（化学工艺专业论文）热等离子体处理制革污泥的数值模拟.pdf

四川大学硕士学位论文 热等离子体处理制革污泥的数值模拟 化学工艺专业 研究生：白向蓉指导教师：唐建华教授 制革污泥问题是困扰皮革工业健康迅速发展的一个严峻的问题。目前我国制 革污泥的处理处置方式主要以填埋、焚烧、堆肥为主，这些处理处置方式都存 在着一系列问题。因此，开辟一条新的污泥资源化利用途径显得尤为重要。采用 热等离子体技术处理制革污泥可以有效避免二次污染，被公认为是今后污泥处 理领域的一项重要而具有发展潜力的新技术。 热等离子体处理制革污泥伴随着复杂的物理化学过程。等离子体反应器内物 料的浓度分布、运动速度、停留时间，气相的流动速度、温度压力分布情况都 直接影响反应器内制革污泥的热解。本文旨在通过研究反应器内等离子体一颗粒 气固两相流动特性、污泥的热解与流动参数之间的关系，为反应器的优化设计、 运行调控提供依据。 通过构造反映等离子体反应器内部流动规律的基本方程组，建立描述等离子 体反应器内部的复杂物理化学过程机制数学模型：模拟等离子发生器内部流动 特性的k s 双方程湍流流动模型；模拟污泥颗粒在等离子体流中制革污泥热解 的涡耗散模型；模拟污泥进入等离子体反应器后的运行轨迹以及颗粒与等离子 体流之间的传热、传质过程的颗粒轨道模型。在数值模拟过程中，对等离子反 应器的计算区域的空间离散化引入贴体坐标体系，对于控制方程采用一阶迎风 的差分格式进行离散，壁面处理采用壁面函数法；采用s i m p l e 算法来解决压 力速度耦合问题。 应用上述模型和算法，首先在不同进几条件下模拟了等离子体反应器内三维 气相湍流流场，获得反应器内的速度、温度和组分浓度场。继而在不同的进口 四川大学硕士学位论文 参数( 等离子体进口速度、污泥颗粒进口速度、污泥颗粒大小、污泥成分) 条 件下模拟了反应器内冷态等离子体一颗粒气固两相三维流场。最后在气相流场和 冷态等离子体一颗粒气固两相三维流场模拟的基础上，通过大量的计算和分析研 究，模拟了反应器内污泥热解的气固两相流场，得到了反应器内速度、温度和 组分浓度场。 数值模拟结果表明采用数值模拟的手段研究热等离子体处理制革污泥是切 实可行的，对等离子体反应器的优化设计和工艺参数优化的具有重要意义。 关键词：热等离子体制革污泥数值模拟 i l 四川大学碗士学位论文 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f t h e r m a lp l a s m at e c h n o l o g y o i lt a n n e r ys l u d g et r e a t m e n t m a j o r ：c h e m i c a lt e c l m o l o g y p o s t g r a d u a t e ：b a ix i a n g r o n g s u p e r v i s o r ：p r o f t a n gj i a n h u a t a n n e r ys l u d g et r e a t m e n ti s ac r u c i a la n de m e r g e n tp r o b l e mf o rs u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n to fl e a t h e ri n d u s t r y a tp r e s e n ti nc h i n at h em a i np r o c e s s i n gm e t h o d s t o d i s p o s et h et a n n e r ys l u d g ei n v o l v el a n d r 丑lc i n e r a t i o na n dc o m p o s t h o w e v e r , t h e r e a r el o t so fp r o b l e m si ne x i s t e n c ef o rt h e s et r a d i t i o n a lm e t h o d s t of i n dan e ww a yt o r e u t i l i z et h et a n n e r ys l u d g ei sp a r t i c u l a r l yu r g e n tn o w t h e r m a lp l a s m at e c h n o l o g yi s an e wm a n l i e rt od e a lt h i sp r o b l e ma n dc a l lp r e v e n tt h es e c o n dp o l l u t i o ne f f e c t i v e l y a sap r o m i s i n gt e c h n o l o g y , t h e r m a lp l a s m at e c h n o l o g yi sv e r yi m p o r t a n ti nt h e s i n d g et r e a t m e n tf i e l da n dw o r t h yt ob ed e v e l o p e d i nt h e p r o c e s s o ft h et r e a t m e n to ft a n n e r ys l u d g e u s i n gt h e r m a lp l a s m a t e c h n o l o g y , s om a n yc o m p l e xp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o c e s s e sh a p p e n m a n y p a r a m e t e r si n c l u d i n gc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n , f l o wv e l o c i t y , r e s i d e n c et i m e ，g a s v e l o c i t y , p r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ne t c ，w i l li m p a c tt h ep y r o l y s i sp r o c e s s o ft a n n e r ys l u d g ei np l a s m ar e a c t o rd i r e c t l y i nt h i sp r o j e c tt h ec h a r a c t e r i s t i c so f p l a s m a p a r t i c l et w o - p h a s ef l o wa n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h en u i dp a r a m e t e r s a n d p y r o l y s i so ft a n n e r ys l u d g ew i l lb es t u d i e da n dt h er e s u l t sw i l lb eu s e da st h e f u n d a m e n t a lf o rt h ed e s i g n , o p t i m i z a t i o na n do p e r a t i o no ft h er e a c t o r i nt h i sa r t i c l eab a s i ce q u a t i o ns y s t e md e p i c t i n gt h ef l o wl a wi n s i d et h ep l a s m a r e a c t o ri se s t a b l i s h e d t h eg r o u po fm a t h e m a t i c a lm o d e l sd e s c r i b i n gt h ec o m p l e x p h y s i c a la n dc h e m i c a lr e a c t i o n si n s i d el h ep l a s m ar e a c t o ri n c l u d e st h ef o l l o w i n g ：k - e d o u b l ee q u a t i o nt u r b u l e n c em o d e lf o rs i m u l a t i n gt h ei n t e r n a lf l o wc h a r a c t e r i s t i c so f p l a s m ag e n e r a t o r ；e d d y d i s s i p a t i o nm o d e lf o rs i m u l a t i n gt h ep y r o l y s i sp r o c e s so f l 四川大学硕士学位论文 t a n n e r ys l u d g ep a r t i c l e si np l a s m af l o w ；p a r t i c l e - t r a j e c t o r ym o d e lf o rs i m u l a t i n gt h e t r a j e c t o r i e so fs l u d g ep a r t i c l e , ，a sw e l la sd e s c r i b 吨t h eh e a ta n dm a s si r a n s f e r p r o c e s sh e t w c e np a r t i c l e s a n dp l a s m af l o w i nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nt h e b o d y - f i t t e dc o o r d i n a t e sf b rt h ec o m p l e xg e o m e t r yo ft h ec o m p u t a t i o n a lf i e l dw a s a p p l i e d ；t h ef i r s to r d e ru p w i n df o r m a tw a su s e dt od i s p e r s et h ee q u a t i o n s ；s i m p l e a l g o r i t h mm e t h o dw a sa p p l i e dt os o l v et h ee q u a t i o n s b a s e do nt h em o d e l sa n da l g o r i t h m sa b o v e ，t h et h r e e - d i m e n s i o nt u r b u l e n c e f l o wf i e i di nt h ep l a s m ar e a c t o rw a sa c k i e v e do nd i f f e r e n ti n l e t - c o n d i t i o n sf i r s to fa 1 1 t h ed i s t r i b u t i o n so f v e l o c i t y , t e m p e r a t u r e , t u r b u l e n t k i n e t i c e n e r g y , a n d c o n c e n t r a t i o nw e l 芑o b t a i n e d i ns u c c e s s i o nt h ec o l dp l a s m a - p a r t i c l eg a s s o l i d t w o p h a s e t h r e e - d i m e n s i o n a lf l o wf i e l dw a ss i m u l a t e do nd i f f e r e n te n t r a n c e p a r a m e t e r s ( t h ei n l e tv e l o c i t yo fp l a s m aa n ds l u d g e ，t h es p e c i e sa n dt h ed i a m e t e ro f s l u d g ep a r t i c l e s ) f i n a l l y , b a s e do nt h ea b o v er e s u l t s ，t h ep l a s m a - p a r t i c l et w o - p h a s e f l o wf i e l dw i t ht h ep y r o l y s i so ft a n n e r ys l u d g ew a ss i m u l a t e d t h ed i s t r i b u t i o n so f t h ev e l o c i t y , t e m p e r a t u r e , a n dc o n c e n t r a t i o nw e r ea c h i e v e db yt h ec a l c u l a t i o na n d a n a l y s i s t h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns h o wt h a tt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d i sf e a s i b l et os t l l d yt h ef l o wf i e l do ft h ep y r o l y s i sp r o c e s so ft a n n e r ys l u d g ew i t h t h e r m a lp l a s m at e c h n o l o g y t h ec o n c l u s i o ni ss i g n i f i c a n ta n dv a l u a b l ef o rt h ed e s i g n a n d o p t i m i z a t i o no f p l a s m ar e a c t o ra n do p e r a t i o np a r a m e t e r s k e y w o r d s ：t h e r m a lp l a s m a ，t a n n e r ys l u d g e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v 四川大学硕士学位论文 i 绪论 1 1 研究的目的和意义 我国己发展成为世界皮革制造和出口大国，年加工猪皮革8 0 0 0 万张、牛皮 革3 0 0 0 万张、羊皮革5 0 0 0 万张，产量占世界总量的1 5 ，年均出口创汇达i 0 0 多亿美元，居于我国轻工行业首位【1 1 。皮革工业的迅速发展的同时，也造成了 严重的环境污染、资源浪费和生态破坏。值得注意的是，至今我国制革“三废” 治理的重点仅是污水处理，而制革污泥的危害及处理还没有引起足够的重视 2 1 。 而由制革污泥污染带来的土地碱化、盐化甚至荒芜，已经成为我国制革密集区 头疼的“老大难”问题。当前，研究并建立行之有效的制革污泥处理方法，尤其是 实现制革污泥的资源化【3 4 1 ，不仅是我国也是2 1 世纪世界皮革业持续发展面临 的严峻挑战之一。 制革通过去除原料皮中的毛、表皮、油脂、纤维间质等非胶原成分，适度 分散胶原纤维，再加入鞣剂使胶原蛋白化学固定，加脂剂润滑、染料着色，涂 饰剂涂饰，最后的到成品革。制革工序繁多，使用的化学品复杂，因而必然会 产生大量的液体和固体废弃物。据统计，每加工i t 生皮约产生1 5 0 k g 的污泥。 其中既有制革过程产生的污泥，如：水洗污泥，成分以氯化物、硫化物、酚类、 细菌微生物等为主；烂毛浸灰污泥，成分以硫化物、石灰、蛋白质、烂毛浆等 为主；还有终端污水处理产生的各种物理，化学沉积物。所以制革污泥的成分 中既有蛋白质和油脂等有机污染物，又有铬化物、硫化物、大量的钙、钠的氯 化物和硫酸盐，及少量的重金属盐等矿物质污染物。此外，制革污泥含水量大 ( 9 0 9 8 ) ，即使经过沥水或脱水的污泥，含水率也有5 0 8 0 。这样使 其性质很不稳定，极易腐化，散发恶臭，并可能为危险的病原微生物，寄生虫 卵提供温床，因而是十分严重的污染源 5 1 。 目前，国外对制革污泥的处理主要是填埋、生物堆肥和焚烧法，其中焚烧 法是优选方法【4 l 。填埋是一种消极的处理办法，除了需要修建大面积的填埋场 外，还要防止因渗漏造成的地下水污染；而用制革污泥作生物堆肥一直是有争 议的问题，国外已经逐步缩小其在农业中的应用，所以应用前景有限：焚烧法 四川大学硕士学位论文 具有减量最彻底、制革污泥无害化和资源化等优点，但焚烧法因具有由于燃烧 不完全或焚烧温度低( 8 0 0 左右) 产生致癌毒物( 致癌极限量0 1 微克_ 千克体重) 二恶英( t c d d ) 的致命缺陷，而导致焚烧法的前景暗淡同国外相比，我国 有一半以上的制革厂仅仅是将制革污泥与生活垃圾堆放在一起，未作任何特殊 处理【2 】；只有少量的制革厂将制革污泥用作肥料、焚烧或与灰渣一起烧砖，但 是对其最终的安全性评价未作研究；最近有应用流化床干燥技术干燥制革污泥 的研究报道同，但该法仅仅是对污泥进行了干燥和浓缩，并不能真正解决污染 隐患，而且成本和运行费用高。污泥处理的最终目的是实现减量化、资源化、 稳定化和无害化。为了实现可持续发展，目前利用高新技术来处理污泥成为环 保领域的热点。其中等离子体因具有高温高导热特性，可作为一种高效率、低 能耗、使用范围广、处理量大、操作简单的环保新技术来处理污染物，尤其是 有毒复杂污染物，近年已成为环境污染物处理领域最具有发展前途、最引人注 目的一项高科技技术【7 8 l 。 为实现热等离子体处理制革污泥新技术的工业应用，必须揭示影响处理过 程的机制和规律，建立定量描述转换过程的基础理论体系，寻求具有普遍指导 意义的定量规律。为此本论文的工作主要集中在能建立令人信服的物理、化学 过程的物理模型和可应用的数学模型，通过数值模拟的方法研究热等离子体 颗粒多相流的作用以及颗粒的加热历程、运行轨迹等，为处理制革污泥的完整 工艺技术和优化工艺参数提供参考。在这些研究工作不仅涉及等离子体物理学、 流体力学和高温高速环境中的物理化学过程，而且涉及环境科学和皮革化学与 工程，既是等离子体化学和化工这一新兴交叉学科长期以来希望解决的前沿课 题，也是皮革工业长期以来急需解决的环境污染严重的问题。 1 2 国内外研究现状 1 2 i 制革污泥处理现状 当今，随着全球性生态问题的r 益严峻，污泥处理的减量化、无害化和资 源化发展趋势已成为普遍的共识和目标。具体如下：( 1 ) 尽可能减少污泥体积， 以降低污泥处理及最终处置的费用：( 2 ) 通过处理使污泥稳定化，最终处置后 四川大学硕士学位论文 不再产生污泥的进一步降解，从而避免产生二次污染问题；( 3 ) 达到污泥的无 害化与卫生化；( 4 ) 在处理污泥的同时变害为利，综合利用，实现污泥资源化。 以下着重介绍几种正在使用和具有潜在应用前景的制革污泥处理方法，并对其 优缺点作简要评述。 ( 1 ) 填埋 填埋处理在很多场合仅被简单地理解和应用为挖坑填埋，甚至是露天弃置。 也即，既没有对污泥做稳定化或无害化处理，也没有对填埋场采取必要的防渗、 防污处理等措施。因此，制革污泥中的有害成分，如c r 、s 厶、有机污染物等 很可能会污染地表水和地下水这种片面地节约经济、但污染仍然存在的方法 在我国不少制革厂采用 ( 2 ) 焚烧 焚烧法可彻底消除制革污泥中大量有害的有机物和病原体( 如细菌、病毒 寄生虫卵等) ，使污泥量大大减少，还可利用一部分热能。若焚烧含铬污泥，还 可从焚烧后残余的灰份中回收铬。但此法需要特殊的设备，并对各种成分的污 泥严格控制焚烧条件，因而技术要求和处理成本都很高。而且焚化后的灰份中 含有大量的严重致癌物c ，这就要求灰份必须作为有毒物进行二次处理； 此外对焚烧产生的废气也需监测处理，密封回收因此，对这种处理方法的推 广应用受到一定的限制。 ( 3 ) 土地利用 土地利用主要有两种方式：直接利用和生物堆肥。制革污泥中含有大量的 有机物和植物所需的营养成分一氮，是有价值的生物资源但是直接用于农 业，存在着两个主要问题：污泥中重金属c r 的含量高，另外污泥中可能含有多 种病原体和有机污染物，要保证农用前必须消除生物堆肥虽然能基本消除制 革污泥中的有机质污染，但是对重金属，如含量较高的c r 却无能为力。 ( 4 ) 其他方法 近年也出现了其它一些研究制革污泥处理与资源化的技术和方法。温祖谋 【5 1 报道了应用流化床装置对制革污泥进行干化固定、然后作路基材料的研究结 果，认为于化处理能达到污泥减量化的目的，c r ( i ) 保持稳定。但该法实质 上仅是对污泥进行了干燥和浓缩，并不能真正解决污染隐患，且成本和运行费 用高，产业化前景不容乐观。 四川大学硕士学位论文 综合看来目前还没有一种处理方法能够真正地实现制革污泥处理的无害 化、减量化及资源化研究并建立行之有效的制革污泥处理方法，尤其是实现制 革污泥的资源化，不仅是我国也是2 1 世纪世界皮革业持续发展面临的严峻挑战 之一而近年涌现的等离子体污染物处理技术，因其具有高温高导热特性，可 作为一种高效率、低能耗，使用范围广、处理量大、操作简单的等优点，被认 为可能成为环境污染物处理领域最具有发展前途、最引人注目的一项高新技术 【9 1 1 2 2 等离子体技术在环保领域的研究进展 随着人类活动在地球的增加，工业生产的快速发展，环境污染日益严重。 现代很多生产工艺过程会带来对人类或环境有害的污染物，目前采取的污染控 制技术可以分为三类：1 ) 固体污染物堆砌、填埋；液体或气体污染物经过稀释 后流入水中或释放到空气中；2 ) 经过转化处理，将污染物转化为无害物如水、 c 0 2 、o ：等，释放到空气中，水中或填埋；3 ) 将废弃物转化为可回收资源，如农 业肥料、合成气等进行利用n 帕由于环境污染的影响范围大，污染物成分复杂、 毒性大，不易分解，毒害时间长，传统的处理方法如填埋、化学处理、物理吸 收等由于受处理效率低、容易产生二次污染等因素制约，已经不能适应人类对 环境质量要求标准的提高。等离子体污染控制技术是一种新兴的污染物处理技 术，介于第二类处理方法和第三类处理方法之间，是近年来各国学者进行污染 控制新技术研究的方向之一。等离子体污染控制不仅可以对气相中的化学、生 物废物进行破坏，而且可以对液相、固相中的化学放射性废物进行破坏分解， 不仅对高浓度有机污染物有较好分解效果，更可对大流量、低浓度污染物进行 分解很多情况下，污染物只采用一种方法来处理难以得到预定的效果，通常 需要将物理、化学、生物等方法联合起来进行合理配置，增加了系统的复杂性， 而应用等离子体污染控制技术则可以简化这一处理过程。作为一种可高效、便 捷对污染物进行破坏分解的替代技术，等离子体污染控制技术f 受到各国学者 越来越多的关注，成为环境污染治理领域中最有发展前途的一项高科技技术 1 2 1 1 气体污染物 4 四川大学硕士学位论文 各种有害的气体污染物主要可分为；1 ) 酸性气体污染物，如s o , 、h c l 、 n o , ；2 ) 有机挥发性气体v o c s ；3 ) 温室气体c 仉、c h ；4 ) 破坏臭氧物质，如c f c l z 等 非平衡等离子体技术是消除气体污染物的有效控制技术之一，许多研究结 果表明，该技术对于气体污染物的脱除具有很大潜力，其很高的化学活性，适 合于对气体污染物进行破坏分解。近年来，很多研究利用非平衡等离子体脱除 气体中的s 0 2 、n o , 、v o c s 等，这些研究集中考虑了两方面问题，一是过程的能 量效率，二是反应产物或副产物的分布。 1 2 1 2 液体污染物 用于液体污染物控制的等离子体技术分为直接和间接方式，主要包括以下 几类，利用等离子体产生的臭氧或其它强氧化性物质，将其导人液体污染物中， 或利用等离子体技术产生的紫外光u 、r 间接处理污染物，还可以直接在液体污染 物中采用脉冲电弧或脉冲电晕放电产生的电子、离子等处理污染物。美国的hr s n y d e r 等“”利用电弧等离子体降解液体污染溶剂。美国国家环境保护委员会与 纽约环保部门合作建立了一套等离子体电弧液体污染物处理系统“”。 1 2 1 3 团体污粢物 固体有害污染物主要指各种放射性物质生产过程中产生的废渣，如核电站 废料，含剧毒可溶性物质的废渣，化工废料、医疗垃圾，垃圾焚烧场废渣等等。 采用热等离子体处理固体废弃物，处理方法可以分为以下几种：等离子体氧化 或燃烧；等离子体热解，使可燃固体废弃物在还原性气氛下气化，重组为其它 气体；脉冲电弧产生冲击波，用于将固体废弃物分解并分离为金属、塑料、有 机物等。在目前对城市垃圾的处理方法中，焚烧处理仍占主导地位，在焚烧过 程中残留物及飞灰含各种痕量重金属，如p b ，c d ，同时含有二氧( 杂) 芑等化合 物，由于它们的高毒性，必须加强对它们的妥善处理。日本学者k o u t a r ok a t o u 等“”利用电弧等离子体熔化炉对城市垃圾的毒性脱除及减少容积进行了研究， 结果表明，经过等离子体熔融后的玻璃状残渣已无毒性，飞灰中的重会属等含 量高，可进行回收。m i ns a k a n o 等o ”采用射频等离子体对垃圾焚烧残余物的处 理进行了研究，所得结果相似。k r a m a c h a n d r a n 等瞄1 利用直流等离子体分别 5 四川大学硕士学位论文 以a r 、h 2 、n 2 和o ：作成流气，进行了处理电镀污泥的相关研究。x 一衍射及质谱 分析的结果显示，处理后的粉末中主要的成分是石膏和c a s 0 4 0 5 2 0 ，而原来 电镀污泥中所含的c r 、n i 、z n 被铁酸盐等包裹形成稳定的、不可滤的粉末或沉 积物。美国加州h a w k i n s 公司开发了一套转移弧等离子体医疗垃圾处理系统， 在等离子体高温及还原性气氛下，加入水蒸汽，可将医疗垃圾中的有机及固体 转化为玻璃状残余物及清洁气体。 国内外有部分关于利用等离子体技术进行废弃碳氢聚合物，如塑料、轮胎、 生物质的研究加拿大的c h u gj s 等“”采用氢氩直流电弧热等离子体热解 轮胎制合成气。广州能源研究所“”行了直流电弧热等离子体降解高分子废弃聚 合物的研究，建立了一套实验室规模的直流电弧热等离子体热解系统。 等离子体处理废物有如下特点： 灵活性及多功能性可以处理所有种类的有毒有害危险及非危险废物， 包括有机的、无机的、气体、液体及固体； 卓越的性能能够完全地、安全地将有毒废料转化成无毒且有使用价值 的产品： 零排放不会排出有毒物质及产生二次污染，符合最严格的排放标准； 资源循环废物可转换成具有循环使用价值的产品； 减容比高减小废物体积高达9 9 7 ； 操作及维修简单一只需一名技术员及少数操作人员便可操作及维护一部 日处理十吨的机器； 可在短时间停止及启动操作可使操作更灵活适应废物种类的转换，不 需保护连续动作。 等离子体污染控制不仅可以对气相中的化学、生物废物进行破坏，而且可 以对液相、固相中的化学放射性废物进行破坏分解，不仅对高浓度有机污染物 有较好分解效果，更可对大流量、低浓度污染物进行分解。很多情况下，污染 物只采用一种方法来处理难以得到预定的效果，通常需要将物理、化学、生物 等方法联合起来迸行合理配置，增加了系统的复杂性，而应用等离子体污染控 制技术则可以简化这一处理过程作为一种可高效、便捷对污染物进行破坏分 解的替代技术，等离子体污染控制技术正受到各国学者越来越多的关注，成为 环境污染治理领域中最有发展前途的一项高科技技术。 6 四川大学硕士学位论文 1 2 3 等离子体污染控制基本过程 等离子体是物质存在的第四态，它是指含有足够数量的自由带电粒子，以 致其行为明显受到电磁力的影响，而总体上呈电中性的非凝聚系统。等离子体 广泛存在于宇宙中，人工生成等离子体可使用：气体放电法、射线辐照法、光 电离法、热电离法等等，其中，气体放电法比加热的方法更加简便有效，因而 在各种等离子体技术中得到广泛采用i 堋。 采用气体放电技术以产生等离子体时，根据放电过程中的气压，等离子体 可以分为平衡等离子体和非平衡等离子体，若放电在接近大气压的高气压条件 下进行，则电子、离子、中性粒子会通过激烈碰撞而充分交换能量，从而使等 离子体达到热平衡状态。反之，数百帕以下的低气压等离子体常常处于非熟平 衡状态。此时，其电子温度可高达上万度，而重粒子温度只有几百度或接近室 温。另外，不仅放电气压，而且放电长度、电极间距都会影响放电产生的等离 子体形态，因此低温等离子体也可以通过不产生热效应的短脉冲放电模式来生 成，还有介质阻挡放电等离子体和大气压下的辉光放电等离子体都是大气压下 放电产生的非平衡等离子体根据温度、电子密度的不同，等离子体可以分为 高温等离子体和低温等离子体，见表1 1 。 等离子体中典型的反应类型见表1 2 【1 9 1 由表1 2 中基本的等离子体反应 类型可以看出，当反应需要在高温下进行时常采用平衡等离子体，平衡等离子 体中的化学反应主要利用等离子体中的大量正负离子的复合过程所释放出的高 热量进行。其中我们主要利用两种效应，一是粒子间碰撞和粒子和固壁表面碰 撞所产生的热使污染物分子的化学键断裂，一是离解过程中自由基与污染物分 子的碰撞使污染物分子的化学键断裂。第一种概念与燃烧理论基本相似，只是 具有温度更高的优势。第二种理论可用于处理气体或液体污染物或利用转移弧 等离子体处理固体污染物。 7 四川大学硕士学位论文 表1 - 1 等离子体的分类 ! ! ! ! ! ! ：! 虫! ! ! ! ! ! 丝璺! ! ! 垡也磐 名称状态 。 实例 高温等离子体 z - 瓦五t 墨一1 0 k 一1 0 s k 核聚变、激光聚变 ( 平衡等离子体) 以1 0 ”m 4 低温等离子体 热等离子体 t 一互一五， 电弧等离子体 ( 准平衡等离子体) t o - 2 x 1 0 3 k 一3 x 1 0 4 k 高频等离子体 n 1 0 ”m 4 冷等离子体 t 瓦- 3 x 1 0 2 k 一4 x 1 0 2 k 辉光放电 ( 非平衡等离子体)h 一w o m 4 注：互= 电子温度；写= 离子温度；瓦= 重粒子温度；乙= 等离子体温度；以= 电子密度 表i - 2 等离子体中的主要反应过程 t a b l e1 - 2m a i nr e a c t i o np r o c e s si nt h ep l a s m ar e a c t o r 电子分子反应 激发 离解 附着 离解吸附 电离 离解电离 复合 离脱 e + 4 4 + e e + 4 - 拍+ e 纠4 4 。 e + 4 _ a 。+ 彳 e + 4 - 4 2 + + 2 e p + 4 - a + + 爿+ e e + 4 + - 4 e + 4 一_ 4 + 知 分子原子反应 潘宁离解 8 j ! l f + 以一2 a + m 四川大学硬士学位论文 潘宁电离 电荷转移 离子复合 m + 以_ 鸣+ + m + e 4 2 + b - - - i t b + a 4 + + b 。- 仰 分解反应 电子的 原子的 p + a b a + b + e a 1 + b l - a b + b 合成反应 电子的 分子的 原子的 e + a _ 爿+ p 彳+ 口- a b 4 + b - 4 b 1 2 4 等离子体反应器的研究进展 等离子体处理制革污泥是一个非常复杂的过程，影响因素繁多，包括热等 离子体的状态、工作气体和反应气体的混合比例、反应温度、反应器的结构和 形状等等离子体射流反应器，具有高温、高速、强混合等特点。目前人们对 等离子体射流反应器基本上只能以“黑箱模型”来处理。实验时通常粗略地认为 反应器内物流达到充分混合而实际上等离子体反应器内温度分布影响着整个 传热和反应过程的进行及产物组成，物流速度分布则控制着反应物及产物在高 温区的停留时间。等离子体反应器内流体流动与传热的研究，对于创造等离子 体射流裂解制革污泥反应发生的条件、反应器的优化设计具有重要的现实意义。 陈熙【驯对制备超细粉用的等离子体反应器进行数值模拟，流动为层流。 d i l a w a r i 和s z e k e l y l 2 l | 2 2 1 在对湍流流动的等离子体反应器进行数值模拟中首先 尝试运用了标准的k s 双方程模型。谢克昌等田l 考虑流体与壁面共扼传导，采 用p h o e n i c s 软件包对直流电弧等离子体射流反应器内湍流流动与传热进行 数值模拟，其结果指导了反应器的选型。郭鸿志等【矧采用流函数涡量法和k f 9 四川大学硕士学位论文 双方程模型对高温等离子体的电磁场、速度场与温度场进行了模拟。张冠忠等 【2 5 】研究了常压下可压缩超音速等离子体射流流动以上研究都含有一个基本假 设，即等离子体射流为轴对称的流动，由此简化为二维模型而在实际的等离 子体反应器中，载气携带颗粒通过反应器壁面上的一个或几个喷射孔径向喷入 反应器中，因此反应器具有显著的三维流动特点二维模型实际上是把若干个 喷射孔简化为一个环隙，这必然会导致载气流速或者是几何通道的变化，从而 产生模型误差。李和平和陈熙瞄l 对单个喷孔侧向喷射的等离子体反应器中的传 热与流动进行了三维数值模拟，并与相应的二维数值模拟结果进行了比较，模 拟结果表明侧向喷入的载气所引起的三维流动效应相当明显，出口处温度差异 达到4 。冀春俊掣2 7 】采用s t a r c d 软件包对一种等离子体煤气化反应器内部 湍流、多相流动和燃烧化学反应等复杂流动现象进行了三维数值模拟，由此提 出了等离子体煤气化反应器的优化方案。李娟等【捌系统地研究了侧向双孔漏斗 型绝热反应器中流体的和传熟的三维数值特性，考察了反应器内流体的流动速 率，温度分布以及反应物与等离子体射流的混合情况s e u n g h op a i k 2 9 】等人采 用数值模拟的方法研究了等离子体泥土多相流之间的相互作用以及电弧炉中 热量转移。i 己r a m a c h a n d r a n 3 0 ! 采用拉郎格朗日欧拉方法研究了湍流状况下，氩 等离子体流中颗粒的温度场、速度场以及颗粒的运行轨迹等。万德成等1 3 1 】利用 等离子体完全二维自恰模型与颗粒轨道模型，研究了颗粒在等离子体流中的加 热和加速以上这些计算大多采用s i m p l e 系列算法进行求解而华中科技大 学的王桂兰等人【3 2 】采用格子波尔兹曼( l b ) 方法建立等离子射流温度场和速度 场的计算模型，与传统数值法相比，l b 方法具有直观的物理背景用正六边 形7 - b i t 网格划分计算区域，通过选取适当的两套平衡分布函数和采用 c h a p m a n e n s k e g 展开及多尺度技术导出了等离子体射流的宏观方程，并将计算 结果与已有的文献实验结果进行了比较，验证了计算模型的有效性。 1 3 课题研究内容 热等离子体废物处理技术被国际上共认为是最彻底、最有效、最安全的废 物尤其是危险废物处理技术。 。 本文是结合国家自然科学基金项目“等离子体处理制革污泥”而进行的伴有 l o 四川大学硕士学位论文 化学反应的等离子体污泥颗粒多相流的数值模拟研究等离子体- 污泥颗粒多 相流属气固多相流动问题范畴，远比单相流问题复杂，其主要问题在于连续相 ( 等离子体) 与离散相( 污泥颗粒) 之间相互作用，再加上化学反应，使得反 应器内过程变得十分复杂。故上述问题的求解首先必须对流动的物理现象进行 合理的简化，以期建立适用的流动模型。其次便是对所建立的方程组进行离散。 针对本课题的研究内容，即等离子体反应器内等离子体颗粒多相流场的数值模 拟，预报不同进口参数反应器内流动参数( 流体速度、温度、组分浓度、颗粒 速度、运动轨迹等) 的分布规律。 本文的主要进行了以下几方面的研究： 分析了反应器内流动特性，对流动的物理现象进行合理简化，建立了可行 的等离子体反应器流动模型 对等离子体反应器进行适当简化，完成了反应器的几何建模以及网格划分。 根据所建立的反应器模型，选择合适的计算方法，湍流模型，在不同的进 口条件下进行了三维气相流场的数值模拟，并分析了等离子体反应器内的 气相流动特性。 在三维气相流场模拟的基础上，选择合适的数值方法和多相流模型对反应 器内等离子体颗粒两相三维湍流场进行数值模拟。探讨了反应器内不同进 口条件( 等离子体流速、污泥进口速度、污泥颗粒的物性、直径等参数) 对流 动特性的影响。 在上述工作的基础上，选择了合适的数值方法和化学反应模型，预测了伴 有化学反应的等离子体反应器内的湍流化学反应流动特性。 i l 四川大学硕士学位论文 2 基础理论 在等离子反应器内部，由于喷入污泥颗粒，其化学反应是发生在流场极不 均匀的条件下，有巨大的横向速度梯度或剧烈横向动量、热量及质量交换的湍 流流动。等离子体颗粒多相流模拟的基本思路是通过运用质量守恒、动量守恒、 能量守恒以及组分平衡的基本规律分析流体流动、传热传质和燃烧过程，以及 湍流输运、湍流燃烧、化学动力学等基本过程的模拟，我们已建立了控制反应 流过程的基本方程组。这个方程组是封闭的，加上合理的初始和边界条件，便 构成了数学上的定解问题。然后选择合理的数值方法求解。整个过程涉及到流 体力学、湍流模型以及多相流化学反应以及数值计算方法等基本理论。 2 1 基本控制方程 等离子体反应器内部流场流动符合三大基本方程刚，即质量守恒方程、动 量守恒方程和能量守恒方程。本文给出柱坐标体系( r ，0 ，z ) 下三大方程的基 本形式 质量守恒方程：i a p + 吾昙( p 旭，) + 7 1 石0 ( 肛。) + 言( p 屹) - o 2 1 动量守恒方程： r 方向 p ( 鲁+ 坼等+ 等告一芋鹕誓) - - 知罔，等) + 专鲁+ 到懈： ：2 口方向 p ( 鲁等+ 争等+ 半峨鲁) 四川大学硕士学位论文 一一告p 睇扣) ) + 专务+ 而20 u , + 軎卜 2 s z 方向 p ( 鲁嵋誓+ 等告心誓) - 一和p 昙( ，誓) + 砉鲁+ 割懒 z 4 p c ，( 詈+ 咋等+ 等等+ 也罢】- 七b 昙( ，詈) + 专害+ 罟1 z s p c ，l 百+ 咋石+ 亍石+ 叱ij 咄i - 石1 7 石j + 7 孑+ 可l 2 5 2 2 湍流模型 本文研究的是等离子反应器内部流场，由于反应器的流体流动、对流传热 传质和化学反应过程几乎是湍流过程，而湍流的出现影响着流场的特征，影响 反应速度，因此要对本文所研究等离子反应器内部流动进行数值模拟，将重点 考虑湍流流动现象。湍流是一种复杂的流动，在湍流中各种物理参数如温度、 速度、压力等都是随时间与空间发生随机变化的 湍流研究的根本方法i 划是进行直接数值模拟n s ) ，即在k o l m o g o r o v 尺度 的网格中求解瞬态三维n a v i e r - s t o k e s 方程，而不使用任何湍流模型但是d n s 方法要占据非常庞大的计算机容量和c p u 时间，因而在其当前发展阶段还不能 解决实际工程问题。另一种方法是大涡模拟( l e s ) ，即在大涡尺度的网格系内 求解n - s 方程。对小尺度湍流仍槽模拟( 亚网格模拟) 。l e s 方法仍需要相当大 的计算机容量和c p u 时间，因而距工程预报应用还很远，许多流体力学研究者 认为，本世纪中唯一实用的工程预报方法是雷诺时均方程法，表2 - 1 列出了常 用的几种基于雷诺时均方程的湍流模型。湍流量的瞬时值总可以分解为该量的 平均值和脉动值的线性叠加，也就是所谓的雷诺分解，均流控制方程也称为雷 诺方程。它的一般形式： 四川大学硕士学位论文 昙( 加) + 加( 毒) - 加( r g 脚西一肛，审) + & 2 6 式中：( 一p ，中) 表示为湍流应力，也称为雷诺应力湍流模型就是为了 解决雷诺应力这一未知项目前在工程上应用最广且较成熟的湍流模型是源用 的b o u s s i n e s q 湍流粘性系数的概念，假设雷诺应力与粘性应力一样张量的线性 函数，类似引入湍流粘性系数一： 鸬c 肚f 2 7 在对燃烧的数值模拟中对湍流场的数值模拟常采用此类湍流模型，具体采 用修正后的双方程湍流模型。双方程模型把体现湍流脉动对均流场输运作用的 两个特征量都处理成由各自的微分方程控制的因变量。建立七和f 控制的基础是 n a v i e r - s t o k e s 方程由于建立f 方程比较困难，所以建立了以湍流动能k 和湍流 动能耗散率各自为变量的方程，也就是k f 双方程。 k 方程： 去( 扑糖删+ 杀( 似小寺( 叫 悄，i 吼z 盯耙8 k ，i + * 等卦弗等计q 唯 2 s g 方程。 扣) + 釉佻小昙( 似s ) + 嘉( 雕) 】 - 三r 怛l a zf 。r 等尝) + 专等詈) + 寺p 等等) + 昙一印譬z 9 在湍流动能七方程和湍流动能耗散率s 方程中，有效粘性系数为： i 王晤i l l + i l i 2 1 0 z 为分子粘性系数；“湍流粘性系数。z , 可表示为： 以- 巳p 二 2 1 1 1 4 四川大学硕士学位论文 伉代表了由于平均速度梯度而引起的湍流动能的产生项 q 。p 盯 2 ( 誓) 2 + ( 誓