烟气轮机动叶流道内颗粒运动的流动显示实验

烟气轮机是催化裂化装置能量回收系统中的关键设备,但内部烟气介质含有催化剂颗粒,易在内壁面沉积、结垢且对叶片造成冲蚀、磨损,影响机组正常运行。为研究烟气轮机内部复杂的两相运动规律,以实际烟气轮机为基准设计了模型烟气轮机,利用高速摄像机拍摄模型烟气轮机动叶流道内的颗粒运动形态,捕捉颗粒与壁面的作用过程。结果表明,动叶前缘是颗粒碰撞的高频区,且颗粒碰撞后速度方向变化量较大。颗粒与动叶压力面发生多次碰撞的位置集中在压力面后缘,小粒径颗粒较易紧贴动叶压力面运动。实验结果为进一步探索催化剂颗粒在烟气轮机内部的沉积结垢机理提供了重要依据。     

烟气轮机动叶流道内颗粒运动的流动显示实验

烟气轮机是催化裂化装置能量回收系统中的关键设备,但内部烟气介质含有催化剂颗粒,易在内壁面沉积、结垢且对叶片造成冲蚀、磨损,影响机组正常运行。为研究烟气轮机内部复杂的两相运动规律,以实际烟气轮机为基准设计了模型烟气轮机,利用高速摄像机拍摄模型烟气轮机动叶流道内的颗粒运动形态,捕捉颗粒与壁面的作用过程。结果表明,动叶前缘是颗粒碰撞的高频区,且颗粒碰撞后速度方向变化量较大。颗粒与动叶压力面发生多次碰撞的位置集中在压力面后缘,小粒径颗粒较易紧贴动叶压力面运动。实验结果为进一步探索催化剂颗粒在烟气轮机内部的沉积结垢机理提供了重要依据。     

催化裂化装置烟气轮机积垢及其增厚机理

针对近年来炼油厂中出现的催化裂化烟气轮机结垢严重问题, 采用SEM(扫描电子显微镜)对催化剂平衡剂、烟机入口催化剂颗粒和垢样进行了微观形貌的分析, 结果表明, 烟机叶片上的结垢主要是由1～2 μm的催化剂颗粒组成。对催化剂黏附在叶片表面的机理进行研究, 分析黏附力对黏附作用的影响, 结果表明, 催化剂颗粒粒径越小, 越容易被黏附, 与SEM的结果吻合。通过CFD模拟烟机流道内速度场的分布, 验证了黏附力对结垢的影响。     

烟气轮机叶顶隙气固两相运动规律的模拟研究

叶顶间隙的尺寸虽小,但对流道内的流动影响很大。研究烟气轮机叶顶隙的气固特性可以为解决烟气轮机结垢问题提供依据。采用标准k-?湍流模型和DPM多相流模型,对烟气轮机气固两相运动规律进行研究。研究表明:静叶间隙流的压能、热能转化为动能的转化率比主流小;动叶间隙流不作用在叶片上,受主流的影响流速先增大后减小;因为压力差的存在,叶顶隙处会产生从压力侧到吸入侧的间隙流;静叶间隙流周向速度与主流相反,在靠近吸力面和压力面处出现旋涡;动叶叶顶、叶尖以及压力面后半段是颗粒浓度和颗粒沉积量大的区域;动叶机壳的前半段以及动叶叶顶的前2/3处颗粒沉积量比较大。     

烟气轮机级内气固两相流场特性PIV实验

烟气轮机是催化裂化装置能量回收系统中的关键设备,但烟气内的催化剂颗粒极易在内壁面沉积结垢,影响机组正常运行,因而必须对烟气轮机内的气固两相流动进行研究以避免催化剂发生沉积。以实际烟气轮机为基准设计了模型烟气轮机,运用粒子图像测速(PIV)技术对模型烟气轮机内叶顶、叶中、叶根三个特征面的气固两相流动特性进行冷态测量,研究两相流在1000和1400 m3?h-1两种气相流量下的流动特性。结果表明,静叶流道内,两相流逐渐偏转加速,在流道出口处速度值和偏转角度达到最大。相同气相流量下,颗粒的速度偏转程度小于气相。动叶流道内,气相速度沿流动方向逐渐衰减,流出流道时速度方向接近轴向。固相在动叶流道出口处叶顶附近具有与旋转方向相反的切向速度分量。研究结果为进一步探索催化剂颗粒在烟气轮机内部的沉积结垢机理提供了重要依据。     

烟气轮机叶顶隙中气相运动规律的模拟

针对烟气轮机催化剂结垢问题,采用可压缩流体的标准k-ε湍流模型,对烟气在烟机叶顶隙的气相运动规律进行研究。研究表明:静叶内,间隙流压能、热能的下降量以及烟气速度的提高量都要比主流小;动叶内,主流因为做功,速度不断减小,间隙流受主流的影响烟气速度先增大后减小;静叶叶顶隙存在回流,靠近叶片处烟气速度减小,催化剂颗粒容易沉积;动叶叶顶隙出现了漩涡,叶尾处存在二次流,这些都容易造成催化剂颗粒的沉积;静叶叶顶隙与叶片对应的位置泄漏率不断增大,动叶叶顶隙与叶片对应的位置泄漏率不断减小。     

催化裂化装置烟机结垢:催化剂在全周期循环过程中的性质变化

烟气轮机是催化裂化装置的关键设备,烟机结垢是影响装置长周期运行的关键因素。烟机结垢是多方面因素综合作用的结果,与装置的操作条件和催化性质剂密切相关。针对催化裂化装置烟机结垢,分析了催化剂在全周期循环过程中的性质变化。在催化裂化过程中,催化剂粒径显著减小,进入烟机的催化剂粉尘是导致烟机结垢的直接原因,沉积在催化剂表面的金属元素为催化装置烟机结垢提供了物质基础,进入烟气轮机中的催化剂粉尘经过水蒸气、高温烧结等作用,使催化剂粉尘在烟气轮机中的粘连,并不断沉积,最终结垢。     

激光颗粒分析仪在催化裂解(DCC)中的应用和维护

使用激光颗粒分析仪在线测量三旋入口、烟机入口管道中催化剂颗粒粒度、浓度的分布及变化趋势,能够准确地测定出三旋的分离效率,有效地保证烟气轮机在合适的工况下运行,延长烟气轮机的使用寿命。从激光颗粒分析仪的原理入手,阐述了其在催化裂解(DCC)装置中的系统组成、日常维护和常见故障排除。     

电除尘器飞灰粒径表征及细颗粒降温团聚

基于50000m³/h实烧烟气中试系统,采用Mastersizer 2000E激光粒度分析仪和电子低压冲击仪（ELPI）,首次对电除尘器飞灰几何粒径和空气动力学粒径进行全面表征。结果表明,电除尘器入口及各电场的飞灰几何粒度分布均呈双峰分布特征,各电场峰值依次右移,但末级旋转电极电场≤ 1μm的颗粒占比略有升高,电除尘器入口及第1～5电场飞灰几何中位径分别为6.607μm、17.378μm、2.884μm、2.577μm、2.460μm、2.480μm;温度降低,电除尘器入口飞灰几何粒度分布的双峰均右移,颗粒团聚现象明显,80℃、90℃、110℃、130℃、150℃时电除尘器入口飞灰几何中位径分别为13.183μm、10.500μm、10.171μm、6.607μm、7.586μm,从130℃降至90℃,电除尘器入口几何粒径≤ 1μm、≤ 2.5μm、≤ 10μm的飞灰占比分别减少了19.8%、19.2%、12.6%;不同温度时,电除尘器对空气动力学粒径0.03～10μm段颗粒的个数浓度、质量浓度均有较高脱除效率,均在75%以上,最高可达99.9%;温度降低,电除尘器进出口空气动力学粒径不同粒径段颗粒个数浓度和质量浓度均有不同程度降低,从130℃降至90℃、80℃,对应电除尘器入口PM_2.5团聚效率分别为46.76%、60.08%,对应电除尘器出口PM₁₀减排分别为59.80%、91.08%,PM_2.5减排分别为45.94%、76.22%,PM1减排分别为40.40%、62.12%。     

不同滤料固定颗粒床过滤性能对比

在固定床冷态实验装置上研究了平均粒径和稳态过滤压降相近、颗粒形状和表面状况不同的两种滤料(陶瓷球和石英砂)的过滤性能. 结果表明,两种滤料过滤性能变化规律基本一致. 粉尘沉积量(?m)增加,过滤效率先增大后减小,过滤压降偏离稳态过滤压降程度(G)增大. ?m相同时,过滤效率和G均随过滤气速增大而减小,但过滤后期高气速下G与低气速下接近. 增大入口粉尘浓度,总体过滤效率无明显改变,粒径大于0.7 ?m的粉尘过滤效率提高,G更显著. 两种滤料难过滤粉尘粒径均为0.35~0.6 μm. 因颗粒形状和表面状况不同,两种滤料过滤性能存在差异,其它条件相同时,石英砂总体和分级过滤效率均高于陶瓷球,G也较大;增大入口粉尘浓度,石英砂过滤效率随粉尘沉积量变化程度相对较小.     

Numerical Modeling of Particle Dynamics in a Cylindrical Chamber Containing a Rotating Disk

Numerical modeling was performed to study the submicron particle dynamics in a confined flow field containing a rotating disk, temperature gradient, and various inlet gas flow rates. The Lagrangian model was employed to compute particle trajectories under the temperature gradient, disk rotation speed, and inlet gas flow rate effects. The trajectories of particles with diameters of 1 μm, 0.1 μm, and 0.01 μm were examined in this study. When the inlet gas temperature was lower than that of the disk, particle-free zones were created due to upward thermophoretic force for 1 μm and 0.1 μm particles. Disk rotation was found to depress the size of the particle-free zone. Particle deposition onto the disk for 0.01 μm particles was possible because of the Brownian motion effect. A detailed evaluation of the particle-free zone size as a function of the temperature gradient, disk rotation speed, and inlet gas flow rate was performed. When the inlet gas temperature was higher than the disk temperature, particle deposition onto the disk was enhanced due to the downward thermophoretic force for 1 μm and 0.1 μm particles. Disk rotation was found to increase the deposition rate. For 0.01 μm particles, Brownian motion was more important than thermophoretic force in controlling particle behavior. The particle deposition rates as a function of the temperature gradient, disk rotation speed, and inlet gas flow rate were performed.     

基于群体平衡的汽轮机动叶表面盐析颗粒分布特性

为深入了解汽轮机动叶内盐析颗粒的微观行为,本文以某超临界汽轮机高压级动叶为研究对象,应用计算流体力学与群体平衡模型耦合方法,对汽轮机动叶内盐析颗粒在流场中的分布进行数值模拟研究,获得了盐析颗粒在动叶内的粒径分布及不同负荷时叶片尾缘处盐析颗粒数量密度分布规律。模拟结果表明：在汽轮机动叶吸力面附近的盐析颗粒粒径较压力面附近盐析颗粒粒径小,且叶根处颗粒粒径小于叶顶处;动叶压力面的颗粒数量密度呈前缘点尾缘点处大、中间段小的分布规律,并且盐析颗粒在叶片上的数量密度分布最大值并不出现在组分数及粒径最大处,而是出现在平均粒径为110~150μm的盐析颗粒沉积位置处;当汽轮机30%负荷运行时,粒径40μm盐析颗粒的数量密度是其在汽轮机额定负荷运行时的1.5倍,而粒径140μm盐析颗粒的数量密度仅为汽轮机额定负荷运行时的80%。     

转轮式分级器切割粒径的预测模型

针对转轮式分离器,建立不同结构参数及操作参数下的切割粒径预测模型有助于指导其设计和运行。基于相似理论以及对颗粒分离过程的分析,提出一种考虑结构参数的半经验模型,确定了模型参数,并通过实验以及文献报道的数据验证了模型的可靠性。与前人工作相比,此模型在不同的转轮分离器结构下显示出较好的通用性;此外,模型可以复现切割粒径随叶轮转速增大而先减小后增大的非单调关系,这是原有的半理论模型不能实现的。对不同结构转轮分离器性能的系统分析表明,较大的分离器入口面积及较小的导流角度可确保入口产生强旋流气流,进而使切割粒径对转速的敏感段在低转速区;而较小的分离器入口面积,或较高的入口风速可以提高对细颗粒的分离能力。对运行参数的研究表明,增大颗粒流率会减小切割粒径;调整叶轮转速可以灵活地改变切割粒径,适应不同的工作需求。     

颗粒负荷对小型旋风器性能影响的模拟分析

为探究颗粒负荷对小型旋风器内气固两相流动的影响,基于雷诺应力模型（RSM）和欧拉-欧拉方法的混合流模型（Mixture）进行气体-颗粒、颗粒-颗粒的相间耦合计算。采用粒径为0.5～5μm的颗粒组在40L/min、60L/min和80L/min的入口流量下模拟0~3kg/m³的5种不同颗粒浓度工况,通过对比旋风器内纯气相流场和颗粒负荷流场的不同,研究了颗粒的存在对流场的影响;探究了入口流量和浓度变化对旋风器内分离效率和压降特性的影响。基于模型有效性验证的数值模拟结果表明：较高颗粒浓度负荷使旋风器内的气相流场发生显著变化。随着入口流量的增大,旋风器的分离效率先增大后减小,压降呈非线性增大。随着颗粒浓度的增大,旋风器的分离效率逐渐增大,压降先减小后增大。     

多喷嘴射流式分离器内气固流动特性的数值模拟

基于商用软件Fluent 6.3.26,采用雷诺应力模型及DPM离散相模型并结合理论分析,对基于喷嘴造旋的射流式分离器内两相流动特性进行了模拟计算,得到了较为全面的两相流动规律与细节.结果显示,分离器内部切向速度峰值可达160 m·s^-1,自由涡区的切向速度约为130 m·s^-1,旋流强度明显高于传统旋风单管;沿轴向下,下行流流量逐次减少,其中稳流体顶部下行流降低最为明显,下行流减少致使颗粒卷入内旋流概率增加,分离效果下降;分离器内部局部存在顶部贴壁射流、射流区二次流及灰斗口旋涡流等次级流动;分离器压降约为27.43 kPa,喷嘴区内外旋流能耗分别为4.57 kPa(21.8%)、5.76 kPa(27.6%),稳流体区内外旋流能耗分别为5.85 kPa(27.6%)、4.01 kPa(18.9%);分离器对应的切割粒径较小,约为1.6 μm,极限粒径约为10 μm,符合工业应用要求;基于所建颗粒受力模型及模拟条件下,分离空间可分离的临界粒径为1～2 μm,3 μm及以上颗粒的逃逸浓度小于 0.15 g·m^-3,满足下游烟机对气流的净化要求.     

上游泵送机械密封润滑膜固体颗粒沉积特性研究

上游泵送机械密封运行中常因固体颗粒沉积而出现动压槽堵塞失效现象,为了对微间隙润滑膜固体颗粒沉积特性进行研究,建立了密封润滑膜三维几何模型和气液固多相流计算模型,应用Mixture模型和DPM模型模拟研究了不同颗粒直径、转速、介质压力、颗粒进口体积分数和润滑膜厚度对固体颗粒沉积特性的影响规律。研究表明：来自润滑膜内径侧固体颗粒的沉积率及沉积区域均与颗粒直径、颗粒进口体积分数、密封工况和润滑膜厚度等参数有关,粒径较小、转速增大、介质压力增大和膜厚减小有利于降低颗粒沉积率;螺旋槽低压区是颗粒沉积的主要部位,且粒径、颗粒进口体积分数、转速和膜厚增大,介质压力降低,使沉积区域明显向外槽根拓展,这是螺旋槽易出现堵塞失效的原因;低转速时易在坝区出现颗粒沉积,非槽区的沉积颗粒呈周向分布。     

Micro-particle transport and deposition in a human oral airway model

Laminar-to-turbulent air flow for typical inhalation modes as well as micro-particle transport and wall deposition in a representative human oral airway model have been simulated using a commercial finite-volume code with user-enhanced programs. The computer model has been validated with experimental airflow and particle deposition data sets. For the first time, accurate local and segmentally averaged particle deposition fractions have been computed under transitional and turbulent flow conditions. Specifically, turbulence that occurs after the constriction in the oral airways for moderate and high-level breathing can enhance particle deposition in the trachea near the larynx, but it is more likely to affect the deposition of smaller particles, say, St<0.05. Particles released around the top/bottom zone of the inlet plane more easily deposit on the curved oral airway surface. Although more complicated geometric features of the oral airway may have a measurable effect on particle deposition, the present simulations with a relatively simple geometry exhibit the main features of laminar-transitional-turbulent particle suspension flows in actual human oral airways. Hence, the present model may serve as the “entryway” for simulating and analyzing airflow and particle deposition in the lung.     

导叶式旋风管排尘口处颗粒返混夹带现象

通过数值模拟的方法,研究导叶式旋风管内颗粒返混夹带现象。研究表明,排尘口下方存在明显的灰斗返混现象,颗粒返混质量流率占入口颗粒质量流率的38%,排尘锥内部颗粒返混夹带量占入口颗粒流率的47%;排尘口上方1.1D(D为旋风管直径)范围是主要的二次分离空间,最终影响分离效率的返混颗粒仅占入口颗粒质量流率的2.5%;13 μm以下的返混颗粒会对分离器总效率产生影响,粒径越小,影响作用越明显。     

Analysis of gas-particle flow characteristics in impinging streams

A three dimensional Euler–Lagrange model for the gas-particle two-phase impinging streams (GPIS) is developed based on the direct simulation Monte Carlo (DSMC) method with consideration of particle rotation and collision. The gas-particle flow characteristics involved in GPIS as well as the effects of inlet gas velocity and particle rotation are analyzed. The results indicate that two pairs of counter-rotating gas vortices are developed at two sides of the opposite jet flows, which is able to entrain the particles and thus greatly weaken the deposition of particles. Interparticle collisions in the impingement zone produce two effects on the particle behaviors: the direct escaping of particles from impingement zone and the progressive accumulation of particles in impingement zone. Under the same inlet particle mass flow rate, the particle concentration in the impingement zone decreases with increasing inlet velocity of gas due to the increasing impinging reaction of interparticle collisions and growing entrainment of gas vortices. In addition, the rotation of particle provides an additional driving force to push the particles away from the impingement zone, leading to the higher speed of escaping particles and smaller maximum particle concentration at the center of impingement zone than those without particle rotation.