痕量元素在燃烧过程中的数值模拟及反应机理的研究

摘要

煤炭在今后的很长一段时间内都将是一种不可替代的能源,燃煤烟气中污染物的深入控制,开始受到全社会关注。除了硫化物和氮氧化物之外,汞等其他重金属元素的污染控制也逐渐开始受到重视。为了更好的控制烟气中重金属元素的排放,对重金属元素在燃烧中的转化机理的研究是必要的。但是如今在重金属元素机理的动力学数据等方面还没有准确的数据可供使用,实验中得到的动力学数据只是针对某些特定的工况,因此对机理动力学的研究以及达成一致意见是现在重金属污染控制要解决的问题。
　　基于以上研究背景,本文利用数值模拟,依托国家自然科学基金“燃烧火焰中初始成核颗粒耦合富集重金属元素的过程及机理研究”,通过化学反应动力学软件CHEMKIN和计算流体力学软件FLUENT,对汞在该温度场内的均相氧化过程进行数值模拟分析。
　　为了控制烟气中汞的排放,对汞的氧化反应,物理变化,析出释放规律进行深入的研究。在此基础上,搜集NIST数据库及国外相关文献,整合了汞氧化的32步反应机理,其中额外加入6步武汉徐明厚教授提出的氧化汞的反应机理,应用CHEMKIN对汞在实际烟气工况中进行数值模拟,对汞及其相关重要产物及中间产物的浓度曲线分析比较,对不同温度下反应速率和氧化产物结合比较。结果显示:在Hg的氧化反应中,Cl2对汞的形态变化起着主导作用,HCl其次,O元素只有在Cl元素很少的情况下才会对汞的氧化起到一定微量的影响。主要的最终的氧化产物以HgCl2为主。1200K-1300K是汞氧化反应最快的温度范围,汞的氧化率能到达90％以上,当温度低于1200K时,HgCl2的消耗反应速率开始加快,使汞的氧化开始有所缓冲,变化并不是很大,最终60%-90%的汞污染都会受到很好的控制。
　　对汞的氧化机理进行分析处理后,把32步机理导入FLUENT软件,以此为基础,从简单化学反应假设入手,建立反扩散火焰燃烧的数学模型,得出不同条件下火焰燃烧中的流场和浓度场,并将计算结果和前人实验数据对照,结果符合良好。

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第1章 绪 论

1.1 研究进展

1.2 燃烧过程中汞元素污染控制的进展

1.3 汞在烟道中的排放与控制技术

1.4 本文的研究方案

第2章 烟道中汞的物理和化学变化

2.1 烟道中汞的物理变化

2.2 汞在烟道中的主要化学反应及影响因素

2.3 本章小结

第3章 动力学模拟及其计算

3.1 CHEMKIN软件的简介及求解过程

3.2 CHEMKIN模型的建立

3.3 数值模拟结果及分析

3.4 CHEMKIN模拟结果分析总结

第4章 计算流体力学的数值模拟

4.1 计算流体力学的研究现状

4.2 CFD模拟计算过程

4.3 课题方案的提出

4.4 模型建立与网格划分

4.5 计算求解过程

4.6 显示计算结果及分析数据

4.7 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 不足与展望

参考文献

致谢