CN106475238B - 抑制顶部短路流的旋风分离器 - Google Patents

Abstract

一种抑制顶部短路流的旋风分离器，属于分离装置，包括筒段主体、将筒段主体上部封闭的筒段顶板、开设在筒段主体侧面的导入管入口以及贯穿筒段顶板设置的排气管，其中在所述筒段顶板形成封闭的一侧面上设置有凸起结构；并且所述凸起结构位于所述排气管和所述筒段主体的内壁之间。本发明通过在筒段顶板上设置凸起结构，限制顶板短路流的流量(例如环形导流板)，或将顶板短路流引回外旋流(例如螺线形导流板)，减少由顶板短路流带出的颗粒，从而提高气固分离效率。

Description

抑制顶部短路流的旋风分离器

技术领域

本发明涉及一种分离装置，特别涉及一种抑制顶部短路流的旋风分离器。

背景技术

旋风分离器广泛应用于各种气固、气液、液固分离场合。其基本原理是，利用旋风分离器壳体的特殊结构形状，将流体从一般为圆筒段的侧壁切向导入圆筒段，使导入的流体在圆筒段内旋转，利用在旋流中不同比重物质所受的离心力不同而分离。

旋风分离器的一般结构为：主体是一个圆筒段，其上端为顶板，其下端接圆锥段；圆筒段的上部侧面与导入管连接，导入管一般与圆筒段的侧面相切；圆筒段顶板的中部一般设置一个排出管，排出管一般与圆筒段顶板垂直，排出管的直径小于圆筒段的直径；圆锥体的下端直径比上端小，称为下排出口，排出被分离物。

以下以气-固分离为例进一步说明旋风分离器的基本原理。其中的固体一般是粒径很小的颗粒，粒径从几微米到几百微米；旋风分离器一般竖直设置，上排出管(排气管)在上，排出净化的气体，而下排出口(排灰口)在下，排出被分离的固体颗粒。

夹带着固体颗粒的气体从导入管导入圆筒段，在圆筒段内绕圆筒段的轴线贴壁旋流，同时向下流动，进入圆锥体后继续旋转同时向下流动，一般称其为外旋流；被分离的固体颗粒从圆锥体下方的排灰口排出，而气体保持相同的旋转方向继续旋转，但是旋转直径减小，然后由向下流动变为向上流动，直至从圆筒段顶板中部的排气管流出，一般称其为内旋流。

外旋流和内旋流合称为主流。无论旋风分离器的结构多么复杂，都要形成流场结构合理的主流，充分利用旋流产生的离心力，实现比重不同的混合物的分离，如实现气体与所夹带的固体颗粒的分离。

与此同时，在旋风分离器内除了主流还有多种支流，这些支流的流量一般不超过主流的5％，但是对分离效率的影响不容小觑，尤其在追求很高的分离效率时，这些支流的影响更加显著。限制或合理诱导这些支流成为旋风分离器技术发展的推动力之一。

在这些支流中，圆筒段的顶板短路流对分离效率的影响比较大。气体从导入管进入圆筒段后，受流体力学基本原理的控制，必然有一部分气体与主流分离，沿着圆筒段顶板壁面流向排气管，再沿排气管壁面向下从排气管的入口进入排气管，在排气管中与主流汇合，流出旋风分离器，这部分支流一般称为顶板短路流。由于受到流体与壁面之间的附面效应的影响，顶板短路流无法像主流一样，利用旋流产生的离心力分离气体与固体颗粒，所以其所夹带的固体颗粒直接被带出旋风分离器。顶板短路流的流量一般占主流流量的1％～5％，损失的分离效率与固体颗粒的粒径有关，粒径越小，分离效率的损失越大，一般在0.1～1个百分点之间。可见顶板短路流对分离效率的影响是非常大的。

现有技术一般采用如下技术限制顶板短路流：①加大排气管的长度，原理是增加顶板短路流的流动阻力，以减小其流量，但是当长度增加到一定程度后再增加长度就没有效果了；同时，增加排气管长度带来的不利是增加了排气管的阻力；对大型高温旋风分离器，排气管的直径最大超过了2米，材料和结构都很特殊，重量很大，增加排气管的长度在工程上往往难以实现。②降低导入管的位置，在导入管和顶板之间形成较大的高度差，效果有限。③采用拱形顶板，这个技术并不能有效限制顶板短路流。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够抑制顶部短路流的旋风分离器，可有效提高分离效率，其结构可在大型高温旋风分离器上实现。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：

本发明提供一种抑制顶部短路流的旋风分离器，包括筒段主体、将筒段主体上部封闭的筒段顶板、开设在筒段主体侧面的导入管入口以及贯穿筒段顶板设置的排气管，其中：在所述筒段顶板形成封闭的一侧面上设置有凸起结构；并且所述凸起结构位于所述排气管和所述筒段主体的内壁之间。

优选的，所述凸起结构为环形导流板，固定于所述筒段顶板上。

优选的，所述环形导流板为多个，依次相套排列。

优选的，所述环形导流板的个数为2个。

优选的，各环形导流板之间的间隔不大于环形导流板的下端与筒段顶板之间的垂直距离。

优选的，所述环形导流板的材料为高温合金。

优选的，最外侧的环形导流板与所述导入管的内侧壁的延伸线不相交。

优选的，所述凸起结构为以排气管的圆心为中心的至少一片螺线形导流板，并且固定于所述筒段顶板上。

优选的，所述螺线为渐开线，且所述渐开线以所述排气管的直径为基圆直径。

优选的，当所述导入管位于旋风分离器的右侧，渐开线的展角为正值；或者当所述导入管位于旋风分离器的左侧，渐开线的展角为负值。

优选的，所述螺线形导流板的一端与所述排气管的壁面相接，另一端与所述筒段主体的内壁相接。

优选的，当为多个螺线导流板时，螺线形导流板沿着排气管的圆周设置。

优选的，所述凸起结构包括至少一个环形导流板和至少一个螺线形导流板，均固定于所述筒段顶板上；并且所述螺线形导流板以所述排气管的直径为基圆直径设置，且所述环形导流板与排气管之间不设螺线形导流板。

优选的，所述螺线形导流板沿着最外侧环形导流板的圆周设置，螺线形导流板的一端与所述最外侧环形导流板的壁面相接，另一端与所述筒段主体的内壁相接。

优选的，所述凸起结构通过焊接或挂钩固定在筒段顶板上。

优选的，所述凸起结构形成方式为：所述筒段顶板上固定有至少一个凸出于筒段顶板的锚固件，在并且在锚固件和筒段顶板上覆盖有耐高温耐磨层，从而在一整体平面上形成有一体化的凸起结构。

优选的，所述凸起结构迎向排气管的面与筒段顶板垂直，而背向排气管的面为坡面。

优选的，所述导入管上端所在高度不高于所述凸起结构的下端。

优选的，所述凸起结构伸出基础平面的垂直距离为100-200mm。

本发明的原理是：利用顶板短路流是贴壁流动而且流动的驱动力比较弱这两个主要特性，利用设置在顶板内壁面的环形导流板或/和螺旋导流板，限制顶板短路流的流量，或将顶板短路流引回外旋流，减少由顶板短路流带出的颗粒，从而提高气固分离效率。

通过上述技术方案可知，本发明的有益效果在于：

(1)通过在筒段顶板上设置凸起结构，限制顶板短路流的流量(例如环形导流板)，或将顶板短路流引回外旋流(例如螺线形导流板)，减少由顶板短路流带出的颗粒，从而提高气固分离效率；

(2)通过设置多种形式的凸起结构，适应不同条件下的旋风分离器，例如采用含凸起结构的整体式结构，能适用于外壳是普通钢板，内侧敷设耐高温耐磨层的分离器；

(3)相比于其它抑制顶部短路流的方式，凸起结构通过常规材料即可提高分离效率。

附图说明

图1是常规旋风分离器的一般示意图。

图2是本发明的实施例1的主视图。

图3是本发明实施例1的P-P剖视图。

图4是本发明实施例1的Q部局部放大图。

图5是本发明实施例2的P-P剖视图。

图6是本发明实施例3的P-P剖视图。

图7是本发明实施例4的局部放大图。

具体实施方式

本发明的原理是：利用顶板短路流是贴壁流动而且流动的驱动力比较弱这两个主要特性，利用设置在顶板内壁面的环形导流板或/和螺旋导流板，限制顶板短路流的流量，或将顶板短路流引回外旋流，减少由顶板短路流带出的颗粒，从而提高气固分离效率。

根据本发明的基本构思，提供一种抑制顶部短路流的旋风分离器，包括筒段主体、将筒段主体上部封闭的筒段顶板、开设在筒段主体侧面的导入管入口以及贯穿筒段顶板设置的排气管，其中，在所述筒段顶板形成封闭的一侧面上设置有凸起结构；并且所述凸起结构位于所述排气管和所述筒段主体的内壁之间。

在本发明实施例中，凸起结构可以有多种设置方式，例如通过焊接或者挂钩固定方式与筒段顶板结合，还可以是与筒段顶板形成一整体结构。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。

本领域技术人员应当知晓，在特定实施例描述某些特征并不作为对要求保护的权利要求的限定，也可以应用于其它实施例中。

如图1所示，旋风分离器一般由导入管25、筒段主体22(例如为圆筒段主体)、筒段顶板21、排气管20、圆锥段23等组成，有时圆锥段23底部还接一段小圆柱段和一段小圆锥段(未示出)。排灰口24设置于旋风分离器底部。典型的(不作为对发明的限制)，筒段主体22的内径在2～10米之间，排气管20的直径在0.4～3米之间，排气管20的下端到筒段顶板21的内壁之间的高度在0.5～5米之间；进入旋风分离器的气体是高温烟气13，温度一般为800～1000℃，烟气13中所夹带的固体颗粒的粒径分布在0～1000微米之间。

实施例1

当烟气13夹带着固体颗粒以20～30米/秒的速度从导流管25进入旋风分离器后，绝大部分烟气围绕旋风分离器的垂直轴线Z1沿壁面向下旋转流动，形成外旋流14，在圆锥段的下部转为向上旋转流动，形成内旋流15，最后从排气管20排出；受离心力和重力的双重作用，被分离的固体颗粒在圆锥段下部与外旋流14(旋转的烟气)分离，从排灰口24排出。在导入管25与筒段主体22的连接处的上部，烟气13中会分出一小部分支流，即顶板短路流12与外旋流14分离，沿筒段顶板21流向排气管20。顶部短路流12是一种贴壁流，在本发明实施例所针对的大型高温旋风分离器中，顶部短路流12的附面层厚度一般为100～200毫米。

如图2所示，导入管25的顶部与筒段顶板21之间的高度差H为200～500毫米。如图3所示，在筒段顶板21下方固定环形导流板30(凸起结构的一种设置方式)，以增加顶板短路流12的流动阻力，限制顶板短路流12的流量。如图4所示，环形导流板30的高度(环形导流板底部距离筒段顶板下表面的高度差)h1为100～200毫米，不能大于导入管25的顶部与筒段顶板21之间的高度H，也即导入管25上端所在高度不高于所述环形导流板30的下端。在筒段顶板21上可以设置多个直径不等的环形导流板30，以增加限制顶板短路流12的效果，环形导流板30之间的径向距离不大于环形导流板30的高度h1。直径最大的环形导流板30不能超过导入管20的内侧壁的延伸线25a与轴线Z2的交点(也就是说最外侧的环形导流板与所述导入管的内侧壁的延伸线不相交)。延伸线25a以导入管20的内壁与筒段主体22的交点26为起点，与导入管20的外侧壁平行。

根据试验测量，顶板短路流12的流动驱动力约为500帕，而一个环形导流板30可以产生约100～150帕的阻力，因此，设置一个环形导流板30可以减少约20％～25％的顶板短路流12的流量；进一步的，设置多个直径不等的环形导流板30，可以增加限制顶板短路流12的效果。但是，由于流场的边际效应，设置多个环形导流板30的阻力并不能产生简单的算术加和的效果，所以，设置两个环形导流板30就可以获得很好的限制顶板短路流12的效果。环形导流板的材质为高温合金，比如Ni25Cr20，厚度为10～20毫米。

当旋风分离器外壳由水或蒸汽冷却的金属管和金属鳍片构成时(具体结构是本领域设计人员所熟知的，因此图4中筒段顶板21的为简化示意)，通常其内壁敷设一层耐火材料27，典型厚度一般为50毫米。环形导流板30可以在敷设耐火材料27之前通过焊接或挂钩固定在筒段顶板21上。

实施例2

如图5所示，在筒段顶板21下方设置以排气管20的圆心为中心的螺线形导流板32(凸起结构的另一种设置方式)，其形状可以是阿基米德螺旋线，也可以是渐开线，从方便设计的角度看，渐开线为优。当采用渐开线时，以排气管20的直径为基圆直径；当导入管25位于旋风分离器的右侧，旋风分离器内主流的旋流方向为逆时针方向，因此螺线形导流板32的渐开线的展角为正值(如图5所示)。反之，如果在俯视图上，导入管位于旋风分离器的左侧，旋风分离器内的主流旋转方向为顺时针方向，螺线形导流板渐开线的展角为负值(此种情形未示出)。螺线形导流板32的一端与排气管20的壁面相接，另一端与筒段主体22的内壁相接。在360°的圆周上设置3～10个螺线形导流板，图5中按照60°等分法设计了六片螺线形导流板32，但只安装其中五片，与导入管25的内侧延长线25a(其含义与实施例1的相同)相交的第一片螺线形导流板32不安装，因为这片螺线形导流板32起不到有效导流的效果。其原理是，这五片螺线形导流板32在限制顶板短路流12的同时，将其导向筒段主体22的壁面，直接汇入外旋流14。本实施例未涉及的技术细节可参照实施例1进行。

实施例3

如图6所示，将实施例1与实施例2结合，同时设置环形导流板30和螺线形导流板32(凸起结构的又一种设置方式)，螺线形导流板32设置于直径最大的环形导流板30与筒段主体22壁面之间，环形导流板31与排气管20之间不设螺线形导流板，螺线形导流板32的基圆直径仍然取为排气管20的直径。本实施例未涉及的技术细节可参照实施例1进行。

实施例4

结合图7，大型高温旋风分离器一般还有另外一种结构，其外壳是普通钢板，内侧敷设耐高温耐磨层28(一般需耐受1300℃高温)，通常采用浇注料，具有耐温耐磨的性质，其表面形状和尺寸在安装现场施工时由模具决定。这种结构的高温旋风分离器的耐火材料壁厚一般在300～400毫米。在这种结构的高温旋风分离器上难以设置如图4所示的实施例1、实施例2、实施例3的各种高温合金导流板。

为此，提出实施例4，利用耐温耐磨浇注料的施工特性，由模具造成上述实施例1、实施例2、实施例3中各种导流板的形状，使得筒段顶板的表面具有导流板的形状(凸起结构的再一种实施方式)。同时，考虑到这种耐温耐磨浇注料不适合做成薄层结构，将导流板的纵剖面形状制成三角形，其迎向烟气流动、起导流作用的面34与筒段顶板21垂直，高度h2为200毫米，而背向烟气流动、不起导流作用的面为坡面。为了增强这种耐温耐磨浇注料导流结构的强度，在浇注前将用高温钢预制的锚固件33与筒段顶板21的最外层钢壳焊接，锚固件33的端部伸入导流板浇注料结构中。本实施例未涉及的技术细节可参照实施例1进行。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种抑制顶部短路流的旋风分离器，包括筒段主体、将筒段主体上部封闭的筒段顶板、开设在筒段主体侧面的导入管入口以及贯穿筒段顶板设置的排气管，其特征在于：

在所述筒段顶板形成封闭的一侧面上设置有凸起结构；并且

所述凸起结构位于所述排气管和所述筒段主体的内壁之间，

其中，所述导入管上端所在高度不高于所述凸起结构的下端；

所述凸起结构为螺线形导流板，或环形导流板和螺线形导流板的结合；

所述螺线形导流板以排气管的圆心为中心、至少为一片，并且固定于所述筒段顶板上；

所述螺线为渐开线，且所述渐开线以所述排气管的直径为基圆直径；

当所述导入管位于旋风分离器的右侧，渐开线的展角为正值，或者，

当所述导入管位于旋风分离器的左侧，渐开线的展角为负值。

2.一种抑制顶部短路流的旋风分离器，包括筒段主体、将筒段主体上部封闭的筒段顶板、开设在筒段主体侧面的导入管入口以及贯穿筒段顶板设置的排气管，其特征在于：

在所述筒段顶板形成封闭的一侧面上设置有凸起结构；并且

所述凸起结构位于所述排气管和所述筒段主体的内壁之间，

其中，所述导入管上端所在高度不高于所述凸起结构的下端；

所述凸起结构为螺线形导流板，或环形导流板和螺线形导流板的结合；

所述螺线形导流板以排气管的圆心为中心、至少为一片，并且固定于所述筒段顶板上；

所述螺线形导流板的一端与所述排气管的壁面相接，另一端与所述筒段主体的内壁相接。

3.一种抑制顶部短路流的旋风分离器，包括筒段主体、将筒段主体上部封闭的筒段顶板、开设在筒段主体侧面的导入管入口以及贯穿筒段顶板设置的排气管，其特征在于：

在所述筒段顶板形成封闭的一侧面上设置有凸起结构；并且

所述凸起结构位于所述排气管和所述筒段主体的内壁之间，

其中，所述导入管上端所在高度不高于所述凸起结构的下端；

所述凸起结构为螺线形导流板，或环形导流板和螺线形导流板的结合；

所述螺线形导流板以排气管的圆心为中心、至少为一片，并且固定于所述筒段顶板上；

所述螺线导流板为多个，所述多个螺线形导流板沿着排气管的圆周设置。

4.一种抑制顶部短路流的旋风分离器，包括筒段主体、将筒段主体上部封闭的筒段顶板、开设在筒段主体侧面的导入管入口以及贯穿筒段顶板设置的排气管，其特征在于：

在所述筒段顶板形成封闭的一侧面上设置有凸起结构；并且

所述凸起结构位于所述排气管和所述筒段主体的内壁之间，

其中，所述导入管上端所在高度不高于所述凸起结构的下端；

所述凸起结构包括至少一个环形导流板和至少一个螺线形导流板，均固定于所述筒段顶板上；并且所述螺线形导流板以所述排气管的直径为基圆直径设置，且所述环形导流板与排气管之间不设螺线形导流板；

所述螺线形导流板沿着最外侧环形导流板的圆周设置，螺线形导流板的一端与所述最外侧环形导流板的壁面相接，另一端与所述筒段主体的内壁相接。

5.根据权利要求4所述的旋风分离器，其特征在于，所述凸起结构通过焊接或挂钩固定在筒段顶板上。

6.一种抑制顶部短路流的旋风分离器，包括筒段主体、将筒段主体上部封闭的筒段顶板、开设在筒段主体侧面的导入管入口以及贯穿筒段顶板设置的排气管，其特征在于：

在所述筒段顶板形成封闭的一侧面上设置有凸起结构；并且

所述凸起结构位于所述排气管和所述筒段主体的内壁之间，

其中，所述导入管上端所在高度不高于所述凸起结构的下端；

所述凸起结构为螺线形导流板，或环形导流板和螺线形导流板的结合；

所述凸起结构形成方式为：所述筒段顶板上固定有至少一个凸出于筒段顶板的锚固件，在并且在锚固件和筒段顶板上覆盖有耐高温耐磨层，从而在一整体平面上形成有一体化的凸起结构。

7.根据权利要求6所述的旋风分离器，其特征在于，所述凸起结构迎向排气管的面与筒段顶板垂直，而背向排气管的面为坡面。