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多级喷动脱硫塔内雾化与蒸发过程的数值模拟研究

作　者: 陈国庆
导　师: 高继慧
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 热能工程
关键词: 蒸发特性喷雾干燥烟气脱硫液滴碰撞液滴碰壁
分类号: X701.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

半干法烟气脱硫技术的共性特点是工艺过程中水的适量介入,对于典型工艺,其介入方式是将水或浆液雾化成一定粒径的液滴,与烟气进行传热传质过程,将SO2以稳定硫酸盐的形式固定下来。研究发现在半干法工艺中,液态水的存在是SO2吸收及脱除过程的关键控制步骤,而脱硫塔内的蒸发过程是影响液态水存在的主要因素。因此,控制吸收塔内蒸发过程对于SO2脱除及吸收塔高效稳定运行具有重要意义。本文以CFD软件Fluent为计算平台,对吸收塔内喷雾干燥过程进行了数值模拟研究,详细分析了压力旋流式雾化模型及相关子模型,研究了各因素对模型计算结果的影响,得到了所选雾化喷嘴的雾化特性、吸收塔内温湿度及液相分布特性以及介质入口条件等因素对一级塔体内液相蒸发过程的影响规律。液滴碰撞模型和碰壁处理模式是准确地模拟吸收塔内液滴雾化及蒸发过程的关键,本文对其进行了详细研究。发现计算网格尺寸、时间步长、颗粒流数量及初始液滴粒径等因素均对液滴碰撞模型有明显影响。Fluent中所提供的液滴碰壁模式无法描述吸收塔内液滴碰壁行为,本文以Wachters和C.Weiss等人的喷雾碰壁试验结论为依据,采用无量纲We数衡量吸收塔内液滴的碰壁行为。分析结果表明沿吸收塔高度方向,壁面处液滴的最大We数均小于临界值,液滴碰壁后的行为将主要体现为粘壁现象。压力式喷嘴的雾化特性主要受雾化压力、喷嘴直径、液体黏度及表面张力影响。本文通过量纲分析法得到了喷嘴雾化平均索特直径与上述因素间的无量纲关系,采用最小二乘法求得关系式中的各未知参数。计算结果表明,本文所得无量纲关系式的计算结果与模拟值基本吻合,最大误差为12%。相关结论可为后续研究控制液滴粒径提供参考。以上述研究为基础,本文进一步研究了烟气温度、烟气量、雾化压力及烟气相对湿度对吸收塔一级塔内蒸发过程的影响。计算结果表明入口烟气水蒸气分压的变化对一级塔体内液相水含量有重要影响。烟气温度、烟气量及雾化压力的增加均可加速液滴蒸发,进而降低一级塔内液相浓度。喷嘴雾炬的扩展受入口烟速及雾化压力的影响。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第1章绪论  9-23
  1.1 课题背景  9-10
  1.2 多级喷动烟气净化工艺特点  10-11
  1.3 喷雾干燥过程数值模拟综述  11-21
    1.3.1 雾化机理研究  12-17
    1.3.2 蒸发过程研究  17-20
    1.3.3 碰壁过程研究  20-21
  1.4 课题研究内容及意义  21-23
    1.4.1 主要研究内容  21-22
    1.4.2 研究意义  22-23
第2章蒸发反应器中喷雾混合过程模拟的模型及方法  23-31
  2.1 控制方程及数学模型  23-26
    2.1.1 连续相控制方程  23-24
    2.1.2 湍流流动模型  24-25
    2.1.3 液滴离散相控制方程  25-26
  2.2 气液耦合相互作用源项  26-28
    2.2.1 质量源项  27
    2.2.2 动量源项  27
    2.2.3 能量源项  27-28
    2.2.4 湍流脉动动能和耗散源项  28
  2.3 数值求解过程  28-30
    2.3.1 差分方程的建立  28-29
    2.3.2 质量、动量和能量联立方程组求解  29-30
  2.4 本章小结  30-31
第3章压力式喷嘴雾化过程的数值模拟研究  31-52
  3.1 喷雾数学模型及边界条件  31-36
    3.1.1 压力旋流式雾化喷嘴模型  31-33
    3.1.2 液滴破碎模型  33-34
    3.1.3 液滴碰撞模型  34-36
  3.2 液滴碰撞模型的分析研究  36-38
    3.2.1 液滴碰撞模型的分析  36-37
    3.2.2 液滴碰撞模型的局限性  37-38
  3.3 各因素对碰撞模型计算结果影响的研究  38-42
    3.3.1 模型的网格依赖性  38-40
    3.3.2 喷雾粒子数对模型计算结果影响  40
    3.3.3 时间步长对模型计算结果的影响  40-41
    3.3.4 初始液滴粒径对模型计算结果的影响  41-42
  3.4 压力旋流式喷嘴雾化特性研究  42-47
    3.4.1 影响喷嘴粒径的因素分析  42-45
    3.4.2 压力旋流式喷嘴雾化液滴平均直径公式拟合  45-47
  3.5 喷嘴下游流场液滴速度和粒径分布  47-50
    3.5.1 喷嘴下游流场液滴速度分布  47-49
    3.5.2 喷嘴下游流场液滴粒径分布  49-50
  3.6 本章小结  50-52
第4章 MS-FGD反应器内喷雾干燥过程的数值模拟研究  52-77
  4.1 液滴蒸发模型  52-55
    4.1.1 脱硫浆液蒸发机理  52-53
    4.1.2 纯液滴在气流中蒸发模型  53-55
  4.2 MS-FGD喷雾干燥过程模型的建立  55-57
    4.2.1 计算域及网格划分  55-56
    4.2.2 边界条件设置  56-57
  4.3 滴滴碰壁模式的分析与选取  57-61
    4.3.1 液滴碰壁处理方式  57-58
    4.3.2 碰壁模式对液滴蒸发的影响  58-59
    4.3.3 碰壁模式的选取与修正  59-61
  4.4 脱硫塔入口弯管优化  61-63
  4.5 脱硫塔内温湿度及液相分布特性  63-70
    4.5.1 脱硫塔内温湿度分布特性  63-67
    4.5.2 脱硫塔内液相分布特性  67-69
    4.5.3 脱硫塔内液滴蒸发过程和脱硫过程的关系  69-70
  4.6 入口条件对塔内蒸发干燥过程影响  70-76
    4.6.1 入口烟气速度对塔内蒸发干燥过程影响  71-72
    4.6.2 入口烟温对塔内蒸发干燥过程影响  72-74
    4.6.3 雾化颗粒粒径对塔内蒸发干燥过程影响  74-75
    4.6.4 入口烟气相对湿度对塔内蒸发干燥过程影响  75-76
  4.7 本章小结  76-77
结论  77-79
参考文献  79-84
附录  84-88
攻读学位期间发表的学术论文  88-92
致谢  92

多级喷动脱硫塔内雾化与蒸发过程的数值模拟研究

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