粉粒喷动床半干法烟气脱硫反应的数值模拟及气固两相流动PIV实验

摘要

二氧化硫排放量的90％来自于燃煤，排入空气中，在适当气象条件下氧化成硫酸和硫酸盐，形成了雾霾天气，还会造成严重的酸雨问题。目前，各国学者先后研究出了各种脱硫技术。粉-粒喷动床半干法烟气脱硫技术具有脱硫率高，吸收剂利用率高，对环境污染小等优点，成为一种极具有前景的脱硫技术。
　　本文根据实验过程中喷动床进行数值模拟分析。在喷动床内半干法烟气脱硫过程中建立水发生汽化的数学模型来研究该过程中的传质传热，采用双流体模型最终获得粉-粒喷动床内水汽化结果。表明，喷射区和环隙区外侧是发生水汽化最主要的两个区域，在喷射区和环隙区外侧产生的气相水随着气流进入床周围区域，在料浆入口处和喷泉区顶部水相体积分数较大。气体温度在入口处最高，其次是喷射区、喷泉区外侧和环隙区外侧。
　　分析了脱硫反应过程中各个步骤，通过简化假设脱硫反应过程将整个过程转化为两个相之间的传质控制过程，并建立反应模型来研究半干法烟气脱硫过程中的脱硫反应特性，采用双流体模型模拟粉-粒喷动床内脱硫反应过程，模拟结果与实验结果进行对比。结果表明，液相水分布最多的区域在环隙区，脱硫反应发生的最主要的区域也在环隙区。反应产物在环隙区和喷动床出口处有所堆积。反应达到稳定时，反应脱硫效率比文献模拟值稍微有所增加，但是仍略低于实验值，仍需进一步改进优化模型来提高计算的准确性。
　　将纵向涡流发生器引入喷动床内的气固两相流动体系，期望气相经过纵向涡流发生器产生纵向涡，从而带动颗粒相实现涡流运动，以期达到强化喷动床内喷射区及环隙区内气体、颗粒的横向混合。并利用PIV技术对加有纵向涡发生器的喷动床进行实验研究。结果表明，纵向涡发生器强化了喷射区及环隙区内气体、颗粒的横向混合。在相同扰流元件直径条件下，球体扰流元件对颗粒径向运动的强化效应好于圆柱体扰流元件。在喷动床有限的结构空间内存在着最佳的扰流元件设计尺寸（直径、安装间距），使得纵向涡流对喷动床内颗粒径向运动的强化效果达到最佳。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 脱硫技术概述

1．2 喷动床概述

1．2．1 喷动床结构及分类

1．2．2 喷动床的流体力学特性

1．2．3 喷动床的主要应用领域

1．2．4 粉粒喷动床半干法烟气脱硫技术

1．3 数值模拟在喷动床中的应用

1．3．2 数值模拟在喷动床中的应用

1．3．3 拟流体模型的控制方程

1．4 粒子图像测速技术概述及应用

1．4．1 粒子图像测速仪(PIV)概述

1．4．2 粒子图像测速仪(PIV)的原理

1．4．3 粒子图像测速仪(PIV)的应用

1．5 研究目的与内容

第二章 粉粒喷动床内水汽化过程的传质传热研究

2．1 粉粒喷动床内水汽化过程

2．2 水分汽化过程中的传质传热数学模型

2．2．1 水汽化过程的传质模型

2．2．2 水汽化过程的传热模型

2．3 结果与讨论

2．3．1 模型网格以及边界条件设置

2．3．2 气固两相流模拟结果

2．3．3 模拟结果与讨论

2．4 本章小结

第三章 粉粒喷动床脱硫反应过程的数值模拟研究

3．1 粉粒喷动床半干法烟气脱硫反应过程分析

3．2 脱硫反应过程的数学模型

3．2．1 模型假设

3．2．2 气膜传质模型

3．2．3 液膜传质模型

3．2．4 脱硫反应数学模型方程的封闭

3．3 结果与讨论

3．3．1 边界条件设置

3．3．2 模拟结果

3．3．3 模拟结果与实验结果对比

3．4 本章小结

第四章 纵向涡发生器喷动床内颗粒流动研究

4．1 实验设备

4．1．1 实验装置

4．1．2 PIV系统

4．1．3 实验物料

4．2 实验过程

4．3 实验结果分析与讨论

4．3．1 纵向涡发生器对喷动床内稳定喷动影响

4．3．2 扰流元件形状对喷动床内稳定喷动影响

4．3．3 球体对喷动床内稳定喷动影响

4．3．4 球体扰流元件安装间距对喷动床内稳定喷动影响

4．4 本章小结

结论与展望

参考文献

符号表

攻读硕士学位期间取得的科研成果

致谢