燃煤飛灰中PM25捕集效率的數(shù)學(xué)模型的研究

1、華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要 摘 要 本論文針對(duì)目前廣泛應(yīng)用的電除塵器，建立了燃煤飛灰中的分級(jí)除塵效率的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)電除塵器的設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)和入口參數(shù)預(yù)估出的分級(jí)除塵效率，進(jìn)而預(yù)測(cè)出電除塵器出口的粉塵排放參數(shù)；分析影響分級(jí)效率的各種運(yùn)行參數(shù)，并加以調(diào)整以便使的排放濃度到達(dá)最低。 該模型能確切指明分級(jí)效率如何決定于運(yùn)行參數(shù)，諸如氣體流量、粉塵比電阻及其他性質(zhì)、除塵器形狀和粒徑等。通過該模型不僅可以從的進(jìn)口參數(shù)預(yù)估出要獲得的出口參數(shù)，也可以改變?cè)O(shè)計(jì)的影響及各種運(yùn)行參數(shù)的影響，以便得到一個(gè)最適宜的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：，分級(jí)除塵效率，數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)，電除塵 ， 陀 ， ， ， ：， ， ， 華北電力大學(xué)碩士

2、學(xué)位論文摘要 摘 要 本論文針對(duì)目前廣泛應(yīng)用的電除塵器，建立了燃煤飛灰中的分級(jí)除塵效率的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)電除塵器的設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)和入口參數(shù)預(yù)估出的分級(jí)除塵效率，進(jìn)而預(yù)測(cè)出電除塵器出口的粉塵排放參數(shù)；分析影響分級(jí)效率的各種運(yùn)行參數(shù)，并加以調(diào)整以便使的排放濃度到達(dá)最低。 該模型能確切指明分級(jí)效率如何決定于運(yùn)行參數(shù)，諸如氣體流量、粉塵比電阻及其他性質(zhì)、除塵器形狀和粒徑等。通過該模型不僅可以從的進(jìn)口參數(shù)預(yù)估出要獲得的出口參數(shù)，也可以改變?cè)O(shè)計(jì)的影響及各種運(yùn)行參數(shù)的影響，以便得到一個(gè)最適宜的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：，分級(jí)除塵效率，數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)，電除塵 簦澹? ， ， 比 陀 ， ， ， ：， ， ， 主要符號(hào)表 主要

3、符號(hào)表 粉塵量， 姻氣量， 氣體含塵濃度， 卜通過率 總除塵效率 。分級(jí)除塵效率 卜肯寧漢滑動(dòng)修正因數(shù) 粉塵質(zhì)量頻率 卜累積頻率分布函數(shù) 流體的粘度，。 廣真空介電常數(shù)、 。， 粒相對(duì)介電系數(shù) 。煙氣介質(zhì)絕對(duì)介電常數(shù)， 離子遷移率，。 艮荷電電場(chǎng)強(qiáng)度， 嘣集電場(chǎng)強(qiáng)度， 波爾茲曼常數(shù) 噸 卜氣體溫度， 荷電時(shí)間， 等效特征時(shí)間常數(shù)， 入氣體分子平均自由程， 驅(qū)進(jìn)速度， 塵粒半徑， 塵粒直徑， 煙氣介質(zhì)粘滯系數(shù)，· 粉塵比電阻，坍 ；枷除塵器設(shè)計(jì)和運(yùn)行條件決定的系數(shù) 聲 尸 明 本人鄭重聲明：此處所提交的碩士學(xué)位論文?燃煤飛灰中捕集 效率的數(shù)學(xué)模型的研究?，是本人在華北電力大學(xué)攻讀碩士學(xué)

4、位期間，在導(dǎo) 師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的研究成果。據(jù)本人所知，除了文中特別 加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成 果，也不包含為獲得華北電力大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過 的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何奉獻(xiàn)均已在論文中作了 明確的說明并表示了謝意。 學(xué)位論文作者簽名： 交逸夔， 日 期：絲里！呈！叢 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解華北電力大學(xué)有關(guān)保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保管、并向有關(guān)部門送交學(xué)位論文的原件與復(fù)印件；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印或其它復(fù)制手段復(fù)制并保存學(xué)位論文；學(xué)?？稍试S學(xué)位論文被查閱或借閱；學(xué)?？梢詫W(xué)術(shù)交流

5、為目的，復(fù)制贈(zèng)送和交換學(xué)位論文；同意學(xué)?？梢杂貌煌绞皆诓煌襟w上發(fā)表、傳播學(xué)位論文的全部或局部?jī)?nèi)容。 涉密的學(xué)位論文在解密后遵守此規(guī)定 作者簽名：皇連整， 導(dǎo)師簽名：讎 日 期：呈塑三：垡 日 期：塑蘆生 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章引 言本課題的研究背景及意義 我國(guó)是目前世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，也是唯一以煤炭為主要能源的大國(guó)，并且這種能源結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期內(nèi)不會(huì)改變，因此，我國(guó)目前的大氣污染總體上還是煤煙型污染】。隨著經(jīng)濟(jì)的開展，對(duì)能源需求的不斷增加和對(duì)環(huán)境質(zhì)量要求的不斷提高，大氣污染問題將更加突出。原先對(duì)污染物的研究深度已不能滿足新的要求，如大氣顆粒物污染方面，已開始注意可吸入顆粒物

6、空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于 濃度對(duì)環(huán)境和人體健康的危害和影響?？晌腩w粒物又可分為細(xì)顆?？諝鈩?dòng)力學(xué)直徑小于或等于 和粗顆粒空氣動(dòng)力學(xué)直徑介于 之間。 當(dāng)前我國(guó)約有四分之三的燃煤電廠采用電除塵方式，煙氣處理量超過，每年火力發(fā)電的煙塵排放量約為萬噸年，占全國(guó)工業(yè)煙塵排放量的，其中，可吸入顆粒物的排放量超過萬噸年。電除塵器制造產(chǎn)業(yè)已具有相當(dāng)?shù)纳a(chǎn)能力，能夠制造可供發(fā)電機(jī)組用的超大型電除塵器?？梢哉f，電除塵器是支撐我國(guó)當(dāng)今乃至今后較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)煙塵治理大局的主要手段。但從目前電除塵器的實(shí)際運(yùn)行效果來看，有相當(dāng)一局部電除塵器難以滿足火電污染治理目標(biāo)的要求乜尤其是處于第和第時(shí)段的電廠，絕大局部電除塵器不管設(shè)計(jì)能力還是

7、實(shí)際運(yùn)行，除塵效率均缺乏老電廠或新電廠的水平，難以到達(dá)和的新排放標(biāo)準(zhǔn)要求另一方面與國(guó)外興旺國(guó)家不同，我國(guó)燃煤電廠普遍燃用的是劣質(zhì)煤，而且煤種變化不定，從而給電除塵器的設(shè)計(jì)和運(yùn)行造成困難。 大量試驗(yàn)及分析說明，火電廠煙塵排放難以達(dá)標(biāo)的主要根源是當(dāng)前我國(guó)燃煤電廠電除塵器對(duì)可吸入顆粒物特別是對(duì)細(xì)顆粒的捕獲率較低，仍有大量被排放進(jìn)入大氣中。是指空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于的顆粒，它能直接進(jìn)入人體下呼吸道，甚至可以進(jìn)入人的肺泡，沉積在肺中，被稱為可入肺顆粒物，是日益受到人們關(guān)注的污染物之一。電廠中煤的高溫燃燒是重要的來源，也是其中毒害性最大的局部。是引發(fā)城市大氣酸雨、光化學(xué)煙霧和能見度降低的重要因素啼，許多研究已

8、經(jīng)揭示出對(duì)人體健康的嚴(yán)重危害和對(duì)氣候的重要影響。燃煤排放通常富集各種重金屬元素如，和等和，等有機(jī)污染物，這些多為致癌物質(zhì)和基因毒性誘變物質(zhì)，加之其在大氣中的停留時(shí)間比殘留粉塵的停留時(shí)間大得多微細(xì)顆粒的停留時(shí)間一般為，而殘留粉塵為一，且很容易被人體吸收，危害極大哺。我國(guó)是一個(gè)燃煤大國(guó)，可吸入顆粒物特別是的污染尤為嚴(yán)重，因此，對(duì)燃煤排放的建立效率模型對(duì)于的控制具有重要意義。 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文國(guó)內(nèi)外的研究歷史及現(xiàn)狀 就國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，研究的重點(diǎn)多集中在大氣中可吸入顆粒物的源析、危害、濃度、形態(tài)以及氣候條件對(duì)顆粒物擴(kuò)散的影響等方面州，而對(duì)于可吸入顆粒物源的形成和控制技術(shù)的根底研究工作較少，

9、對(duì)不同煤種、不同燃燒方式、不同除塵設(shè)備形成的微細(xì)顆粒尚無進(jìn)行系統(tǒng)的研究。目前國(guó)內(nèi)在顆粒物方面的研究?jī)H限于清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、北京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院、東南大學(xué)等少數(shù)幾個(gè)單位，并且主要成果多是顆粒物形成機(jī)理、重金屬元素富集規(guī)律以及大氣中可吸入顆粒物的濃度分布等方面的報(bào)道引。 對(duì)燃煤過程中微細(xì)顆粒的生成機(jī)理進(jìn)行研究大致始于世紀(jì)年代，研究者采用實(shí)驗(yàn)以及數(shù)值模擬等手段對(duì)微細(xì)顆粒的尺寸分布、蒸發(fā)、成核、凝并等方面和過程進(jìn)行了詳細(xì)的研究。值得說明的是早期的研究大多集中在具體過程、根本現(xiàn)象以及子模型的建立上，世紀(jì)年代之后研究的重心那么偏向于全過程總體模擬以及實(shí)際應(yīng)用上，但采用的理論或模型仍然以早期研究成果為

10、主，鮮有實(shí)質(zhì)上的改進(jìn)。 國(guó)內(nèi)在對(duì)微細(xì)顆粒建立數(shù)學(xué)模型方面有，周邵萍等對(duì)超細(xì)顆粒沉降過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，由長(zhǎng)福等對(duì)可吸入顆粒物近壁運(yùn)動(dòng)的直接數(shù)值模擬進(jìn)行了研究副，趙海波等對(duì)燃煤鍋爐微尺度流體力學(xué)研究模型做了初步探索引，張豐豪等的燃煤過程中微細(xì)顆粒生成機(jī)理及其模擬研究的進(jìn)展等，。 國(guó)外在該方面的研究有，和通過實(shí)驗(yàn)手段詳細(xì)測(cè)定了粉煤灰的雙峰尺寸分布，并對(duì)微細(xì)顆粒的生成量進(jìn)行了詳細(xì)的研究；指出微細(xì)顆粒的質(zhì)量占粉塵質(zhì)量總重的左右，但卻占據(jù)了幾乎所有的數(shù)量和顆粒外表積；和對(duì)微細(xì)顆粒形成過程中的蒸發(fā)特性進(jìn)行了研究，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定了主要無機(jī)礦物元素、：、：。，和：。的蒸發(fā)量，并首次給出了無機(jī)礦物元素的蒸發(fā)模型，

11、用以預(yù)測(cè)燃煤過程中無機(jī)礦物元素的蒸發(fā)速率和蒸發(fā)量；和等人對(duì)微細(xì)顆粒的成核過程進(jìn)行了詳細(xì)的研究，說明成核過程發(fā)生在焦炭顆粒外表的局部區(qū)域內(nèi)；等人成功建立了一個(gè)模型用于模擬固體或液體燃燒系統(tǒng)中微細(xì)顆粒從成核到凝并等階段的尺寸演化；和以及等人研究了燃煤過程中元素的蒸發(fā)、遷移轉(zhuǎn)化、以及引起的爐膛結(jié)渣等問題；和分別研究了痕量元素的釋放及其在微細(xì)顆粒上的沉積，尤其是采用方程對(duì)微細(xì)顆粒的生長(zhǎng)以及痕量元素在微細(xì)顆粒上的沉積進(jìn)行了很好的模擬；和采用數(shù)值模擬方法研究了鍋爐爐膛低。改造對(duì)微細(xì)顆粒生成的影響，以及由此帶來的粉塵中殘?zhí)亢吭黾拥纫幌盗袉栴}，取得了很好的效果；那么致力于蒸發(fā)過程中孔內(nèi)氣體組分的演化和輸運(yùn)方

12、面的研究，以期能對(duì)蒸發(fā)過程和微細(xì)顆粒的生成進(jìn)行更加準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)。 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 但在國(guó)內(nèi)外對(duì)于微細(xì)顆粒的分級(jí)效率建立的模型還很少，對(duì)不同粒徑范圍的微細(xì)顆粒特別是的捕集效率建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)于將來微細(xì)顆粒的控制研究具有重要意義。本課題研究的主要內(nèi)容 在除塵器的設(shè)計(jì)計(jì)算中，所需要的最重要的工具是，對(duì)一給出的除塵器在一定狀況下運(yùn)行時(shí)，根據(jù)電除塵器入口的參數(shù)能預(yù)估出分級(jí)效率函數(shù)。，進(jìn)而預(yù)測(cè)出電除塵器出口的排放參數(shù)。當(dāng)然，捕集理論的中心任務(wù)是開展數(shù)學(xué)模型，它應(yīng)能確切指明分級(jí)效率如何決定于運(yùn)行參數(shù)，諸如氣體流量、粉塵濃度和其他性質(zhì)、除塵器形狀和粒徑等引。 本課題的主要目的是針對(duì)目前應(yīng)用最為廣泛的電

13、除塵器建立的分級(jí)除塵效率的模型，從的進(jìn)口參數(shù)預(yù)估出要獲得的出口參數(shù)，分析影響分級(jí)效率的各種運(yùn)行參數(shù)，并加以調(diào)整以便使的排放量到達(dá)最低。 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章除塵效率的表示方法及其影響因素除塵效率的表示方法 全面地評(píng)價(jià)除塵器的性能應(yīng)該包括技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)兩方面的內(nèi)容，而二者之間又是互相聯(lián)系的。作為技術(shù)指標(biāo)，一般常以處理氣體流量、除塵效率、壓力損失及負(fù)荷適應(yīng)性等特性參數(shù)來表示；作為經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，那么主要包括設(shè)備費(fèi)、運(yùn)行費(fèi)和占地面積等。除上述根本性能外，還應(yīng)考慮裝置安裝、操作、檢修的難易等因素。在工程中，通常以除塵效率為主來選擇和評(píng)價(jià)裝置，因此本節(jié)重點(diǎn)介紹除塵效率的表示方法?？偝龎m效率 質(zhì)

14、量算法：含塵氣體通過除塵器時(shí)所捕集的粉塵量占進(jìn)入除塵器的粉塵總量的百分?jǐn)?shù)稱為除塵器總效率，以表示。總效率的定義式為： 叩蚤一一姜 式中。進(jìn)入除塵器的粉塵量，： 廣從除塵器排風(fēng)：排出的粉塵量，； 廠除塵器所捕集的粉塵量，。 濃度算法：如果除塵器結(jié)構(gòu)嚴(yán)密，沒有漏風(fēng)，除塵器入口風(fēng)量與排氣口風(fēng)量相等，那么式一可改寫為： 呀一，：；一壘 。 式中。除塵器入口風(fēng)量，； 廣除塵器排氣口風(fēng)量，； 。除塵器進(jìn)：的氣體含塵濃度，； 廣除塵器出口的氣體含塵濃度，。 但實(shí)際上除塵器經(jīng)常有漏風(fēng)，這時(shí)的除塵效率表示為 ，；一盟。一 。 ， 為漏風(fēng)系數(shù)。 公式一要通過稱重求得總效率，稱為質(zhì)量法，用這種方法測(cè)出的結(jié)果比 華北

15、電力大學(xué)碩士學(xué)位論文較準(zhǔn)確，主要用于實(shí)驗(yàn)室。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定除塵器效率時(shí)，通常先同時(shí)測(cè)出除塵器前后的空氣含塵濃度，再按公式求得總效率，這種方法稱為濃度法。含塵氣體管道內(nèi)的濃度分布既不均勻又不穩(wěn)定，要測(cè)得準(zhǔn)確的結(jié)果是比較困難的。必須注意，上述、和：、。、。及。均為同一時(shí)刻的量值，并應(yīng)以相同單位表示。通過率 有時(shí)兩臺(tái)除塵器的總效率分別為或，兩者非常接近，似乎兩者的降塵效果差異不大。但是從大氣污染的角度去分析，兩者的差異是很大的，前者排入大氣的粉塵量要比后者高出一倍。因此，對(duì)于高效除塵器，除了用除塵器效率外，還用通過率表示除塵器的性能。通過率系指從除塵器出口逸散的粉塵量與入口粉塵量之比，值越大，說明出口逸

16、散量越大。其計(jì)算式為： 。蘭；盟；一，。 墨 。 分級(jí)除塵效率 分級(jí)除塵效率是基于除塵器的總除塵效率一般都隨粉塵粒徑而變化，為確切地表示除塵效率與粒徑分布的關(guān)系而提出的，分級(jí)除塵效率簡(jiǎn)稱分級(jí)效率系指除塵器對(duì)某一粒徑，。或粒徑間隔，內(nèi)粉塵的除塵效率。分級(jí)效率既可以用表格、曲線圖表示，也可以用顯函數(shù)形式 。表示。其中的，；表示某一粒徑或粒徑間隔。 分級(jí)效率可以用總效率表示方法中的任一種方法來表示。假設(shè)設(shè)除塵器進(jìn)、出口和捕集的。；粒徑的粉塵的質(zhì)量流量分別為。；、：；和那么該除塵器對(duì)粒徑，；粉塵的分級(jí)效率。為： 仇；壘；一壘 對(duì)于一定粒徑和種類完全相同的粒子來說，按粒子個(gè)數(shù)、按粒子外表積和按粒子質(zhì)量或

17、體積計(jì)的分級(jí)效率，數(shù)值上完全相等，即產(chǎn)。 對(duì)大多數(shù)除塵器織物過濾器除外，對(duì)于種類完全相同的粒子，在具體確定的操作條件下運(yùn)行時(shí)，具有唯一的單值函數(shù)。但函數(shù)形式將決定于除塵器的種類、特性和尺寸，即氣體和粉塵的各種性質(zhì)。 在工程中，還常用分級(jí)效率 時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑來表示除塵性能，稱為除塵器的分割粒徑，一般用。表示。 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文總除塵效率與分級(jí)除塵效率的關(guān)系由總效率求分級(jí)除塵效率 總效率容易通過實(shí)測(cè)求得，而除塵器入口、出口及捕集粉塵的質(zhì)量頻率。、：。、。；也可以通過測(cè)定分析求得，那么根據(jù)質(zhì)量頻率的定義和分級(jí)效率的定義式可得 那么 亟缸或 小 誓贏 汕 由上式可知，在和。、：。、。中的任意兩

18、項(xiàng)時(shí)，那么可按式或或由總效率計(jì)算出分級(jí)效率。由分級(jí)除塵效率求總效率 同樣，根據(jù)分級(jí)效率。及粉塵質(zhì)量頻率。也可求得總效率。假設(shè)分級(jí)效率 。，以函數(shù)形式給出，進(jìn)口粉塵粒徑分布以累積頻率分布函數(shù)。形式或頻度函數(shù)。形式給出，那么總除塵效率可按積分式計(jì)算： ：氌。崛工， 可見，當(dāng)某除塵器的分級(jí)效率。和所要處理粉塵的累積頻率分布或頻度分布時(shí)，即可按上式求得總效率。假設(shè)。和?；蚣僭O(shè)以顯函數(shù)形式給出，可求得精確積分值，否那么只能用圖解法或數(shù)值近似計(jì)算法求得饈巧杓菩魯酒魘背捎玫募撲惴椒艫幣閻詵鄢局柿科德剩紓保部山質(zhì)劍玻保埃男闖汕蠛托問劍蚩傻?，；碾 一 ， 仇 ，除塵效率的測(cè)定總除塵效率的測(cè)定 在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中，可用質(zhì)量法測(cè)定干式除塵器的除塵效率。即測(cè)出進(jìn)入除塵器的粉塵流量。和除塵器捕集的粉塵流量，按式計(jì)算除塵效率。 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文對(duì)于干式除塵器，用質(zhì)量法測(cè)定除塵效率既簡(jiǎn)便，又準(zhǔn)確，因而是實(shí)驗(yàn)室中廣泛采