣化灰水無法在臥螺離心機內(nèi)進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。可見進料速度在50.75m3/h時，不僅能夠使得處理量達到極大值，還能保證物料在離心機內(nèi)能夠充分分離。
4.3 轉(zhuǎn)速差對分離性能的影響
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，以便于進行進一步的擠壓脫水。通常情況下，過大的轉(zhuǎn)速差會使得轉(zhuǎn)鼓內(nèi)液體的擾動加大，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)速差又會使得沉渣無法及時排出，從而導(dǎo)致分離效率降低。在保證臥螺離心機轉(zhuǎn)速為2000r/min，處理量為50.75m3/h時，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)速差變化對臥螺離心機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)速的比例還達不到5%，因此可以預(yù)料其對氣化灰水分離影響并不明顯，主要還是用于運輸沉渣。而現(xiàn)實中臥式螺旋離心機的轉(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際的。
5 結(jié)果驗證
為了驗證模擬結(jié)果的可靠性，在裝置現(xiàn)場采用同型式臥式螺旋離心機進行氣化灰水分離試驗。為了考察轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速的變化對出渣含固率的影響，將不同轉(zhuǎn)速下的出渣口產(chǎn)物進行烘干處理，計算所得試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果比較情況。實驗數(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，數(shù)值模擬的出渣含固率優(yōu)于試驗結(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）隨著進料速度的增大，經(jīng)過臥式螺旋離心機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)處理量達到50.75m3/h之后，都有一定的下降。綜合考慮，在進料速度為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范圍內(nèi)即可。
