研究氣固流化床捕獲CO2

1、棗莊職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1棗莊職業(yè)學(xué)院畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）研究氣固流化床捕獲 CO2姓 名 陳明海 系 部 應(yīng)用化工系 專 業(yè) 應(yīng)用化工技術(shù) 班 級(jí) 08 高職三班 學(xué) 號(hào) 200803010321 指導(dǎo)老師 莊文 20 11 年 5 月棗莊職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2摘要摘要 采用不同的陶瓷粘合劑制備了以 Li4SiO4 顆粒為主體的 3 種不同類型的吸附劑。在流化床反應(yīng)器(內(nèi)徑 0.03 m)內(nèi),分別以 N2 和混合氣(體積分?jǐn)?shù):空氣85%,CO215%)為氣相,對(duì)吸附劑的最小流化速度和轉(zhuǎn)化率進(jìn)行了系統(tǒng)研究。并應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件 Fluent 6.2,采用歐拉多相模型

2、,對(duì)吸附劑轉(zhuǎn)化率進(jìn)行了模擬計(jì)算。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞 硅酸鋰 二氧化碳吸附劑 流化床 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)棗莊職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3目錄前言.11文獻(xiàn)綜述.21.1 課題背景.21.2 CO2主要捕獲技術(shù)及研究方向 .31.2.1 吸收法 .31.2.2 吸附法 .41.2.3 膜分離法 .51.2.4 精餾法 .61.2.5 低溫分離法 .71.2.6 新興 CO2捕獲方法.71.3 CaO 吸收 CO2機(jī)理 .81.3.1 CaO 吸收 CO2過程.81.3.2 CaO 吸收 CO2機(jī)理.91.3.3 CaO 吸收性能的影響因素 .101.3.3.1 添加催化劑對(duì) CaO 吸收性能的影響 .101

3、.3.3.2 溫度對(duì) CaO 吸收性能的影響 .101.3.3.3CaO 孔隙分布對(duì) CaO 吸收性能的影響 .101.3.3.4 煙氣中成分對(duì) CaO 吸收性能的影響 .121.3.3.5 循環(huán)次數(shù)對(duì) CaO 吸收性能的影響 .131.3.4 裝置設(shè)備 .131.4 研究?jī)?nèi)容及預(yù)期目標(biāo) .152流體力學(xué)模型及 FLUENT 的應(yīng)用.162.1 流體化技術(shù)概述 .162.2 流體力學(xué)模型 .182.2.1 本構(gòu)方程. .182.2.2 湍流模型 .202.2.2.1 標(biāo)準(zhǔn) k- 模型 .212.2.2.2 RNG k- 模型 .22棗莊職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 42.2.2.3 Realiza

4、ble k- 模型 .242.2.2.4 雷諾剪應(yīng)力模型 .252.2.2.5 代數(shù)應(yīng)力模型 .262.2.2.6 雙流體模型 .262.2.3 多相流模型 .262.2.3.1 拉格朗日(Lagrange)法 .272.2.3.2 歐拉(Euler)法 .272.2.4 模型的求解 .282.2.4.1 有限差分法 .282.2.4.2 有限元法 .292.2.4.3 有限體積法 .292.3 計(jì)算流體力學(xué)軟件介紹 .292.4 利用 FLUENT 進(jìn)行模擬過程 .303結(jié)果與分析.323.1 總體思路 .323.2 數(shù)值的確定 .323.2.1 控制方程 .323.2.2 封閉方程 .34

5、3.3 邊界條件 .363.4 數(shù)值方法 .363.5 反應(yīng)器計(jì)算網(wǎng)格模擬 .373.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 .383.6.1 最佳氣速的確定 .383.6.2 最佳顆粒循環(huán)速度的確定 .403.6.3 最佳顆粒直徑的確定 .424結(jié)論.45參考文獻(xiàn).46附錄.49致謝.50棗莊職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5研究氣固流化床捕獲 CO2前言氣固流化床是能源、化工、石油、冶金行業(yè)中的重要設(shè)備1。它比傳統(tǒng)的反應(yīng)及燃燒設(shè)備除了具有易于控制、傳熱傳質(zhì)效率高、床溫分布均勻等優(yōu)點(diǎn)外，它的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、緊湊，故適于大型操作2。由于具有各種優(yōu)點(diǎn)使它自誕生的幾十年來備受人們的關(guān)注，但床體內(nèi)氣固兩相存在強(qiáng)烈的非線性、復(fù)雜

6、性作用使人們對(duì)床層內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律尚不十分清楚，從而導(dǎo)致了流化床設(shè)備的設(shè)計(jì)與放大方面存在很多困難。近幾年興起的流體力學(xué)方法（CFD）得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。它可以對(duì)設(shè)備的尺寸、構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化，在設(shè)計(jì)設(shè)備之前可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式粗略建立模型，然后用數(shù)值模擬手段進(jìn)行模擬優(yōu)化，確定其最佳尺寸和操作條件。模擬時(shí)，可以大膽假定流化床內(nèi)的操作條件，避免了實(shí)驗(yàn)過程中可能存在的危險(xiǎn)。通過 CFD 軟件，可以分析并且顯示發(fā)生在流場(chǎng)中的現(xiàn)象，在比較短的時(shí)間內(nèi)，能預(yù)測(cè)裝置性能，并通過改變各種參數(shù)，達(dá)到最佳設(shè)計(jì)和操作效果。CFD 的數(shù)值模擬，能使我們更加深刻地理解問題產(chǎn)生的機(jī)理，為設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，既節(jié)省實(shí)驗(yàn)所需的人力、物力、時(shí)間

7、，又對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的整理和規(guī)律的得出起到良好的指導(dǎo)作用。本論文是在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，將 CFD 引入到用于 CO2捕獲的流化床流動(dòng)特性的模擬研究中，用以對(duì)表觀氣速、固體顆粒循環(huán)速度和顆粒直徑等因素對(duì)分布器區(qū)壓降、CaO 分率 CO2分率等的影響規(guī)律進(jìn)行模擬，以期清楚得到局部的流體運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)，為反應(yīng)器的放大與設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。第一章第一章 文獻(xiàn)綜述文獻(xiàn)綜述1.11.1 課題背景課題背景隨著人類社會(huì)對(duì)能源消耗的增加，我們過度依賴地球上上千萬年累積的石油、煤炭、天然氣等礦物燃料的燃燒，結(jié)果產(chǎn)生的二氧化碳帶來了溫室效應(yīng)等全球性環(huán)境問題。尤其是 2007 年 l 到 2 月份所出現(xiàn)的全球的氣候異常(中國(guó)出現(xiàn)的

8、暖冬現(xiàn)象和歐洲出現(xiàn)的突降暴雪)，給各國(guó)都帶來了巨大的影響。CO2作為主要的溫室氣體，一旦排放到大氣中，最長(zhǎng)可生存 200 年的時(shí)間，其增溫效應(yīng)顯著，占所有溫室氣體棗莊職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6的 60%以上。近年來，隨著工業(yè)的速發(fā)展，越來越多的化石燃料燃燒，以及綠色植被的減少，導(dǎo)致大氣中 CO2的含量逐年增加。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，近 100 多年來，大氣中 CO2的濃度增加了約 31%。氣候變暖不僅僅只是氣候和全球環(huán)境的問題，而且是一個(gè)涉及到人類生存空間、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大問題3。溫室效應(yīng)日益嚴(yán)重，引起了冰川融化、北極層縮減、降雨形態(tài)改變等異常的現(xiàn)象，造成了咫風(fēng)、干旱、海洋風(fēng)暴、沙漠面積增大等自

9、然災(zāi)害，造成了巨大損失，已成為當(dāng)今最為顯著的環(huán)境問題之一，溫室效應(yīng)開始引起人們的廣泛重視。目前，大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為，人類活動(dòng)所釋放的大量CO2是引起全球變暖的主要原因，有在短期內(nèi)改變氣候的可能4。雖然，各國(guó)一直都致力于新能源的開發(fā)，降低對(duì)化石燃料的依賴，但是現(xiàn)階段新能源因其成本過高、難于工業(yè)化實(shí)現(xiàn)而只處于研究和開發(fā)階段，并不能廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和生活中。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)能源的需求量不斷增大，化石燃料在今后的幾十年內(nèi)還將會(huì)是主要的能源。隨著對(duì)化石燃料使用的增多，在沒有任何對(duì)CO2吸收和處理措施的情況下，CO2釋放量相對(duì)增多，會(huì)促進(jìn)CO2在大氣中的積累，將對(duì)氣候產(chǎn)生更大的影響。在眾多的減緩與控制CO2

10、排放的技術(shù)中，要既不改變現(xiàn)在的能源結(jié)構(gòu)，又可以減少CO2的排放，只能從開發(fā)吸收CO2技術(shù)人手5。CO2作為一種潛在的碳資源，它幾乎可以應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，越來越受到人們的重視，應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛開發(fā)，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)CO2的回收利用早已引起重視并作了大量推廣。國(guó)外CO2主要來源于工業(yè)副產(chǎn)品，如天然氣轉(zhuǎn)化制氫、發(fā)酵制乙醇。美國(guó)是世界上最大的CO2生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，其液體CO2的生產(chǎn)能力1000萬t/a，有26家生產(chǎn)企業(yè)，美國(guó)在一些新的應(yīng)用領(lǐng)域也取得較大的進(jìn)展，在利用CO2超臨界萃取方面技術(shù)上比較成熟。日本CO2生產(chǎn)能力約為116萬t/a，利用量約為100萬t/a。政府計(jì)劃10年內(nèi)投資230億日元建立一整

11、套以CO2為化工原料的獨(dú)立工業(yè)體系，已著手進(jìn)行許多基礎(chǔ)研究，取得較大的進(jìn)展。經(jīng)過30年的發(fā)展，我國(guó)CO2行業(yè)已經(jīng)發(fā)展成為擁有生產(chǎn)企業(yè)近100家, 總生產(chǎn)能力約200萬t/a的規(guī)模。目前國(guó)內(nèi)CO2氣體的主要來源有乙醇發(fā)酵裝置、合成氨和制氫裝置副產(chǎn)、鍛燒石灰石窯氣回收及天然CO2氣資源等。由于市場(chǎng)需求量的快速增長(zhǎng)，眾多世界氣體生產(chǎn)廠商先后投資我國(guó)。目前國(guó)內(nèi)CO2的年消費(fèi)量約60萬t/a，由于CO2在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域的應(yīng)用不斷開拓，預(yù)計(jì)今后幾年消費(fèi)量增長(zhǎng)速度可達(dá)15%20%，市場(chǎng)前景樂觀。國(guó)內(nèi)CO2的應(yīng)用主要集中在飲料行業(yè)、化工行業(yè)及焊接等行業(yè)中。可見，研究經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)、易于大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的分離回收和固定

12、 CO2的技術(shù)，具有十分重大的意義。1.21.2 COCO2 2主要捕獲技術(shù)及研究方向主要捕獲技術(shù)及研究方向棗莊職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7目前國(guó)際可能用于削減 CO2排放量的主要技術(shù)有：降低能源消耗，例如提高能源轉(zhuǎn)化率和利用效率；改用含碳低的燃料，如用天然氣代替煤和利用可再生能源和核能；增強(qiáng) CO2的自然匯，例如森林、土壤和海洋；在礦物燃料燃燒時(shí)補(bǔ)給和貯存CO2。這些技術(shù)各起各的作用，可以降低能源消耗和轉(zhuǎn)變?nèi)剂?，可大大消減 CO2排放量，但要對(duì)能源系統(tǒng)作實(shí)質(zhì)性改變。增強(qiáng) CO2的自然匯是不能提供對(duì) CO2長(zhǎng)期的深度消減，同時(shí) CO2是一種潛在的碳資源，它幾乎可以應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，越來越受到

13、人們的重視，應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛的開發(fā)，因此，在礦物燃料燃燒時(shí)捕集 CO2并安全貯存不僅是一種快速大量消減 CO2排放量的手段，而且可以解決能源緊張的問題，大力開展 CO2資源的綜合開發(fā)利用顯得十分重要。目前常用的傳統(tǒng)捕獲 CO2的方法主要有吸收法、吸附法、膜分離法、精餾法和低溫分離法等6-7。1.2.11.2.1 吸收吸收法法使用溶劑對(duì)CO2進(jìn)行吸收和解吸，CO2濃度可達(dá)到98%以上，主要分為化學(xué)吸收法和物理吸收法8?；瘜W(xué)吸收法主要采用堿性溶液對(duì)CO2進(jìn)行溶解分離，然后通過脫析分解分離出CO2氣體同時(shí)對(duì)溶劑進(jìn)行再生。典型的化學(xué)吸收法過程如圖1-1所示。煙氣在吸收塔內(nèi)與吸收液逆向流動(dòng)，其中的CO

14、2與吸收劑進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，形成一種弱聯(lián)結(jié)的化合物。處理后的煙氣直接排除，吸收液被通入還原塔內(nèi)還原。主要的化學(xué)吸收溶劑是單乙醇氨（MEA）、二乙醇氨（DEA）和甲基二乙醇氨（MDEA）等。交 交 交 交 交 交交 交 交交 交交 交 交 交交 交 交C O2交 交 交 圖 1-1 化學(xué)吸收的簡(jiǎn)單工藝流程Figure 1-1 A simple chemical absorption process此種方法已較為普遍和成熟，對(duì)CO2的捕獲效果好，適用于中等或較低CO2分壓的煙氣，該法的缺點(diǎn)是只適用于從低濃度的CO2廢氣中吸收CO2，且流程復(fù)雜，溶劑棗莊職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8再生耗能大，操作成本高

15、。物理吸收法與化學(xué)吸收法類似，就是采用對(duì)CO2溶解度大、選擇性好、性能穩(wěn)定的有機(jī)溶劑，通過加壓溶解CO2來完成捕捉過程，然后降壓或者加熱的方式進(jìn)行CO2的釋放和溶劑的再生。該法比較適用于高CO2分壓的煙氣。主要的物理吸收溶劑有甲醇（Rectisol）、多乙烯乙二醇（Selexol）和N-甲基-2-砒咯烷（Purisol）等9-11。典型的物理吸收法有環(huán)丁砜法、加壓水洗法、N-甲基吡咯烷酮法、Selexol法、低溫甲醇法(Rectisol法)、碳酸丙烯酯法(Flour法)等。物理吸收法消耗熱能比化學(xué)吸收法小，不易腐蝕，但該法選擇性差、回收率低，吸收劑會(huì)因硫化物劣化而減少再生次數(shù)，導(dǎo)致該方法經(jīng)濟(jì)性

16、不佳，運(yùn)行成本和能耗都比較高，在工業(yè)中很少應(yīng)用。1.2.21.2.2 吸附法吸附法吸附法是通過吸附體在一定的條件下對(duì)CO2進(jìn)行選擇性地吸附，然后再將CO2解析，從而達(dá)到分離CO2的目的。CO2的吸附劑一般為一些特殊的固體材料，如：沸石、活性炭、分子篩、氧化鋁凝膠等。按照改變的條件，主要有變壓吸附法(PSA)和變溫吸附法(TSA)。變壓吸附是指煙氣以高壓和低溫狀態(tài)流入床層，直到床的出口處達(dá)到所要求的壓力平衡狀態(tài)，然后停止通入氣流，降低床內(nèi)壓力，分離出來的CO2排除濾床，同時(shí)，濾床內(nèi)的吸附材料得以重生。變壓吸附法在工業(yè)上應(yīng)用較多，其工藝流程如圖1-2所示。而在變溫吸附中，濾床內(nèi)被吸附CO2的排除和

17、吸附劑的再生是由溫度的調(diào)節(jié)來控制。能耗大且體積龐大，在工業(yè)中較少地采用。因此PSA系統(tǒng)比TSA系統(tǒng)更有優(yōu)越性12。交 交 交交 交 交 交交交交交交交交交交交 交 交 交圖 1-2 變壓吸附流程圖Figure 1-2 Flow chart of pressure swing adsorption吸附法主要依靠范德華力吸附在吸附體的表面，吸附能力主要決定于吸附體的棗莊職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9表面積以及操作的壓(溫)差，所以此法的缺點(diǎn)是效率較低，需要大量的吸附體，成本非常高，且得到的CO2濃度較低，不能作為產(chǎn)品使用。1.2.31.2.3 膜分離法膜分離法膜分離法主要是在一定條件下，通過膜對(duì)氣體

18、滲透的選擇性把CO2和其他氣體分離開。按照膜材料的不同，主要有聚合體膜、無機(jī)膜以及正在發(fā)展的混合膜和其他過濾膜。膜分離法又分為氣體分離膜技術(shù)和氣體吸收膜技術(shù)兩類。氣體分離膜技術(shù)依靠待分離混合氣體與薄膜材料之間的化學(xué)或物理反應(yīng)，使得一種組分快速溶解并穿過該薄膜，如圖1-3所示。薄膜將混合氣體分成穿透氣流和剩余氣流兩部分。氣體分離膜的分離能力取決于薄膜材料的選擇性和兩個(gè)過程參數(shù)：穿透氣流對(duì)總氣流的流量比和壓力比。薄膜的種類多種多樣，如：聚苯醚、醋酸纖維、陶瓷、金屬氧化物等。交 交交 交圖 1-3 氣體分離膜分離CO2的示意圖Figure 1-3 Separation of CO2 in the h

19、ands of gas separation membranes氣體吸收膜技術(shù)結(jié)合了化學(xué)吸收法特點(diǎn)(高選擇性)和氣體分離膜技術(shù)特點(diǎn)(設(shè)備緊湊)的膜分離技術(shù)。與氣體分離膜技術(shù)相比，在薄膜的另一側(cè)有化學(xué)吸收液的存在。氣體吸收膜技術(shù)中的微孔薄膜材料只起到了隔離氣體與吸收液的作用，對(duì)分離氣體的選擇是靠吸收液來進(jìn)行的。最理想的吸收膜是中空纖維膜13。因?yàn)槟ぜ夹g(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，所以已經(jīng)成功用于石油、天然氣、化工、食品、海水淡化等，但特效分離膜成本高和長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性的問題尚有待進(jìn)一步解決，在CO2分離方面還處于試驗(yàn)階段。1.2.41.2.4 精餾法精餾法該法利用吸附劑吸附雜質(zhì)，精餾出輕組分，可得到高純

20、液態(tài)產(chǎn)品。如后續(xù)做干棗莊職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10冰，則采用高壓餾法。較常用的是低溫精餾法，一般在1.52.5 Mpa，-4020下操作，經(jīng)過前級(jí)脫硫后，還采用脫硫效果較高的脫硫劑進(jìn)行深層脫硫，并采用沸石分子篩作為脫水劑進(jìn)行脫水，可選擇性的吸附氣體中的醇、醛、高級(jí)烴，回收的CO2純度可以達(dá)到食品級(jí)。本法需要低溫操作，能耗較高、分離效果較差，且成本較高，不適應(yīng)中小規(guī)模的生產(chǎn)。1.2.51.2.5 低溫分離法低溫分離法低溫分離法是通過低溫冷凝分離CO2的一種物理過程。一般是將煙氣經(jīng)多次壓縮和冷卻后，以引起CO2的相變，達(dá)到從煙氣中分離CO2的目的。為了避免煙氣中的水蒸氣在冷卻過程中形成冰塊，造

21、成對(duì)系統(tǒng)的阻塞，有時(shí)還需要在分離CO2之前先將煙氣干燥以除去水分9。此法的優(yōu)點(diǎn)是CO2的分離效率和純度都很高，不過由于多次壓縮等原因，此方法的能耗非常高。1.2.61.2.6 新興新興COCO2 2捕獲方法捕獲方法CO2可利用吸收劑如單乙醇胺(MEA)從燃燒過程的煙氣中加以捕集。然而，再生吸收劑需額外耗能，對(duì)于MEA，從煙氣中回收CO2需耗能約900 kCalkg-1 CO2，通常這是不經(jīng)濟(jì)的。日本三菱重工公司(MHI)與關(guān)西電力公司(KEPCO)合作，開發(fā)了新工藝，可使CO2回收途徑帶來新的變化。MHI發(fā)現(xiàn)的CO2新吸收劑是稱為KS-1和KS-2的位阻胺類，其回收所需能量比MEA所需能量少約

22、20。因?yàn)镵S-1和KS-2對(duì)熱更穩(wěn)定、腐蝕性也比MEA小，因此，操作時(shí)胺類的總損失可減少到常規(guī)吸收劑的約1/20。對(duì)于能量費(fèi)用不昂貴的地區(qū)，大規(guī)模裝置使用新的工藝過程，CO2回收費(fèi)用(包括壓縮所需費(fèi)用)約為20美元/tCO2，它比基于MEA的常規(guī)方法低約3014-15。巴斯夫公司實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)表明，采用新型溶劑從發(fā)電廠排放物中脫除CO2，具有耐用和耗用很少能量的優(yōu)點(diǎn)。這種溶劑由巴斯夫公司與歐盟“捕集CO2并貯存”開發(fā)項(xiàng)目組其他成員共同開發(fā)。2006年3月在位于丹麥埃斯比約的世界最大的中型煤發(fā)電裝置上試用。首次試驗(yàn)將采用單乙醇胺(MEA)作為參比溶劑。捕集CO2所用溶劑的重點(diǎn)在于減少脫除CO2所需

23、的能量，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)表明，巴斯夫開發(fā)的胺基新溶劑比常規(guī)溶劑穩(wěn)定得多，并可使用較長(zhǎng)時(shí)間，在吸收和釋放CO2過程中耗能也比較低，用新溶劑進(jìn)行氣體洗滌能大大降低除去CO2的費(fèi)用。美國(guó)Powerspan公司16開發(fā)了ECO2捕集工藝，可使用含水的氨(AA)溶液從電廠煙氣(FG)中捕集CO2。這是該公司與美國(guó)能源部國(guó)家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(NETL)共同研究的成果。BP替代能源公司與Powerspan公司正在開發(fā)和驗(yàn)證Powerspan公司稱為ECO2基于氨的CO2捕集技術(shù)，并將使其用于燃煤電廠推向商業(yè)化。這種后燃燒CO2捕集工藝適用于改造現(xiàn)有的燃煤發(fā)電機(jī)組和新建的燃煤電廠。ECO2捕集工藝與Powerspan

24、公棗莊職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11司的電催化氧化技術(shù)組合在一起，使用氨水吸收大量二氧化硫(SO2)、氮氧化合物(NOx)和汞。CO2加工步驟設(shè)置在ECO2的SO2、NOx和汞脫除步驟的下游。根據(jù)美國(guó)國(guó)家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(NETL)等對(duì)使用含水的氨吸收CO2進(jìn)行的研究表明，傳統(tǒng)的單乙醇胺(MEA)工藝用于CO2脫除，CO2負(fù)荷能力低，有高的設(shè)備腐蝕率，胺類會(huì)被其他煙氣成分降解，同時(shí)吸收劑再生時(shí)能耗高。比較而言，氨水加工有較高的負(fù)荷能力，無腐蝕問題，在煙氣環(huán)境下不會(huì)降解，可使吸收劑補(bǔ)充量減少到最小，再生所需能量很少，而且成本大大低于MEA。尤其是NETL采用Powerspan公司開發(fā)的氨水工藝與常

25、規(guī)胺類相比，有四大優(yōu)點(diǎn)：(1)蒸氣負(fù)荷小。(2)產(chǎn)生較濃縮的CO2攜帶物。(3)較低的化學(xué)品成本。(4)產(chǎn)生可供銷售的副產(chǎn)物實(shí)現(xiàn)多污染物控制。在該ECO2工藝中，CO2通過用AA洗滌從煙氣中被捕集，AA通過形成二碳酸銨鹽吸收CO2。得到的NH4HCO3，溶液可被熱法再生，釋放出CO2和NH3。NH3被分離并返回洗滌器。得到濃縮的CO2物流尤其適用于回收。據(jù)測(cè)算，與已商業(yè)化應(yīng)用的基于胺類的CO2捕集技術(shù)相比，基于氨的CO2捕集技術(shù)在成本上可望大大節(jié)約。但是，對(duì)于上述幾種方法，成本都比較高而難于工業(yè)化實(shí)現(xiàn)，雖然已有氨溶液吸收技術(shù)在美國(guó)的一些電廠中得到應(yīng)用，但高的吸收成本將使火電廠的發(fā)電成本提高，這

26、也是這種技術(shù)沒有能很好推廣的原因。目前，對(duì)干法循環(huán)洗滌吸收技術(shù)的研究比較成熟并正在向工業(yè)化應(yīng)用。這種技術(shù)中主要的吸收試劑是堿性氧化物。因CO2是酸性氣體，更易在堿性或堿性活點(diǎn)上被吸附。價(jià)態(tài)和粒子半徑比較低的金屬氧化物離子性更強(qiáng)，能提供更多的堿性活點(diǎn)。一些金屬氧化物進(jìn)行吸附時(shí)，它們對(duì)CO2的吸附容量是會(huì)可逆變化的，可見金屬氧化物對(duì)于 CO2的吸附容量并不相同。根據(jù)對(duì)各種堿性金屬氧化物的比較得出：CaO 以其具有高的 CO2吸附容量和循環(huán)使用率、低的制備成本、較長(zhǎng)的使用壽命并具有良好的抗磨特性而成為優(yōu)選高溫 CO2脫除劑17。1.31.3 CaOCaO 吸收吸收 COCO2 2機(jī)理機(jī)理1.3.11

27、.3.1 CaOCaO 吸收吸收 COCO2 2過程過程使用CaO作為CO2的吸收劑，主要是由于CaO是由天然石灰石煅燒而來，原料來源廣、容易制備。在高溫作用下，CaCO3易受熱分解，產(chǎn)生具有高比表面積的多孔CaO。CaO與CO2發(fā)生氣-固反應(yīng)生成CaCO3，使煙氣中CO2的排放量降低。同時(shí)，將生成的CaCO3在另外的容器中煅燒，再生成CaO和CO2。其中生成的CO2因純度較高可以直接存儲(chǔ)，易于工業(yè)利用；重新生成的CaO也可以回收利用繼續(xù)吸收CO2，如此循環(huán)利用CaO可以降低吸收劑的成本，也易于工業(yè)化實(shí)現(xiàn)。循環(huán)流化床CO2捕集的流程方框圖見圖1-4：棗莊職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12燃燒室煅燒

28、爐CaCO3CaO 含 CO2的燃燒氣處理后氣體CO25新鮮CaCO3再生CaO圖 1-4 CaO 循環(huán)吸收 CO2過程Figure 1-4 CO2 absorption using CaO cycle其中，反應(yīng)方程如下： (1-1)32CaCOCaO+CO (1-2)23CaO+COCaCO1.3.21.3.2 CaOCaO 吸收吸收 COCO2 2機(jī)理機(jī)理CaO 吸收 CO2為非催化氣-固反應(yīng)。首先，CO2擴(kuò)散到 CaO 顆粒表面，發(fā)生反應(yīng)，生成 CaCO3；隨后，CO2分子擴(kuò)散進(jìn)入 CaO 孔隙內(nèi)部進(jìn)行反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì) CaO 高比表面積的充分利用18。在反應(yīng)過程中，CaO 顆粒表面生成的致

29、密 CaCO3產(chǎn)物層，會(huì)對(duì) CO2分子進(jìn)一步向顆粒內(nèi)部擴(kuò)散起到阻擋的作用，影響吸收劑碳酸化反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行。其中，CaO 內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)初始特性也將影響碳酸化反應(yīng)速率、CO2吸收效果和鈣利用率。由于 CaCO3與 CaO 的摩爾比容積不同(CaO 的摩爾體積為 17 cm3/mol，經(jīng)過碳酸化反應(yīng)后所生成的 CaCO3的摩爾體積為 37 cm3/mol)，產(chǎn)生的高容積的 CaCO3會(huì)不斷地填充 CaO 的孔隙，降低 CaO 的可利用比表面積，使得 CaO 的反應(yīng)能力下降。特別是在小孔和孔口處極易造成堵塞，使 CO2不能進(jìn)入 CaO 的內(nèi)部反應(yīng)，從而導(dǎo)致 CaO的實(shí)際碳酸化轉(zhuǎn)化率遠(yuǎn)低于 100%

30、(CaO 的碳酸化反應(yīng)按其化學(xué)反應(yīng)計(jì)量系數(shù)計(jì)算)。在 CaO 轉(zhuǎn)化率達(dá)到 100%時(shí)，1g CaO 單次碳酸化反應(yīng)吸收 CO2量為 0.786 g19-20。1.3.31.3.3 CaOCaO 吸收性能的影響因素吸收性能的影響因素1.3.3.11.3.3.1 添加催化劑對(duì)添加催化劑對(duì) CaOCaO 吸收性能的影響吸收性能的影響研究鈣基脫硫劑脫硫性能時(shí)，常加入金屬化合物，來改善吸收劑的脫硫性能，提高石灰石的利用率21。同樣，在吸收 CO2的實(shí)驗(yàn)中，往石灰石中加入少量的MgO、A12O3、Na2CO3對(duì) CaO 顆粒吸收性能改善情況進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)表明，添加少量的催化劑可以明顯地改善 CaO 的吸收

31、性能和循環(huán)使用壽命(主要是減緩了單次吸收率的衰減，保持 CaO 顆?；钚?。若添加催化劑的量過大，實(shí)際中對(duì) CaO 顆粒吸收性能的棗莊職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13改善并不明顯，而且催化劑多為惰性物質(zhì)，雖然不與 CaO 和 CO2反應(yīng)，但是在吸收和煅燒過程中也會(huì)吸收部分熱量，導(dǎo)致能量的浪費(fèi)，這也是不經(jīng)濟(jì)的。因此，添加催化劑的劑量要嚴(yán)格控制，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)、節(jié)能的目的22。另外，如加入離子化合物Na2CO3，雖能在一定的程度上改善 CaO 吸收性能，但是在煅燒過程中也會(huì)促進(jìn) CaO的燒結(jié)，降低 CaO 的吸收率23。金屬化合物因其具有化學(xué)穩(wěn)定性，只起到一定的催化作用而不會(huì)促進(jìn)燒結(jié)。因此，催化劑采用金

32、屬化合物也是比較理想的。1.3.3.21.3.3.2 溫度對(duì)溫度對(duì) CaOCaO 吸收特性的影響吸收特性的影響CaO 的碳酸鹽化過程首先是反應(yīng)速率非?？斓幕瘜W(xué)反應(yīng)控制階段，然后是反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的增加速率明顯降低，最后變化趨勢(shì)趨于平穩(wěn)，進(jìn)入產(chǎn)物層擴(kuò)散階段。不論在何種溫度下，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間的變化曲線都是由兩部分組成，同時(shí)，不同溫度下化學(xué)反應(yīng)階段所持續(xù)的時(shí)間基本相同，在 2 min 以內(nèi)24。在較高溫度下，化學(xué)反應(yīng)階段結(jié)束后，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率曲線緩慢過渡到產(chǎn)物層擴(kuò)散階段；在較低溫度下，化學(xué)反應(yīng)階段結(jié)束后，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率曲線迅速過渡到產(chǎn)物層擴(kuò)散階段。CaO 化學(xué)反應(yīng)控制階段的轉(zhuǎn)化率和最終由產(chǎn)物層擴(kuò)散控制階段的轉(zhuǎn)化

33、率都隨溫度升高而升高。因此，隨著溫度的升高，CaO 的轉(zhuǎn)化率有較大的提高。1.3.3.31.3.3.3 CaOCaO 孔隙分布對(duì)孔隙分布對(duì) CaOCaO 吸收性能的影響吸收性能的影響要提高 CaO 的 CO2吸收量，就應(yīng)從 CaO 內(nèi)部孔的結(jié)構(gòu)入手。Ghosh Dastidar 等25認(rèn)為利用自然界的石灰石煅燒所得的 CaO，當(dāng)具有合理的孔隙結(jié)構(gòu)分布時(shí)，才能減少硫化過程中孔堵塞和孔閉塞的機(jī)會(huì)，保證 CaO 具有較高的反應(yīng)活性，對(duì)于 CaO吸收 CO2所生成的 CaCO3與 CaO 吸收 SO2所生成的 CaSO4相比較(CaCO3的摩爾體積為37 cm3/mol，CaSO4的摩爾體積為 46

34、cm3/mo1) ，兩者的摩爾體積相差并不是很多。因此，對(duì)于 CaO 吸收 SO2所得出的結(jié)論，同樣也適用于 CaO 吸收 CO2。原始 CaO 表面的孔隙分布大體上都在微孔孔隙范圍內(nèi)(小于 2 nm) ，這也使得CaO 內(nèi)部的孔隙的比表面積較大，能與更多的 CO2進(jìn)行反應(yīng)，增大吸收率。但是，在實(shí)際的 CaO 吸收 CO2反應(yīng)中，在孔中所形成的 CaCO3產(chǎn)物摩爾體積比增長(zhǎng)所引起的對(duì)微孔的堵塞就敏感得多。如果初始孔隙處于 520 nm 的范圍內(nèi)，對(duì)碳酸化反應(yīng)所引起的堵塞則不太敏感；在大于 2 nm 范圍內(nèi)，CaO 孔隙比表面積和孔容積會(huì)急劇減小。因此，通過優(yōu)化 CaO 孔結(jié)構(gòu)分布特性的方法，來

35、減少碳酸化反應(yīng)過程中所形成的不可進(jìn)入孔的數(shù)量，提高孔隙利用率，可以使 CaO 具有較高的吸收 CO2的能力。然而，不同種類的 CaO 的孔隙分布不同，決定了孔徑 520 nm 范圍內(nèi)的比表面積和孔容積量值的差異。只有調(diào)節(jié)孔結(jié)構(gòu)使之合理分布時(shí)，才能減少反應(yīng)過程中生成物對(duì)孔的堵塞，保證 CaO 具有比較高的反應(yīng)活性。對(duì)于不同的石灰石煅燒所產(chǎn)生的 CaO，其孔隙的形狀及連接方式都不是完全相同。例如：小孔被更小孔貫穿，不同截面的孔穿過整個(gè)長(zhǎng)度。在碳酸化反應(yīng)發(fā)生時(shí)，小孔更早的被 CaCO3產(chǎn)物層所覆蓋，從而形棗莊職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14成不可進(jìn)入的孔空間；而具有不同連接方式的孔隙，其被完全堵塞的時(shí)

36、間也不相同。孔空間堵塞不僅依賴孔徑分布，而且還與固體反應(yīng)物內(nèi)孔隙之間的連接方式有關(guān)，即使具有相同孔徑分布的顆粒有可能具有顯著不同的吸收效率。如果能夠?qū)?CaO 孔隙結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行正確地描述，將對(duì)分析吸收 CO2過程中 CaO的孔堵塞和如何提高碳酸化反應(yīng)活性等問題具有重要意義?，F(xiàn)今研究比較多的是CaO 顆?？紫斗植嫉膶?duì)數(shù)正態(tài)形式分布和指數(shù)形式分布模型。通過分析發(fā)現(xiàn)，在對(duì)孔隙比表面積分布描述時(shí)，指數(shù)形式模型比對(duì)數(shù)形式模型更為合適。但對(duì)于孔容積分布，指數(shù)模型并未明顯優(yōu)于對(duì)數(shù)模型。指數(shù)形式模型在一定的孔徑分布范圍內(nèi)對(duì)孔隙特性參數(shù)描述上優(yōu)于對(duì)數(shù)形式模型，說明在分析 CaO 顆?？紫短匦詴r(shí)，考慮孔徑密度分布

37、是有必要的，它能夠更真實(shí)、準(zhǔn)確地反映 CaO 顆粒的孔隙特性。在對(duì)多孔 CaO 內(nèi)部孔隙特性參數(shù)進(jìn)行描述時(shí)，應(yīng)對(duì)孔徑分布和孔長(zhǎng)分布采用不同的模型來描述。由于不同模型中對(duì)參數(shù)定義形式不同，在應(yīng)用上各有優(yōu)缺點(diǎn)，如果在同一個(gè)模型中把參數(shù)假設(shè)成不同的形式，可能會(huì)獲得更好的效果。內(nèi)孔的比表面積 Sr 和孔容積 Vr 的計(jì)算公式如下：26指數(shù)形式模型 (1-3)21424)(312rrrkkrdrrekkS (1-4)21425)(31rrrkkrdrrekkV對(duì)數(shù)形式模型 (1-5)max12)ln(lnexp2220rrdrrrlSr (1-6)max12)ln(lnexp2220rrdrrrlVr另

38、外，CaO 顆粒粒徑大小也會(huì)影響到吸收效率。當(dāng)顆粒粒徑較大時(shí)，在其煅燒及吸收過程中氣體向顆粒內(nèi)部擴(kuò)散的阻力將會(huì)加大，熱解和吸收完全所需時(shí)間將變長(zhǎng)，容易造成顆粒表面燒結(jié)，嚴(yán)重影響其吸收效率。研究表明，隨著粒徑的增大，鈣轉(zhuǎn)化率逐漸降低。因此小粒徑顆粒內(nèi)部氣體擴(kuò)散阻力小，有利于反應(yīng)的進(jìn)行27。1.3.3.41.3.3.4 煙氣中成分對(duì)煙氣中成分對(duì) CaOCaO 吸收性能的影響吸收性能的影響煤燃燒產(chǎn)生的煙氣中一般含有：10%15%CO2、3%4%O2、5%7%水蒸氣、棗莊職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 150.05%0.3%的 SO2 (按體積計(jì)算) ，以及極少量的 HCl 氣體等，煙氣溫度一般在12080

39、0，壓力一般處于微負(fù)壓狀態(tài)28。研究表明，在煙氣中含有適量的水蒸氣可以增加吸收 CO2的能力，加強(qiáng)反應(yīng)率，但是長(zhǎng)時(shí)間高溫吸收的過程中，就會(huì)對(duì)吸收劑的性能產(chǎn)生負(fù)面影響29。因?yàn)樗魵獾拇嬖跁?huì)促進(jìn) CaO 表面的燒結(jié)，堵塞表面的孔隙；另外水蒸氣與 CaO 反應(yīng)會(huì)生成氫氧化物，從而破壞 CaO 表面孔的分布，減少孔的數(shù)量，也會(huì)減小 CaO 的吸收能力。但在通常煙氣條件下，水蒸氣與CaO 發(fā)生氫氧化反應(yīng)的溫度不會(huì)超過 350，尾部煙氣（氣體積濃度 10%的 CO2 )與CaO 發(fā)生碳酸化反應(yīng)的平衡溫度為 750，所以在高溫下對(duì) CO2吸收，水蒸氣與 CaO一般不會(huì)發(fā)生反應(yīng)，但會(huì)促進(jìn)一定的燒結(jié)。因此，控

40、制煙氣中水蒸氣的含量主要是，防止在吸收反應(yīng)中由于吸收容器內(nèi)加熱不均勻而出現(xiàn)低溫區(qū)，對(duì) CaO 的表面產(chǎn)生影響。同時(shí)，CaO 也是一種脫硫劑，也要與煙氣中的 SO2發(fā)生反應(yīng)，生成穩(wěn)定的CaSO4。所以對(duì)于 CaO 來說，在煙氣中含量很少的 SO2也是一種影響 CaO 吸收性能的有害成分( SO2會(huì)與 CaO 反應(yīng)生成 CaSO4，CaSO4在 1200才發(fā)生分解，從而減少了循環(huán)吸收中可利用 CaO 的含量) 。研究表明，在多次循環(huán)吸收過程中，CaO 與 CO2發(fā)生碳酸化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率仍是其與 SO2發(fā)生硫酸化的轉(zhuǎn)化率的 5 倍左右，而且 CaO 在與 CO2的每次碳酸化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率仍可保持在 36

41、%40%。因此，煙氣中的 SO2對(duì)于CaO 吸收 CO2的性能影響很小，可以忽略30。1.3.3.51.3.3.5 循環(huán)次數(shù)對(duì)循環(huán)次數(shù)對(duì) CaOCaO 吸收性能的影響吸收性能的影響CaO 與 CO2的反應(yīng)首先是反應(yīng)速率非常快的化學(xué)反應(yīng)控制階段，隨著氣固反應(yīng)的進(jìn)行，由于吸收劑表面和內(nèi)部孔隙被覆蓋、堵塞使吸收劑表面及內(nèi)部的擴(kuò)散阻力逐漸增加，因此整個(gè)吸收氣固反應(yīng)過程由最初的化學(xué)反應(yīng)控制階段逐漸過渡到中間過渡階段，最后轉(zhuǎn)化率變化趨趨于平緩，進(jìn)入產(chǎn)物層擴(kuò)散階段。受 CaO 與 CO2反應(yīng)表面反應(yīng)階段、過渡階段和產(chǎn)物層擴(kuò)散階段影響，同時(shí)考慮到 CaO 反應(yīng)速率隨反應(yīng)進(jìn)行逐漸降低，CaO 在流化床內(nèi)對(duì) CO

42、2的吸收特性也表現(xiàn)出明顯的 3 個(gè)階段：首先是CaO 對(duì)氣相產(chǎn)物中的 CO2的快速吸收階段，此階段由于 CO2被有效吸收，氣相中的CO2體積分?jǐn)?shù)較低( 3%)并保持一定的時(shí)間；然后隨著 CaO 吸收 CO2速率的減慢，CO2含量逐漸升高；最后由于 CaO 與 CO2反應(yīng)進(jìn)入產(chǎn)物層擴(kuò)散階段，CO2體積分?jǐn)?shù)緩慢增加。雖然隨循環(huán)次數(shù)的增加，CaO最終轉(zhuǎn)化率都會(huì)降低。但在不同的溫度，CaO最終轉(zhuǎn)化率的降低趨勢(shì)有所不同。低溫下CaO最終轉(zhuǎn)化率隨循環(huán)次數(shù)的增加而快速降低，最后趨于一穩(wěn)定值后不再變化。較高溫度下CaO最終轉(zhuǎn)化率的降低比較緩慢。1.3.41.3.4 裝置設(shè)備裝置設(shè)備棗莊職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）

43、 16圖 1-5 流化床反應(yīng)器Figure 1-5 Fluidized bed reactor它包括一個(gè)密相的床層區(qū)，升氣管，旋風(fēng)分離器，袋濾器31。所謂密相床層區(qū)高 1 米，內(nèi)部直徑為 100 毫米。本區(qū)域還包圍四個(gè)電暖爐，它可以在操作過程補(bǔ)充熱量。加熱器可以保持密相床層區(qū)最高溫度為 900C。進(jìn)入稠密床區(qū)域穿過高壓區(qū)或風(fēng)箱的空氣并被迫通過分布板。坐落于分布板約 1 米以上的是固體進(jìn)料氣道，返回端口，天然氣燃燒器。那個(gè)天然氣燃燒器是用來在提升啟動(dòng)時(shí)提供熱量。升氣管是一個(gè)內(nèi)徑為 100 毫米，長(zhǎng) 5 米。小型循環(huán)流化床配備了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，記錄了系統(tǒng)溫度，壓降，氣體成分。在密相床層有四個(gè)不同的溫

44、度衡量點(diǎn)通過 K 型熱電偶：離分布板的距離分別是：120，240，360 和 480 毫米。熱電偶也位于升氣管，旋風(fēng)分離器，返回腿。升氣管中的壓降可以通過一系列的壓頭測(cè)量。也可以在升氣管的頂端進(jìn)行氣體取樣；探測(cè)器可以記錄各級(jí)氧，二氧化碳，一氧化碳，二氧化硫和氮氧化物。固體樣品可返回腿回收或通過密相床層的分布板回收。1.41.4 研究?jī)?nèi)容及預(yù)期目標(biāo)研究?jī)?nèi)容及預(yù)期目標(biāo)棗莊職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，數(shù)值模擬研究得到了廣泛的應(yīng)用，并為研究者帶來了極大的方便。本文將在計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent 6.2平臺(tái)上，選擇歐拉雙流體模型對(duì)二維鼓泡床進(jìn)行仿真模擬。由于整個(gè)流程較復(fù)雜，循環(huán)流化

45、床內(nèi)構(gòu)件較多，本課題只研究碳化過程，不涉及煅燒再生過程。用大型商業(yè)CFD軟件FLUENT對(duì)循環(huán)流化床的碳化室操作單元的反應(yīng)過程進(jìn)行模擬，對(duì)CO2捕集方案進(jìn)行計(jì)算和數(shù)值模擬，確定模擬的最優(yōu)操作條件。主要包括：(1)研究不同表觀氣速對(duì)CO2吸收率的影響。(2)研究不同顆粒循環(huán)速率對(duì)CO2吸收率的影響。(3)研究不同顆粒直徑對(duì)CO2吸收率的影響。通過以上研究，優(yōu)化操作條件，提高CO2回收率，降低成本，為實(shí)現(xiàn)工業(yè)化提供基本條件。第二章第二章 流體力學(xué)模型流體力學(xué)模型及及 FLUENTFLUENT 的應(yīng)用的應(yīng)用2.12.1 流態(tài)化技術(shù)概述流態(tài)化技術(shù)概述當(dāng)流體向上通過顆粒床層時(shí)，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是變化的。流速較

46、低時(shí)，顆粒靜止不動(dòng)，流體只在顆粒間的縫隙中通過；當(dāng)流速增加到某一速度后，顆粒不再由分布板所支持，而全部由流體的摩擦力所支承。此時(shí)，對(duì)于單個(gè)顆粒來講，它不再依靠與其他相鄰顆粒的接觸而維持它的空間位置，相反，在失去了以前的機(jī)械支承后，每個(gè)顆粒可在床層中自由運(yùn)動(dòng)，總體來說這種顆粒在流化氣體的作用下表現(xiàn)出類似于流體的狀態(tài)稱為流態(tài)化。流化床是指以流態(tài)化過程工作的裝置或設(shè)備。根據(jù)床內(nèi)組分相的不同可分為氣固流化床、氣液流化床、液固流化床及氣液固三相流化床32。氣固流化床指工質(zhì)為氣體，被流化物料為固體的流態(tài)化設(shè)備。根據(jù)流化氣體速度的不同，氣固流化床又可分為固定床、鼓泡床、湍流床、快速床及氣力輸送等。當(dāng)流化氣體

47、速度較小時(shí)，固體顆粒床層保持靜止?fàn)顟B(tài)，氣體通過顆粒間隙以滲流的形式通過床層，這時(shí)的床層稱為固定床。隨著流化氣體速度的增加，當(dāng)流化氣體速度剛剛達(dá)到使床層松動(dòng)時(shí)，這時(shí)層呈現(xiàn)臨界流態(tài)化狀態(tài)，氣體的壓降全部轉(zhuǎn)化為氣體對(duì)顆粒的曳力。當(dāng)氣體超過臨界流化速度后，部分氣體將以氣泡的形式通過床層后破碎，這時(shí)的床為鼓泡床。此時(shí)床層的氣泡在上升過程中不合并、破裂。對(duì)比高徑比較大的流化床，如果進(jìn)一步提高操作氣速將導(dǎo)致床層中將出現(xiàn)類似于活塞狀的氣栓，而顆粒從氣栓上面的顆粒層紛紛下落，當(dāng)氣栓達(dá)到床層表面時(shí)氣栓破裂，后面的氣栓又周而復(fù)始地形成，棗莊職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18上升直至破碎，此時(shí)的床層稱為節(jié)涌床。氣體速度進(jìn)

48、一步提高后，氣泡尺寸變小，床層湍動(dòng)加劇，同時(shí)床層邊緣與表面均變得模糊不清，這時(shí)的床層稱為湍流床。在湍流床狀態(tài)下繼續(xù)提高流化氣體速度，床層表面將變得更加模糊不清，顆粒的揚(yáng)析與夾帶率有顯著的增加，顆粒被不斷地帶離床層，這時(shí)的床層稱為快速流化床。流化床的優(yōu)點(diǎn)可概括為以下幾點(diǎn)：1. 由于可采用細(xì)粉顆粒，并在懸浮狀態(tài)下與流體接觸，流-固相界面積大(可高達(dá)300016000 m2/m3)，有利于非均相反應(yīng)的進(jìn)行，提高了催化劑的利用率，單位質(zhì)量催化劑的生產(chǎn)強(qiáng)度要高于固定床和移動(dòng)床。2. 由于顆粒在床內(nèi)混合激烈，使顆粒在全床內(nèi)的溫度和濃度均勻一致，床層與內(nèi)浸換熱表面間的傳熱系數(shù)很高，達(dá)200400 W/(m2

49、k)，全床熱容量大，熱穩(wěn)定性高，有利于強(qiáng)放熱反應(yīng)的等溫操作。3. 在氣泡作用下，流化床中的顆粒四面八方運(yùn)動(dòng)，類似于攪拌狀態(tài)，使得床層內(nèi)的溫度除了近床壁處以外，基本均勻。另外，顆粒的熱容量大，可以利用它作為熱載體，對(duì)于高溫的情況，尤為合適。4. 流化床內(nèi)顆粒群有類似流體的性質(zhì)，可以大量地從裝置中移出、引入，并可以在兩個(gè)流化床之間大量循環(huán)。使得一些反應(yīng)-再生、吸熱-放熱等反應(yīng)耦合過程和反應(yīng)-分離耦合過程得以實(shí)現(xiàn)，使易失活催化劑能在工程中使用。5. 由于顆粒與流體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)頻繁而劇烈，流體與顆粒之間傳熱、傳質(zhì)速率也較其他接觸方式高。6. 由于顆粒運(yùn)動(dòng)情況近于完全混合，因此在有顆粒連續(xù)進(jìn)出的裝置中，

50、顆粒的逗留時(shí)間有較寬的分布。顆粒運(yùn)動(dòng)影響到氣體發(fā)生返混，使氣體沿路的濃度梯度減小，從而使傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)的推動(dòng)力有所減小，氣體的停留時(shí)間變寬。7. 由于流固體系中空隙率的變化可以引起顆粒曳力系數(shù)的大幅度變化，以致在很寬的范圍內(nèi)均能形成較濃密的床層，所以流化技術(shù)的操作彈性范圍寬，單位設(shè)備生產(chǎn)能力大，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低，符合現(xiàn)代化大生產(chǎn)的需要。正因?yàn)橛幸陨巷@著的優(yōu)點(diǎn)，流態(tài)化技術(shù)在許多情況下是不可取代的，并且得到廣泛的應(yīng)用。但是流化床技術(shù)也有自己的缺點(diǎn)，可概括為以下幾點(diǎn)：1. 多相流系統(tǒng)規(guī)律復(fù)雜，工程放大技術(shù)難度較大。2. 傳統(tǒng)的低氣速流態(tài)化反應(yīng)器中，大氣泡的存在易造成氣體短路，再加上床內(nèi)返混明顯，

51、使氣體嚴(yán)重偏離平推流。在要求氣體轉(zhuǎn)化率高時(shí)，對(duì)反應(yīng)的影響較為明顯。3. 固體顆粒在傳統(tǒng)流化床中混合激烈(近似為理想混合)，所以在固體連續(xù)移出，引入時(shí)，其停留時(shí)間分布不均，降低了固體的出口平均轉(zhuǎn)化率。4. 采用高氣速操作的快速循環(huán)流態(tài)化技術(shù)可以使上述缺點(diǎn)得到改善，但由于快棗莊職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19床中兩相接觸時(shí)間變短，只適用于反應(yīng)速率高的過程，有因?yàn)榭齑矁?nèi)顆粒濃度較低，使熱量移出、移入的能力下降。在實(shí)踐中，人們往往需要對(duì)工程問題中的現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)測(cè)，如流速、壓力、溫度等。預(yù)測(cè)的實(shí)質(zhì)，是在給定的物理?xiàng)l件下，求解控制著物理過程的若干變量在空間的分布和隨時(shí)間分布的演變。在對(duì)流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，從理

52、論上來說，可以通過求解 Navier-Stokes 方程來獲得，然而工程上絕大多數(shù)流體力學(xué)問題是高度非線性的，因此通過求解 Navier-Stokes 方程獲得解析解是不可能的。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法的飛速發(fā)展，人們?cè)噲D通過數(shù)值計(jì)算的方法依據(jù)邊界條件，來直接求解控制方程，解決具有強(qiáng)烈非線性的流動(dòng)現(xiàn)象，從而形成計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics)這一學(xué)科分支，計(jì)算流體力學(xué)涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)、流體力學(xué)、偏微分方程的數(shù)值計(jì)算、計(jì)算幾何、數(shù)值分析等學(xué)科。與實(shí)驗(yàn)研究相比，理論計(jì)算具有花費(fèi)少、速度快、信息完整、模擬能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，特別是大量的計(jì)算流體力學(xué)軟件的出現(xiàn)，大大

53、減少了計(jì)算流體力學(xué)研究的工作量，從而擴(kuò)大了計(jì)算流體力學(xué)的應(yīng)用范圍，推動(dòng)了流體力學(xué)更深入的發(fā)展。計(jì)算流體力學(xué)還不是一個(gè)很成熟的技術(shù)，在用計(jì)算流體力學(xué)對(duì)流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)測(cè)的時(shí)候，需要對(duì)復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行處理，然后用數(shù)學(xué)模型來描述它，計(jì)算的結(jié)果既取決于計(jì)算方法，也取決于數(shù)學(xué)模型本身，如果數(shù)學(xué)模型的描述不夠準(zhǔn)確，甚至不恰當(dāng)，其計(jì)算結(jié)果也就沒有任何的價(jià)值而言，所以選取數(shù)學(xué)模型至關(guān)重要。2.22.2 流體力學(xué)流體力學(xué)模型模型一個(gè)完整的流體力學(xué)模型應(yīng)該包含如下幾個(gè)方面的內(nèi)容：(1)本構(gòu)方程，即流體力學(xué)基本方程：連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程、狀態(tài)方程等。(2)湍流模型，不同于層流，必須考慮流體單元的脈動(dòng)速度，脈

54、動(dòng)是湍流流動(dòng)的基本特征。從模型的建立及求解過程可以看出，其實(shí)質(zhì)是尋找由于脈動(dòng)而引起的運(yùn)動(dòng)粘度的表達(dá)式。(3)多相流模型，相對(duì)于多相流模擬計(jì)算來說，基本的湍流模型還不夠用，需要進(jìn)一步尋找各相運(yùn)動(dòng)規(guī)律及相間作用力規(guī)律。(4)模型的求解，即數(shù)值方法。在對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要選擇合適的差分格式、松弛因子、時(shí)間步長(zhǎng)等，保證結(jié)果收斂且盡量減少 CPU 運(yùn)算時(shí)間。2.2.12.2.1 本構(gòu)方程本構(gòu)方程描述粘性流體運(yùn)動(dòng)的 Navier-Stokes 方程可以表示為：連續(xù)性方程:棗莊職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 (2-1)上式 muSt左側(cè)表示控制體內(nèi)的質(zhì)量變化量，右端表示控制體內(nèi)的累積。該式為流體流動(dòng)時(shí)的微

55、分質(zhì)量衡算方程，即稱連續(xù)方程。任何流體流動(dòng)均滿足此方程，對(duì)穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)、理想流動(dòng)或?qū)嶋H流體、不可壓縮流體或者可壓縮流體、牛頓型或非流動(dòng)型流體均適用。對(duì)于不可壓縮的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，由于 =常數(shù)，Sm= 0，則上式可簡(jiǎn)化為： (2-2)( )0u動(dòng)量方程： (2-3)21gDupuDtF 式中，為流體的運(yùn)動(dòng)粘度。該運(yùn)動(dòng)方程亦稱為奈維-斯托克斯 (Navier-Stokes)方程，方程中每一項(xiàng)都代表作用在流體質(zhì)點(diǎn)上的力。式(2-3)中左側(cè)一項(xiàng)表示慣性力；右側(cè)項(xiàng)中表示質(zhì)量力；表示壓力梯度， 表示DuDtgFp2u粘性力。四種力中，對(duì)流動(dòng)起決定性作用的是慣性力和粘性力，而壓力是在兩者之間起平衡作用的力。奈

56、維-斯托克斯方程描述的是任一瞬間流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。原則上講方程既適用于層流，也適用于湍流中。但實(shí)際只直接適用于層流，而不能直接地嚴(yán)格解決湍流問題。這是由于在湍流中，流體質(zhì)點(diǎn)成高頻隨機(jī)脈動(dòng)，因此，各物理量亦高頻脈動(dòng)，使我們無法追蹤這些極為錯(cuò)綜復(fù)雜的流體質(zhì)點(diǎn)和漩渦。國(guó)外有研究者用大渦模擬方法來求解 Navier-Stokes 方程，但僅在探索階段，一般的計(jì)算中仍采用雷諾平均來處理方程。對(duì)速度和壓力時(shí)均值和脈動(dòng)值進(jìn)行雷諾分解后，代入 Navier-Stokes 方程和連續(xù)性方程再進(jìn)行雷諾平均即得到描述湍流流動(dòng)的雷諾方程和時(shí)間平均的連續(xù)性方程： (2-4) ( )0u (2-5)iiikgKikki

57、kkiPtuuuuUuuFxxxxx 其中 (2-6)iiiU (2-7)ppP棗莊職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21式中，、P 為瞬時(shí)值，、p 為時(shí)均值，、為脈動(dòng)值。iUiuiup當(dāng)時(shí)間間隔 T 很長(zhǎng)時(shí)，有 (2-8)tTiTidUT01lim此時(shí)不再是時(shí)間的函數(shù)，這種平均方法稱為雷諾平均。iu在方程(2-4)和(2-5)組成的方程組中，除了=(x，y，z)和 p 四個(gè)未知數(shù)，新iu增加了、六個(gè)二階相關(guān)量，但方程只有四個(gè)，因2 xu2 yu2 zuyxuuzyuu,xzuu此方程組是不封閉的，為了求解時(shí)均化方程組，必須找出足夠的關(guān)聯(lián)式，使方程組在數(shù)學(xué)上成為封閉的，這就是所謂的湍流模型。為解決雷諾

58、方程封閉問題，人們提出了很多模型，這些模型基本上分為基于湍流粘性流假設(shè)的“有效粘性”模型和直接建立雷諾應(yīng)力微分方程的“雷諾應(yīng)力模型” 。2.2.22.2.2 湍流模型湍流模型自然環(huán)境和工程裝置中的流動(dòng)通常都是湍流流動(dòng)。模型任何實(shí)際過程首先就遇到湍流問題，對(duì)湍流最根本的模擬方法是在湍流尺度的網(wǎng)格尺寸內(nèi)求解瞬態(tài)三維Navier-Stokes 方程的全模擬，這是無需引進(jìn)任何模型，然而這是目前計(jì)算機(jī)容量和速度尚難以解決的。另一種要求稍低的辦法是亞網(wǎng)格尺度模型，即大渦模擬(LES)，這也是從 N-S 方程出發(fā)，其網(wǎng)格尺度比湍流尺度大，可以模擬湍流發(fā)展過程的一些細(xì)節(jié)，但計(jì)算工作量仍然很大。目前工業(yè)上常用的

59、模擬方法，仍然是有 Reynolds 時(shí)均方程出發(fā)的模擬方法，這就是目前常說的“湍流模型”或稱“湍流模式” 。其基本點(diǎn)式利用某些假設(shè)，將 Reynolds 時(shí)均方程或者湍流特征量的輸送方程中高階的未知關(guān)聯(lián)項(xiàng)用低階關(guān)聯(lián)項(xiàng)或者時(shí)均量來表達(dá)，從而使 Reynolds 時(shí)均方程封閉。FLUENT 提供的湍流模型有標(biāo)準(zhǔn) k- 模型、RNG k- 模型、Realizable k-模型、雷諾應(yīng)力模型、代數(shù)應(yīng)力模型和雙流體模型等，下面對(duì)這些流體模型進(jìn)行簡(jiǎn)介。2.2.2.12.2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn) k-k- 模型模型K- 雙方程模型是基于漩渦粘度各向同性的假設(shè)基礎(chǔ)上的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。與零方程湍流模型和單方程湍流模型

60、相比，k- 模型具有更經(jīng)濟(jì)、更準(zhǔn)確、適用范圍更廣泛等優(yōu)點(diǎn)。在 k- 模型里，k 和 的運(yùn)算方程表示如下： (2-9) kMbkjktjiSYGGxkxxkt棗莊職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 (2-10)SkCGCGkCxxxtbkjtjii2231上式中，Gk為平均速度梯度導(dǎo)致的湍流動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)，其計(jì)算公式如下 ijjikxuuuG如果考慮 Boussinesq 假定，即湍流應(yīng)力作用和粘性切應(yīng)力作用相似的假設(shè)，認(rèn)為局部的湍流應(yīng)力與平均速度梯度成正比。則可以簡(jiǎn)化為: (2-11)2SGtK式中 (2-12)ijijSSS2上式中 Sij計(jì)算公式如下 (2-13) jjiijijiUUUSxxx式