氢气在线吸附净化过程传热传质的实验和模拟研究

摘要

氢气是性能优异的气体传热介质,在大型汽轮发电机组上多采用氢气作为散热介质。但在运行过程中,氢气容易受到水、油、氧等杂质的污染,危害机组运行的安全,降低发电机组的运行效率。因此,必须采取措施对氢气进行净化处理。氢气的湿度高,污染严重,一直是长期困扰大型汽轮发电机组的安全、高效率运行的关键问题,主要原因在于氢气带油,带水严重,水分离困难,吸附剂易受污染,更换频繁,净化装置在线运行稳定性差。如何在高度污染的条件下进行气体的吸附净化一直是众多学者关注的问题。 针对氢气在线吸附净化工艺的特点,提出了吸附床层直接加热,采用微量再生气强化传质的新工艺。对新工艺进行了模拟和实验研究,并进行了在线试运行,获得了很好的净化效果。总体研究思路为：实验-拟合-建立模型-数值模拟-对比分析。主要进行了以下研究工作： 1.吸附过程是一个传热传质的耦合过程,通过采用红外热成像技术分析吸附床层温度场对解吸行为的影响,对解吸效果、解吸温度、解吸能耗、水分离效率等问题进行了模拟和实验研究,并将数值模拟与实验结果进行对比分析,发现再生气加热再生过程中由于轴向温度和水分分压的不同,存在产生二次冷凝损害吸附剂,水分离效率不高,解吸能耗高等问题。 2.针对氢气在线净化中存在的问题,提出采用吸附床层直接加热。由于吸附剂导热性能差,因而存在径向温度分布不均,必须采用吸附床层强化传热措施。在再生加热过程中,通过微量再生气强化传质。新工艺的再生气用量仅为原有工艺的10％。对新工艺进行了模拟和实验研究,表明能够获得很好的再生效果,提高了吸附床层的有效吸附容量,且解吸能耗大为降低。 3.在Langmuir吸附模型的基础上,根据实验结果,对Langmuir模型进行了修正,建立了吸附速率、吸附量、温度、水蒸气分压、时间的函数关系。将此修正模型用于吸附和解吸过程的模拟计算,计算结果与实验结论基本吻合,对实验现象具有较好的预测性。 4.提出在吸附床层内加入钯催化剂,使氢气中夹带的微量氧气在常温下与氢气反应而除去,防止氧气积累,保证系统的安全,对钯催化剂的用量、除氧效果、操作条件进行了实验研究。 根据上述研究结果,提出了氢气吸附净化装置的优化设计方案。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：物理量及符号说明

声明

第一章绪论

1.1研究背景

1.1.1发电机组冷却方法的发展

1.1.2氢气污染物的形成

1.2氢气净化技术研究进展

1.2.1氢气湿度标准

1.2.2国内外氢气干燥技术现状

1.3吸附过程传质的研究现状

1.3.1吸附理论模型

1.3.2多孔介质吸附扩散过程研究进展

1.4吸附强化传热的研究现状

1.4.1吸附剂导热改性

1.4.2泡沫金属强化传热

1.4.3结构化强化传热

1.5课题来源及主要研究内容

第二章吸附模型及参数测定

2.1常用吸附干燥剂的及吸附剂选型

2.1.1吸附发展简介

2.1.2常用吸附剂

2.2吸附理论模型

2.2.1吸附等温线

2.2.2 Langmuir吸附理论

2.3.吸附速率

2.3.1吸附质分子在吸附剂颗粒表面滞流层中的移动

2.3.2吸附质分子在微孔内的扩散

2.3.3吸附质分子吸附在吸附剂微孔内的吸附位上

2.4吸附速率模型参数的实验测定

2.4.1吸附速率模型

2.4.2吸附速率参数的实验测定

2.4.3模型参数拟合

2.5本章小结

第三章氢气吸附干燥过程传热传质的实验研究

3.1再生气加热再生工艺的实验研究

3.1.1实验流程

3.1.2实验仪器设备

3.1.3实验操作

3.1.4吸附床层温度分布拍摄

3.1.5实验结果分析

3.1.6分子筛耐水滴性能的实验测试

3.2吸附床层直接加热工艺的实验研究

3.2.1实验流程

3.2.2实验结果分析

3.3本章小结

第四章氢气吸附干燥过程传热传质的模拟研究

4.1相关计算数据

4.1.1吸附热的拟合

4.1.2露点一含水量的拟合

4.1.3相关材料的物性参数

4.2模拟计算的假设条件：

4.3再生气加热再生工艺的模拟计算

4.3.1模拟计算方法

4.3.2吸附过程模拟计算结果及分析

4.3.3解吸过程模拟计算结果及分析

4.3.4模拟与实验结果的对比分析

4.4吸附床层直接加热的模拟计算

4.4.1吸附床层温度分布的数值模拟方法

4.4.2吸附床层强化传热模型

4.4.3模拟计算及结果分析

4.5本章小结

4.5.1再生气加热再生方式存在的问题

4.5.2加热方式的改进及获得的效果

第五章氢气中钯催化除氧的实验研究

5.1钯催化剂简介

5.2钯催化除氧反应机理

5.3钯催化除氧实验

5.3.1钯催化剂的制备

5.3.2钯催化除氧实验

5.4实验数据分析及讨论

5.5本章小结

第六章吸附式氢气净化装置的优化设计

6.1优化设计的目标

6.2再生气加热工艺的缺点

6.2.1再生过程产生二次冷凝现象

6.2.2水分离效率低

6.3优化的氢气干燥器设计

6.3.1加热方式的改进

6.3.2强化传热措施

6.3.3操作条件

6.3.4除氧催化剂的组合装填

6.4结论

结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢