喷淋塔氨法脱碳的实验研究和数值模拟

发布时间：2017-04-13 02:20

  本文关键词：喷淋塔氨法脱碳的实验研究和数值模拟，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：碳捕集和封存技术(CCS)是减少电厂烟气CO_2排放的重要手段。氨法脱碳技术具有脱除效率高、担载量大、不易被烟气中的氧气降级、腐蚀性小、再生能耗低以及副产品可资源化利用等特点,成为一种有发展前景的脱碳技术,但也存在着氨挥发造成二次污染等问题。本文自行设计并建造了氨水脱除烟气中CO_2的喷淋塔实验台,进行了对模拟烟气中CO_2连续脱除的实验,研究了氨水浓度、氨水流率、烟气流率、CO_2浓度、温度以及喷嘴流率及其组合方式等参数对CO_2脱除效率、出口氨浓度以及脱除单位摩尔CO_2的氨挥发量的影响规律。实验结果表明：采用喷淋塔,CO_2脱除效率可以高达93%；提高氨水浓度和增大氨水流率均可以显著提高CO_2脱除效率,但出口氨浓度均显著增加,对脱除单位摩尔CO_2的氨挥发量的影响规律均不是单调的；当氨水浓度从6%增加到8%,脱除单位摩尔CO_2的氨挥发量减小,当氨水浓度从8%增加到12%时,脱除单位摩尔CO_2的氨挥发量明显增加；而当氨水流率从1L/min增大到2L/min时,脱除单位摩尔CO_2的氨挥发量减小,当氨水流率从2L/min增大到3L/min时,脱除单位摩尔CO_2的氨挥发量略有增加；增加入口烟气流率和CO_2浓度会使出口氨浓度和脱除单位摩尔CO_2的氨挥发量均降低,但CO_2脱除效率也降低；氨水温度小于35℃时,氨水温度和烟气温度对CO_2脱除效率和出口氨浓度的影响很小。根据实验结果,分析了上述参数对体积总传质数的影响规律,拟合得到体积总传质数与氨水摩尔浓度、氨水通量和烟气通量的关联式。此外,本文基于双膜理论建立了气液两相流动、传热、传质相耦合的喷淋塔内氨水吸收CO_2的模型,在FLUENT软件平台上进行数值计算,预测了喷淋塔内气液两相的流场、温度场、压力场和CO_2浓度场,并将数值模拟结果和上述实验数据进行对比,从而验证模型。研究发现：CO_2浓度在塔内的径向分布不均匀,这是气相速度在径向的偏差引起的局部湍流和局部液气比变化共同作用的结果；在本文建立的模型上,喷嘴雾化角度选择40°较宜；随着液滴粒径的增大,CO_2脱除效率和体积总传质数逐渐降低；随着液滴的喷射速度增大,CO_2脱除效率和喷淋塔的体积总传质数也逐渐降低,主要是由于液滴的停留时间降低引起塔内气液传质面积减少的缘故；塔高越高,烟气在塔内停留时间越长,CO_2脱除效率和体积总传质数也越大。最后,采用正交试验设计方法研究表明,各因素影响CO_2脱除效率的主次顺序为：氨水浓度氨水流率空气流率CO_2浓度氨水温度烟气温度。
【关键词】：氨法脱碳 喷淋塔 CO_2脱除效率 氨逃逸 数值模拟
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X773
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-8
• 主要符号表8-13
• 第一章 绪论13-28
• 1.1 课题背景13-16
• 1.1.1 温室效应与二氧化碳排放13-14
• 1.1.2 我国二氧化碳排放特点14-15
• 1.1.3 二氧化碳捕集技术15-16
• 1.2 氨法捕集二氧化碳技术16-18
• 1.2.1 氨法捕集二氧化碳的优缺点16-17
• 1.2.2 氨法脱碳的反应机理17-18
• 1.3 气液传质原理18-24
• 1.3.1 气液传质过程18-20
• 1.3.2 化学吸收过程20-22
• 1.3.3 气液传质设备22-24
• 1.4 氨法脱碳的研究现状24-26
• 1.4.1 氨法脱碳的实验研究现状24-25
• 1.4.2. 氨法脱碳的数值模拟研究现状25-26
• 1.5 本文研究内容及技术路线26-28
• 1.5.1 研究目的26-27
• 1.5.2 研究内容27
• 1.5.3 研究路线27-28
• 第二章 氨法喷淋脱碳实验平台28-39
• 2.1 实验系统和设备28-33
• 2.1.1 实验系统组成28-31
• 2.1.2 实验主要设备和材料31-33
• 2.2 参数测量仪器和方法33-36
• 2.2.1 流量测量33-34
• 2.2.2 初始CO_2浓度测量34
• 2.2.3 新鲜氨水的浓度测量34-35
• 2.2.4 样气中CO_2和NH_3浓度测量35-36
• 2.3 实验步骤36
• 2.4 实验重复性验证36-38
• 2.5 本章小结38-39
• 第三章 喷淋塔氨法脱碳的实验研究39-56
• 3.1 氨法脱碳过程中参数定义和计算39-41
• 3.1.1 气相体积总传质数39-40
• 3.1.2 CO_2脱除效率40
• 3.1.3 脱除单位摩尔CO_2的氨挥发量40-41
• 3.2 主要运行参数对氨法脱碳的影响41-50
• 3.2.1 氨水浓度的影响41-42
• 3.2.2 氨水流率的影响42-44
• 3.2.3 入口CO_2浓度的影响44-46
• 3.2.4 烟气流率的影响46-47
• 3.2.5 氨水温度的影响47-49
• 3.2.6 烟气温度的影响49-50
• 3.3 重要参量的关联50-53
• 3.4 其它因素的影响53-55
• 3.4.1 O_2的影响53
• 3.4.2 喷嘴流率组合方式的影响53-55
• 3.5 本章小结55-56
• 第四章 喷淋塔氨法脱碳的数值模拟56-80
• 4.1 物理模型和网格划分56-57
• 4.2 数学模型57-62
• 4.2.1 连续相控制方程57-58
• 4.2.2 离散相控制方程58-59
• 4.2.3 液滴粒径分布59
• 4.2.4 多孔介质模型59-60
• 4.2.5 CO_2吸收模型60-62
• 4.3 研究工况及边界条件62-63
• 4.4 典型工况的模拟结果和讨论63-71
• 4.4.1 塔内参数分布及验证63-69
• 4.4.2 吸收模型的对比验证69-71
• 4.5 部分操作参数的影响71-78
• 4.5.1 液滴粒径对氨法脱碳过程的影响71
• 4.5.2 喷射速度对氨法脱碳过程的影响71-72
• 4.5.3 塔高对氨法脱碳过程的影响72-73
• 4.5.4 雾化角度对氨法脱碳过程的影响73-74
• 4.5.5 正交试验74-78
• 4.6 本章小结78-80
• 第五章 总结与展望80-83
• 5.1 全文的主要结论80-81
• 5.2 主要创新点81-82
• 5.3 进一步工作及建议82-83
• 参考文献83-87
• 作者简介87-88
• 致谢88

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