蜗壳式旋风分离器的分离性能研究

梁容真，阎富生，杜圣飞

（东北大学 冶金学院，辽宁 沈阳 110819）

作为提炼金属镁的基础原料，轻烧镁用途十分广泛，可用作耐火材料、化工原料和建材原料等[1].反射窑、竖窑、回转窑以及悬浮窑等传统炉窑是煅烧菱镁矿制取轻烧镁的主要设备，但均存在煅烧温度不均匀、煅烧温度与时间不易控制和能耗高等问题，既不能满足现阶段轻烧镁行业的高标准、高要求，又不符合低碳、低能耗、绿色环保的生产理念[2].旋流动态煅烧系统是目前国内外比较先进的煅烧工艺，尤其是制取高活性、高纯度的轻烧镁粉[3].但是，在实际生产过程中，旋流动态煅烧工艺存在动力消耗太大、产品回收率不稳定等问题.为了保证整个轻烧镁旋流动态煅烧系统产品活性更高、系统更节能以及减少产品资源浪费，降低压力损失、提高分离效率成为该工艺的重中之重[4-5].本文拟对该工艺的重要组成部分——旋风分离器进行研究，以粒径48～75μm的轻烧镁粉、菱镁矿浮选粉和氢氧化锂粉为样品，研究入口风速、颗粒浓度以及颗粒物性等参数对分离效率和压降的影响，以期为蜗壳式旋风分离器的设计应用以及轻烧镁旋流动态煅烧工艺的操作参数和设计开发提供理论依据.

1 试验

1.1 试验样品

轻烧镁粉（氧化镁含量≥99.5%）由辽宁海城的菱镁矿精矿粉经过煅烧获取.为研究不同颗粒物性对蜗壳式旋风分离器分离性能的影响，本文还选取了干燥后的菱镁矿浮选粉（密度为32 190 kg/m）、氢氧化锂粉（密度为31 510 kg/m）作为试验样品.

1.2 试验装置

蜗壳式旋风分离器分离性能试验装置如图1所示.将蜗壳式旋风分离器单体从旋流动态煅烧系统中分离开来进行研究，该试验装置主要由鼓风机、螺旋加料机、测速仪、U型压力计、蜗壳式旋风分离器试验模型、布袋除尘器、变频调速器、排料阀和料筒组成.

图1 蜗壳式旋风分离器试验装置简图

1.3 试验步骤

1）打开风机，通过变频器调节风机频率来控制风机风量，从而达到调节风速的目的；

2）用测速仪测出分离器入口前端的管道流速，通过流量值计算分离器入口的速度值，并与目标值对比，如有差异，通过变频器调节风机频率使得二者吻合；

3）根据入口流速和浓度计算加料时间，通过变频器调节螺旋加料机的加料频率来控制加料量；

4）加料稳定过程中测出旋风分离器进出口压力并记录；

5）加料完毕后，待物料完全进入分离器且被分离，关闭风机，等待分离器和管道内气流静止，敲打分离器锥体下端使得分离出的物料经过排料阀完全排入料筒，收集料筒中的物料称重并记录；

6）根据试验要求，依次进行步骤1～5，如此循环；

7）记录相关数据并计算压降及分离效率.

2 试验结果与分析

2.1 试验数据的测量与处理

试验过程中需要测量的参数包括入口流速、颗粒浓度、分离效率以及压力损失.具体测量方法如下：

1）流速的测量.用测速仪测出分离器入口前端处的流速，以此值计算旋风分离器的入口风速vi.

2）颗粒浓度的测量.入口气流的颗粒浓度（含尘浓度）由下式计算得到：

式中，Ci为入口气流的含尘浓度，g/m3；Gc为加入物料的质量，kg；QN为入口气流的流量，m3/h；τ为加料时间，min.

3）分离效率的测量.本试验采用称重法来测量蜗壳式旋风分离器的分离效率，试验过程中每次定量加料、收料称重，通过收料量与加料量的比值计算出分离效率：

式中，Gi为旋风分离器收料量，kg；Gc为旋风分离器加料量，kg.

分级效率的计算也采用称重法.将筛分好的物料按粒径大小分别称重，试验时每次定量加入不同粒径的物料，收料后先筛分，再分别称重，用相同粒径的收料量与加料量的比值来计算分级料率：

式中，Gii为指定粒径的收料量，kg；Gci为指定粒径的加料量，kg.

4）压降及阻力系数的测量.试验用U型压差计测出旋风分离器进出口的压力差值ΔP，每次试验时测量3次，取其平均值以减小误差.ΔP、阻力系数iζ计算如下：

2.2 入口速度的影响

2.2.1 对压降的影响

试验中，蜗壳式旋风分离器压力损失由U型压力计测得.这样测得的压力是静压，即这里的压降实际上是分离器进出口的静压差.当旋风分离器入口颗粒浓度为30 g/m时，即当入口气流为单一气相时，测量静压降随入口速度的变化如图2所示.蜗壳式旋风分离器的静压降随着入口速度的增大而增大，基本上呈指数变化.

能量的损失会因分离器入口速度的增大而增大，这是由于旋风分离器的磨损与气体流速的四次方成正比[6]，所以入口速度太大会增加旋风分离器的压力损失.因此，在旋风分离器的分离效率和动力损耗之间要有一个平衡指标，即在保证分离效率的基础上最大化地减小入口速度、降低能耗.

2.2.2 对分离效率的影响

根据文献[7]报道，当入口颗粒浓度为340 g/m时，LS螺旋加料机能耗最小，因此确定入口颗粒浓度为40 g/m3研究入口速度和分离效率的关系.如图3所示，分离效率随着入口速度的增大而增加，只是增加趋势稍微有点放缓.试验采用的颗粒粒径主要在48～75 μm，粒径偏大，小粒径含量较小，所以速度不断增大使得分离效率逐步增加.当速度增加到22 m/s时，分离效率增加幅度的减少是部分较小粒径的物料被较强气流携带造成的.

持续地增大入口速度能增加分离效率，但压降也会随入口速度的增大而增加，因此，根据实际工业要求，应通过衡量分离效率和压力损失确定最合理的入口风速.旋流动态煅烧系统中回收系统的回收率指标通常为99.5%，按一般的两级回收计算，每个旋风分离器的分离效率应为93%，因此最合理的风速约为19 m/s.

图2 入口速度和压降的关系

图3 入口速度和分离效率的关系

2.3 入口颗粒浓度的影响

2.3.1 对压降的影响

当入口流速19 m/s时，颗粒浓度和静压降的关系如图4所示：蜗壳式旋风分离器的静压降随着入口颗粒浓度的增大而减小.实际上，入口颗粒浓度对旋风分离器压降的影响具有双重性，一方面，气固两相混合物的密度随着入口颗粒浓度的增大而增大，引起进出口的局部流动损失增加，从而使静压降增大；另一方面，当含尘气流进入分离器后，分离器内壁表面会形成颗粒滞留层，随着含尘浓度的逐渐升高，这种颗粒滞留层会对旋转气流产生很强的滞留作用，并且大部分气体的能量会因两相间的阻力而损耗，从而降低了旋转速度，使静压降减少.

可见，由于多种因素的综合影响，关于蜗壳式旋风分离器压降与入口颗粒浓度的关系非常复杂.对于所谓的临界颗粒浓度值，也会因研究者使用的旋风分离器的结构尺寸以及操作参数不同而不同，目前尚未有具体的统一公式来描述.

图4 颗粒浓度和压降的关系

2.3.2 对分离效率的影响

颗粒浓度和分离效率的关系如图5所示：分离效率随入口颗粒浓度的增加而相应地增加，几乎呈一条直线.其影响机理在于：入口颗粒浓度的增加使得颗粒间相互碰撞的几率增加，因此增加了颗粒被捕集的可能性；另外，试验采用的物料粒径范围是48～75 μm，粒径偏大，小颗粒含量较少，所以分离效率增加的数量级不大.

然而，文献[8]研究表明：提高入口颗粒浓度对分离效率具有双重影响：一方面，相同入口流速下，颗粒浓度增加会加厚流动边界层，使得表观动力黏性系数增大，降低了分离器内的旋转切向速度，从而使颗粒离心力降低，分离效率减小；另一方面，旋风分离器的分离效率会随着颗粒间碰撞、夹带和团聚的增强而提高，只是不同的颗粒粒径以及浓度范围会使得分离效率提高的幅度不同.综合两方面影响，相同入口流速下，颗粒浓度的增加会相应提高分离效率，但逃逸的绝对量也在增加.

图5 颗粒浓度和分离效率的关系

2.4 入口颗粒物性的影响

当入口风速19 m/s、入口颗粒浓度为40 g/m3时，轻烧镁粉、菱镁矿浮选粉以及氢氧化锂粉对旋风分离器分离效率的影响如图6所示.通过对比这3种材料下的分离效率发现，氢氧化锂粉的分离效率最低，而轻烧镁粉的分离效率最高.由于3种颗粒的粒径范围均为48～75 μm，显然颗粒粒径无法影响分离效率；通过对比它们的密度（氢氧化锂密度为1 510 kg/m3，菱镁矿浮选粉密度为2 160 kg/m3，轻烧镁粉密度为2 960 kg/m3）可以发现，当粒径相同时，颗粒物性参数中对分离效率影响最重要的就是颗粒密度.显然，随着颗粒密度的增大，旋风分离器的分离效率逐渐提高..

图6 颗粒物性和分离效率的关系

3 结论

本文通过蜗壳式旋风分离器试验装置研究了入口速度、颗粒浓度和物料种类对旋风分离器分离性能的影响，得出以下结论：

1）蜗壳式旋风分离器的压力损失与分离效率随着入口速度的增大而增大.所以旋风分离器的分离效率和动力损耗之间要有一个平衡指标，即在保证分离效率的基础上最大化地减小入口速度、降低能耗.

2）当入口流速19 m/s时，蜗壳式旋风分离器的静压降随着入口颗粒浓度的增大而减小，同时分离效率随入口颗粒浓度的增加呈线性增加趋势.

3）蜗壳式旋风分离器的分离效率随颗粒密度的增加呈增加趋势，因此，该装置对分离颗粒密度较大的物料更为合适.