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多级液柱喷射塔的流场特性分析与传质模型探讨

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目录

摘要

1 文献综述

1.1 二氧化硫的污染现状及排放标准

1.2 现有脱硫技术及设备

1.2.1 喷淋塔

1.2.2 格栅填料塔

1.2.3 旋流板塔

1.2.4 喷射鼓泡塔

1.2.5 文丘里洗涤器

1.2.6 液柱喷射塔

1.3 液柱喷射脱硫塔的研究现状

1.3.1 实验研究

1.3.2 数值模拟

1.3.3 气液传质过程研究

1.3.4 液柱喷射脱硫塔的工程应用

1.3.5 存在的问题

1.4 多级液柱喷射塔的提出

1.5 课题背景与研究内容

1.5.1 课题背景

1.5.2 研究内容

2 多级液柱喷射塔的数值模型

2.1 数值模拟的理论基础

2.2 入口结构对烟气分布影响的数值模拟

2.2.1 液柱塔模型的建立

2.2.2 模拟结果与分析

2.3 多级多尺度液柱塔气液场的实现

2.3.1 求解设置

2.3.2 各层喷嘴性能测试

2.3.3 多级多尺度液柱喷射塔的实现

2.4 本章小结

3 多级液柱喷射塔的优势探讨

3.1 喷嘴性能测试

3.2 单级液柱塔与两级两尺度液柱塔对比

3.3 本章小结

4 多级多尺度液柱塔的工业应用与关键结构设计

4.1 吸收剂选择

4.2 反应原理

4.3 工艺计算

4.3.1 二氧化硫生成量及浓度

4.3.2 锅炉烟气排放量

4.3.3 烟尘含量及除尘效率

4.3.4 石灰的消耗量

4.3.5 吸收剂体积流量

4.4 多级液柱喷射脱硫塔关键结构设计

4.4.1 烟气入口管直径

4.4.2 水管直径

4.4.3 塔径计算

4.4.4 烟气出口管直径

4.4.5 壁厚计算

4.4.6 吸收区设计

4.5 本章小结

5 多级液柱喷射塔中传质反应过程的研究与探讨

5.1 单液滴传质反应过程

5.1.1 微分方程的求解

5.1.2 单液滴二氧化硫吸收量

5.2 塔中多液滴对传质反应的影响及宏观脱硫效率计算模型探讨

5.3 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

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摘要

反应吸收设备是湿法脱硫工艺的核心部件,直接决定着脱硫效率和投资成本。多级多尺度液柱喷射脱硫塔是笔者所在课题组提出的旨在强化气液传质、提高脱硫效率及降低设备投资的新技术构思,但缺乏相关的理论研究。本文以FLUENT软件为工具,建立了多级液柱喷射塔的数值模型,并与单级液柱塔进行了对比分析,在此基础上,依托20t·h-1燃煤锅炉烟气脱硫项目,对多级液柱塔的关键结构进行了初步设计。另外,还对多级液柱喷射塔的传质反应过程进行了分析与探讨。
  首先,在气相条件下,采用数值模拟手段对不同进气结构对多级液柱喷射塔内气相流场的影响进行了模拟与分析,依据模拟结果,设计了结构合理的三下缺口进气结构。在此基础上,选取Plain-OrificeAtomizer雾化模型引入液相,对喷嘴的雾化特性进行了模拟优化,最终建立了在不同高度上具有不同粒径的三级液滴密集层的数值模型,其基本参数为:(1)底层喷射高度h=1.1m,粒径分布R=exp[-(d/441.6)5.84],索特直径382μm;(2)中层喷射高度h=2m,粒径分布R=exp[-(d/669.3)4.09],索特直径579μm;(3)高层喷射高度h=3.1m,粒径分布R=exp[-(d/1364)3.84],索特直径1180μm。
  其次,依托沈阳化肥总厂的烟气脱硫项目,对单级液柱塔和多级多尺度液柱塔进行了数值模拟与分析。结果表明:通过增设液滴密集层,多级液柱喷射塔填补了单级塔体底部的液滴空隙区,提高了气液接触面积,更利于气液传质。
  再次,以20t·h-1燃煤锅炉烟气脱硫为对象,选用石灰浆液为脱硫剂,从理论上分析了吸收反应过程,进行了工艺计算,并完成了多级液柱喷射塔的主体结构及关键部件设计,选择了合适的喷嘴型号。从工程角度上对多级液柱喷射塔的可行性进行了设计尝试,以给其实验装置的建立及未来的工业化推广提供技术支持。
  最后,针对单个微细液滴建立了液滴内部及液滴周围气相中二氧化硫的浓度分布方程,在相关假设的前提下,设定初始条件和边界条件,采用对空间和时间的差分方法,得到液滴内部和液滴周围二氧化硫浓度分布的差分方程,方程中各参数也通过相关文献中的理论及实验结果给出了具体数值,提出对求解域上各节点值的求解方法,对多级液柱喷射塔中的传质反应过程进行了初步的研究与探讨,对于多液滴的传质分析具有一定的指导意义。

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