PCF型除尘脱硫洗涤器的实验和数值模拟理论研究

发布时间：2020-09-11 23:29

　　研究中国大气污染的现状得知,工业燃煤锅炉排放的颗粒物和SO2是影响我国城市空气质量的主要污染物。随着空气污染控制标准的日益严格,对空气净化设备也提出了更高的要求,研究和开发适合中国国情的、拥有自主知识产权的除尘脱硫技术与装置成为当前一种迫切的需求。本文在查阅大量文献的基础上研究开发出一种新型的除尘脱硫装置—PCF型除尘脱硫洗涤器,并结合实验研究、数值理论和CFD模拟的方法对该新型装置进行了研究。主要研究内容及结果如下： PCF型除尘脱硫洗涤器性能的实验研究和分析。首先,对实验用粉煤灰和石灰石粉的物理化学性质进行了测试和分析；然后,在此基础上研究了装置的阻力性能、除尘性能、脱硫性能和脱水性能；同时,根据实验研究结果给出了PCF型除尘脱硫洗涤器的运行工况和结构参数。基于湿法除尘机理,建立了PCF型洗涤器湿法除尘的理论模型。模型建立过程中,将PCF型洗涤器划分成不同的区域,重点考虑喷淋区(初处理室)、自激通道、自激室和内筒四部分对颗粒的捕集作用。根据湿式除尘机理,分别建立各区域的除尘子模型,然后将各部分的除尘效率进行综合。利用理论模型预测了不同操作条件下的除尘效率,并借助实验结果进行了验证。根据双膜传质理论,建立了PCF型洗涤器内石灰石浆液滴吸收SO2的理论模型。模型以烟气为研究对象,假定传质速率在一个控制单元或时间步长内是不变的。用十种离子(Cl-、Ca2+、H+、OH-、SO2(aq)、CO2(aq)、HSO3-、HCO3-、SO32-和C032-)来定义液相的组成,烟气流动过程中考虑了SO2的吸收和CO2的解吸。同时,模型的建立也考虑自激室对烟气的二次净化作用。利用理论模型预测了装置不同工况下的脱硫效率,并将预测值和实验值进行了对比以验证模型的准确性。通过分析PCF型洗涤器内的脱硫过程表明,在实验研究的范围内,在初处理室(喷淋区)内,SO2的吸收是由气膜和液膜扩散共同控制的。利用计算流体动力学(CFD)软件包中的Fluent软件对PCF型除尘脱硫洗涤器内的流动特性及性能进行了数值模拟。模拟中应用结构化网格技术划分网格,运用雷诺应力湍流模型(RSM)描述烟气湍流运动,选用颗粒轨道模型(DPM模型)跟踪液滴轨迹,采用随机漫步模型(DRW模型)考察湍流对液滴运动的影响,用压力—速度耦合的SIMPLE算法求解耦合的连续方程和动量方程。以上的研究表明：①随着风速增大,装置压降随之增大,除尘效率增加不明显,脱硫效率降低,脱水性能略有提高(一定风速范围内)。②液气比对装置的除尘效率和脱硫效率都有很显著的影响,液气比在一定范围内增加时,除尘效率和脱硫效率都会随之增加；但液气比对装置压降和出口烟气含湿量影响不大。③装有导流板的PCF型洗涤器较无导流板的PCF型洗涤器虽然压降略有增加,但综合性能有明显的提高。④与其他洗涤器相比,PCF型除尘脱硫洗涤器具有压降低、烟气处理量大、吸收速率高、脱水性能好等诸多优点。⑤建立的除尘理论模型和钙基脱硫理论模型都可以有效地预测新型PCF洗涤器的除尘、脱硫性能。理论预测值和实验测定值显示了良好的吻合性。⑥CFD方法通过将不同工况下的流场、速度场、压力场、浓度场、液滴轨迹等进行了可视化,可以更直观的观察现象,揭示洗涤器内的流动特性,从而加深对流场规律的理解,具有很强的工程实践意义。论文在最后,结合相关的工程项目,对PCF型装置在现场中的应用情况进行了研究分析。研究表明,该装置净化后的烟气粉尘浓度、SO2浓度和烟气林格曼黑度均低于国家标准和当地标准；并且具有显著的社会、环境和经济效益,应用前景广阔。
【学位单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2011
【中图分类】：X701.3

【引证文献】