水汽相变促进细颗粒物凝结长大的数值模拟

作     者：谢静雯 

作者单位：南昌大学 

学位级别：硕士

导师姓名：熊桂龙;刘振峰

授予年度：2021年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：细颗粒物 粗糙度 水汽 异质核化 凝结长大 

摘      要：燃煤烟气中的细颗粒物粒径小、数量多,难以被传统除尘设备高效脱除,水汽相变技术是使其长大为粗大颗粒物的重要预处理措施之一。本文针对燃煤细颗粒在过饱和水汽中的异质核化和凝结长大特性进行了数值模拟研究,为燃煤电站中细颗粒的排放控制技术提供理论基础与参考。首先,基于Fletcher经典核化理论,综合考虑了线张力、水汽分子在液滴晶核表面的扩散作用,对过饱和水汽在光滑表面颗粒上异质核化的特性进行了数值模拟。结果表明,与Fletcher经典核化理论相比,考虑水汽分子表面扩散机制、线张力的异质核化模型的预测结果更接近实验结果;接触角减小、水汽温度或水汽过饱和度增大,均可促进水汽在细颗粒表面发生异质核化。其次,建立了过饱和水汽在粗糙表面颗粒上异质核化的理论模型,分析了粗糙度对异质核化特性的影响规律。结果表明,与光滑表面颗粒相比,考虑了粗糙度的核化模型的预测结果与已有文献的实验结果更接近;粗糙表面比光滑表面的细颗粒物更易于发生异质核化凝结;在线张力为负时,细颗粒物的表面越粗糙,其成核自由能和临界过饱和度越小,成核速率越大;与线粗糙度因子相比,表面粗糙度因子对水汽在细颗粒物表面异质核化的影响更大。然后,基于Heidenreich凝结长大动力学模型,综合考虑了颗粒与颗粒、颗粒与气相的传热传质及颗粒对水蒸气的竞争凝结等影响,研究了颗粒粒径、水汽过饱和度、水汽温度对不可溶的多分散颗粒凝结长大的影响规律。结果表明,细颗粒在50毫秒内即可完成异质凝结长大;如初始粒径为0.3μm的颗粒,凝结长大后的最终粒径为3.39μm;多分散颗粒凝结长大后粒径分布的峰值增大且粒度分布范围变窄;颗粒粒径、水汽过饱和度、水汽温度增大,颗粒长大后的粒径也增大;与绝热系统相比,等温系统中颗粒的凝结长大后的粒径更大。最后,建立了过饱和水汽在可溶性颗粒上凝结长大的理论模型,研究了可溶性组分及操作条件对颗粒凝结长大的影响规律。结果表明,颗粒表面的可溶性组分有利于增大颗粒的凝结长大速率,与不可溶性颗粒相比,可溶性颗粒凝结长大后的粒径更大;水汽过饱和度、水汽温度增大,可溶性颗粒长大后的最终粒径增大且粒径分布的峰值也增大;随着水汽过饱和度的增加,可溶与不可溶性颗粒凝结长大后粒径的差值逐渐减小。