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钙基脱硫剂孔隙特性及气相反应的模拟研究

作　者: 王涛
导　师: 曹长青
学　校: 青岛科技大学
专　业: 化学工程
关键词: 烟气脱硫 CFD 钙基固硫剂气相反应
分类号: X701.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

世界二氧化硫污染及其危害已受到人们的广泛关注。流化床烟气脱硫作为一种非常重要的脱硫方式,在脱硫行业得到广泛应用。在计算流体力学发展起来之前,主要是以实验研究为主,实验方法不仅耗资巨大,而且很多参数很难用实验的方法直接测得。计算流体动力学在这一方面有着不可比拟的优势,不仅没有资源消耗,而且运行周期短,便于控制、参数可调性大。通过对数学模型修正、参数的优化,可以得到与实验结果较一致的结果。因此,计算流体动力学受到许多学者的欢迎。本课题应用计算流体动力学软件Fluent6.3和其网格前处理软件Gambit2.2,对流化床内进行的流化过程进行了系统的研究。研究发现,均匀布风流化床流化效果较差,导致气固相接触面积较小,气固分布不均；流化床内普遍存在轴向流化效果较好,而径向流化效果较差的现象。针对以上两种状况,本课题设计了五种不均匀布风流化床,并将各流化床内气固相的流动特性与均匀布风流化床进行了比较,得到了一种使流化床流化效果最优的非均匀布风流化床；同时为了解决水平布风板流化床中存在径向流化效果差的现象,设计了一种倾斜布风板流化床,通过对倾斜布风板流化床流化效果的优化,得到了最优的操作条件,实现了床内颗粒的内部循环,使床内颗粒的径向流化有了较大的改善。流化床内钙基固硫剂脱除二氧化硫的方式主要有两种：一种是石灰石进入流化床后先进行煅烧,生成多孔的氧化钙,然后氧化钙再与烟气中二氧化硫发生反应,达到脱硫的目的；另一种是石灰石直接与烟气中二氧化硫发生反应,除去二氧化硫。本课题首先单独对这两种脱硫形式的模型分别进行了分析,并将模型模拟值与文献中实验值进行了对比,然后将两模型的脱硫效果进行了比较,结果表明两种模型的模拟值与实验值匹配性较好,直接硫化要比间接硫化钙的利用率高,达到相同钙的转化率,直接硫化所需的时间较短。Fluent中实现脱硫的化学反应一直是脱硫研究的热点,通过Fluent自身的功能较难实现。本课题通过Fluent外部接口导入UDF文件,实现了脱硫的气相反应,并通过类似正交实验的方法对各脱硫条件进行了优化,找到了影响脱硫的主次因素。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
符号说明  9-11
前言  11-13
第一章文献综述  13-45
  1.1 二氧化硫污染及治理  13-22
    1.1.1 二氧化硫污染现状  13-14
    1.1.2 二氧化硫及酸雨的危害  14-15
    1.1.3 硫的存在形式及二氧化硫的捕集方法  15-18
    1.1.4 流化床烟气脱硫  18-22
  1.2 流化床概述  22-32
    1.2.1 流化床原理  22-23
    1.2.2 流化床流化形式及不正常流化现象  23
    1.2.3 颗粒分类  23-25
    1.2.4 分布板概述  25-26
    1.2.5 流化床内气泡特性  26-32
  1.3 计算流体动力学在流态化领域中的应用  32-38
    1.3.1 计算流体动力学  32-33
    1.3.2 计算流体动力学的计算步骤  33-34
    1.3.3 计算流体动力学的控制方程  34-37
    1.3.4 计算流体动力学的应用领域  37-38
  1.4 钙基脱硫剂孔结构特性  38-42
    1.4.1 氧化钙孔隙特性  38-39
    1.4.2 氧化钙孔结构分形特性  39-40
    1.4.3 氧化钙孔结构分形特性的模型描述  40-41
    1.4.4 氧化钙结构特性对脱硫的影响  41-42
  1.5 本课题的研究目的、意义和内容  42-45
    1.5.1 本课题目的及意义  42
    1.5.2 本课题的研究内容  42-45
第二章分布板对流化床内气相分布及颗粒流动特性研究  45-61
  2.1 均匀布风分布板与非均匀布风分布板对流化床气相分布的影响  45-52
    2.1.1 数学模型  46-47
    2.1.2 数值模拟方法  47
    2.1.3 几何模型及边界条件  47-48
    2.1.4 计算结果及分析  48-52
  2.2 倾斜板流化床颗粒内循环研究  52-59
    2.2.1 倾斜板流化床采用的数学模型  53-54
    2.2.2 倾斜板流化床采用的数值方法  54-55
    2.2.3 倾斜板流化床采用的几何模型及边界条件  55
    2.2.4 计算结果及分析  55-59
  2.3 结论  59
  2.4 本章小结  59-61
第三章钙基脱硫剂脱硫模型研究  61-79
  3.1 脱硫机理分析  61-62
    3.1.1 间接固硫  61-62
    3.1.2 直接固硫  62
  3.2 脱硫模型分析  62-75
    3.2.1 煅烧、烧结和硫酸化联合模型  62-73
    3.2.2 直接固硫模型  73-75
  3.3 两种脱硫模型结果比较  75-77
  3.4 结论  77
  3.5 本章小结  77-79
第四章气相脱硫反应模拟研究  79-91
  4.1 流化床中气相硫化反应研究  82-86
    4.1.1 流化床数值模拟条件  82
    4.1.2 流化床几何模型及边界条件  82-83
    4.1.3 气相硫化反应的研究  83-86
  4.2 各操作条件对气相硫化反应的影响  86-87
  4.3 结果分析  87-88
  4.4 结论  88-89
  4.5 本章小结  89-91
结论  91-92
展望  92-93
参考文献  93-97
附录1  97-99
致谢  99-101
攻读学位期间发表的学术论文目录  101-102

钙基脱硫剂孔隙特性及气相反应的模拟研究

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