相变技术在电站除白雾及余热回收中的应用研究

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燃煤电厂中经过湿法脱硫工艺处理后的烟气处于湿饱和状态,直接从烟囱排出会遇冷凝结从而产生白雾现象。白雾的存在会降低烟气的抬升高度,使得烟气不能有效的进行扩散,从而造成视觉污染。当环境温度、气压较低时,甚至会产生“石膏雨”或酸雨现象造成环境污染。因此,针对白雾现象的形成及消除进行研究具有重要的社会意义。根据白雾的形成机理,本文研究应用相变原理降低烟气绝对含湿量以达到消除白雾的效果。针对温度范围在45-55℃的低温湿饱和烟气,本文采用基于传热传质相似理论的模拟方法,对低温湿饱和烟气内相变过程进行模拟分析,实现了湿饱和烟气内相变过程快速有效的数值预测,构建了湿饱和烟气内相变过程的数值模型,主要研究内容和结果如下:(1)相变技术消除白雾现象的过程本质上为含不凝性气体的蒸汽凝结过程,在纯蒸汽凝结过程的理论基础上,分析了含不凝性气体蒸汽凝结的传质过程和传热过程,确定了含不凝性气体蒸汽凝结的传热过程由烟气对流换热、蒸汽凝结换热和凝结液膜导热这三个部分组成,确定了各个部分传热过程的计算公式,为构建相变换热模型及其相变换热系统的设计计算提供了理论依据。(2)根据对相变传质过程的理论分析,结合相变过程的物理模型,构建了相变过程的数值模型。基于相变系数模型编写用户自定义函数UDF,由于相变系数是半经验系数,在不同的工况下取值不同。为了确定相变系数的取值,分别对烟气在管程和烟气在壳程流动这两种情况进行数值模拟。借助Antoine方程通过出口温度计算出口蒸汽含量,以出口处蒸汽含量作为判断依据,调整相变系数来控制数值模型的精确程度,最终得到出口处蒸汽含量的模拟值与理论计算值偏差均在可接受范围内,验证了数值方法的有效性。改变烟气入口速度、蒸汽含量和壁面过冷度,根据数值计算结果总结出相变系数在本文研究范围内的变化规律和取值范围,为相变换热系统模型构建提供依据。分析了相变过程中速度场、温度场和组分分布的情况,得到了蒸汽凝结率和相变过程传热系数随蒸汽含量、烟气速度和壁面过冷度变化的规律。(3)根据相关参数,本文进行了相变换热系统的设计计算,建立相变换热系统的物理模型和数学模型,在有限元分析软件ANSYS Fluent中进行数值计算和传热特性研究。从设计计算到数值模拟,形成了对相变技术应用的研究方案与流程,并分析了加装相变换热系统后,在消除白雾和低温烟气余热回收方面的效果和效益。最终计算结果表明,烟气相变技术可以有效治理白雾现象,以及回收并利用低温湿饱和烟气中的水分和余热。
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