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《湖南大学》 2008年
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新型伞形罩洗涤器的实验和数值模拟研究

李珊红  
【摘要】: 本论文首先介绍了中国大气污染的现状,其中工业燃煤锅炉排放的颗粒物和SO2仍是影响城市空气质量的主要污染物。目前从国外引进的湿法除尘脱硫技术或关键设备需缴纳高额的技术引进费和使用费;且我国煤种、经济条件和操作条件又不同,不能照搬国外的湿法除尘脱硫技术。为解决这些问题,研究和开发适合我国国情的、拥有自主知识产权的除尘脱硫技术与装置,具有明显的社会、经济和环境意义。 本文的研究工作和研究成果包括以下内容: (1)在参考国内外大量湿法除尘脱硫一体化装置的研究报道的基础上,设计出一种新型伞形罩脱硫除尘洗涤器。该装置压力损失小;除尘效率高,能有效去除SO2等有毒有害气体;实现水的循环利用;体积小;维护方便;运行费用低,适合于中小型燃煤锅炉的除尘脱硫。(2)取粉煤灰、空气和水为物系,采用实验方法对新型伞形罩洗涤器进行研究。先对粉煤灰的理化性质进行测试;再在模型实验装置上进行漏风率、阻力特性、效率特性和动力消耗实验。实验的入口气速为10 - 18 m/s,含尘浓度为2 - 22 g/m3,液气比为0 - 0.8 L/m3。实验结果表明:伞形罩洗涤器的压降在250 - 750 Pa范围内;液气比为0.2 L/m3时,除尘效率达98.8%以上,动力消耗约216 Pa。(3)利用计算流体动力学(CFD)模拟方法对伞形罩洗涤器进行研究时,先确定计算区域,采用Gambit建立大小及疏密程度不同的网格。选择SIMPLE算法,实现速度与压力的耦合。以实验测试的数据、文献资料或经验参数为依据,设置边界条件。选择标准的k-ε湍流模型和雷诺应力模型(Reynolds Stress Model, RSM)模拟连续相,用离散相模型(Discrete Particle Model, DPM)追踪颗粒运动,预测新装置的压降和效率。模拟结果显示:在入口速度为10.6 m/s,粉尘浓度为2 - 22 g/m3时,装置的压降在230 - 250 Pa之间,效率在84 - 86%之间。压降和效率的模拟值与实验值的相对误差分别为4%和10%左右。在入口气速为12 m/s,液气比0 - 0.8 L/m3时,采用DPM模型进行气液两相的非稳态数值模拟,结果表明:液滴能较好地保持锥形形状,随着时间的推移,液滴开始撞击到伞形罩上,形成液膜并发生反弹,液滴对气流有较好地整流作用。在入口气速为12 m/s,粉尘浓度为6.452 g/m3,液气比为0 - 0.8 L/m3时,模拟伞形罩洗涤器中气液固的流动。结果表明液气比对洗涤器近壁处的气含率影响很小,对伞形罩内部气含率影响较大,伞形罩内部的气含率随着液气比的增加分布更加均匀,喷淋液形成的水幕充满整个洗涤器,极少部分液滴被烟气夹带出去。而水箱附近的固体粒子的体积分数较大,捕尘效果明显。(4)为进一步验证模拟流场的准确性,采用先进的无接触式粒子图像测速技术(Particle ImageVelocimeter, PIV),在入口气速12 m/s时,对关键的伞形罩段和入口段的流场进行测试。PIV测试结果显示:气流绕过伞形罩时湍动剧烈,在其周围形成多个小漩涡,伞形罩增加了接触面积,延长了各相的停留时间,有利于分离净化。入口段存在较大漩涡,有回流现象。(5)对比模型洗涤器的性能实验、PIV流场测试实验和模拟洗涤器的流动特性及性能,结果表明模拟的伞形罩周围的流场和PIV测试的流场在运动趋势上一致,证明模拟方法是预测新装置的性能及使流动可视化的一种有效的方法。实验为模拟提供了参数,并为验证模拟结果的可靠性提供了佐证材料。模拟为洗涤器的结构和操作工艺的优化提供了依据,可用于此类洗涤器的优化设计。(6)利用量纲分析方法推导了阻力相似模型和效率相似模型。对模型洗涤器按相似准则放大10倍后进行模拟,结果表明模型伞形罩洗涤器和放大10倍的洗涤器在速度分布, DPM浓度分布及流动特性方面很类似,伞形罩洗涤器的相似模化为工程实际应用提供理论依据,为产品的放大设计进一步提供理论基础。 本文改变传统的设计方法:小试-中试-推广的路线。采用实验和模拟研究相结合的方法,对洗涤器进行预测与评价,揭示洗涤器内的流动特征,从而加深对流场规律的理解,有很强的工程实践意义。两者的有效结合可缩短设备的开发时间,减少实验和设计成本,具有良好的经济效益。模拟过程在计算机上完成,可减少实验工作量,减少对环境的污染,有很好的环境效益。
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:X701

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