煤气化黑水处理系统设备流动特性分析及应用

能源与化工是我国国民经济的支柱产业，包括电力、煤气、炼焦化学、煤制人造石油、煤制化学品以及其他煤加工制品等，近年来取得了长足的发展。煤气化技术生产合成气产品的主要途径之一，是以煤或焦炭、半焦等固体燃料为基本原料，在高温常压或加压条件下与气化剂反应，生产出工业窑炉用气、城市煤气等燃料煤气（含有CO、H2、CH4等）以及作为合成氨、合成甲醇和合成液体燃料的原料的合成气，是清洁利用煤炭资源的重要途径和手段。
煤气化技术因产生大量固体颗粒物，与其他能源化工技术相比有明显区别。无论固定床气化技术、流化床气化技术或气流床气化技术，都需要面对气化炉废渣、合成气飞灰等固体颗粒物的有效安全处理。水冷却及洗涤工艺是常用的净化除渣技术之一，但因此产生的大量黑水亦需要处理并循环利用。黑水处理系统的稳定安全运行是煤气化工艺实现长周期运行的重要制约之一。深入研究黑水系统的损伤与失效机理，加强黑水系统的抗磨蚀-腐蚀失效设计，并将失效预测模型、大数据与工艺原理结合，可以实现全系统的动态优化控制，从而大幅降低黑水系统故障率，提高装置运行率，创造良好的经济效益。
本书在编写过程中，收集了大量的资料，结合煤炭产业和煤气化工艺技术的发展现状，以及煤气化黑水系统的生产流程及其应用的基本知识，重点介绍了黑水系统的失效机理、失效预测模型、黑水阀内流场特性、闪蒸缓冲罐以及黑水管道的失效预测方法、黑水系统内关键设备的结构优化以及黑水系统智能监测系统等内容。本书对近年来有关煤化工行业以及煤气化技术的新发展做了简要的叙述，注意理论联系实践，特别强调在工程实践中的应用，重点说明了煤气化黑水系统的基本流程以及关键设备在结构设计中应注意的问题；同时介绍了煤气化黑水系统的智能监测系统，以了解大数据与工艺原理结合实现动态优化控制的信息化特点。
本书由金浩哲、偶国富和王超编著，全书由金浩哲统稿。由于编著者的水平有限，书中不足之处在所难免，欢迎读者批评指正。
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编著者

本书介绍了煤炭的产业现状与发展、煤气化技术的发展、煤气化工艺、煤气化黑水处理系统工艺流程、腐蚀失效机理、冲蚀磨损失效机理、失效预测方法、结构设计优化理念及智能监测等内容。本书对近年来有关煤气化黑水处理系统的发展做了简要的叙述，理论联系实践，重点突出工程实际应用，同时介绍了系统设计优化以及智能监测中应注意的问题，让读者能够了解煤气化黑水处理系统的工艺流程和相关设备的结构特点。
本书可供从事煤气化黑水处理系统设备设计、制造、操作、维护等相关技术人员阅读，也可作为高等院校能源动力工程、机械工程及过程装备等相关专业师生的参考书。

第1章　气化工艺及黑水处理系统  001
1.1　我国煤炭产业现状与发展  001
1.1.1　煤炭储量以及分布现状  001
1.1.2　我国煤炭的分类及其指标  004
1.1.3　我国煤炭产业的发展状况  008
1.1.4　我国煤炭能源发展问题与趋势  009
1.2　煤气化技术的发展  011
1.2.1　早期煤气化技术的发展  011
1.2.2　现代煤气化技术发展  013
1.3　煤气化工艺简介  016
1.3.1　煤气化工艺的分类  017
1.3.2　Shell煤气化技术  023
1.4　黑水处理系统  027
1.4.1　黑水工艺流程  027
1.4.2　黑水闪蒸系统的失效  030

第2章　黑水系统失效机理  035
2.1　黑水腐蚀介质分布与腐蚀机理  035
2.1.1　黑水腐蚀介质分布  035
2.1.2　黑水的腐蚀机理  037
2.2　黑水固体颗粒的冲蚀磨损机理  043
2.2.1　冲蚀磨损机理  043
2.2.2　冲蚀磨损特性实验装置  048
2.2.3　黑水系统常用耐磨材料的冲蚀磨损特性  055
2.3　腐蚀与冲蚀磨损的耦合作用  075 

第3章　水闪蒸阀门的失效预测与结构设计  080
3.1　黑水闪蒸阀门的模拟仿真模型  080
3.1.1　多相流计算的基本控制方程  082
3.1.2　多相流计算的相间作用模型  084
3.2　黑水调节阀内流动的闪蒸特性  091
3.3　黑水调节阀内元件的高温高速冲蚀磨损失效  095
3.3.1　阀芯及出口管道的冲蚀磨损预测  095
3.3.2　阀芯失效过程分析  100
3.4　腐蚀的影响因素  105
3.5　黑水调节阀门的结构优化设计准则  108

第4章　闪蒸阀缓冲罐的失效预测  114
4.1　缓冲罐内流动过程与冲蚀磨损  114
4.2　缓冲罐结构对流动和冲蚀磨损的影响  118
4.2.1　长径比为3∶1时缓冲罐内流动及磨损  119
4.2.2　长径比为4∶1时缓冲罐内流动及磨损  122
4.2.3　长径比为5∶1时缓冲罐内流动及磨损  124
4.2.4　突扩型缓冲罐的磨损分析  128
4.3　针对黑水缓冲罐振动导致损伤的优化方案  130

第5章　多相流管道的失效预测  133
5.1　含固介质的弯管流动与冲蚀磨损  133
5.1.1　概述  133
5.1.2　气固两相流动导致弯管冲蚀的研究  134
5.1.3　液固两相流动下弯管的冲蚀研究  142
5.1.4　气液固多相流动管道中冲蚀研究  148
5.2　含固介质的三通管流动与冲蚀磨损  159
5.2.1　T形三通内气固流动特性及冲蚀磨损分析  160 
5.2.2　异形三通内气固流动特性及冲蚀磨损分析  167

第6章　黑水系统在线监测专家系统简介  178
6.1　在线监测专家系统概述  178
6.1.1　专家系统设计思路  179
6.1.2　阀门状态监测指标和监管方案  180
6.2　专家系统结构设计  182
6.2.1　运行环境要求及核心功能模块  182
6.2.2　业务架构  183
6.2.3　技术架构  184
6.3　神经网络模型及其训练方法  186
6.3.1　前馈神经网络  186
6.3.2　皮尔逊相关系数和粒子群算法  188
6.4　黑水系统流动腐蚀监测系统展示  190
6.4.1　系统构架与运行环境  190
6.4.2　客户端及用户  190
6.4.3　工作台界面  190
6.4.4　黑水流动腐蚀监控主界面  192

参考文献  195