燃煤飞灰中PM25捕集效率的数学模型的研究

1、华北电力大学硕士学位论文摘要 摘 要 本论文针对目前广泛应用的电除尘器，建立了燃煤飞灰中的分级除尘效率的数学模型。根据电除尘器的设计运行参数和入口参数预估出的分级除尘效率，进而预测出电除尘器出口的粉尘排放参数；分析影响分级效率的各种运行参数，并加以调整以便使的排放浓度到达最低。 该模型能确切指明分级效率如何决定于运行参数，诸如气体流量、粉尘比电阻及其他性质、除尘器形状和粒径等。通过该模型不仅可以从的进口参数预估出要获得的出口参数，也可以改变设计的影响及各种运行参数的影响，以便得到一个最适宜的设计。关键词：，分级除尘效率，数学模型，预测，电除尘 ， 陀 ， ， ， ：， ， ， 华北电力大学硕士

2、学位论文摘要 摘 要 本论文针对目前广泛应用的电除尘器，建立了燃煤飞灰中的分级除尘效率的数学模型。根据电除尘器的设计运行参数和入口参数预估出的分级除尘效率，进而预测出电除尘器出口的粉尘排放参数；分析影响分级效率的各种运行参数，并加以调整以便使的排放浓度到达最低。 该模型能确切指明分级效率如何决定于运行参数，诸如气体流量、粉尘比电阻及其他性质、除尘器形状和粒径等。通过该模型不仅可以从的进口参数预估出要获得的出口参数，也可以改变设计的影响及各种运行参数的影响，以便得到一个最适宜的设计。关键词：，分级除尘效率，数学模型，预测，电除尘 簦澹? ， ， 比 陀 ， ， ， ：， ， ， 主要符号表 主要

3、符号表 粉尘量， 姻气量， 气体含尘浓度， 卜通过率 总除尘效率 。分级除尘效率 卜肯宁汉滑动修正因数 粉尘质量频率 卜累积频率分布函数 流体的粘度，。 广真空介电常数、 。， 粒相对介电系数 。烟气介质绝对介电常数， 离子迁移率，。 艮荷电电场强度， 嘣集电场强度， 波尔兹曼常数 吨 卜气体温度， 荷电时间， 等效特征时间常数， 入气体分子平均自由程， 驱进速度， 尘粒半径， 尘粒直径， 烟气介质粘滞系数，· 粉尘比电阻，坍 ；枷除尘器设计和运行条件决定的系数 声 尸 明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文?燃煤飞灰中捕集 效率的数学模型的研究?，是本人在华北电力大学攻读硕士学

4、位期间，在导 师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别 加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得华北电力大学或其他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奉献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 交逸夔， 日 期：丝里！呈！丛 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保存、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流

5、为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或局部内容。 涉密的学位论文在解密后遵守此规定 作者签名：皇连整， 导师签名：雠 日 期：呈塑三：垡 日 期：塑芦生 华北电力大学硕士学位论文 第一章引 言本课题的研究背景及意义 我国是目前世界上最大的煤炭生产国和消费国，也是唯一以煤炭为主要能源的大国，并且这种能源结构在长期内不会改变，因此，我国目前的大气污染总体上还是煤烟型污染】。随着经济的开展，对能源需求的不断增加和对环境质量要求的不断提高，大气污染问题将更加突出。原先对污染物的研究深度已不能满足新的要求，如大气颗粒物污染方面，已开始注意可吸入颗粒物

6、空气动力学直径小于 浓度对环境和人体健康的危害和影响。可吸入颗粒物又可分为细颗粒空气动力学直径小于或等于 和粗颗粒空气动力学直径介于 之间。 当前我国约有四分之三的燃煤电厂采用电除尘方式，烟气处理量超过，每年火力发电的烟尘排放量约为万吨年，占全国工业烟尘排放量的，其中，可吸入颗粒物的排放量超过万吨年。电除尘器制造产业已具有相当的生产能力，能够制造可供发电机组用的超大型电除尘器。可以说，电除尘器是支撑我国当今乃至今后较长时期内烟尘治理大局的主要手段。但从目前电除尘器的实际运行效果来看，有相当一局部电除尘器难以满足火电污染治理目标的要求乜尤其是处于第和第时段的电厂，绝大局部电除尘器不管设计能力还是

7、实际运行，除尘效率均缺乏老电厂或新电厂的水平，难以到达和的新排放标准要求另一方面与国外兴旺国家不同，我国燃煤电厂普遍燃用的是劣质煤，而且煤种变化不定，从而给电除尘器的设计和运行造成困难。 大量试验及分析说明，火电厂烟尘排放难以达标的主要根源是当前我国燃煤电厂电除尘器对可吸入颗粒物特别是对细颗粒的捕获率较低，仍有大量被排放进入大气中。是指空气动力学直径小于的颗粒，它能直接进入人体下呼吸道，甚至可以进入人的肺泡，沉积在肺中，被称为可入肺颗粒物，是日益受到人们关注的污染物之一。电厂中煤的高温燃烧是重要的来源，也是其中毒害性最大的局部。是引发城市大气酸雨、光化学烟雾和能见度降低的重要因素啼，许多研究已

8、经揭示出对人体健康的严重危害和对气候的重要影响。燃煤排放通常富集各种重金属元素如，和等和，等有机污染物，这些多为致癌物质和基因毒性诱变物质，加之其在大气中的停留时间比残留粉尘的停留时间大得多微细颗粒的停留时间一般为，而残留粉尘为一，且很容易被人体吸收，危害极大哺。我国是一个燃煤大国，可吸入颗粒物特别是的污染尤为严重，因此，对燃煤排放的建立效率模型对于的控制具有重要意义。 华北电力大学硕士学位论文国内外的研究历史及现状 就国内外研究现状来看，研究的重点多集中在大气中可吸入颗粒物的源析、危害、浓度、形态以及气候条件对颗粒物扩散的影响等方面州，而对于可吸入颗粒物源的形成和控制技术的根底研究工作较少，

9、对不同煤种、不同燃烧方式、不同除尘设备形成的微细颗粒尚无进行系统的研究。目前国内在颗粒物方面的研究仅限于清华大学、华中科技大学、北京大学、中国科学院、东南大学等少数几个单位，并且主要成果多是颗粒物形成机理、重金属元素富集规律以及大气中可吸入颗粒物的浓度分布等方面的报道引。 对燃煤过程中微细颗粒的生成机理进行研究大致始于世纪年代，研究者采用实验以及数值模拟等手段对微细颗粒的尺寸分布、蒸发、成核、凝并等方面和过程进行了详细的研究。值得说明的是早期的研究大多集中在具体过程、根本现象以及子模型的建立上，世纪年代之后研究的重心那么偏向于全过程总体模拟以及实际应用上，但采用的理论或模型仍然以早期研究成果为

10、主，鲜有实质上的改进。 国内在对微细颗粒建立数学模型方面有，周邵萍等对超细颗粒沉降过程进行了数值模拟，由长福等对可吸入颗粒物近壁运动的直接数值模拟进行了研究副，赵海波等对燃煤锅炉微尺度流体力学研究模型做了初步探索引，张丰豪等的燃煤过程中微细颗粒生成机理及其模拟研究的进展等，。 国外在该方面的研究有，和通过实验手段详细测定了粉煤灰的双峰尺寸分布，并对微细颗粒的生成量进行了详细的研究；指出微细颗粒的质量占粉尘质量总重的左右，但却占据了几乎所有的数量和颗粒外表积；和对微细颗粒形成过程中的蒸发特性进行了研究，通过实验测定了主要无机矿物元素、：、：。，和：。的蒸发量，并首次给出了无机矿物元素的蒸发模型，

11、用以预测燃煤过程中无机矿物元素的蒸发速率和蒸发量；和等人对微细颗粒的成核过程进行了详细的研究，说明成核过程发生在焦炭颗粒外表的局部区域内；等人成功建立了一个模型用于模拟固体或液体燃烧系统中微细颗粒从成核到凝并等阶段的尺寸演化；和以及等人研究了燃煤过程中元素的蒸发、迁移转化、以及引起的炉膛结渣等问题；和分别研究了痕量元素的释放及其在微细颗粒上的沉积，尤其是采用方程对微细颗粒的生长以及痕量元素在微细颗粒上的沉积进行了很好的模拟；和采用数值模拟方法研究了锅炉炉膛低。改造对微细颗粒生成的影响，以及由此带来的粉尘中残炭含量增加等一系列问题，取得了很好的效果；那么致力于蒸发过程中孔内气体组分的演化和输运方

12、面的研究，以期能对蒸发过程和微细颗粒的生成进行更加准确的预报。 华北电力大学硕士学位论文 但在国内外对于微细颗粒的分级效率建立的模型还很少，对不同粒径范围的微细颗粒特别是的捕集效率建立数学模型，对于将来微细颗粒的控制研究具有重要意义。本课题研究的主要内容 在除尘器的设计计算中，所需要的最重要的工具是，对一给出的除尘器在一定状况下运行时，根据电除尘器入口的参数能预估出分级效率函数。，进而预测出电除尘器出口的排放参数。当然，捕集理论的中心任务是开展数学模型，它应能确切指明分级效率如何决定于运行参数，诸如气体流量、粉尘浓度和其他性质、除尘器形状和粒径等引。 本课题的主要目的是针对目前应用最为广泛的电

13、除尘器建立的分级除尘效率的模型，从的进口参数预估出要获得的出口参数，分析影响分级效率的各种运行参数，并加以调整以便使的排放量到达最低。 华北电力大学硕士学位论文 第二章除尘效率的表示方法及其影响因素除尘效率的表示方法 全面地评价除尘器的性能应该包括技术指标和经济指标两方面的内容，而二者之间又是互相联系的。作为技术指标，一般常以处理气体流量、除尘效率、压力损失及负荷适应性等特性参数来表示；作为经济指标，那么主要包括设备费、运行费和占地面积等。除上述根本性能外，还应考虑装置安装、操作、检修的难易等因素。在工程中，通常以除尘效率为主来选择和评价装置，因此本节重点介绍除尘效率的表示方法。总除尘效率 质

14、量算法：含尘气体通过除尘器时所捕集的粉尘量占进入除尘器的粉尘总量的百分数称为除尘器总效率，以表示。总效率的定义式为： 叩蚤一一姜 式中。进入除尘器的粉尘量，： 广从除尘器排风：排出的粉尘量，； 厂除尘器所捕集的粉尘量，。 浓度算法：如果除尘器结构严密，没有漏风，除尘器入口风量与排气口风量相等，那么式一可改写为： 呀一，：；一垒 。 式中。除尘器入口风量，； 广除尘器排气口风量，； 。除尘器进：的气体含尘浓度，； 广除尘器出口的气体含尘浓度，。 但实际上除尘器经常有漏风，这时的除尘效率表示为 ，；一盟。一 。 ， 为漏风系数。 公式一要通过称重求得总效率，称为质量法，用这种方法测出的结果比 华北

15、电力大学硕士学位论文较准确，主要用于实验室。在现场测定除尘器效率时，通常先同时测出除尘器前后的空气含尘浓度，再按公式求得总效率，这种方法称为浓度法。含尘气体管道内的浓度分布既不均匀又不稳定，要测得准确的结果是比较困难的。必须注意，上述、和：、。、。及。均为同一时刻的量值，并应以相同单位表示。通过率 有时两台除尘器的总效率分别为或，两者非常接近，似乎两者的降尘效果差异不大。但是从大气污染的角度去分析，两者的差异是很大的，前者排入大气的粉尘量要比后者高出一倍。因此，对于高效除尘器，除了用除尘器效率外，还用通过率表示除尘器的性能。通过率系指从除尘器出口逸散的粉尘量与入口粉尘量之比，值越大，说明出口逸

16、散量越大。其计算式为： 。兰；盟；一，。 墨 。 分级除尘效率 分级除尘效率是基于除尘器的总除尘效率一般都随粉尘粒径而变化，为确切地表示除尘效率与粒径分布的关系而提出的，分级除尘效率简称分级效率系指除尘器对某一粒径，。或粒径间隔，内粉尘的除尘效率。分级效率既可以用表格、曲线图表示，也可以用显函数形式 。表示。其中的，；表示某一粒径或粒径间隔。 分级效率可以用总效率表示方法中的任一种方法来表示。假设设除尘器进、出口和捕集的。；粒径的粉尘的质量流量分别为。；、：；和那么该除尘器对粒径，；粉尘的分级效率。为： 仇；垒；一垒 对于一定粒径和种类完全相同的粒子来说，按粒子个数、按粒子外表积和按粒子质量或

17、体积计的分级效率，数值上完全相等，即产。 对大多数除尘器织物过滤器除外，对于种类完全相同的粒子，在具体确定的操作条件下运行时，具有唯一的单值函数。但函数形式将决定于除尘器的种类、特性和尺寸，即气体和粉尘的各种性质。 在工程中，还常用分级效率 时所对应的粒径来表示除尘性能，称为除尘器的分割粒径，一般用。表示。 华北电力大学硕士学位论文总除尘效率与分级除尘效率的关系由总效率求分级除尘效率 总效率容易通过实测求得，而除尘器入口、出口及捕集粉尘的质量频率。、：。、。；也可以通过测定分析求得，那么根据质量频率的定义和分级效率的定义式可得 那么 亟缸或 小 誓赢 汕 由上式可知，在和。、：。、。中的任意两

18、项时，那么可按式或或由总效率计算出分级效率。由分级除尘效率求总效率 同样，根据分级效率。及粉尘质量频率。也可求得总效率。假设分级效率 。，以函数形式给出，进口粉尘粒径分布以累积频率分布函数。形式或频度函数。形式给出，那么总除尘效率可按积分式计算： ：氇。崛工， 可见，当某除尘器的分级效率。和所要处理粉尘的累积频率分布或频度分布时，即可按上式求得总效率。假设。和。或假设以显函数形式给出，可求得精确积分值，否那么只能用图解法或数值近似计算法求得馐巧杓菩鲁酒魇背捎玫募扑惴椒舻币阎诜鄢局柿科德剩纾保部山质剑玻保埃男闯汕蠛托问剑蚩傻?，；碾 一 ， 仇 ，除尘效率的测定总除尘效率的测定 在实验室实验中，可用质量法测定干式除尘器的除尘效率。即测出进入除尘器的粉尘流量。和除尘器捕集的粉尘流量，按式计算除尘效率。 华北电力大学硕士学位论文对于干式除尘器，用质量法测定除尘效率既简便，又准确，因而是实验室中广泛采