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气固两相流对旋风分离器壁面磨损机理的研究

赵新学  
【摘要】:旋风分离器由于结构简单,耐高温、高压,维护方便等优点,在众多领域得到了广泛的应用。然而,在实际运行过程中也逐渐暴露出了一些问题,其中旋风分离器壁面的磨损,已成为严重制约其应用与发展的首要问题。目前,从国内外已有的研究工作来看,对旋风分离器壁面的磨损还缺乏足够的认识,仅有的结论也多源于现场经验,对于分离器壁面的磨损机理更是欠缺系统的分析。本文正是针对旋风分离器壁面存在的严重磨损问题,采用理论分析和数值试验相结合的研究方法,借助先进的计算流体力学技术,深入研究了气固两相流对旋风分离器壁面的磨损情况,探讨了壁面磨损的机理。 首先对基于CFD的壁面磨损预测模型的基础理论进行了介绍,该模型主要包括内部流场计算、颗粒运行轨迹追踪和运用磨损方程计算磨损值三个部分。在此基础上,运用该方法计算了气固两相流对旋风分离器壁面的磨损情况。通过计算得知:分离器壁面以局部磨损为主,壁面严重磨损的区域有环形空间顶板附近区域、从入口方向看到的环形空间筒体壁面区域、分离空间筒体区域的螺旋磨损槽以及锥体末端区域。环形空间壁面磨损率在周向上呈先增加后降低的趋势;在分离空间筒体段磨损率沿轴向呈“波形”状变化,有明显的波峰和波谷出现;在分离空间锥体壁面,磨损率随着轴向位置的增加而增大,且在锥体末端附近出现磨损峰值,但随后又明显降低。 其次研究了不同结构参数(排气管直径比、排尘口直径比、入口面积比)、不同入口结构型式、不同操作参数(入口速度、操作温度)以及颗粒粒径变化对旋风分离器壁面磨损的影响规律。研究结果表明:这些参数对旋风分离器壁面磨损的部位以及磨损率的大小都有不同程度的影响,为进一步完善和改进设计、优化结构尺寸以提高设备工艺性能奠定基础。 最后结合实验室和工业现场应用旋风分离器的实际磨损情况,对壁面局部磨损部位的宏观形貌和微观形貌进行了观察分析,研究其失效行为,建立壁面磨损的模型,探讨了旋风分离器不同区域壁面磨损的产生机制,同时研究了固体颗粒对壁面局部区域磨损的微观机理。研究结果显示:旋风分离器壁面磨损的失效不是固体颗粒作用造成的大面积均匀的磨损,而是受到颗粒严重冲蚀的局部区域磨损。局部磨损区域发生了明显的塑性变形,有犁沟状冲蚀磨损形貌存在,基体表面布满均匀的条状磨痕,磨痕方向大体一致;局部区域伴随有带方向的凹坑出现,在凹坑的前方有明显的塑性变形和材料挤出的现象。就气固两相流体的流动特性而论,颗粒对壁面的磨损有三种主要机理:固体颗粒与壁面的直接碰撞磨损、湍流运动中固体颗粒与壁面的随机碰撞磨损和滑移颗粒与壁面之间的摩擦磨损。而旋风分离器壁面局部磨损的微观机制为冲刷—切削—撞击—冲刷—剥落,即以颗粒相对壁面碰撞角度较小的微观切削为主,以碰撞角度较大颗粒的撞击剥落为辅。


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