煤液化多相流分离冷换过程固相漂移机理及磨损预测方法研究

摘要

随着石油供需矛盾的日益尖锐，发展煤液化工程已成为缓解石油危机、保障能源战略安全的重要保障。煤直接液化作为煤炭深加工的核心技术，其工艺全过程涉及煤粉、矿物质、催化剂等固相的多相流传输，频繁因颗粒漂移引发沉积堵塞及磨损等失效问题，且失效机理极为复杂。因此，开展煤直接液化分离冷换过程的固相漂移机理研究，建立颗粒沉积和磨损失效的量化评价方法，是提高煤直接液化装置长周期运行安全的重要途径。
　　本文以煤直接液化工艺中分离冷换过程的颗粒漂移、沉积及磨损失效为研究对象，提出基于颗粒漂移的沉积和磨损量化表征预测方法;开展气固两相流冲击磨损特性的性能试验，建立颗粒磨损修正的数理模型，并对结果使用人工神经网络方法进行相关分析与预测。论文的主要研究内容包括以下三个方面:
　　(1)基于热高压分离器结构特性和多相流物性参数，研究颗粒相的漂移运动行为，提出颗粒漂移量化表征方法;采用VOF(Volume of Fluid)模型和DPM(Discrete Phase Model)模型，计算分析了进口固相质量浓度ψ、颗粒粒径dp对气相出口及液相出口固相颗粒分布特性的影响;基于数值仿真获得了静态分离挡板五种倾斜角度α下的热高分罐内速度场、颗粒平均浓度场及气相出口颗粒漂移率的分布规律，提出了降低气相出口颗粒漂移率φ的优化方案。
　　(2)根据热高压仿真模拟建立的颗粒漂移运动方法，以相关的冷换设备—空冷器为研究对象，结合其结构特性、运行工况、物性参数，采用Mixture模型和DPM模型，数值预测多相流动环境下空冷器管柬内的颗粒漂移沉积特性，提出以液相分率、颗粒停留时间及沉积速率作为颗粒漂移沉积规律的表征参数，数值预测的高风险区域与工程现场堵塞沉积失效情况基本吻合，验证了该数值方法的正确性，从而建立基于颗粒漂移运动的沉积预测方法。
　　(3)采用激波脉冲式气固两相流颗粒磨损特性试验装置开展不同颗粒类型、尺寸和冲击速度条件下的颗粒对材料表面的磨损特性研究，确定冲击角函数、相对磨损率及速度指数等重要参数，建立修正的颗粒磨损数理模型;根据热高压仿真模拟建立的颗粒漂移运动方法，结合实际弯管结构特性和物性参数，数值分析基于颗粒漂移的弯管壁面磨损规律，其结果与超声波测厚的管壁减薄区域基本一致，并对结果使用人工神经网络方法进行相关分析与预测，从而建立基于颗粒漂移运动的磨损预测方法。
　　本文的创新性在于建立了煤直接液化过程中相关分离冷换设备的颗粒漂移预测研究体系，揭示了复杂工艺过程关联作用下颗粒运动及失效机理，提出了表征颗粒沉积及磨损的关键特征参数，形成了基于颗粒漂移运动的沉积和磨损预测表征方法。研究成果可为煤直接液化系统的在役检验、风险评估、优化设计及运行提供基础理论支撑。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究综述

1．2．1 含固多相流数值研究

1．2．2 颗粒磨损实验研究

1．2．3 相间耦合数值计算

1．3 论文整体结构

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 具体实施方案

第二章 煤液化工艺分析及系统建模

2．1 煤液化工艺过程与分离过程

2．1．1 煤直接液化工艺过程

2．1．2 分离冷换过程及颗粒漂移

2．2 分离冷换设备几何建模

2．2．1 热高压分离器

2．2．2 空冷器

2．2．3 设备相联管道

2．3 基本控制方程

2．4 本章小结

第三章 热高分罐内固相漂移特性的数值模拟及结构优化

3．1 罐内多相流数值模拟

3．1．1 数理模型建立

3．1．2 固相颗粒漂移率表征

3．2 计算实例与结果分析

3．2．1 罐内气液相与颗粒场分布

3．2．2 气相出口颗粒漂移率分析

3．3 热高分结构优化及结果分析

3．3．1 结构优化原则及方案

3．3．2 优化后结果分析

3．4 本章小结

第四章 空冷器内颗粒漂移特性的数值模拟与分析

4．1 湍流方程与边界条件

4．1．1 湍流方程

4．1．2 边界条件

4．2 计算实例与结果讨论

4．2．1 管束内流动场分布

4．2．2 管束内颗粒场分布

4．3 本章小结

第五章 基于颗粒漂移运动的弯管磨损预测

5．1 弯管磨损模型的修正

5．1．1 实验原理及测试方法

5．1．2 磨损模型参数修正

5．2 弯管磨损数值仿真

5．2．1 冲蚀磨损模型及边界条件

5．2．2 弯管磨损特性分析

5．3 人工神经网络预测

5．3．1 模型及性能评价方法

5．3．2 结果分析与讨论

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 本文研究内容总结

6．2 研究不足及后续工作展望

符号说明

参考文献

致谢

攻读硕士研究生期间的研究成果