【摘要】： 本論文首先介紹了中國大氣污染的現(xiàn)狀,其中工業(yè)燃煤鍋爐排放的顆粒物和SO2仍是影響城市空氣質(zhì)量的主要污染物。目前從國外引進(jìn)的濕法除塵脫硫技術(shù)或關(guān)鍵設(shè)備需繳納高額的技術(shù)引進(jìn)費(fèi)和使用費(fèi);且我國煤種、經(jīng)濟(jì)條件和操作條件又不同,不能照搬國外的濕法除塵脫硫技術(shù)。為解決這些問題,研究和開發(fā)適合我國國情的、擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的除塵脫硫技術(shù)與裝置,具有明顯的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境意義。 本文的研究工作和研究成果包括以下內(nèi)容: (1)在參考國內(nèi)外大量濕法除塵脫硫一體化裝置的研究報(bào)道的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)出一種新型傘形罩脫硫除塵洗滌器。該裝置壓力損失小;除塵效率高,能有效去除SO2等有毒有害氣體;實(shí)現(xiàn)水的循環(huán)利用;體積小;維護(hù)方便;運(yùn)行費(fèi)用低,適合于中小型燃煤鍋爐的除塵脫硫。(2)取粉煤灰、空氣和水為物系,采用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)新型傘形罩洗滌器進(jìn)行研究。先對(duì)粉煤灰的理化性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試;再在模型實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行漏風(fēng)率、阻力特性、效率特性和動(dòng)力消耗實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的入口氣速為10 - 18 m/s,含塵濃度為2 - 22 g/m3,液氣比為0 - 0.8 L/m3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:傘形罩洗滌器的壓降在250 - 750 Pa范圍內(nèi);液氣比為0.2 L/m3時(shí),除塵效率達(dá)98.8%以上,動(dòng)力消耗約216 Pa。(3)利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模擬方法對(duì)傘形罩洗滌器進(jìn)行研究時(shí),先確定計(jì)算區(qū)域,采用Gambit建立大小及疏密程度不同的網(wǎng)格。選擇SIMPLE算法,實(shí)現(xiàn)速度與壓力的耦合。以實(shí)驗(yàn)測(cè)試的數(shù)據(jù)、文獻(xiàn)資料或經(jīng)驗(yàn)參數(shù)為依據(jù),設(shè)置邊界條件。選擇標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型和雷諾應(yīng)力模型(Reynolds Stress Model, RSM)模擬連續(xù)相,用離散相模型(Discrete Particle Model, DPM)追蹤顆粒運(yùn)動(dòng),預(yù)測(cè)新裝置的壓降和效率。模擬結(jié)果顯示:在入口速度為10.6 m/s,粉塵濃度為2 - 22 g/m3時(shí),裝置的壓降在230 - 250 Pa之間,效率在84 - 86%之間。壓降和效率的模擬值與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)誤差分別為4%和10%左右。在入口氣速為12 m/s,液氣比0 - 0.8 L/m3時(shí),采用DPM模型進(jìn)行氣液兩相的非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬,結(jié)果表明:液滴能較好地保持錐形形狀,隨著時(shí)間的推移,液滴開始撞擊到傘形罩上,形成液膜并發(fā)生反彈,液滴對(duì)氣流有較好地整流作用。在入口氣速為12 m/s,粉塵濃度為6.452 g/m3,液氣比為0 - 0.8 L/m3時(shí),模擬傘形罩洗滌器中氣液固的流動(dòng)。結(jié)果表明液氣比對(duì)洗滌器近壁處的氣含率影響很小,對(duì)傘形罩內(nèi)部氣含率影響較大,傘形罩內(nèi)部的氣含率隨著液氣比的增加分布更加均勻,噴淋液形成的水幕充滿整個(gè)洗滌器,極少部分液滴被煙氣夾帶出去。而水箱附近的固體粒子的體積分?jǐn)?shù)較大,捕塵效果明顯。(4)為進(jìn)一步驗(yàn)證模擬流場(chǎng)的準(zhǔn)確性,采用先進(jìn)的無接觸式粒子圖像測(cè)速技術(shù)(Particle ImageVelocimeter, PIV),在入口氣速12 m/s時(shí),對(duì)關(guān)鍵的傘形罩段和入口段的流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試。PIV測(cè)試結(jié)果顯示:氣流繞過傘形罩時(shí)湍動(dòng)劇烈,在其周圍形成多個(gè)小漩渦,傘形罩增加了接觸面積,延長(zhǎng)了各相的停留時(shí)間,有利于分離凈化。入口段存在較大漩渦,有回流現(xiàn)象。(5)對(duì)比模型洗滌器的性能實(shí)驗(yàn)、PIV流場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)和模擬洗滌器的流動(dòng)特性及性能,結(jié)果表明模擬的傘形罩周圍的流場(chǎng)和PIV測(cè)試的流場(chǎng)在運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)上一致,證明模擬方法是預(yù)測(cè)新裝置的性能及使流動(dòng)可視化的一種有效的方法。實(shí)驗(yàn)為模擬提供了參數(shù),并為驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性提供了佐證材料。模擬為洗滌器的結(jié)構(gòu)和操作工藝的優(yōu)化提供了依據(jù),可用于此類洗滌器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。(6)利用量綱分析方法推導(dǎo)了阻力相似模型和效率相似模型。對(duì)模型洗滌器按相似準(zhǔn)則放大10倍后進(jìn)行模擬,結(jié)果表明模型傘形罩洗滌器和放大10倍的洗滌器在速度分布, DPM濃度分布及流動(dòng)特性方面很類似,傘形罩洗滌器的相似模化為工程實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù),為產(chǎn)品的放大設(shè)計(jì)進(jìn)一步提供理論基礎(chǔ)。 本文改變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法:小試-中試-推廣的路線。采用實(shí)驗(yàn)和模擬研究相結(jié)合的方法,對(duì)洗滌器進(jìn)行預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià),揭示洗滌器內(nèi)的流動(dòng)特征,從而加深對(duì)流場(chǎng)規(guī)律的理解,有很強(qiáng)的工程實(shí)踐意義。兩者的有效結(jié)合可縮短設(shè)備的開發(fā)時(shí)間,減少實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)成本,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。模擬過程在計(jì)算機(jī)上完成,可減少實(shí)驗(yàn)工作量,減少對(duì)環(huán)境的污染,有很好的環(huán)境效益。
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2008
【分類號(hào)】：X701
【圖文】：

圖 1. 1 2006 年全國酸雨發(fā)生頻率區(qū)域分布圖Fig.1.1 National acid rain occurrence frequency zone distributation in the 2006 year圖 1. 2 2006 年全國酸雨區(qū)域分布圖

4圖 1. 2 2006 年全國酸雨區(qū)域分布圖Fig.1.2 National acid rain zone distributation in the 2006 year主要包括浙江、江西、湖南、福建、貴州、重慶的大部分地區(qū), 以及長(zhǎng)江、珠三角洲地區(qū)。與上年相比，全國酸雨分布區(qū)域保持穩(wěn)定。1.1.2 廢氣中主要污染物排放量近年來隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展, 煤炭消耗逐年增加。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì), 2000 年2005 年 5 年間我國煤炭消耗量增加了近 8 億噸, 其中火電廠就增加了 5.02 億噸。燃煤所產(chǎn)生的各種污染物也隨之增長(zhǎng)；SO2和煙塵排放量分別增加了 554 萬噸和 萬噸, 其中火電廠增排的二氧化硫就達(dá)到了 808 萬噸。這足以說明我國的環(huán)境污染勢(shì)的嚴(yán)峻性。我國富煤、貧油、少氣的能源資源特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展決定了

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