多级多尺度液柱喷射烟气脱硫的试验和传质研究

论文摘要

在众多的二氧化硫控制技术中,湿法烟气脱硫技术是应用较广泛的。液柱喷射烟气脱硫技术就是其中先进的一种,其特点是气液交融强烈,运行稳定可靠,烟气脱硫效率高。以提高脱硫效率、降低运行成本为目的,本文对液柱塔喷射结构进行了优化,提出了多级液柱喷射脱硫的方法和概念,并对这种湿法脱硫装置的性能进行了研究。本文试验工作包括:多级液柱喷射装置的试验台设计,调试和喷嘴雾化特性试验、脱硫性能试验。多级液柱喷射塔内,喷嘴雾化形成液滴的滴径分布,液滴运动状况等因素对二氧化硫的吸收有着重要的影响。本文采用不同形式的喷嘴进行了液柱喷射试验,并分别利用膜片采集法和PIV方法对塔内雾化液滴的滴径分布进行了研究。得到了液滴滴径分布的数据,并利用Rosin-Rammler经验式和对数-正态分布函数对数据进行了拟合。本文对多级液柱喷射塔的阻力特性和脱硫特性进行了试验研究和分析。考察了喷液量、塔内风速,等因素对阻力特性的影响,以及喷液量、塔内风速、吸收液pH值、SO2入口浓度、喷嘴布置等因素对脱硫效率的影响。此外,本文以多相流体力学、湍流扩散和传质理论为基础,对多级液柱喷射的气液传质进行了描述,并基于溶质渗透理论建立了以滴径分布为加权函数的气液相传质速率模型。建立模型时充分考虑了喷淋密度、烟气流速、液滴滴径变化和分布等参数的影响。运用CFD对塔内的流场和液滴运动轨迹进行了数值模拟,并根据数值模拟的结果对塔入口结构进行了相应的优化。其中模型的计算结果与试验结果吻合较好,对多级液柱喷射技术的进一步研究有一定的指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 1 文献综述
• 1.1 我国二氧化硫的污染现状
• 1.2 国内外烟气脱硫技术研究进展
• 1.2.1 烟气脱硫的主要途径
• 1.2.2 烟气脱硫技术发展
• 1.3 湿法脱硫设备研究进展
• 1.3.1 湿法烟气脱硫设备
• 1.3.2 喷淋塔
• 1.3.3 填料塔
• 1.3.4 喷射鼓泡塔
• 1.3.5 液柱塔
• 1.3.6 多级多尺度液柱喷射脱硫塔的提出
• 1.4 脱硫传质理论的研究进展
• 1.4.1 湿法脱硫反应塔模型
• 1.5 课题背景及研究内容
• 1.5.1 课题背景
• 1.5.2 研究内容
• 2 多级液柱脱硫塔雾化特性实验
• 2.1 射流及雾化机理基础
• 2.2 喷嘴性能及其喷雾质量参数
• 2.2.1 喷嘴性能
• 2.2.2 雾化质量
• 2.3 测雾方法和仪器
• 2.3.1 常用方法
• 2.3.2 PIV 测试与PLIF 技术
• 2.4 实验装置和方法
• 2.4.1 实验装置设计目标
• 2.4.2 1#喷嘴性能测试实验系统
• 2.4.3 2#喷嘴性能测试实验系统
• 2.5 本章小结
• 3 多级液柱脱硫塔传质模型
• 3.1 气液传质理论
• 3.1.1 Whiteman 膜理论
• 3.1.2 Higbie 溶质渗透理论
• 3.1.3 Danckwerts 表面更新模型
• 3.1.4 漩涡扩散模型
• 3.2 液滴传质机理的研究
• 3.2.1 早期液滴传质理论
• 3.2.2 烟气脱硫系统中液滴传质理论研究进展
• 2 吸收的数学模型'>3.3 喷射液滴对SO₂吸收的数学模型
• 3.3.1 100μm 以下微细液滴传质模型
• 3.3.2 100-1000μm 小液滴传质模型
• 3.3.3 1000μm 以上大液滴传质模型
• 3.4 本文模型——基于渗透理论的数学模型建立
• 3.4.1 模型假设
• 3.4.2 液滴运动过程的数学描述
• 3.4.3 液滴停留时间θ的数学描述
• 3.4.4 液相传质系数的数学模型
• 3.4.5 传质速率模型
• 3.4.6 模型参数
• 3.4.7 模型求解
• 3.5 本章小结
• 4 多级液柱脱硫塔脱硫性能试验
• 4.1 实验系统
• 4.2 实验工况和内容
• 4.3 阻力特性实验结果分析
• 4.4 脱硫特性试验结果分析
• 4.4.1 烟气流量对脱硫的影响
• 4.4.2 吸收液pH 值对脱硫的影响
• 2 入口浓度对脱硫效率的影响'>4.4.3 SO₂入口浓度对脱硫效率的影响
• 4.4.4 吸收剂对脱硫效率的影响
• 4.4.5 液气比对脱硫效率的影响
• 4.5 多级液柱喷射对脱硫效率的影响
• 4.5.1 2#喷嘴单级喷射脱硫情况
• 4.5.2 1#喷嘴单级喷射脱硫情况
• 4.5.3 1#+2#喷嘴二级喷射脱硫情况
• 4.5.4 三种喷嘴排布情况下脱硫效果的比较
• 4.5.4.1 2#喷嘴单级喷射与1#+2#二级喷射比较
• 4.5.4.2 1#喷嘴单级喷射与1#+2#二级喷射比较
• 4.6 本章小结
• 5 多级液柱喷射塔内流场的CFD 数值模拟与优化
• 5.1 引言
• 5.2 前人工作简介
• 5.3 塔内流场的模拟
• 5.3.1 CFD 简介
• 5.3.2 基本假设
• 5.3.3 连续相（模拟烟气）流场的模拟
• 5.3.4 离散相（吸收液液滴）流场的模拟
• 5.3.5 物理模型
• 5.3.6 模拟结果
• 5.4 喷嘴雾化的模拟
• 5.4.1 喷嘴雾化模型
• 5.4.2 不同工况下的液滴喷射轨迹
• 5.4.3 模拟计算结果的比较与分析
• 5.5 进口形式的优化
• 5.6 本章小结
• 结论
• 结束语
• 本文工作在以下方面具有创新性
• 今后研究需要解决的问题
• 参考文献
• 附录1 喷射性能试验数据
• 附录2 脱硫性能试验数据
• 附录3 传质控制方程参数表
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录