（热能工程专业论文）吸附等离子体脱硫脱硝填充床传热特性研究.pdf

摘要 摘要 我国大气污染以煤烟型污染为主，燃煤排出大量的n o x 和s o x ，造成大气环境质量恶 化，酸雨危害加重。如何治理这些有害气体，成为一项很迫切的要求。利用吸附- d b d 等离 子体同步脱除n o x 和s o x 是一种行之有效的方法。由于d b d 等离子体解吸附时，温度对 吸附剂性能的影响很大，所以本文针对d b d 等离子体作用下反应器的温度场进行研究。 对不同的输入电压和入口空气的流量工况条件下，等离子体对竖直圆管d b d 填充床反 应器内的温度场进行了实验研究，并分析影响因素。通过实验说明加大电压和加大风速都会 明显影响反应器内温度场，并说明吸附等离子体填充床内气体的温度比固体的温度高。 通过m a t l a b 软件对电厂大型矩形填充床内的温度场进行了模拟，并对模拟后的结果进 行了分析。得出结论：等离子体的热迁移和多孔介质的辐射引起反应器内温度场的变化。 最后，本文利用f l u e n t 软件对竖直圆管d b d 填充床反应器内的温度场进行了数值模拟。 得出结论：1 ) 提高电源的输入电压后，反应器内的温度场变化加快；2 ) 电源的输入电压不 变，反应器入口段的空气流量增大，反应器内的温度场变化加快；3 ) 吸附等离子体填充床 内气体的温度比同体的温度高。 关键词：填充床吸附剂解吸附d b d 等离子体传热 a b s 仃a c t a b s t r a c t a i rp o l l u t i o ni sm a i n l ys m o k ep o l l u t i o ni nc h i n a s 0 xa n dn o xp r o d u c e db ys m o k ef r o m b u r n i n gc o a lm a k ea i rq u a l i t yw o r s ea n da c i dr a i nm o r es e r i o u s t oc o n t r o ls 0 xa n dn o xp o l l u t i o n h a sb e c a m ea nu r g e n td e m a n d i ti sa ne f f i c i e n tw a yt oe l i m i n a t es 0 xa n dn o xb ya d s o r p t i o n m e t h o d 。t h ec a t a l y z e rp e r f o r m a n c ea r ea f f e c t e db yt h et e m p e r a t u r ei nd e s o r p t i o na n dd b dp l a s m a t h a t sw h yi ti si m p o r t a n tt oa n a l y z et h et e m p e r a t u r ef i e l di nd b d p l a s m ar e a c t o r t h ee f f e c to f p l a s m at ot h et e m p e r a t u r ef i e l di nt h ev e r t i c a lr o u n dp i p ep a c k e db e du n d e r d i f f e r e n tv o l t sa n dt h es a m ev o l tb u td i f f e r e n tg a sm a s sf l o wr a t e w a sd i s c u s s e dr e s p e c t i v e l y ， a n dt h er e a s o nw a sa l s od i s c u s s e d i tw a si n d i c a t e di nt h ee x p e r i m e n t st h a tt h et e m p e r a t u r e f i e l di nt h ep a c k e db e dw a so b v i o u s l yi n f l u e n c e db yt h ev o l t a g ea n dt h eg a sv e l o c i t y i tw a sa l s o i n d i c a t e dt h a tg a st e m p e r a t r u ei sh i g h e rt h a ns o l i dt e m p e r a t u r e b yu s i n gm a t l a b ，as i m u l a t i o nr e s e a r c ho ft h et e m p e r a t u r ef i e l di nab i gr e c t a n g l ep a c k e db e d w a sp e r f o r m e d ，a n dt h er e s u l tw a sd i s c u s s e d i tw a st h ec o n c l u s i o nt h a tt h er e a s o no ft e m p e r a t u r e c h a n g ew a st r a n s f e rh e a to f p l a s m aa n dr a d i a t i o no fp o r o u sm e d i a i nt h ee n d ，b yu s i n gf l u e n t ，an u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s e a r c ho ft h et e m p e r a t u r ef i e l di nt h e v e r t i c a lr o u n dp i p ep a c k e db e dw a sp e r f o r m e d t h ec o n c l u s i o nw a st h en e x t ：f i r s t l y , t h ea d v a n c e o fv o l t sc o u l da c c u m u l a t et h ec h a n g eo ft e m p e r a t u r ef i e l d ；s e c o n d l y , u n d e rt h es a m ev o l t sb u t d i f f e r e n tg a sm a s sf l o wr a t e ，i tc o u l da c c u m u l a t et h ec h a n g eo ft e m p e r a t u r ef i e l d ；f i n a l l y , i tw a s a l s oi n d i c a t e dt h a tg a st e m p e r a t r u ei sh i g h e rt h a ns o l i dt e m p e r a t u r ei np a c k e db e dw i t ha d s o r p t i o n a n dd b d p l a s m a k e yw o r d s ：p a c k e db e d s o r b e n td e s o r p t i o n d i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g e p l a s m a 仃a n s f e rh e a l i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：塞壁垒 日期：哆! 生堑 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：盥哇导师签名：盈墅兰重日期：至垒里墨二全幺_ 形 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的学科与工程背景及意义 人类的生活，生产活动和自然界中局部的质能转换向大气排放各种污染物，当污染物超过环境 所能允许的极限( 环境容量) 时，大气质量就恶化，使人们的生活，工作，健康精神状态，设备财 产及生态环境等受到恶劣影响和破坏，这种现象就是大气污染。大气污染现在已不是一个新的问题， 随着工业大革命煤作为能源的开始使用，大气污染就已经存在了i l j 。 环境问题是当今世界的焦点问题，随着社会经济的迅速发展，人口的急剧增多，地球的大气环 境日益恶化，一些有害气体的排放，不仅使局部地区的大气遭到污染，并且影响到全球范围内大气 成分的改变l 引。人类目前面临的主要环境问题是温室效应，酸雨问题，臭氧层破坏和汽车尾气污染 等。大气污染的特点首先是不可见性，污染物成分测定较困难。导致酸雨产生的s 0 2 气体，日常人 们根本不清楚，只有通过测定降水的p h 值，才可断定大气是否受到s 0 2 的污染。其次大气污染的 广泛性，危害的长期性，控制的复杂性。由于大气的运动，如风和湍流的影响，以及污染物本身的 蒸发，凝聚，重力等作用都会使其浓度发生变化。并且在阳光的照射下，进入大气中的某些污染物 产生光化学反应，使污染物成分发生变化，生成二次污染物。再次就是大气污染的无国界性，由于 气体的流动性，使空气污染扩散在空间进行，因此仅仅控制局部地区的污染，大气环境污染状况不 可能得到根治。人类生产，生活排放的氯氟烃等气体随气流到达南极上空，引起了那里的臭氧层破 坏。因此大气污染控制更具有国际性。工业的迅速发展、处理工艺的不完善导致了含硫含氮烟气排 放量的急速上升。排放大量的s 0 2 和n o x 将导致严重的环境问题。从短期看，大气污染影响农作物、 鱼类生长，腐蚀建筑物，造成巨大的经济损失；从长远看，大气污染将破坏整个生态系统，最终危害 人类的生存。因此，人类将无选择地要解决大气污染问题。 随着烟气脱硫技术和烟气脱氮技术的发展，各国都开展了烟气同时脱硫脱氮技术的研究，目的 是开发具有低于传统f g d 和s c r 组合工艺费用的新的s 0 x n 0 x 联合脱除技术。目前大多数新的联合脱硫 脱氮一体化工艺处在开发阶段，尚未得到商业应用。 新的联合脱除s 0 x n 0 x 的工艺是以寻求比f g d 和s c r i 艺分开治理时具有更高的经济效益为目标， 提高脱硫效率和脱氮效率。联合脱硫脱氮技术主要包括固相吸收再生烟气脱氮技术、气固催化同 时脱硫脱氮技术、吸收剂喷射同时脱硫脱氮技术、高能电子活化氧化法、湿法烟气同时脱硫脱氮技 术。目前这些技术还没有大规模的商业化应用，多种气体和粉尘等同时存在时，s 0 2 和n 0 x 对脱除效 率相互影响还有待深入研究。 近年来等离子体脱硫、脱硝技术越来越引起人们的重视。和传统的脱硫、脱硝方法相比，等离 子体烟气脱硫、脱硝是一种高效率、低成本的新方法，也是国际上公认的最有前途的新一代脱硫、 脱硝技术。目前，有希望获得大规模工业应用的等离子体烟气脱硫技术为电子束烟气脱硫、脱硝技 术和脉冲电晕放电烟气脱硫、脱硝技术。 ( 1 ) 电子束照射法( e b a 法) 。e b a 法是7 0 种同时脱硫脱硝方法中第二代最有发展潜力的4 种方 东南大学硕士学位论文 法之一。e b a 法处理烟气的研究工作在1 9 7 0 年始于日本。其过程是烟气经静电除尘后，进入喷雾冷 却塔，从塔顶喷射出的冷却水在落到塔底部前全部蒸发汽化，将烟气冷却到接近其饱和温度( 6 0 7 0 ) ，然后烟气进入反应器，接受由电子束加速器产生的高能电子( 8 0 1 0 1 5 1 2 8 1 0 1 5j ) 照 射，电子束的大部分能量被烟气中的氧、氮、水蒸气等吸收，产生大量的离子、自由基、原子、电子和 各种激发态的原子、分子等活性物质，它们将s 0 2 和n o x 氧化成硫酸和硝酸。硫酸和硝酸与先加入反 应器的化学计量的氨( 液态氨，雾状) 发生反应，生成硫酸铵或硝酸铵的粉状粒子。接着用干式静电除尘 器捕集这些副产品微粒，净化后的烟气由烟囱排入大气1 6 i 。 电子束照射法不产生废水、废渣，脱硫效率可达至l j 9 0 以上，脱硝率也可达n 8 0 ，副产物可作为 农肥使用。缺点是需要产生高能电子( 8 0x1 0 1 5 1 2 8x 1 0 1 5j ) 的电子束加速器，需要大功率长 期连续稳定工作的电子枪，需要有严格的庞大的放射线防护设置。电子加速器昂贵，电能消耗高( 处理 l m 3 烟气消耗1 0w h 左右，电子能量需求大约占电厂外输电能的1 ) ，维护工作量大( 靶窗厚度仅有 3 0 - - - 5 0um ，由钛金属薄片制成i 。1 ，因烟气腐蚀、内外压差大易损伤) 。 该法最早在2 0 世纪7 0 年代由日本荏原公司提出，在国外已进行了大量的研究并建立了多套装 置，取得了良好的效果。1 9 9 5 年中日合作成都电厂示范项目在成都热电厂试验处理烟气量3x 1 0 5 m 3 h ，设计脱硫率8 0 ，脱硝率1 0 。波兰p o m o r z a n y 电厂电子束装置已安装成功，预期可达到9 0 脱硫率，脱硝率为8 0 。即将建成投运的杭州热电厂项目工程设计脱硫率8 5 ，脱硝率5 5 。中国工 程物理研究院恒泰环境技术公司承担的北京京丰热电公司6 0x1 0 4m 3 h 烟气量电子束治理工程脱 硫率大于7 0 ，脱硝率大于2 0 i $ 1 。 ( 2 ) 脉冲电晕等离子体法( p e e p ) 。脉冲电晕等离子体技术是在电子束法的基础上发展起来的。由于 等离子体化学过程在增强氧化能力、促进分子离解以及加速化学反应等方面具有很高的效率，冈而成 了2 0 世纪9 0 年代研究的热点。脉冲电晕法就是将高压脉冲电源加到放电电极( 电晕极) 上，电晕极对 接地极发生脉冲电晕放电，使迁移率高的电子在自由程中受到突发强电场的加速而获得足够的能量。 利用前沿陡峭、窄脉宽( 纳秒级) 的高压脉冲电晕放电，使容器中烟气分子突然获得“爆炸”式的巨大 能量，从而在常温下获得非平衡等离子体，即产生大量的高能电子和o ，o h 等活性子( 8 1 0 1 9 3 2 x1 0 1 9j ) ，对工业废气中的气体分子进行氧化、降解等反应，使污染物转化。再向其中注入n h 3 气 体，氨除与之产生硫铵、硝铵及其复盐的微粒外，氨与脉冲电晕的协同效应能显著地提高s 0 2 脱除率 ( 脉冲电晕放电产生的等离子体气氛单独作用于s 0 2 时，s 0 2 脱除率只有9 1 5 ，协同效应下可达 9 0 以上h 。 t s e n g 比较了3 4 种形式的脉冲电晕等离子体脱硫脱硝的技术参数、条件及脱除率f l o i ，其中 好的是脉冲电晕等离子体增强湿式静电除尘器( w e 2 s p ) i l l l ，仅用水和脉冲电晕放电( 4 5k v ，4 0 即可使s 0 2 脱除率达7 0 ，形成硫酸铵气溶胶( 含0 3 ，n h 3 ，s 0 2 ) 时脱硝率高达8 0 。鞍山静电技 术研究设计院报道了在常温常压下，用超高压脉冲电晕放电产生非平衡高能等离子体，强电离放电 的电子平均能量达至l j l 6 1 0 1 9j ，铵盐回收率达到8 8 以上，放电能耗低于9w h m 3 ，对二氧化 氮的分解率高达9 4 1 ，对二氧化硫的分解率也高达8 6 7 1 1 2 i 。 本文研究的是等离子体烟气脱硫脱硝中另一种：等离子体一催化协同脱硫脱硝即在介质阻挡放 2 第一章绪论 电( d b d ) 条件下同步脱硫脱硝，就是利用多孔介质吸附有害气体，在介质阻挡放电条件下脱除吸附 在催化剂上的有害气体。用该项技术处理有机废气具有以下优点：能耗低，可在室温下与催化剂反 应，无需加热，极大地节约了能源；使用便利，设计时可以根据风量变化以及现场条件进行调节； 不产生副产物，催化剂可选择性地降解等离子体反应中所产生的副产物；不产生放射物；尤其适 于处理有气味及低浓度大风量的气体。该技术中电能主要转化为水分汽化所吸热量，多孔介质催化 剂颗粒、玻璃介质、保温石棉所吸热量，保温岩棉与空气对流辐射热量损失，还有电源本身能量损 失1 1 3 1 。在等离子体一催化协同脱硫脱硝中，一方面，多孔介质催化剂的吸附或解吸附及催化剂颗粒的 活性都与催化剂温度密切相关，多孔介质催化剂的温度受空气温度场影响。另一方面，反应器温度 低，含水率高，热份额高，化学能低，不利于解吸附作用；反应器中气体温度场与反应器中的含水 率密切相关。为得到更有利于等离子体一催化协同脱硫脱硝的等离子体反应器，有必要对等离子体反 应器中温度场的影响因素进行研究。 1 2 填充床传热的研究现状综述 填充床传热的研究从三方面来介绍：首先，填充床传热总体上可以分为稳态传热和非稳态传热： 其次，对于填充床内多孔介质的传热研究；最后是等离子体传热的研究。 首先，填充床传热总体上可以分为稳态传热和非稳态传热。 流体在流过填充床的时候会被床壁加热或者被床壁冷却。当传热达到稳定状态的时候，从局部 来看，流体和固体颗粒之间存在着一定的温差。但固体和流体的总体温度分布可以看作彼此是相同， 这样，在计算总体稳态温度分布时，就可以把非均相的填充床当成均相单一床来考虑。床内的温度 分布可用有效导热系数和壁面给热系数来计算。 对于不同条件下稳态温度分布的分析解，及计算有效导热系数和壁面给热系数的各种经验公 式，已经有了许多的研究。 1 ) 对于稳态时床层温度，c o b e r l y 和m a r s h a l l 1 4 j 通过对所测得的轴向温度分布进行图 解微分计算出径向有效导热系数，将局部位置上的径向有效导热系数值平均后计算出壁面给热系 数。d ew a s c h 和f r o m e n t1 1 5 j 通过拟合床层出口处的温度测量值，求得径向有效导热系数和壁面给 热系数。其方法是不断修正径向有效导热系数和壁面给热系数，使得所得到的床层出口温度分布计 算值与实验值达到最好的拟合。 2 ) 对于径向有效导热系数，h a t t a 和m a e d a l l 6 l 来关联径向导热系数数据。1 9 5 2 年，r a n z l l 7 1 提 出径向流体混合模型。该模型最初假定，床层是由互相连接的许多小单元组成。小单元通过随机联 接的渠道与邻近小单元发生横向混合。同时假定平均横向流速为表观轴向流速的某一分率。 3 ) 对于静止床有效导热系数的预测已经进行了不少理论研究。可分为两大类：一类假定热流 是单向的，一类认为热流是二维的。假定单向热流的有s c h u m a n n 和v o s s i l 引，他们采用双曲型固体颗 粒；k r i s c h e r 和k r o l l l l 9 1 采用板式排列；还有s c h l u n d e r l 2 0 l 用球形颗粒假定单向热流，但同时包括有 导热和辐射有a r g o 和s m i t h l 2 1 1 ，s c h o t t e1 2 2 1 用球形颗粒；矢木和国井1 2 3 2 4 1 用板式排列；以及z e h n e r 和s c h l u n d e r l 2 5 i 用球形吲体颗粒。二维热流模型显然比单向模型更接近于实际。d e i s s l e r 和b o e 9 1 i i 趵1 对球形颗粒立方排列的单元松弛法求拉普拉斯导热方程的数值解。k r u p i c z k a i z n 硝j 假定填充床是由 一束长圆柱体排列而成，提出了球形颗粒静止床有效导热系数的方程。若床内流体为气体，高温时 辐射传热就起重要作用。此时，从一颗粒表面至邻近颗粒表面的传热机理就应当同时包括导热和辐 3 东南大学硕士学位论文 射两项。若尾和加藤1 2 9 l 考虑了辐射传热，用松弛法对差分网格进行计算，求得球形颗粒作为斜方网 格排列，空隙率为0 3 9 5 时一个单元块内的稳态温度分布，从而求出有效导热系数。 4 ) 对于颗粒直径有几毫米的床层，常压下的有效导热系数为常数不随压力而变化，但是当压 力相当低时，有效导热系数则随压力的降低而减少。这一现象是由于在颗粒表面的温度跳跃而引起 的。而对于细粉颗粒，在大气压下甚至在更高的压力下就会出现有效导热系数下降的现象。有些研 究者测量了各种形式填充床的有效导热系数。f u l k i 删研究的珍珠岩颗粒在空气介质中的填充床，压 力由o 1m p a 至1 o 1 p a ；k a g a n e r 和g l e b o b a i h j 用硅胶在空气中，压力0 1m p a 至l j l p a ：m a s a m u n e 和s m i t h p 副 用玻璃珠和钢球，在空气中压力0 1m p a 至u 1 p a ；s w i f t l 3 3 1 用铀，锆和氧化铀的细颗粒在氦、氢、氮、 乙烷和乙烯介质中以及铅丸在氢气中，压力由0 1m p a 至u o 1 p a ；l u i k o v 等人1 3 4 i 是用石英砂和有机玻 璃粉末在空气中，压力0 1m p a 至1 o 1 p a 。所有这些研究结果绘制在有效导热系数与压力的对数座标 上后，曲线均呈s 形。 5 ) 有研究人员对壁面给热系数进行测定。l i 和f i n l a y s o n l 3 s l 将文献发表的数据进行了检验， 发现许多实验数据受床层高度或进口效应的影响，由公式得出了某些壁面给热系数值。 6 ) 矢木等1 3 6 j 首先测定了稳态条件下，绝热填充床内的轴向有效导热系数。 描述非稳态条件下填充床内传热现象，根据w a k a o 的理论p7 1 分为以下三种模型：s c h u m a n n 模型、 连续固相模型和混合扩散一中心对称模型。 1 ) s c h u m a n n 模型是其中最简单的一种，它单纯地假定流体为理想活塞流( 即没有混合扩散， 颗粒内也不存在温度梯度) ，并认为在固体颗粒内不存在导热热阻。根据舒曼模型，汉德利和赫格 斯p 8 i 从阶跃响应实验中测得给热系数。 2 ) 连续固相模型假定固体为连续相来考虑固体颗粒导热的作用。且认为流体具有热混合扩散。 该模型是由利特曼和巴里尔1 3 9 l 提出的。 3 ) 混合扩散一中心对称模型用于解决填充床非稳态传热问题，是迄今为止应用最为广泛的一种 模型。它假定流体为具有混合扩散的活塞流，颗粒内部的温度为径向对称。然而，假定颗粒内部温 度分布为径向对称的，就不会有穿过颗粒的导热。为了弥补这一缺陷，将同相导热人为地包括在流 体热混合扩散项内。对于非稳态导热，特别是在低流速下，固相导热还起相当的作用。原始提出的 混合扩散一中心对称模型中不考虑i 司相内的轴向导热。为克服这一缺点，若尾1 4 0 j 提出将固体导热包 括到流体混合扩散项中。 颗粒一流体间的给热系数：在设计和分析填充床催化反应器时，需要知道流体和催化剂颗粒的温 度。一般说来，测量流体温度几乎没有什么困难，但测量固体表面的温度却不是那么容易。对于填 充床反应器就更是如此。因此，我们不得不借助于颗粒一流体间的给热系数来估算出颗粒的温度或 颗粒表面处的温度降。 c o r n i s h 根据电、热之间的模拟现象解释：在密集颗粒体系中的传热系数要比无限介质中单颗粒 的传热系数小得很多。国井和铃木指出流体在床内的沟流是造成努塞尔数过低的原因。 其次，对于填充床内多孔介质的传热研究：由于填充床内的填充物质多孔介质对填充床内的传 热影响很大，因此，对多孔介质传热传质的理论研究就必不可少了。 多孔介质1 4 1 i ：是指多孔l 司体骨架构成的空隙空间中充满单相或多相介质。固体骨架遍及多孔介 质所占据的体积空间，空隙空间相互连通，其内的介质可以是气相流体，液相流体或气液两相流体。 多孔介质的主要无力特征是空隙尺寸极其微小，比表面积数值很大。多孔介质内的微小空隙可能互相 连通的，也可能是部分连通，部分不连通的。 4 第一章绪论 多孔介质传热的理论模型的研究 关于多孔介质理论的演化和进展： 第一阶段( 初级发展阶段) ：以1 8 5 6 年h d a r c y 提出了著名的适用于一定条件下多孔介质中流 体流动的达西定律的确立为起点，到此后1 0 0 年时间； 第二阶段( 相对完善阶段) 1 9 5 7 年p h i l i p ，d ev r i e s 理论的建立。 在他们的经典理论之上，通大量的理论和实验研究又形成、发展、完善及派生出来其他各种理 论，如能量理论，液体扩散理论，毛细流动理论和蒸发冷凝理论等描述多孔介质中热质迁移过程的 单一理论模型，有关多孔介质的数学模型才较快地发展起来。正是在这两个阶段的交汇点之后，有 关多孔介质的研究才逐渐由等温过程向非等温过程、由单场驱动向多场驱动、由饱和向非饱和、由 非耦合向耦合、由单一理论向混合理论、由单学科向交叉相关学科的发展。 目前，建立多孔介质传热传质数学模型的主要理论大体上分为l u i k o v 唯象理论和w h i t a k e r 体积 平均理论，前者控制方程的唯象系数难于确定，后者的控制方程呈现高度非线性而不易求解和应用 1 4 2 1 。但是，现有的多孔介质传热传质理论和模型，大多是直接或间接地把新研究的多孔介质看作是 一种在大尺度上均匀分布的虚拟连续介质，在数学建模时，用假想包含固、液、气相的连续介质代 替多相多孔介质。这种处理方法尽管与多孔介质的实质微观状态存在一定的差别，但在一定程度上 仍能满足工程设计的需要。 目前多孔材料的研究难点主要有以下三个方面：( 1 ) 数学模型的控制方程的高度非线性；( 2 ) 毛细 滞后效应；( 3 ) 非等温工况传热传湿。 多孑l 介质传热理论基础 多孔介质内的传热过程主要包括【1 】：( 1 ) 固体骨架与固体颗粒之间存在或不存在接触热阻时的 导热过程； ( 2 ) 流体( 液体、气体或两者均有) 的导热和对流换热过程；( 3 ) 流体与固 体颗粒之间的对流换热过程；( 4 ) 固体颗粒之间、固体颗粒与空隙中气体之间的辐射过程。 热量既可以通过固体骨架的导热，又可借助流体的导热和对流传递。质量的传递则表现在孔隙 中流体的流动，且常伴有相变，并且它的孔隙结构极为复杂，很难对微孔中的流体流动和能量运输 进行详细的描述。在无化学反应的过程中，多孔介质内部传热传质的主导驱动势为：压力梯度、浓 度梯度、温度梯度。 多孔介质传热传质耦合理论及数学模型：无论在多孔介质或其它一般介质中，各种不可逆传递 过程之间存在着相互影响和干扰。当两种传递过程同时存在时，传热传质过程将发生直接的相互作 用，产生所谓的交叉耦合扩散效应。由温度梯度的作用产生的传质效应称为s o r c t 效应，或称为热附 加扩散效应，它代表由温度场的不均匀性而导致的传质现象；而由浓度梯度产生的效应称为d u f o u r 效应，或称为扩散附加热效应，它代表由浓度场的不均匀性而导致的传热现象。 金仁喜1 4 3 1 等提出了高强加热下含湿多孔介质传热传质新模型，模型包括的水种类齐全、水分迁 移机制全面，假设条件相对较少，并考虑了非f o u r i e r 传热效应和非f i c k 传质效应，模型通过具体 的含湿量分区分析得到了简化。 多孔介质传热中的微尺度效应：流体在一定条件下要发生相变，如蒸发和凝结，使得整个传热 5 东南大学硕士学位论文 传质行为更为复杂。多孔介质由于有许多相互连通着的微细子通道而使流体的流动受到随机性的掺 混，呈现出动量和热量的“弥散”作用l 。多孔介质固体骨架与流体之间存在着的“毛细势”，实 质上是相际表面张力的作用势，特别是对润滑液体表现为毛细引力。液体在亚微米尺度微槽中的传 热与传质都会出现“超常”性质：因毛细力引起“热毛细现象”而减低流动阻力，由层流向湍流转 交的临界雷诺数远小于常规值，却又显著地提高了换热强度。 在多孔介质传热中分形理论的应用：1 9 7 5 年由美国学者m a n d e l b r o t 首先提出了分形的概念1 4 引。 它能反应出自然界存在的大量非线性现象和几何形状的客观规律，立刻引起了各国科学家的广泛关 注，逐步形成了分形几何理论体系。由于多孔介质具有随机、无序的分形特征和相同的分形维数， 同时分形维数可以预测多孔介质的空隙度。施明恒也研究表明1 4 6 4 7 1 ：多孔介质剖面骨架面积分布或 孔隙分布具有分形特征，并提出一个简化的多孔介质分形导热模型，考虑了热量的传递将通过内部 的曲折通道和由于孔隙的存在使热量传递面积减小的问题，导出了基于分形理论的多孔介质有效导 热系数的表达式，为进一步深入研究复杂的多孔介质传热传质过程开辟了一条新路。 多孔介质的传热机理： 由多孔体内各部分流体温度或组分浓度的不同使流体密度产生差异而形成的对流换热，称为自 然对流换热。 流体的传热与对流是相辅相成的。 多孔介质内的流动 流体在多孔介质中的流动可能受到多种效应的控制。其影响因素不仅有压力、温度，还有流体 的组成、物性及相态，固体骨架结构及物性，孔隙大小及形状，流通通道尺寸及弯曲程度等。 多孔介质中流体的流动不仅可由“机械”作用力( 如重力，毛细力，重力等) 引起，而且还可 能由非“机械”作用力引起，在非“机械”作用力引起的多孔介质中流体流动中，最重要的是由温 度梯度和浓度梯度所导致的宏观流动。 1 ) 温度梯度引起的流动 p 2 ( 互) 一p 1 ( 正) = a p 0 ( 1 1 ) 当密度差卸达到一特定值后，系统中将产生流体的宏观流动( 即宏观对流现象) ，又称不稳定 状态。人们称之为b e n a r d l 4 8 i 现象。对这种由温度梯度所导致的大空间流体中的对流现象，可用 r a y l e i g h 数 r 口：f l a t g l 3 口y ( 1 2 ) 到达某一临界值尺口c 来判断。其中a t = 正一疋，l 是定性尺寸，v 是温度为t 2 时流体的运动 粘度。 在充满流体的多孔介质中会产生因流体密度变化而引起的对流现象。这种现象多属于低r e 流 动。多孔介质中的流体流动，往往即由“机械”作用力，又由上下层密度差导致竖直向上浮力而引 起的。 6 第一章绪论 2 ) 质量浓度梯度引起的流动 当流体中某组分的浓度梯度很大，从而分子扩散率增加到一定程度时，由分子扩散而形成的流 体随机迁移，也能形成多孔介质中的宏观流动。 在空隙空间由混合流体填充的多孔介质中，混合物的某一组分浓度的变化也可以引起混合流体 密度的变化，即p 随浓度而变。这种由浓度梯度引起的多孔介质的对流流动现象比温度梯度引起的 对流现象要复杂得多。 在研究中，经常将多孔介质中组分较少的溶质视为示踪剂。示踪剂在流体中的传播，表征了溶 质组分在流体中的质量传递，也构成示踪剂通过多孔介质孔隙的宏观运动。这种传播现象称为多孔 介质中的流体动力弥散。由于浓度分布不同形成质量传输而导致的流体动力弥散机理，是由两种传 质模式组成的，即对流传质或对流扩散，以及分子质量扩散。前者又可分为两种，一是由于孔隙通 道曲折复杂，从而使局部速度大小与方向不同而形成示踪剂的对流；二是由于多孔介质微观结构的 不均匀性，以及渗透性的不同而造成宏观上的不均匀性，从而形成示踪剂的对流运动。和对流扩散 同时发生的分子扩散，则是因示踪剂在流体中的变化而引起的。在低流速下，分子扩散在流体动力 弥散中的贡献加大。 综上所述，多孔介质中由浓度梯度而引起的流体宏观流动，可由溶质( 示踪剂) 的浓度场分布 以及分子扩散和对流传输的关系来描述。 多孔介质内的传热 多孔介质的热量传递的各种模式： 若多孑l 介质孔隙中含有气体，则视流体流动与否、流速高低、流体的相态与组分及物性的不同， 多孔介质固体骨架的性质、空隙率、弯曲率的差别，以及流体与固体骨架的温度的高低，形成多孔 介质的热量传递的各种模式： ( 1 ) 固体骨架与固体颗粒之间存在或不存在接触热阻时的导热过程； ( 2 ) 流体( 气体) 的导热和对流换热过程： ( 3 ) 流体与固体颗粒之间的对流换热过程： ( 4 ) 固体颗粒之间、固体颗粒与空隙中气体之间的辐射过程。 多孔介质传递过程的主要特征： 通过固体颗粒的连续干扰而使流体动量与热量的“弥散”效 应使传递过程增强。横向的弥散使截面流速分布和温度分布趋向于比较均匀化，从而使变物性的 影响被明显地消弱。特别在高p e 时，弥散效应往往远大于流体自身内部的扩散效应，将对传递过 程产生主导作用。即使在低p e 下，弥散效应也会起一定的作用，。临近边界壁面处，颗粒之间孔 隙率的增大，造成近壁层中孔隙率随远离壁面距离的增加而衰减，并逐渐趋近于自然几率的所谓 “边界效应”。 最后是等离子体传热的研究： 热量通过热传导、对流和辐射传给置于电离气体流中的物体。各种过程( 原子的、分子的、电 子的、复合的、离解的以及化学的过程) 都参与传热过程。对流传热以被加热气体的非均匀流动为 7 东南大学硕士学位论文 特征，它依赖于气体运动的特征、气体的物理性质和温度场，也依赖于绕流物体的几何形状。 等离子体中的热迁移机制：热传导，它只是温度梯度存在的影响，而和等离子体中的扩散流无 关。化学反应看作是“冻结”；扩散热迁移，它是与颗粒扩散流中它们的反应能的迁移有关的，这 些扩散流是由外力、压力梯度、浓度梯度和温度梯度所引起的。由于我们能够赋予每个离子以一定 数量的焓( 一克分子的焓除以一个克分子中的粒子数) ，那么，离子携带着它的焓值从温度较高处跑 出来，并把焓传递给温度较低处的粒子或者传递给容器壁；对流迁移，它是与在等离子体整体流动 中( 即具有质量平均速度的流动) 整个等离子体体元焓的热迁移有关。这种机制在紊流等离子体中 是很强的，而且起着主要作用。辐射热迁移。 唐祖臣，顾瑶等人在介质阻挡放电等离子体条件下，研究了电压的大小对催化剂颗粒的温升速 度的影响畔l 。 伯格老里斯凹j 对电流体动力学强化传热的研究工作作了综述评价，认为高电压的静电场将使传 热面附近引起流体的流动混合，这种动力将包括两个方面：( 1 ) 流体中的静电力，即“电泳力”，取 决于自由电荷的存在；( 2 ) 介电质的计划现象引起的“介电泳力”，在非均匀分布的静电场中由高级 化区，亦即介电常数随流体密度的增加而增大，而电场强度则在热表面上为最大，促使冷流体流向 热表面。显然，这种流动情况将取决于电场的几何形状与分布，也取决于流体的物性，而且不仅限 于自然对流，对混合对流和受迫对流的边界层流动也都会产生影响。 如果等离子体流过一固壁，那么在紧靠i 司壁面附近常常形成一个边界层。此层既可是层流，也 可以是紊流( 具有层流底层) 。速度边界层伴随着热边界层和扩散边界层。等离子体在边界层中的 流动由平衡方程( 质量、动量、能量守恒定律) 所描述，这些方程对于绕流平板和旋转对称体1 5 l i 己 得到很好的求解。存在化学反应( 包括解离) 、扩散和热导的边界层的详尽分析见文献珏5 3 1 。 工程中所涉及的等离子体传热过程有：宇宙航行中重返大气层时因气动加热、包括由激波引起 高温离解5 4 j ；电弧技术5 5 l ；磁流体加速和能量转换( 磁流体发电【硐) 。磁流体发电是因为电磁场对 流过的导电流体切割磁力线感生出电磁切体力洛伦兹力，产生耗散的焦耳热，由此形成专门的“磁 流体动力学” s 7 - 鲳l 。洛米格5 9 1 给出了对磁流体动力学传热问题的广泛综述和评论。 文献中也有许多电流体动力学对强化沸腾和凝结效果的研究报道唧j 。已发现大空间饱和沸腾过 程的如下特征：( 1 ) 在沫态沸腾区，液体将加速朝向受热面而置换蒸汽泡，从而延缓临界沸腾状态 的到达，使沸腾的临界热负荷明显地升高；介电泳力占据主导地位；( 2 ) 放电的效果、亦即电泳力 对过渡沸腾换热和膜沸腾工况也有重要的影响，能使沸腾换热系数同样得到提高，具有一定吸引力。 1 3 双介质阻挡放电的性质 等离子体6 1 “5 1 是不同于同、液、气等状态的物质存在的第四种状态，由大量正负带电粒子和中 性粒子组成并表现山集体行为的一种准中性物体。等离子体可分为热力学平衡状态等离子体和非热 力学平衡状态等离子体。当电子温度t 。与离子温度t t 、中性粒子温度t g 相等时，等离子体处于热力 学平衡状态，称之为平衡态等离子体( e q u i l i b r i u mp l a s m a ) 或者热等离子体( t h e r m a lp l a s m a ) ， 其温度一般在5 1 0 3 k 以上；当t e t i 时，称为非平衡等离子体( n o n t h e r m a le q u i l i b r i u mp l a s m a ) ， 8 第一章绪论 其电子温度可高达1 0 4 k 以上，而其离子和中性粒子的温度却可低至3 0 0 - 5 0 0 k 。非平衡等离子体又可 称为低温等离子体( c o l dp l a s m a ) ，一般气体放电产生的等离子体属于这一类型。 在接近大气压情况下，等离子体可用以下方法产生：1 ) 电子束法；2 ) 介质阻挡放电，包括无 声放电、沿面放电、铁电介质填充床放电；3 ) 脉冲电晕放电；4 ) 毛细管火花放电；5 ) 流动的稳定 电晕放电，包括电晕自由基喷淋、电晕自由基喷入和电晕矩；6 ) 直流、交流弧光放电；7 ) 射频放 电，包括感应耦合和电容耦合放电；8 ) 微波放电。其中1 ) 、2 ) 、3 ) 、5 ) 放电产生的等离子体属 于非热平衡等离子体；而4 ) 、6 ) 、7 ) 、8 ) 产生的等离子体属于热平衡等离子体。等离子体发生 设备是多种多样的，对于不同的污染物应该选择与其相适应的反应器。 介质阻挡放电( d i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g e 。d b d ) 等离子体是一种高气压低温非平衡等离子体， d b d 是一种将绝缘电介质材料插入放电空间的气体放电，电介质层既可以覆盖在电极表面，也可以 悬挂在放电空间里i 的i ，当在放电电极上施加足够高的交流电压时，电极间的气体在很高的气压下会 被击穿而形成介质阻挡放屯。因而它是在大气压或高于大气压条件下获得大空间非平衡等离子体的 有效手段。其最主要的结构特征是在两个放电电极间插入电介质层介质阻挡放电最大的特点是不需 要真空设备就能在较低的温度下获得大空间、高密度的非平衡等离子体，能够满足高质量流量等离 子体化学反应的需要。因此，可以在很多领域获得应用。d b d 的结构示意图见图1 1 。 h v 匠墨慨 一 上 ( b ) h v - _ l l 暖譬豆互五盈2 。工一 亨 ( e ) 甄g j 颐j 1 一电极；2 一电介质层；3 一放电间隙。 图卜1d b d 结构示意图 9 牟了了 东南大学硕上学位论文 介质1 介质2 图1 - 2 双介质阻挡放电的一维模型i f 7 i 鞘层的存在：通过介质阻挡放电，获得等离子体，当等离子体与固体相接触时，在外加电场的 作用下，正电荷离子朝电场方向运动，负电荷电子逆电场方向运动，使固体壁面积聚负电荷，而在 内部形成一个反向的自洽电场。自洽电场阻止电子向固体壁面运动，而吸引离子向固体壁面运动， 结果使电子流密度逐渐减少，离子流密度逐渐变大，固体壁面附近的负电位不断增加，最后当达到 固体器壁的电子流密度和离子流密度相等时，固体壁负电位数值不再改变，这样就形成了一层负电 位的等离子体“鞘”，它把等离子体包围起来。鞘层的作用是形成位垒，使得较易迁移的电子受到了 限制，电子欲从等离子体到达固体表面，它必须获得更高的能量克服由“鞘”形成的位垒。见图1 2 。 固 壁 面 多 l - 3 n 电场 正电位 -o=ov 电流补充 在介质阻挡放电的电离区中，用高电场在极短瞬间让空气电离，快速切断高电场，使已产生的 带电粒子不会快速趋附到电极上，这样就容易被气流吹离电离区。 图1 - 4 中，电流曲线上尖脉冲相当于被击穿后线路接通产生的电流，又被立即截断。尖脉冲随后 的小鼓包( 见虚线) 是击穿被斩断后持续一段时间的电流，表明间隙空气中尚存的带电粒子，在弱电 场中继续向两极迁移运动。在电离区，这些带电粒子悬浮在空气中，容易被吹出。 1 0 第一章绪论 3 2 却 餐 l 罂0 璃 1 脚一1 - 2 _ 3 0l2345 t p s 图1 - 45 0 0k h z 介质阻挡放电电流电压曲线 “离子风”与d b d 气体放电强化传热具有直接的关系。“离子风”主要是由相对曲率半径较小 电极附近所产生大量离子射流运动引起的，这种离子射流对周围流体流动产生强烈的扰动，形成附 加的由曲率半径较小电极到曲率半径较大电极方向的流体运动，即“电诱导二次流”。随着电压的升 高，电极附近电场强度进一步加强，被诱导的二次流做更大速度的定向运动并形成对表面热边界层 更为强烈的扰动，热边界层变薄，这使对流换热系数随着电压的升高而增大。 1 4 本课题的研究内容 首先对课题的理论和工程背景及意义进行了介绍；然后通过大量的文献综述，详细介绍了前人 与课题相关的研究工作及成果，在此基础上提出了本文的研究内容。 为了找到一条途径来控制最佳的吸附剂吸附和脱附温度。设计实验台，内容包括脉冲电源的设 计、反应器的设计制备。分别在1 ) 不同的输入电压；2 ) 输入电压相同，入口空气的流量不同的工 况条件下，对圆管d b d 填充床反应器内的温度场进行了实验研究。 利用f l u e n t 软件对圆管d b d 填充床反应器内的温度场进行了数值模拟，并进行分析。将实验与 模拟对比。 为了能够获得反应器中的温度，通过m a t l a b 软件对电厂大型矩形填充床内的温度场进行了模 拟。 最后对全文的总结和对今后研究的展望。 第二章实验设备及实验内容 2 1引言 第二章实验设备及实验内容 工业的迅速发展、处理工艺的不完善导致了含硫含氮烟气排放量的急速上升，排放大量的s 0 2 和n