浓相气力输送脱硫石膏复杂管段流动特性的研究

摘要

我国火力发电厂以煤炭为主要原料,加上我国煤的含硫量普遍较高,SO2就成为大气污染的主要污染物之一,在环境压力日益增大的今天,这已经成为备受重视与亟待解决的问题。因此火力发电厂的烟气脱硫显得尤为重要。烟气脱硫,80-90％都采用石灰石(石灰)-石膏法脱硫技术,其副产物就是脱硫石膏。从质量上看,脱硫石膏纯度较高、成分稳定,与天然石膏相比,其含水率较高、粒度较小、成粉状、含水溶性盐类较少,脱硫石膏的品位已经超过了天然石膏,有相当大的利用价值。但是脱硫石膏的输送是个难题,一方面由于脱硫石膏过细(直径普遍小于60μm),带来流动性和触变性问题;另一方面,由于从脱硫塔下到脱硫石膏的利用地,如石膏板厂、水泥厂等通常地形都比较复杂,车辆运输等造价太高,这就造成了脱硫石膏的干燥状态下的输运问题成为其应用的瓶颈。
　　 浓相气力输送技术由于其能耗低、装置安全、费用低、易于自动化、环保并且结构简单、操作方便、布置灵活等优势,在工农业生产中得到了广泛应用。而将其作为脱硫石膏粉体输运的方式不仅可以保持粉体活性而且容易实现输送的连续性,这不但有重要的理论意义还有重要的应用价值和前景。
　　 鉴于此,本文选用工程中较为常用而研究较少的水平弯管、变管径(含渐缩管、渐扩管)等复杂管段作为研究对象,在高浓度流态化气力输送台上以压缩空气作为输送动力,火电厂脱硫石膏粉体作为输送介质进行两相流实验,通过改变输送管道的几何形状、系统的操作参数等因素找到不同复杂管道处的流动参数的实验变化规律。通过实验研究发现,管道的几何结构对输送过程的流动参数具有较大影响。
　　 在实验的基础上,本文建立了适合不同复杂管道包含管道几何结构、流动参数等因素在内的普适性较好的压力降物理数学计算模型。误差分析表明,该模型具有较好的准确性,能够用来系统的设计计算与管道布置形式的优化。
　　 数值模拟作为浓相气力输送新的研究方法,近十几年来得到了充分的发展。本文根据输送实验管道的实际尺寸,在前处理过程中采用GAMBIT软件建立了复杂管道的几何模型,并进行了网格划分,考虑在管壁及变径处流动的复杂性,特通过划分边界层的方式对网格进行加密,以便提高模拟的准确性。在实验的基础上,选用气固两相湍动的双流体模型,该模型全面地考虑了两相间、颗粒之间以及颗粒与管壁之间的相互作用,在ANSYS计算平台上对实验工况的气力输送过程进行了模拟,得到了输送过程的压力分布图、浓度分布图和速度矢量图等流场信息,直观地显示了浓相气力输送过程中的流场变化情况,并分析了产生图示流场的原因。将模拟结果和实验结果作了对比,发现两者吻合较好,说明本文建立的数学模型具有较高的准确性,能够预测浓相气力输送过程中的各种参数的变化。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景、目的与意义

1.2 浓相气力输送在复杂管段的研究进展

1.2.1 浓相气力输送在复杂管段中的实验及理论研究

1.2.2 浓相气力输送在复杂管段的数值模拟研究进展

1.2.3 浓相气力输送在复杂管段的应用研究

1.2.4 压力降的研究

1.3 本文主要研究内容

第二章 复杂管段气力输送实验系统设计

2.1 复杂管段实验系统的设计

2.2 发送装置及收料装置

2.2.1 输送方式的选择

2.2.2 气体动力部分

2.2.3 发送装置

2.2.4 收料装置

2.3 复杂管段的设计与塑制

2.4 主要的测量设备

2.5 实验流程

2.6 本章小结

第三章 浓相气力输送脱硫石膏复杂管段实验研究与分析

3.1 脱硫石膏的表征

3.2 实验装置布置与输送参数的确定

3.3 浓相气力输送脱硫石膏复杂管段的流动参数变化规律

3.3.1 输送能力

3.3.2 固体速度

3.3.3 水平弯管内的压力降变化

3.3.4 水平渐缩管内的压力降变化

3.3.5 水平渐扩管内的压力降变化

3.4 本章小结

第四章 浓相气力输送脱硫石膏复杂管段的理论分析

4.1 水平弯管阻力特性关联式的建立

4.2 渐变管阻力特性的建立

4.3 本章小结

第五章 浓相气力输送脱硫石膏复杂管段的数值模拟

5.1 控制方程

5.2 模型简化与边界条件的确定

5.3 管道几何模型的建立

5.4 模拟结果分析

5.4.1 静压和动压

5.4.2 固相速度和气相速度

5.4.3 两相体积分布

5.5 本章小结

第六章 实验结果与模拟结果对比

6.1 气体速度对比

6.2 固体颗粒速度对比

6.3 压力降对比

第七章 结论与创新点

7.1 结论

7.2 本文的主要创新点

参考文献

致谢

附录

一、在校期间发表的学术论文

二、在校期间参加的项目

三、在校期间获奖情况