基于数值模拟的NO臭氧氧化反应、双旋流气气混合器和湿法脱硝模型研究

摘要

在大范围雾霾和城市群大气复合污染日趋严重的当下，烟气多种污染物同时脱除技术受到了研究者们广泛的关注。本文围绕O3氧化结合湿法联合脱除技术的关键问题展开了系统研究;基于CHEMKIN研究了NO2和N2O5生成的工艺条件;采用E-L两相流模型优化了35t/h燃煤工业锅炉烟气喷淋控温系统的设计，并开发了一种适合O3氧化NO的新型双旋流气气混合器;最后，建立喷淋吸收塔脱硝模型，考察了不同运行参数对喷淋吸收效果的影响。
　　首先，提出包含20种物质、76步的O3和NOx反应机理模型，通过文献数据和红外光谱仪测定的NOx浓度验证了基于此反应机理模型获得的数值模拟结果可信。对工艺参数的数值模拟研究表明，停留时间的增加均有利于NO2和N2O5的生成;烟气温度对NO2生成率的影响非常小，但对于N2O5的生成，存在着最佳烟气温度(373K);适宜NO2和N2O5生成的O3/NO摩尔比分别为1和1.75。模拟研究获得了NO2和N2O5生成的各自适宜工艺条件。
　　其次，采用E-L两相流模型开展了针对35t/h燃煤工业锅炉烟气喷淋控温系统的数值模拟优化设计。研究发现，自主开发的单孔喷枪在Z=3m处的分散式分布是最合理的布置方式。模拟结果表明，液滴直径、喷枪水流量、烟气温度和烟气流量对喷淋降温影响较大，而喷枪用水温度对喷淋降温的影响可忽略。本喷淋降温装置在不同的烟气状况下均可以满足工艺对烟温的控制要求。
　　此外，基于旋流混合原理，开发了新颖的双旋流气气混合器;采用Fluent软件对新型静态混合器的中心连接件、长/径比(L/D)、喷管长度、叶片倾斜角等结构参数对流场和压降的影响进行了数值模拟。通过粒子成像测速(PIV)系统实测的流场分布情况和压降数据均与CFD模拟结果有较高的吻合度。结构参数的数值模拟研究发现，当L/D为4时，变异系数(COV)小于5％;中心连接件有利于COV的减少，但会增加静态混合器的压降;喷嘴的适宜长度为4cm，而叶片倾斜角的优选值为45°。双旋流气气混合器能在短时间内达到良好的气气混合效果，且压降低于现有商用产品。
　　最后，建立了喷淋塔液相脱硝的传质模型，并利用搭建的喷淋塔验证了提出的喷淋吸收塔脱硝模型的可靠性。运行参数的数值模拟结果表明，进气速度对吸收效率(η)影响甚小，液气比(L/G)、NO2浓度、吸收液浓度对η均有较大影响。模拟结果较好的描绘了运行参数对NO2吸收效率的影响，本模型可成为评估NO2吸收效率影响参数的有力工具。

目录

声明

致谢

摘要

图表清单

主要符号说明

1 绪论

1．1 前言

1．1 课题来源

1．2 立题依据

1．3 研究目标

1．4 主要研究内容

2 文献综述

2．1 烟气多种污染物联合控制技术的研究现状

2．1．1 SCR+WFGD组合技术

2．1．2 O3氧化结合湿法联合脱除技术

2．1．3 活性炭加氨工艺

2．1．4 电子束照射法

2．2 CFD的应用现状

2．3 O3氧化NO的研究现状

2．4 喷淋降温的研究现状

2．5 气气混合器的研究现状

2．6 喷淋吸收塔模拟的研究现状

2．7 本章小结

3 实验装置、材料及实验方法

3．1 实验气体和试剂

3．2 主要设备与实验仪器

3．2．1 高性能计算工作站

3．2．2 布鲁克红外测试仪器

3．2．3 Madur便携式红外分析仪

3．2．4 臭氧分析仪

3．2．5 液滴直径分析仪

3．2．6 PIV流场测试仪

3．3 实验装置与实验方法

3．3．1 氧化装置

3．3．2 双旋流气气混合器实验装置

3．3．3 喷淋吸收装置

4 O3氧化NO的数值模拟研究

4．1 O3氧化NO所涉及的反应

4．2 模型描述

4．3 O3氧化NO模拟的实验验证

4．4 NO2生成的反应参数研究

4．4．1 烟气温度对NO2生成的影响

4．4．2 停留时间对NO2生成的影响

4．4．3 O3／NO摩尔比对NO2生成的影响

4．5 N2O5生成的反应参数研究

4．5．1 烟气温度对N2O5生成的影响

4．5．2 停留时间对N2O5生成的影响

4．5．3 O3／NO摩尔比对N2O5生成的影响

4．6 本章小结

5 湿法协同控制技术中喷淋降温的数值模拟

5．1 喷淋降温的模型建立

5．1．1 模型简化假设

5．1．2 物理模型

5．1．3 连续相建模

5．1．4 离散相建模

5．1．5 源项

5．1．6 计算方法

5．2 喷枪的选择与分布

5．2．1 喷枪类型对喷淋降温的影响

5．2．2 分布方式对喷淋降温的影响

5．2．3 分布位置对喷淋降温的影响

5．2．4 喷淋液滴直径对喷淋降温的影响

5．3 运行参数及烟气状况对喷淋降温的影响

5．3．1 水温对喷淋降温的影响

5．3．2 喷枪流量对喷淋降温的影响

5．3．3 烟温对喷淋降温的影响

5．3．4 烟气流量对喷淋降温的影响

5．4 本章小结

6 双旋流式反应器的数值模拟研究

6．1 双旋流式反应器的模型描述

6．1．1 物理模型描述

6．1．2 控制方程

6．1．3 计算方法

6．2 双旋流式反应器模拟的验证

6．3 不同L／D对混合的影响

6．4 不同进气速度对混合的影响

6．5 内连接件对混合的影响

6．6 喷嘴长度对混合的影响

6．7 叶片倾斜角度对混合的影响

6．8 与其它静态混合器的压降比较

6．9 本章小结

7 喷淋吸收塔脱硝的数值模拟研究

7．1 喷淋吸收塔的模型描述

7．1．1 模型假设

7．1．2 模型的控制方程

7．1．3 液相中的反应

7．1．4 数值计算

7．2 喷淋吸收塔模拟的验证

7．2．1 验证实验装置与实验条件描述

7．2．2 模型网格独立性研究

7．2．3 喷淋吸收塔模拟相关案例的验证

7．3 喷淋吸收塔的浓度场

7．4 L／G对喷淋吸收的影响

7．5 进气浓度对喷淋吸收的影响

7．6 进气速度对喷淋吸收的影响

7．7 吸收溶液浓度对喷淋吸收的影响

7．8 本章小结

8 结论与展望

8．1 主要结论

8．2 对未来工作的建议

参考文献

论文的创新点

作者简历