活性焦脱硫脱硝反应器中非球形颗粒流动特性的研究

摘要

二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NOx)是两种主要的大气污染物，严格控制其排放已成为我国面临的长期而艰巨的任务。活性焦移动床脱硫脱硝作为一种具有硫资源化功能的干法脱硫脱硝技术受到世界各国的高度重视。尽管国内外对移动床活性焦脱硫脱硝做了较多的研究，然而目前并未完全达到预期的效果，除活性焦制备和再生外，非球形颗粒移动床反应器的设计和优化是至今没有完全攻克的技术难点，迫切需要对其进行系统深入的研究。掌握移动床反应器中非球形颗粒的流动规律，对于移动床反应器的设计、优化和运行控制，都具有重要的学术意义和工程参考价值。本文采用实验和数值模拟相结合的方法，系统地研究了活性焦脱硫脱硝移动床反应器内非球形颗粒的流动特性。
　　 本文首先建立了一个可视化移动床试验装置，应用快速摄像/图像处理技术和示踪颗粒技术，对移动床中球形及非球形颗粒的流动特性进行了实验研究，获得了不同形状颗粒在同一移动床中以及同种颗粒在不同移动床中的流型、下料率、平均速度分布及示踪颗粒浓度分布等流动特性，并研究了加装内构件后床内颗粒流动特性的变化，掌握了移动床中非球形颗粒的流动规律。
　　 在实验研究的基础上，建立了三维均质及混合非球形颗粒的构建方法，包括玉米形颗粒、椭球形颗粒、圆柱形颗粒以及玉米形与椭球形混合颗粒、椭球形与圆柱形混合颗粒、玉米形与圆柱形混合颗粒等的构建方法。详细分析了均质及混合非球形颗粒的碰撞机理，通过分析得出了非球形颗粒之间的碰撞可以归结为球元-球元之间的碰撞和球元-颗粒之间的碰撞，建立了非球形颗粒的受力及运动通用性模型。通过与实验结果比较，验证了模型的可靠性。此外还研究了构成每种非球形颗粒的最佳球元数，在保证非球形颗粒模拟精度的前提下使计算时间最短。
　　 依据本文建立的三维均质及混合非球形颗粒的构建方法，进行非球形颗粒DEM直接数值模拟，研究了非球形颗粒（包括均质颗粒和异径/异形/异重混合颗粒）在移动床内卸料时的流动特性。获得了不同物性（如颗粒-颗粒滑动摩擦系数、颗粒-壁面滑动摩擦系数、滚动摩擦系数、弹性恢复系数、颗粒密度、颗粒直径、颗粒形状等）的均质非球形颗粒在移动床中卸料时的质量流率、流型、压力分布、速度分布、空隙率、概率密度分布、颗粒分离等宏观及颗粒尺度上的流动特性，以及同种颗粒在不同移动床内（如不同下料段倾角、不同出口尺寸等）卸料时的流动特性，并且研究了异径/异形/异重混合非球形颗粒在移动床内卸料时的宏观及颗粒尺度上的流动特性。
　　 通过本文建立的非球形颗粒DEM直接数值模拟，研究了非球形颗粒（包括均质颗粒及异径/异形/异重混合颗粒）在移动床中连续加料-卸料时的流动特性。获得了不同形状均质非球形颗粒和混合非球形颗粒在移动床中连续加料-卸料时的流型、质量流率等宏观流动特性，以及空隙率、概率密度分布等颗粒尺度上的流动特性，系统地揭示了非球形颗粒在移动床中连续加料-卸料时的流动特性。