新型微流化床簇反应器研制及其CO2捕集性能研究

摘要

CO2是室内空气主要污染物之一，其浓度超过一定范围对人体具有毒害作用，去除CO2是室内空气净化的一个新兴的重要研究方向。现代大型建筑物普遍采用中央空调设施进行通风换气，因此研制基于中央空调系统的CO2捕集反应器，对于净化室内空气和推动中央空调系统发展具有重要意义。据此本文提出了微流化床簇反应器的概念，并搭建了微流化床簇反应器CO2捕集实验平台，通过数值模拟和实验分别研究了反应器内的气固流动特性和CO2捕集性能，为微流化床簇反应器的设计和应用于中央空调系统提供了实验基础和理论依据。主要研究工作如下:
　　采用计算颗粒流体力学(CPFD)数值模拟方法，分别研究了微流化床的床体形状、床体倾斜角度、进气口面积和静床高度四个主要参数对床层颗粒、气体和压力分布特性的影响。设计了适用于微流化床簇的特定形状、适当进气口面积和静床高度的微流化床，研究了床体倾角对微流化床簇横向和纵向延伸度的影响，为微流化床簇反应器的设计提供了基础数据。
　　设计了微流化床簇反应器，提出了反应器内微流化床的数量、微流化床的排列方式和挡板三个结构参数的优化方法。提出了气固流化特性优良的正六棱柱微流化床簇反应器和结构简单且独特的正四棱柱微流化床簇反应器。
　　研制了微流化床簇结构沿纵向单一方向延伸的斜六棱柱微流化床簇反应器，不仅解决了反应器结构受限的问题，而且与径向流固定床反应器、径向流吸附器和传统流化床反应器相比具有更低的压降、更高的CO2捕集性能和更低的吸附剂磨损率。
　　研制了正六棱柱微流化床簇反应器，数值模拟和实验结果均表明该反应器在无挡板的情况下形成倒置固定床，相比于斜六棱柱微流化床簇反应器具有更高的CO2捕集性能。
　　研制了结构简单且独特的正四棱柱微流化床簇反应器，扩大了微流化床簇反应器在空间上的应用范围。气固流动特性和CO2捕集性能的数值模拟和实验研究表明，与传统流化床反应器相比，该反应器内的颗粒流化效果更好，压降实验值降低85％，CO2穿透吸附时间增加35％，吸附剂磨损率降低80％，很好地解决了压降高、CO2捕集性能低和吸附剂磨损严重的问题。
　　本文研制的微流化床簇反应器具有压降低、CO2捕集性能高、吸附剂磨损率低的优点，满足中央空调体积结构合适、高效节能等要求，为集成于中央空调系统进行大规模的CO2捕集提供了实验与理论基础。

目录

声明

摘要

符号表

1．1 选题背景及研究意义

1．2 空气中CO2捕集研究现状

1．2．1 空气中CO2捕集方法研究现状

1．2．2 空气中CO2捕集吸附剂研究现状

1．2．3 空气中CO2捕集反应器研究现状

1．3 流化床反应器研究现状

1．3．1 传统流化床反应器研究现状

1．3．2 微流化床反应器研究现状

1．4 研究现状分析

1．5 主要研究内容及创新点

1．5．1 本文主要研究内容

1．5．2 技术路线

1．5．3 创新点

第二章 微流化床反应器内气固流动特性数值模拟研究

2．1 引言

2．2 CPFD数学模型

2．2．1 控制方程

2．2．2 曳力模型

2．2．3 固相应力模型

2．2．4 颗粒磨损模型

2．2．5 数值求解

2．3 计算模型和网格划分

2．4 边界条件和颗粒物性

2．5 微流化床反应器内气固流动特性研究

2．5．1 床体形状对微流化床内气固流动特性影响

2．5．2 床体倾斜角度对微流化床内气固流动特性影响

2．5．3 进气口面积对徽流化床内气固流动特性影响

2．5．4 静床高度对微流化床内气固流动特性影响

2．6 本章小结

第三章 微流化床簇反应器内气固流动特性研究及结构优化

3．1 引言

3．2 CPFD数学模型

3．2．1 HMFB反应器和SMFB反应器设计及几何模型

3．2．2 边界条件和颗粒物性

3．3 微流化床簇反应器内气固流动特性研究

3．3．1 微流化床数量对反应器内气固流动特性影响

3．3．2 微流化床排列方式对反应器内气固流动特性影响

3．3．3 挡板对反应器内气体分布影响

3．4 HMFB反应器和SMFB反应器内性能对比研究

3．4．1 气固流动特性对比研究

3．4．2 压降对比研究

3．4．3 颗粒磨损性能对比研究

3．5 本章小结

第四章 斜六棱柱微流化床簇反应器内CO2捕集性能实验研究

4．1 引言

4．2 实验系统

4．2．1 OHMFB反应器CO2捕集系统

4．2．2 对比反应器CO2捕集系统

4．2．3 气体和吸附剂

4．2．4 实验方法

4．3 OHMFB反应器、RFFB反应器、RA和FB反应器性能对比研究

4．3．1 压降对比研究

4．3．2 吸附剂CO2吸附性能对比研究

4．3．3 吸附剂再生性能对比研究

4．3．4 吸附剂磨损性能和循环吸附性能对比研究

4．4 本章小结

第五章 正六棱柱微流化床簇反应器内气固流动特性和CO2捕集性能研究

5．1 引言

5．2 实验系统

5．2．1 HMFB反应器和对比反应器CO2捕集系统

5．2．2 气体和吸附剂

5．2．3 实验方法

5．3 CPFD数学模型

5．3．1 HMFB反应器几何模型和网格划分

5．3．2 边界条件和颗粒物性

5．4 HMFB反应器、OHMFB反应器和RFFB反应器内性能对比研究

5．4．1 HMFB反应器内气固流动特性研究

5．4．2 压降对比研究

5．4．3 吸附剂CO2吸附性能对比研究

5．4．4 吸附剂再生性能对比研究

5．4．5 吸附剂磨损性能和循环吸附性能对比研究

5．5 本章小结

第六章 正四棱柱微流化床簇反应器内气固流动特性和CO2捕集性能研究

6．2．1 SMFB反应器和对比反应器CO2捕集系统

6．2．2 气体和吸附剂

6．2．3 实验方法

6．3 CPFD数学模型

6．3．1 SMFB反应器和FB反应器几何模型和网格划分

6．3．2 边界条件和颗粒物性

6．4 SMFB反应器和FB反应器内性能对比研究

6．4．1 气固流动特性对比研究

6．4．2 压降对比研究

6．4．3 吸附剂CO2吸附性能对比研究

6．4．4 吸附剂再生性能对比研究

6．4．5 吸附剂磨损性能和循环吸附性能对比研究

6．5 本章小结

7．1 工作总结

7．2 工作展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文

攻读博士学位期间主要参与科研项目