论文总字数：26764字

摘 要

在当代煤化工中，由于其特殊性，在装置中大量存在气-液-固共存条件下介质输送。由于颗粒对承压设备反复冲击，可能在设备的某一个特定位置受损比较严重，从而导致设备集中损耗，可能会引起突然失效。这种现象称之为“冲刷腐蚀”。由于冲刷腐蚀的机理复杂，设备运行工况恶劣，很难把握冲蚀失效的具体位置，这就导致了盲目加厚壁厚而导致成本的增加且无法取得显著的效果。

本文以煤液化单元的油煤浆阀为研究对象，采用CFD模拟技术，建立油煤浆阀的几何模型，按VOF模型建立液-固两相介质流动磨损物理模型，采用湍流模型、多相流模型和离散相模型求解多相流场，得到在固液两相在阀体通道内的冲刷腐蚀速率和位置；通过对比不同开度下、不同流速，不同颗粒大小，不同出口段喉管处，探讨各因素对管道冲刷腐蚀的影响规律，结果表明在其他条件不变的情况下，油煤浆阀的冲刷腐蚀速率随着开度的增加而减少，小开度情况下的冲蚀速率的大约是最大开度的90倍；随着速度的增加而增加,冲刷腐蚀速率在最大流速下是最小流速状态下的13倍；当在不同颗粒粒径下时，最大颗粒粒径是最小颗粒粒径的4.3倍，体积是80倍左右，但是冲蚀的速率大颗粒是小颗粒的300倍；随着喉管半径的增加先增后减再增中间存在一个临界值使得腐蚀速率达到最小值。根据本文所阐述的冲刷腐蚀位置和各因素对冲蚀速率变化的影响，能够为今后油煤浆阀的强化研究提供依据。

关键词： CFD 冲刷腐蚀 腐蚀预测 油煤浆阀

Abstract

In modern coal chemical industry, due to its particularity, the media are transported under the condition of coexistence of gas - liquid - solid medium. Due to particles impacting on the wall of the pressure-bearing equipment repeatedly, there may be a particular situation where is damaged more seriously than other, which would lead to equipment loss and may cause sudden failure. This phenomenon is called “erosion corrosion”. Due to the complexity of the mechanism of erosion and the bad working condition of equipment operation, it is difficult to grasp the location of the erosion failure which causes that increase the thickness of the wall blindly and increase the costs.

This paper takes the coal liquefaction oil slurry as research object. In this paper, it will take the CFD simulation technology and establish a geometric model of coal oil slurry valve. It will solve multiphase flow field by  using the turbulence model, multiphase flow model and discrete phase model according to the VOF model liquid - solid two-phase medium flow wear physical mode to get  the solid liquid two phase scouring corrosion rate and location in the channel of the valve. By comparing different opening, different velocity, different particle size and the throat outlet, discuss the influence law of various factors on the piping erosion. The results show that in the case of other conditions unchanged, coal oil slurry valve scouring corrosion rate increases with the increase of the opening reduced and small open degree of erosion rate is about 90 times the maximum opening; as the speed increases, the erosion corrosion rate under the maximum velocity is 13 times that of the minimum; When it is under different particle size, maximum particle size is 4.3 times that of the minimum and the volume is about 80 times, but the rate of erosion of the big particles is about 300 times that of the  small particles. But it will firstly increase with the increase of throat radius and then decrease and lastly increase again. There must be a critical value for corrosion rate to the minimum. According to the position of erosion and the change of the rate of corrosion erosion due to the various factors changing illustrated in this paper, it could provide the basis for the future reinforcement of coal oil slurry valve research.

Keywords: CFD; Erosion corrosion; Corrosion prediction; Coal oil slurry valve

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 冲刷腐蚀机理研究 2

1.3 CFD软件在管道冲刷腐蚀中的应用 2

1.4 本文主要内容 4

第二章 工艺简介及参数计算 5

2.1 工艺简介 5

2.2 实际工艺参数 5

第三章 流体动力学理论及CFD建模 7

3.1 FLUENT介绍 7

3.1.1 FLUENT的特点 7

3.1.2利用FLUENT解决问题的步骤 8

3.2 网格的划分 9

3.2.1 GAMBIT简介 9

3.2.2网格类型 9

3.2.2网格质量 11

3.3 控制方程 12

3.3.1基本方程 12

3.3.2湍流模型 14

3.4 边界条件 16

3.5 离散化方法 17

第四章 多相流管道系统数值模拟及冲刷腐蚀分析 19

4.1 几何模型 19

4.2 定解条件 21

4.2.1 入口边界条件 21

4.2.2 出口边界条件 21

4.2.3 壁面边界条件 22

4.2.4 离散相 22

4.3 模拟计算结果及分析 23

4.3.1 颗粒轨迹 23

4.3.2 相对冲蚀速率 24

4.4 冲蚀分析 26

第五章 冲蚀影响因素及应用研究 27

5.1 阀门开度大小对冲蚀的影响 27

5.2 浆相流速的影响 30

5.3 固体颗粒粒径的影响 33

5.4 出口段喉管直径变化对冲刷腐蚀的影响 35

5.5 本章小结 38

第六章 总结展望 39

6.1 本文研究工作总结 39

6.2 今后研究工作展望 39

参考文献 41

致谢 43

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

我国是一个煤炭资源占比高的国家，在所探明的能源占比中，煤炭占80%以上。随着我国其他诸如石油、天然气等不可再生能源的消耗，导致煤炭资源在国家能源中的地位越来越高。能源是国家生产技术水平的重要标志，对一个国家的发展起着至关重要的作用，正如此，能源问题对每个国家，尤其是工业发达国家来说是一个尤为重要的问题。从1993年起我国国产石油开始供应不足。面对日渐突出的能源短缺问题，我国也在积极开发其他能源，包括：水电；核能；天然气等。当今中国，为了解决石油短缺的突出问题和深入贯彻今年国家环保规划政策，煤液化工艺将是未来国家能源布局和发展的一个重点同时也能树立国家在世界各国中的高效环保的形象，此外这将在一定程度上保证我国大战略的实施。因此，以煤制油将成为未来化工能源行业的重要发展方向。

近几年，我国在煤化工行业上取得了显著的成果其中包括：煤焦化技术、煤制醇工艺、煤制合成氨等。在商业研制中，煤制烯烃、直接或间接煤制油和煤制乙二醇也取得一定成效；煤制天然气技术己进入商业化示范阶段。但是由于现代煤化工的特殊性，装置中大量存在气-液-固共存条件下介质输送。由于颗粒对承压设备反复冲击，可能在设备的某一个特定位置受损比较严重，从而导致设备集中损耗，可能会引起设备突然失效。这种现象称之为“冲刷腐蚀”。所谓冲刷腐蚀(Erosion-Corrosion )就是由于腐蚀流体与金属壁面之间存在相对高速的运动而导致的金属表面产生脱落的现象，这种结果是由于腐蚀和冲刷二者相互作用而导致的。在高流速和高含固的条件下，流体对工业设备的冲刷后果及其严重，一方面可以导致设备无法正常运行，更有甚者发生严重的安全事故。另一方面由磨损也给各行业造成了巨大的经济损失。总观各国冲蚀所造成损失的数据，美国每年约为150亿美元；联邦德国也达到了100亿马克；在我国，各行业由于冲蚀而导致的损失也是极为巨大的，仅在机械行业，从1986年起，仅在15年内就从当年的116亿元翻了3倍达到巨大的512亿元，并由此导致的间接经济损失更是比直接损失高2~5倍，这相当于当年全国工业生产总值的5% ^[1]。本文针对煤液化单元中高温高压的特点，以煤液化单元中油煤浆阀为研究对象揭示冲刷腐蚀的机理，准确预测冲刷腐蚀的位置及腐蚀损耗程度，这对防止设备失效、优化设备结构、提高高磨损区结构完整性等都具有至关重要的意义。此外，冲刷腐蚀规律的研究是的煤液化过程的连续性大大提升，对于提高产能也有着重要的影响。

1.2冲刷腐蚀机理研究

颗粒对材料的冲蚀不是一种单纯的机械损伤。有研究者^[2]于25年前首次研究提出冲蚀的两个基本要素：冲刷和腐蚀，此后国内外研究者围绕这两个基本要素进行深入研究，通过采用不同方式、以不同的角度进行了研究从而概括起来腐蚀的主要因素，大概可以分为如下几类，一是力学因数主要表现在流体力学上，二是材料因素和三是流体本身物性因素。这三类因素交织在一起共同作用下导致了材料的冲蚀。虽然冲蚀的机理复杂，但是冲蚀的现象仍是有规律可言的，这依赖于根据实际情况进行具体的分析。按照冲刷腐蚀机理的不同，可以将其分为几个主要类型一是接触疲劳磨损，冲刷腐蚀磨损还有和流体物性相关的粘着磨损和磨粒磨损。含固多相流对设备的磨蚀多为磨料磨损、腐蚀磨损或者二者的相互作用。

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