湿法烟气脱硫塔雾化特性研究及数值模拟

摘要

湿法烟气脱硫工艺中，石灰石/石灰-石膏湿法烟气脱硫工艺是我国和世界各国当今烟气脱硫的首选工艺，工艺核心装置为脱硫吸收塔。由于喷淋塔具有防堵塞性能优越、阻力较小、脱硫效率高、脱硫剂利用率高、运行稳定等优点，为目前的主流塔型。雾化系统是喷淋塔的关键技术，影响到引进技术的转化，制约着自主知识产权技术的研发。 本文以湿法烟气脱硫工艺中应用最广的喷淋塔为研究对象，从喷淋塔雾化单元——喷嘴入手，研究整塔雾化特性，进而提出并揭示喷淋塔雾化机理，较全面地研究了喷淋塔的雾化系统，为喷淋塔优化设计提供理论指导。 对于雾化单元——喷嘴，主要以应用广泛的空心锥旋流喷嘴和有一定应用的螺旋喷嘴为对象，通过大量试验，系统研究了体积流量、雾化粒径、雾化角、雾化粒径分布等常规雾化特性，探讨了大孔径脱硫喷嘴的空间雾化特性，定义了体积通量、雾炬厚度、平均索太尔粒径、粒径相对离差等参数，得到了喷嘴常规雾化性能与空间雾化性能的相关规律，将空心锥旋流喷嘴与螺旋喷嘴雾化特性进行对比分析，认为旋流喷嘴是最适用于湿法烟气脱硫的首选喷嘴，为湿法脱硫工艺中喷嘴选型提供了依据。 喷淋塔雾化性能的研究，主要从无喷淋空塔性能、单层喷淋性能、双层喷淋性能等方面进行，试验研究了雾化系统对塔内气流分布的影响，对旋流喷嘴单层/双层布置、螺旋喷嘴单层，双层布置、旋流．螺旋喷嘴组合布置等塔内雾化系统的断面压力分布进行了系统分析。试验表明，循环液流量、气体流量、液气比是影响喷淋塔雾化特性的主要因素，其中循环液流量是影响断面雾化粒径的主导因素，并认为仅由喷淋层布置方式解决气流分布问题较为困难，相比之下，上层旋流喷嘴下层螺旋喷嘴的组合布置形式可满足工艺液气比的要求，且断面上雾化粒径分布及雾滴在喷淋段的分散都较为均匀，可作为喷淋塔雾化系统优化方案。 提出了喷淋塔雾化机理和侧向撞击流原理，认为喷淋塔的雾化过程是由喷嘴雾化、液雾撞击雾化和液雾碰壁雾化3个基本过程组成，其中，液雾撞击雾化是由侧向撞击流形成的;通过试验初步研究了塔内喷嘴雾化机理、侧向撞击流雾化机理、多喷嘴重叠流雾化机理和液雾撞击塔壁雾化机理，初步揭示了喷淋塔雾化过程机理，形成较为完整的喷淋塔雾化理论，指出喷淋塔的传质理论用薄膜理论描述更为恰当。 为从微观上揭示喷嘴和喷淋塔的内部流场和雾化特性，建立了内部流场数学模型，利用FLUENT流体力学仿真软件，对旋流喷嘴和试验喷淋塔内的流动进行了数值模拟，模拟结果与试验较为吻合，证明了数学模型的可靠性与合理性，为喷嘴和喷淋塔的优化设计提供了经济便捷的研究手段。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.1.1我国二氧化硫污染现状

1.1.2我国烟气脱硫产业的发展现状

1.2石灰石/石灰—石膏湿法工艺常用塔型及研究现状

1 2.1喷淋塔

1.2.2填料塔

1.2.3鼓泡塔

1.2.4液柱塔

1.3喷淋塔内雾化单元—喷嘴及性能参数

1.3.1雾化喷嘴的结构形式

1.3.2性能参数

1.3.3雾化喷嘴的研究现状

1.4喷淋塔传质理论

1.4.1薄膜理论

1.4.2渗透理论

1.4.3表面更新理论

1.5雾化机理及研究现状

1.5.1液体雾化机理

1.5.2喷嘴雾化机理

1.5.3撞击流雾化机理

1.5.4液滴碰壁雾化机理

1.6本文研究的意义及主要工作

1.6.1研究意义及课题来源

1.6.2主要工作

1.7本文主要创新之处

第二章试验装置、方法与原理

2.1引言

2.2喷嘴及喷淋塔雾化机理试验装置

2.2.1试验系统组成

2.2.2测试方法

2.2.3试验系统的工作原理

2.3喷淋塔整塔雾化特性试验装置

2.3.1试验系统组成

2.3.2测试方法

2.3.3试验系统的工作原理

第三章喷淋塔内雾化单元—喷嘴雾化性能研究

3.1引言

3.2试验喷嘴

3.3旋流喷嘴雾化性能

3.3.1体积流量的变化规律

3.3.2雾化粒径的变化规律

3.3.3喷雾角的变化规律

3.3.4雾滴粒径分布规律

3.4螺旋喷嘴雾化性能

3.4.1体积流量的变化规律

3.4.2雾化粒径的变化规律

3.4.3喷雾角的变化规律

3.4.4雾滴粒径分布规律

3.5喷嘴雾化性能空间分布规律

3.5.1雾化性能空间分布参数的定义

3.5.2体积流量空间分布试验装置

3.5.3旋流喷嘴雾化性能空间分布规律

3.5.4螺旋喷嘴雾化性能空间分布规律

3.6旋流喷嘴与螺旋喷嘴雾化特性比较

3.6.1常规雾化特性比较

3.6.2空间分布特性比较

第四章湿法烟气脱硫塔雾化特性研究

4.1引言

4.2试验测量断面设置及测点布置

4.3参数定义

4.4无喷淋空塔特性研究

4.5喷嘴单层布置时的雾化特性

4.5.1旋流喷嘴单层布置

4.5.2螺旋喷嘴单层布置

4.6喷嘴双层布置时的雾化特性

4.6.1旋流喷嘴双层布置

4.6.2螺旋喷嘴双层布置

4.6.3多种喷嘴双层组合布置

4.7不同布置形式雾化特性的比较

第五章喷淋塔雾化机理研究

5.1引言

5.2喷淋塔雾化机理的提出

5.3雾化单元—喷嘴雾化机理

5.3.1旋流喷嘴雾化机理

5.3.2螺旋喷嘴雾化机理

5.4液雾撞击雾化机理

5.4.1侧向撞击流概念的提出及原理

5.4.2侧向撞击流雾化机理

5.5多喷嘴重叠流雾化机理

5.6液雾撞击塔壁雾化机理

第六章喷嘴及喷淋塔内部流场数值模拟

6.1引言

6.2计算流体力学数值方法

6.3旋流喷嘴内部流场数值模拟

6.3.1数学模型的建立

6.3.2数值求解

6.3.3数值求解结果与分析

6.4喷淋塔内部流场数值模拟

6.4.1数学模型的建立

6.4.2数值求解

6.4.3数值求解结果与分析

第七章结论和建议

参考文献

作者攻读博士论文期间发表的论文

致谢