孔隙内传递反应机理与循环流化床脱硫模拟

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多相多物系间传递—反应过程与多相流动、传热传质、界面科学、化学反应动力学及非线性科学等密切相关,广泛存在于能源、环境、冶金、化工、材料等领域,在现代高新技术发展中也起着非常重要的作用。论文以多相多物系中传递反应为研究对象,具体结合脱硫讨论认识传递反应机理与过程特性,内容包括传递反应基础分析认识和流化床内脱硫过程特性研究。 在深入理论分析和实验考察基础上,将气固间传递反应过程分为表面产物层形成和孔隙反应两个阶段,提出双阶段气固传递反应模型。表面产物层形成阶段,反应气体向颗粒内部扩散同时与固体反应,反应速度恒定,产物层形成时转化率仅决定于蒂勒数。孔隙反应阶段,反应气体通过颗粒表面孔隙进入颗粒内部,与孔壁固体反应,生成物沉积在孔隙表面,形成产物层,转化率与初始孔隙率和孔隙分布参数有关,小孔主要在初期起作用,大孔作用主要在后期,而最大转化率仅仅决定于初始孔隙率参数。该模型很好地解释气固传递反应过程中转化率曲线明显分为两阶段特征和微观孔隙结构变化及其影响等实验现象。制备了多种不同特性的氧化钙颗粒,在所搭建的流态化实验台并结合热重分析仪、压汞仪、扫描电镜及能谱分析等,进行大量的高温脱硫反应实验和测试,验证双阶段模型合理性的同时,证明采用该模型与实验数据耦合获得的产物层气体扩散系数不随颗粒大小、微观孔隙结构等变化,较好地解释了以往实验数据的分散性问题。实验表明水合爆蒸可以改变固体反应物的微观孔隙结构,提出水合爆蒸处理中的水合结构重构-脱水孔隙再生-“死孔”活化过程是造成孔隙结构改变的原因,为高效固体反应物(如脱硫剂)的制备提供了一条可行之路。 针对循环流化床烟气脱硫设备中多相流态化、热质传递和化学反应过程特性,结合环核气固两相流动模型,以及床内浆滴蒸发和二氧化硫吸收过程描述,发展提出循环流化床烟气脱硫环核/蒸发脱硫(CA/ED)模型,通过数值模拟分析动力学参数、热力学参数和化学参数对脱硫效果的影响,发现这些影响都可以归结为浆滴蒸发时间(即有效脱硫反应时间)的改变。基于气固两相流的双流体理论以及考虑床内浆滴蒸发和二氧化硫吸收影响,建立循环流化床烟气脱硫系统的双流体/蒸发脱硫模型,数值分析结果合理地揭示固相含率沿径向分布规律的原因。引入颗粒温度反映单颗粒的脉动,颗粒相湍能和湍能耗散率,则很好地描述颗粒团脉动,分析了颗粒团的形成对浆滴蒸发和脱硫效果的影响,得出颗粒团具有减小浆滴蒸发速度,增强脱硫效果的结论。
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