石灰浆液双流体荷电喷雾烟气脱硫理论与试验研究

论文摘要

本文围绕石灰浆液荷电喷雾烟气脱硫,对双流体荷电喷雾特性与卷吸流动结构、荷电喷雾烟气脱硫模型与试验、伴有传热传质的荷电多相湍流流动进行了系统而深入的理论与实验研究。在喷雾湿法烟气脱硫的基础上,利用双流体荷电喷雾改善石灰浆液雾滴的运动特性、荷电特性和表面吸收特性来提高喷雾法烟气脱硫效率。研究内容包括:石灰浆液雾滴的荷电特性,浆液双流体荷电喷雾卷吸结构,雾滴空间分布规律,荷电气液两相流动特性,荷电喷雾烟气脱硫模型与试验,荷电多相湍流流动理论等。本文的研究工作得到了江苏省高校自然科学基金的资助,取的部分阶段性成果为荷电喷雾烟气脱硫的进一步深入研究和实际工业应用奠定了基础。主要内容有:1.对介质的电导、介质的极化进行了理论分析,探讨了石灰浆液雾滴的带电机理和极化机理。提出了浆液雾滴和SO2分子的偶极矩估算公式,建立了感应荷电雾滴荷质比的数学模型,计算结果与试验数据基本吻合。假定浆液雾滴吸收SO2的过程符合双膜理论模型,得出了伴有化学反应的雾滴吸收SO2的传质速率公式。2.设计制造了双流体荷电喷雾装置,进行了双流体荷电喷雾雾滴荷电特性试验,研究表明环形电极高度、液气比、石灰浆液浓度等对雾滴荷电量有较大的影响。雾滴荷质比随着荷电电压升高而增大,随着雾化效果的改善而增加。3.根据实际烟气脱硫塔系统设计了荷电喷雾烟气脱硫实验系统,进行了石灰浆液荷电喷雾烟气脱硫试验研究。试验结果表明:荷电喷雾烟气脱硫效率较普通喷雾提高5-12%,脱硫效率的提高与带电雾滴运动特性和表面吸收特性有关。同时,在电压作用下雾滴粒径的减小和在空间的均匀分布程度的改善也是脱硫效率提高的关键因素。对Ca/S比、温度、旋流进气、SO2浓度等对脱硫效率的影响进行了试验。研究表明:Ca/S比的增大可以改善脱硫效率;温度在一定范围可以改善脱硫效率;旋流进气降低了烟气流速,增加了雾滴与烟气接触时间,有利于传质的进行;SO2浓度越大,脱硫效率降低。4.采用PIV对石灰浆液双流体荷电喷雾流场进行了测试,得到了喷雾图像、流场矢量图和速度云图等。通过对喷雾流动的测量,发现双流体荷电喷雾存在复杂的漩涡结构;通过对喷雾流动结构的分析,得出具体结构形式包括主射流区、上卷吸区、下卷吸区及影响区等四个区域;雾滴荷电后在库伦力、极化力作用下,其横向速度增大,有利于浆液雾滴与周围烟气的接触,提高了气液传质速率,提高了烟气脱硫效率。5.采用PDA对石灰浆液荷电喷雾特性进行了测试,得到了不同电压和液气比下的雾滴粒径、雾滴运动速度、湍流脉动强度等信息。雾滴粒径随荷电电压的升高而变小,雾滴尺寸分布均匀程度随电压升高明显提高,雾滴速度随着电压的升高先增大再减小,并对石灰浆液雾滴静电破碎机理进行了理论分析。对荷电气液两相流动的测量表明:荷电雾滴具有良好的跟随性,雾滴的脉动强度与雾滴的速度有关,且本身存在较强的脉动。6.在分析带电雾滴与SO2分子微观作用的基础上,考虑雾滴带电和极化过程对雾滴吸收SO2传质的影响,认为带电和极化是荷电喷雾脱硫区别于常规雾化脱硫的关键。荷电雾滴由于带有过剩电荷和非过剩电荷感应极化等原因在库伦力和极化力作用下与SO2产生附加作用力,从而提高了雾滴吸收SO2的传质速率。在此基础上结合喷雾塔反应器烟气脱硫过程,考虑了高压静电强电场区、雾滴诱导电场区和塔壁反应膜区三个过程,建立了荷电喷雾烟气脱硫的传质模型。7.根据荷电喷雾脱硫流动的特点,采用颗粒拟流体假设建立了荷电多相流动的方程组。根据雷诺时均法则,建立了荷电气体—颗粒两相湍流雷诺时均方程组的κ-ε-κp模型,并考虑了气体与颗粒之间化学反应产生的传热传质。对石灰浆液荷电喷雾脱硫塔内部流场进行了数值计算,计算值与实验值基本吻合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 湿法钙基烟气脱硫技术研究现状
• 1.2.1 主要影响因素研究
• 1.2.2 烟气脱硫机理与数学模型研究
• 1.2.3 喷雾特性与流动模型研究
• 1.3 荷电喷雾技术研究现状
• 1.3.1 雾滴荷电方式、机理、特性及检测研究
• 1.3.2 雾滴破碎机理研究
• 1.3.3 荷电喷雾流场测量研究
• 1.3.4 荷电多相湍流流动理论研究
• 1.4 基于高电压技术烟气脱硫研究进展
• 1.4.1 电子束烟气脱硫技术
• 1.4.2 高压脉沖电晕等离子法脱硫技术
• 1.4.3 荷电干式烟气脱硫技术
• 1.4.4 荷电喷雾烟气脱硫技术
• 1.5 本文的研究内容
• 第二章 荷电喷雾理论与吸收机理研究
• 2.1 液体的雾化机理
• 2.1.1 液滴的变形和破碎
• 2.1.2 静电雾化机理
• 2.2 雾滴的荷电机理
• 2.2.1 荷电方式
• 2.2.2 介质的极化
• 2.2.3 介质的电导
• 2.2.4 雾滴的带电
• 2.3 空间电极诱导电场的数学模型
• 2.3.1 环形电极诱导的电位
• 2.3.2 电介质带电量的估算
• 2.4 气体吸收机理
• 2.4.1 费克定律
• 2.4.2 双膜理论模型
• 2.4.3 吸收速率方程
• 2.4.4 伴有化学吸收的吸收速率方程
• 2.5 本章小结
• 第三章 石灰浆液荷电喷雾流场PIV测试
• 3.1 PIV测量技术
• 3.1.1 PIV基本原理
• 3.1.2 典型PIV技术的光路系统
• 3.1.3 PIV系统的组成和主要部件
• 3.2 PIV应用
• 3.2.1 示踪粒子的选择
• 3.2.2 PIV测量遵循的准则
• 3.3 实验装置
• 3.3.1 PIV系统主要参数
• 3.3.2 实验装置
• 3.4 PIV测量结果与分析
• 3.4.1 PIV获取的喷雾图象
• 3.4.2 速度处理方法
• 3.4.3 PIV测量结果及分析
• 3.4.4 双流体荷电喷雾流场分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 石灰浆液荷电喷雾流场的PDA实验
• 4.1 PDA简介
• 4.2 实验装置及方案
• 4.2.1 实验装置及测试系统
• 4.2.2 实验测点布置
• 4.3 PDA实验测量结果及分析
• 4.3.1 双流体荷电喷雾流场的总体信息
• 4.3.2 不同荷电电压下浆液雾滴粒径
• 4.3.3 石灰浆液滴静电破碎分析
• 4.3.4 不同荷电电压下浆液雾滴速度
• 4.3.5 荷电雾滴湍流脉动强度
• 4.4 荷电气液两相流动PDA测量结果分析
• 4.4.1 荷电气液两相速度分布
• 4.4.2 荷电气液两相湍流脉动强度分布
• 4.5 本章小结
• 第五章 雾滴荷电特性及荷电喷雾脱硫试验
• 5.1 流体雾化荷电喷雾装置
• 5.1.1 雾化喷嘴
• 5.1.2 荷电喷雾系统
• 5.1.3 荷电量测量装置
• 5.2 双流体雾化荷电特性试验
• 5.2.1 试验方案
• 5.2.2 试验结果
• 5.2.3 清水荷电试验结果分析
• 5.2.4 雾滴荷质比的估算
• 5.2.5 石灰浆液雾滴荷电特性试验
• 5.3 荷电喷雾脱硫试验装置及方案
• 5.3.1 试验装置
• 5.3.2 试验方案
• 5.3.3 模拟参量的测定
• 5.4 脱硫试验结果及分析
• 5.4.1 荷电水雾脱硫试验
• 5.4.2 石灰浆液荷电喷雾脱硫试验
• 5.4.3 烟气温度对石灰浆液荷电喷雾脱硫的影响
• 5.5 本章小结
• 第六章 石灰浆液荷电喷雾脱硫模型
• 6.1 荷电雾滴吸收机理
• 2的影响'>6.1.1 高压静电场对雾滴吸收SO₂的影响
• 6.1.2 高压静电场对吸收过程的影响
• 6.1.3 高压静电场对气膜、液膜和化学平衡等影响
• 2的化学吸收过程'>6.2 SO₂的化学吸收过程
• 2气体传质过程分析'>6.3 SO₂气体传质过程分析
• 6.3.1 强电场极化阶段与雾滴诱导电场阶段的划分
• 6.3.2 强电场极化阶段的气相传质速率
• 6.3.3 雾滴诱导电场阶段的气相传质速率
• 6.4 石灰浆液荷电喷雾脱硫整体数学模型
• 6.4.1 脱硫模型的建立
• 6.4.2 气相传质速率的确定
• 6.4.3 模型计算参数的确定
• 6.5 模型计算值与实验值的比较
• 6.5.1 荷电电压15kV时模型与试验对比
• 6.5.2 荷电电压对脱硫效率的影响
• 6.6 本章小结
• 第七章 荷电喷雾脱硫湍流流动方程
• 7.1 荷电喷雾脱硫流动的数学模型
• 7.1.1 控制体和相界面
• 7.1.2 混合物积分形式的质量、动量和能量守恒方程
• 7.1.3 瞬时、局部的相守恒方程
• 7.1.4 体积平均的相守恒方程
• 7.1.5 荷电喷雾脱硫湍流流动方程
• 7.1.6 各种本构关系的建立
• 7.1.7 荷电喷雾脱硫湍流模型
• 7.2 脱硫塔内部流场的数值计算
• 7.2.1 通用微分方程的建立
• 7.2.2 计算模型及边界条件
• 7.3 计算结果及分析
• 7.4 本章小结
• 第八章 全文总结及进一步研究展望
• 8.1 全文总结
• 8.1.1 理论部分
• 8.1.2 实验部分
• 8.2 进一步工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士期间的科研情况