氧化铝在布袋上沉积和吸附HF规律研究

论文摘要

在铝电解行业,广泛使用布袋除尘器净化铝电解烟气中的氧化铝粉尘和HF有毒气体。布袋上形成均匀的粉尘层不但能过滤微小粉尘,还具有吸附HF的作用。在兼顾压降的情况下,为了使粉尘层具有更好的吸附HF的效果,本文综合应用数值方法、理论分析和实验方法对氧化铝粉尘在布袋上沉积和吸附HF规律进行了研究。用数值方法对布袋除尘器内部流场进行了分析,提出了结构优化方案。实验研究了氧化铝在布袋上沉积、布袋过滤压降和沉积层吸附HF的规律;拟合了粉尘沉积层厚度分布与平均过滤速度、粉尘含量、单位过滤面积加料量及布袋长度的关系式。从理论上对除尘器内氧化铝颗粒进行了受力分析,在前人一维压降模型的基础上,推导了与粉尘层厚度关联的过滤压降二维模型,对布袋除尘器的除尘机理、氧化铝颗粒吸附氟化氢吸附机理进行了分析,建立了氧化铝在布袋上沉积和吸附氟化氢的综合经验数学模型。用MATLAB软件对模型进行了数值求解,并将实验结果和模拟结果进行了验证,表明两者具有很好的一致性。工业实践表明,我国广泛使用于铝电解烟气净化行业的布袋除尘器在结构上有诸多不足之处。本文提出了三种改进方法:（1）在除尘器进气口内侧增加导流结构,（2）在进气通道加导流板,（3）在除尘器底部加导流板。通过综合应用这三种方法来达到均匀除尘器内部流场的目的。并采用离散相模型,用FLUENT软件对每个方案进行了数值模拟分析。求得了除尘器内部氧化铝颗粒运动速度-轨迹和气相速度分布,通过颗粒相和气相流场分布均匀程度,确定布袋除尘器内流道增设构件结构和分布。除尘器结构改进后,改善了气流分布,使气体较均匀上升,避免大旋涡。为研究布袋上粉尘层的形成和吸附HF规律奠定基础。在实验部分,为了研究氧化铝在布袋上沉积规律,本文创新设计了一套除尘实验装置和粉尘层厚度测量方法。采用透明的有机玻璃装置和扁平布袋结构,用移动式测量显微镜从粉尘层外侧面在线测量其厚度。且在1米长的扁平过滤布袋基础上,本文分段实验研究了1米-6米布袋对粉尘层厚度分布的影响。从而解决了布袋上粉尘层不易测量和按传统实验方法研究所带来的实验装置建造费用高的问题。基于此装置,实验研究了烟气平均过滤速度、烟气中粉尘含量、过滤时间和布袋长度对布袋上粉尘层厚度分布的影响。并首次用GuassAmp峰值函数拟合了粉尘层厚度分布规律。GuassAmp峰值函数的三个中间变量A、w、xc可以用于评价粉尘层分布情况。A反映出沉积层厚度形成过程与u,c和t（时间）的关系,w除以布袋长度L,即w/L反映了布袋上粉尘层分布均匀程度,xc表示最厚处距布袋轴线长度中点的接近程度。所以,选择峰值函数y=Ae（x-xc）2/2w2进行拟合,在布袋除尘器研究方向具有一定的创新意义。此外,在此实验装置上,实验研究了平均过滤速度、氧化铝粉尘含量和HF含量对过滤沉积层吸附氟化氢效果的影响。研究表明:在相同的过滤时间里,粉尘含量越高,除氟效果越好;综合考虑过滤压降和对除氟效果的影响,布袋长5米最佳;平均过滤速度在20mm/s-60 mm/s范围内,40mm/s时具有最好的除氟效果;进口处HF含量越高,出口处HF含量越高。研究亦表明布袋脉冲清灰不要太彻底,否则刚清灰后,布袋上由于粉尘层太少,导致除氟效率低下。在过滤达西定律的基础上,本文依据特定条件推导了与粉尘层厚度相关的过滤压降二维模型。在分子气动理论基础和前人研究基础上,用反应本征动力学和宏观动力学相关理论分析HF在氧化铝沉积层中的吸附机理,其宏观反应符合收缩未反应芯模型,并建立了相应的吸附速率方程式。最后,在实验和理论分析基础上,首次建立了氧化铝粉尘沉积和吸附HF的综合经验数学模型,并用MATLAB编程求得了数值解,数值解和实验结果具有很好的一致性,从而验证了综合经验数学模型的有效性。该综合经验数学模型可以根据操作条件和布袋长度预测铝电解烟气布袋除尘器的过滤压降和除氟效率,为工程设计提供参考依据。由于实验条件限制,本研究还有一些不足之处。还需在不同温度范围、不同氧化铝样品对过滤吸附HF的影响方面做进一步研究,另外,本研究的过滤除氟综合经验数学模型还需得到工业实践检验,并根据实践对模型进行修正。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1. 研究背景
• 1.1 铝电解HF污染及排放标准
• 1.2 常规除氟方法
• 1.3 国内外铝电解烟气净化技术
• 1.4 布袋除尘器的发展
• 1.5 过滤机理
• 1.6 研究内容
• 2. 布袋除尘器结构优化模拟
• 2.1 前言
• 2.2 布袋除尘器流场均匀性的影响因素
• 2.3 假设条件
• 2.4 数值模拟方法和模型确定
• 2.5 原布袋除尘器流场模拟
• 2.6 结构改进及模拟
• 2.7 本章小结
• 3. 不同工艺参数对布袋外侧粉尘沉积层分布规律的实验研究
• 3.1 前言
• 3.2 粉尘层厚度测量方法
• 3.3 粉尘在布袋上沉积影响因素
• 3.4 设计实验装置
• 3.5 实验方案
• 3.6 实验结果
• 3.7 进一步实验
• 3.8 粉尘厚度数学模型研究
• 3.9 本章小结
• 4. 布袋长度对粉尘层厚度分布影响实验
• 4.1 前言
• 4.2 实验方法
• 4.3 实验结果
• 4.4 小结
• 5. 过滤压降研究
• 5.1 前言
• 5.2 过滤压降模型研究现状
• 5.3 二维压降模型研究
• 5.4 过滤压降实验研究结果
• 5.5 过滤阻力系数确定
• 5.6 本章小结
• 6. 氧化铝粉尘层吸附氟化氢实验研究
• 6.1 前言
• 6.2 氧化铝吸附HF的研究现状
• 6.3 氧化铝吸附氟化氢实验
• 6.4 实验结果分析
• 6.5 本章小结
• 7. 氧化铝吸附氟化氢机理和吸附模型研究
• 7.1 前言
• 7.2 氧化铝吸附氟化氢的吸附模型
• 2O₃吸附HF的总体速度'>7.3 Al₂O₃吸附HF的总体速度
• 7.4 表面覆盖率与吸附半径的关系
• 7.5 表面覆盖率与颗粒吸附速率的关系
• HF'>7.6 单位表面积吸附速率r_HF
• EFF求解'>7.7 扩散系数D_EFF求解
• 7.8 本章小结
• 8. 粉尘沉积及除氟综合经验数学模型研究
• 8.1 前言
• 8.2 粉尘沉积及除氟综合经验数学模型研究必要性
• 8.3 氧化铝粉尘沉积及除氟综合经验数学模型建立
• 8.4 综合经验数学模型求解
• 8.5 模拟结果
• 8.6 模型验证
• 8.7 模型应用简述
• 8.8 小结
• 9. 主要结论与展望
• 9.1 主要结论
• 9.2 创新点
• 9.3 展望
• 主要符号说明
• 参考文献
• 本人博士期间以第一作者发表的学术论文
• 附表1 6米布袋上粉尘厚度分段研究实验方案及实验数据
• 附表2 5米长布袋上分段错开研究实验方案和实验数据
• 附表3 6米长布袋上处理后粉尘层厚度数据
• 致谢