中低温烟气换热器气侧积灰、磨损及腐蚀的研究

工业烟气具有含灰量大、含黏性物质及含腐蚀性气体多的特点,易造成烟气换热器换热表面积灰、磨损和腐蚀等一系列严重问题,是余热回收领域目前亟待解决的研究课题.本文对中低温余热回收所用的管排式烟气换热器的积灰、磨损及腐蚀特性等方面的研究进行了总结和回顾,分析了换热器换热表面积灰、磨损及腐蚀的形成原因及影响因素,同时介绍了近年来作者团队在换热表面飞灰颗粒沉积、磨损及腐蚀特性方面开展的有关研究结果.首先,对现有的和前期作者团队建立的颗粒碰撞沉积模型进行了简要回顾,并以前期团队开展的工作为例,具体介绍了管排式烟气换热器的积灰特性及其影响因素,并给出了能有效减轻积灰的椭圆管换热器设计;接着,介绍了气固两相绕流换热管的流动和磨损特性,以及烟气参数对磨损特性的影响规律;随后,介绍了一种预测换热器表面酸蒸气凝结的耦合计算方法,说明了运行参数和几何参数对换热器局部腐蚀特性的影响规律,并给出了相应条件下的H型翅片管换热器的酸传质计算关联式;同时,介绍了团队前期提出的在线检测和实验室低温腐蚀装置,说明了不同材料的抗腐蚀特性及换热面积灰与酸的耦合作用机理.最后,对中低温烟气换热器积灰、磨损及腐蚀特性的研究前景进行了展望.     

利用LBM-FVM-CA耦合方法模拟管表面上的颗粒沉积与脱离过程

发展了一个包含积灰形状演化、颗粒沉积和脱离机理的数值模型和计算方法,模拟了单排管表面的积灰过程.首先建立了流动的格子Boltzmann方法-有限容积方法(LBM-FVM)耦合的计算模型,给出了通过宏观参数构建多松弛LBM分布函数的重构算子;并结合元胞自动机模型、能量平衡模型以及力和力矩分析,模拟了颗粒的运动、沉积和碰撞过程;其次,针对模拟的时间步长相对于实际积灰时间较短的困难,提出了用于将模拟时间换算到实际时间的比例;然后,具体模拟和分析了不同直径颗粒在不同入口速度下的积灰过程.结果显示,积灰面积随时间呈指数增长并趋近于一个平衡值;在颗粒质量分数一定时,存在一个积灰速率较高的速度范围;颗粒脱离在迎风面和管子正后方较为严重,但在背风面侧面相对缓和;积灰层在整个背风面生长,在迎风面形成锥形,改变了流动并阻止了颗粒的进一步沉积.     

穿孔丁胞与纵向涡复合H型翅片表面的酸冷凝和传热特性

酸冷凝速度是影响酸腐蚀的重要因素,降低酸冷凝速度能够有效地减轻壁面腐蚀,增强设备安全性.本文采用数值方法研究了换热器中翅片管的酸冷凝沉积特性和传热特性,在酸冷凝数值模型中,同时考虑气液平衡理论和多组分扩散影响.基于H型翅片椭圆管,提出3种新型翅片结构来增强传热和降低酸冷凝速度.通过研究相关参数(烟气温度、酸蒸气浓度、水蒸气浓度和雷诺数)对不同翅片表面的影响,结果表明,新型结构翅片管束能够有效提高传热和抑制酸冷凝的综合性能.     

颗粒流体两相流动的随机分析

研究揭示颗粒流体两相流动随机特征的方法,通过对流体中影响颗粒运动的各种复杂作用进行分类处理,提出了一种的离散颗粒随机模拟方法,初步的模拟计算获得了与实验测量一致的颗粒时均速度、脉动速度、局部平均粒径和浓度等总体宏观设计特征,以及经过空间某一位置的颗粒速度、粒径随时间的动态变化行为和颗粒流动的不均匀空间分布结构特征等丰富的信息。     

回转筒颗粒表面流的分子动力学模拟和连续理论

在考虑颗粒非弹性接触、滑动摩擦和滚动摩擦基础上发展了分子动力学模拟的算法, 实现了中高速(Fr = 0.1~0.2)回转筒内颗粒流的离散模拟. 回转筒内颗粒流由表面活性层和下部柱塞流区组成, 颗粒在活性层的停留时间约为柱塞流区的1/3~1/2, 对称线上活性层和柱塞流区的厚度比为0.57~0.61, 因而推断颗粒流动处于Rolling-Cascading过渡模式. 对称线上MD模拟的速度分布与正电子放射性测量实验结果十分吻合. 在模拟和实验结果基础上发展了连续理论: 柱塞流区内颗粒运动并非完全随着筒壁刚体转动, 而是存在着塑性蠕变, 这种速度变化过程符合指数函数规律; 而活性层内颗粒流动则符合简单的Couette切变流动分布. 最后探讨了颗粒温度和颗粒相对浓度分布的内在机理.     

基于格子玻尔兹曼方法的单孔射流鼓泡床的离散颗粒模拟

利用基于格子玻尔兹曼方法的离散颗粒模型对单孔射流鼓泡床进行了研究. 此算法基于四向耦合的离散颗粒模型, 流体的控制方程采用考虑了孔隙率和流固相的滑移速度对流体流动影响的修正格子玻尔兹曼方法来求解, 颗粒间相互作用通过时驱硬球模型求解, 流固耦合采用EMMS曳力模型. 首先研究了不同颗粒对形成气泡大小的影响, 结果表明, 在相同的射流气速下, 粒径越大形成的气泡越小. 在粒径相同的情况下, 提高气体的入射速度, 则形成的气泡越大. 同时考察了气泡的分离时间与粒径以及射流气速的关系, 结果表明, 随着粒径以及射流气速在一定范围内的改变, 气泡的分离时间并没有明显改变. 另外颗粒床层扩展影响气泡形状, 颗粒床层变宽后, 气泡的形状接近于圆形; 颗粒床层高度增加时, 气泡明显变小. 最后考察了气泡诱导现象, 模拟发现当区域有空腔时, 气泡会被诱导到空腔的方向.     

水泥生产过程中低温烟气用余热锅炉性能的全尺寸数值模拟

随着能源利用的日益紧张,工业余热的高效综合利用受到较多关注.作为一种典型余热回收利用装置,余热锅炉的应用日益广泛.鉴于余热锅炉容量大、结构复杂,相关的数值建模较困难.本文提出一种新的余热锅炉数值模拟方法,用于实现余热锅炉的全尺寸数值模拟.研究得到了余热锅炉用换热管束间的流场和温度场的分布特征,给出了余热锅炉的流动和传热特性.分析了烟气入口温度和流量对锅炉性能的影响,结果表明余热锅炉的综合性能随着入口烟气温度的升高而升高,随着烟气流量的增加而增加.     

工程酸露点——锅炉低温余热利用极限的新判据

在某电厂建立积灰试验台,研究积灰对换热器的传热特性的影响.试验系统安装在某电厂300 MW机组空气预热器和电除尘器之间的烟道旁,双层试验套管插入烟道之中,冷却水先后流经内管和外管.数据表明:当煤质一定时,试验段Nu随着外壁温的变化而变化,在某一特定外壁温区间内骤降,此时换热元件积灰和腐蚀情况加剧,这个骤降温度区间被定义为工程酸露点.工程酸露点可以用来指导锅炉低温余热系统的设计,保持余热系统入口水温高于工程酸露点,换热器不但可以保持较高传热性能,同时避免了严重的低温腐蚀.就经济性和设备可靠性来说,工程酸露点是余热利用系统设计的新判据.试验表明:工程酸露点比传统热力学酸露点至少低30℃,具有更高的实用价值.     

浊流成因海底沉积波形成机理及其数值模拟

近些年来, 随着深水油气勘探的不断深入, 对于深水沉积过程的研究也越来越受到关注. 虽然目前关于海底沉积波的形成机理还存在很多争议, 但已有现代沉积实例证明至少浊流是可以形成海底沉积波的. 通过数值模拟的方法来研究海底沉积波的浊积形成机理, 不但可以阐明海底沉积波的形成过程, 而且对于海底工程、深水沉积动力学及深水油气储层预测都具有重要意义. 通过流体动力学模拟, 计算了流体区域的基于时间平均连续性方程和雷诺平均N-S方程, 研究了地形对浊流的影响, 阐明了海底沉积波的形成机理. 模拟结果表明: (1) 首先在坡的下游方向开始沉积是由于流体的减速, 导致密度增大, 浊流携带固体颗粒物的能力(流体容量)降低和较长时间的流体经过所造成的; (2) 在一个隆起的上坡处密度增大是由于隆起峰部流体的局部堵塞, 导致上坡处流体速度降低和压力升高所造成的; (3) 沉积首先从距浊流源头较远的地方开始, 随着迭代次数的增加, 即个体浊流事件的增多, 沉积波向上游迁移; (4) 随着颗粒粒径的减小, 沉积越来越慢, 但粒径并不影响地形对沉积的控制及沉积体的几何形态和沉积顺序.     

底质粒度信息的空间分异与代表性: 以杭州湾舟山岛-金山卫断面为例

对杭州湾舟山岛-金山卫断面沉积物柱状样进行了高密度采样, 并用激光粒度仪进行了粒度分析. 结果显示, 在不同站位沉积物平均粒径具有不同的垂向分布. 由于该断面所在区域海底活动性强, 短时间尺度的活动层厚度的量级远高于长时间尺度的净沉积速率的量级, 平均粒径的垂向分布特征更多地反映了同一沉积环境中形成的不同类型沉积记录, 很难代表沉积环境的长时间尺度演化. 粉沙为主和沉积物粒径的垂向平均值随着厚度的增加而呈现收敛趋势的底质粒度特征, 说明物源因素控制着研究区总体的沉积物分布规律, 而水动力因素造成了一定程度的沉积分异. 沉积物的垂向分异使表层底质粒径的断面分布不同于活动层内垂向平均底质粒径的断面分布. 对于强潮、粉沙环境的沉积物输运模拟而言, 如果涉及的时间尺度较大, 则采用活动层的平均值作为模型的粒度参数较为合适.     

底质粒度信息的空问分异与代表性：以杭州湾舟山岛-金山卫断面为例

对杭州湾舟山岛-金山卫断面沉积物柱状样进行了高密度采样，并用激光粒度仪进行了粒度分析．结果显示，在不同站位沉积物平均粒径具有不同的垂向分布．由于该断面所在区域海底活动性强，短时间尺度的活动层厚度的量级远高于长时间尺度的净沉积速率的量级，平均粒径的垂向分布特征更多地反映了同一沉积环境中形成的不同类型沉积记录，很难代表沉积环境的长时间尺度演化．粉沙为主和沉积物粒径的垂向平均值随着厚度的增加而呈现收敛趋势的底质粒度特征，说明物源因素控制着研究区总体的沉积物分布规律，而水动力因素造成了一定程度的沉积分异．沉积物的垂向分异使表层底质粒径的断面分布不同于活动层内垂向平均底质粒径的断面分布．对于强潮、粉沙环境的沉积物输运模拟而言，如果涉及的时间尺度较大，则采用活动层的平均值作为模型的粒度参数较为合适．     

秦安中新世黄土-古土壤序列石英颗粒形态特征、粒度分布及其对成因的指示意义

对QA-I剖面中新世黄土-古土壤序列的石英颗粒进行扫描电镜观察和粒度测试, 并与第四纪典型黄土样品进行了对比. QA-I剖面石英颗粒以次棱角状和棱角状为主, 与第四纪黄土一致; 粒度以小于50 μm的粉砂级组分占绝对优势, 最大粒径小于120 μm, 进一步支持QA-I剖面为典型风尘沉积. 古土壤层的石英和全岩粒度均小于黄土层, 指示它是加积型古土壤, 具有季风环境下土壤的典型特征. 本研究为中新世黄土的成因和形成过程提供了新的沉积学证据.     

异形混合非球形颗粒在移动床中流动特性的数值模拟

采用多元颗粒模型构建了3种非球形颗粒即玉米形颗粒、圆柱形颗粒和椭球形颗粒.分析了异形混合非球形颗粒的碰撞机理及典型碰撞形式,建立了混合非球形颗粒的运动方程,模拟了混合非球形颗粒在移动床中的流动情况,并通过实验验证了模型的可靠性.同时探讨了异形混合非球形颗粒在移动床中的下料率、流型、概率分布特性、空隙率分布等流动特性.结果表明,混合非球形颗粒的下料率和单一均质非球形颗粒的下料率基本相同,而球形均质颗粒的下料率较球形非球形混合颗粒的下料率大;混合非球形颗粒的MFI值(即移动床边壁处与中心处的颗粒速度的比值)和相应的均质颗粒的MFI值较为接近;球形及球形非球形混合颗粒的概率密度分布一般只有1个峰值,而非球形颗粒及非球形混合颗粒的概率密度分布均有2个峰值;3种异形混合颗粒的壁面效应和平均空隙率几乎相同.     

燃煤残灰颗粒物中主量元素的粒径分布

在电加热沉降炉中进行了三个不同煤种的燃烧实验, 研究了主量元素Al, Si, S, P, Na, Mg, K, Ca和Fe在残灰颗粒物(>0.4 µm)中的粒径分布. 结果发现, 在所研究的粒径范围内, Al, Si的浓度随粒径减小而降低, S, P的浓度随粒径减小而升高, 而Na, Mg, K, Ca和Fe的分布没有一致的趋势. 研究显示描述痕量元素粒径分布的沉积模型对于主量元素也同样适用. 模拟结果表明难气化元素Al, Si的粒径分布主要受气化元素在颗粒表面沉积的影响; S和P主要发生气化, 表面凝结、反应或吸附等沉积过程决定了它们在颗粒物中的分布; Na, Mg, K, Ca和Fe在颗粒物中的分布机理相对复杂.     

天山乌鲁木齐1号冰川表雪中飞灰单颗粒特征

为了鉴定和特征化研究中亚地区天山东部乌鲁木齐1号冰川(UG1)表雪中的球形飞灰颗粒,应用扫描电子显微镜与X射线能谱仪联用系统(SEM-EDX)获取了表雪中球形颗粒的特征信息(如形态、化学组成和成因等).该方法使得研究表雪中数量极其稀少的微观球形颗粒特性成为可能.在5个表雪样品中,普遍存在的颗粒形貌类型为球形颗粒、空心球状颗粒、形状不规则的碳质颗粒和聚合体.一些球形飞灰颗粒中含有有毒重金属元素(如铅、铬、砷、锌等),说明飞灰颗粒可能成为中亚高海拔地区冰川雪冰中有毒重金属元素的主要携带媒介.基于EDX获取的单颗粒化学信息,将沉积在表雪中的飞灰颗粒划分为4种类型.富硅类颗粒(平均直径为3.24μm),主要通过燃煤供热站或火电站等典型的工业用煤的高温燃烧过程所形成.富铁类颗粒(平均直径3.82μm)和富钛类颗粒,主要通过铸造厂或钢铁厂在温度稍低的燃烧过程中所形成.此外,富碳类颗粒(平均直径为8.43μm),主要由燃烧未尽的煤所形成.后向气团轨迹分析表明,中亚发达城市的工业燃烧区域通过西风环流成为乌鲁木齐1号冰川表雪中飞灰颗粒的主要可能贡献源.     

南黄海中部沉积物粒径趋势分析及搬运作用

应用沉积物粒径趋势分析方法,研究了南黄海中部细粒沉积区的沉积物输运趋势.结果表明,在南黄海中部（123.4°E,35.1°N）左右的位置可能存在沉积中心,周边沉积物具有向这个沉积中心输运的趋势.这种沉积物输运和沉积格局受黄海气旋型环流（包括黄海冷水团）和冷涡的控制.本研究表明,沉积物粒径趋势分析方法在陆架大范围细颗粒沉积区内有着广阔的应用前景.     

螺旋通道内流体流动与传热特性研究进展

螺旋通道是提高流体传热及传质效率的重要结构,以其节省空间及易于加工的特点被广泛应用.而通道内流体的流动和传热特性作为评价螺旋通道的重要性质,对其实际应用具有重要的指导意义,成为近年来的研究热点.而研究重点主要集中在螺旋通道的结构参数和流动工质两个方面,本文对螺旋通道内流体流动与传热特性研究进行综述,总结了螺旋通道结构及流动工质对其性能的影响规律;具体分析了螺旋通道直径、管径、螺距、截面形状等结构参数以及流动工质种类、浓度等物性参数对其传热系数和流动阻力的影响;对比了层流及湍流状态下实验和数值模拟结论;为螺旋通道结构优化及工质选取提供了参考,并且展望了螺旋通道内流体流动及传热特性研究的发展趋势.     

体育场馆火灾烟气运动数值模拟中发现的2个典型现象

通过求解流体Navier-Stokes方程对一综合体育馆火灾场景进行了数值模拟. 模拟湍流采用Smagorinsky大涡模拟方法, 模拟燃烧采用混合比例燃烧模型, 对火灾工况下的流体流动做了低马赫数假设. 通过对数值计算结果揭示的流场速度、温度、组分浓度等物理量的的分析, 发现在火灾发生后, 利用自然通风或机械通风排烟过程中, 存在门效应和烟气堵塞两种不利于烟气控制的重要现象. 在这两种效应的作用下, 不合理的通风口位置, 甚至机械通风的引入都可能导致排烟效果的恶化. 分析了两种效应的产生原因和作用机理, 最后对消除这两种现象提出了参考性体育场馆火灾通风设计.     

冲绳海槽西南端中全新世以来的沉积速率与物源分析

冲绳海槽西南端作为黑潮路径下一个高速沉降中心一直受到地球科学界的关注. 在实验室对2005年5月中法合作航次在冲绳海槽南部取得的原状无搅动的深海沉积柱状样MD05-2908岩芯进行了沉积通量与沉积特征分析, 并对物质来源进行了探讨. 样品在分割后分别进行了AMS14C分析、粗颗粒组分(>63 ?m)的提取及含水量的测定. 结果显示, 该34 m长柱状岩芯底部年龄仅为6.8 ka BP, 其平均线性沉积速率达到了5 m/ka, 揭示出冲绳海槽西南端自中全新世以来具有非常高的沉积速率; 结合含水量数据, 其沉积通量也与研究区现代沉积通量相符合. 根据17个AMS¹⁴C数据识别出了5期快速沉积事件(6790~6600, 5690~5600, 4820~4720, 1090~880以及260~190 a BP), 其持续时间为70~200 a不等, 快速沉积期间其最大沉积速率可以达到21.2 m/ka. 通过与相邻的ODP1202站对比后发现, 研究区沉积物皆以细颗粒的黏土与粉砂质为主, 粗颗粒组分所占比重总体不到5%. 台湾岛东北部丰富的降雨量使得宜兰境内的兰阳溪可以携带大量陆源物质进入宜兰陆架并进一步向冲绳海槽输运, 成为研究区重要的物质来源. 这5期快速堆积事件主要是与气候变化引起的区域性降水增加有关, 另外岩芯也记录到由地震、风暴等因素引起的小时间尺度的沉积增强事件. 由地震、风暴等引起的侧向与底层传输使得研究区的沉积环境更为复杂, 但同时也为冲绳海槽提供了丰富的物质供应.     

模板法制备CdS/TiO2纳米管复合阵列薄膜及其光电性质

采用ZnO 纳米棒阵列为模板在氧化铟锡(ITO)导电玻璃衬底上制备了CdS/TiO₂ 纳米管复合薄膜. 利用扫描电子显微镜(SEM)、X 射线衍射仪(XRD)、紫外-可见吸收分光光度计(UV-Vis)及表面光电压谱(SPS)研究了不同CdS 沉积时间对复合薄膜的形貌、晶体结构、光电性质的影响. 研究结果表明, TiO₂ 纳米管阵列表面沉积5 min CdS 纳米颗粒后, 其表面光电压信号得到增强, 并且其吸收光谱可拓展到可见光区; 与吸收光谱相对应, 在可见光区出现新的光电压谱响应区, 这一现象说明与CdS 复合可显著提高TiO₂ 纳米管阵列的光电特性; 随着CdS 纳米颗粒沉积时间的增加, 复合纳米管阵列薄膜在可见光区域的光电压强度逐渐减弱, 我们用不同的电荷转移机制对此现象进行了详细的讨论和解释. 除此之外,我们对TiO₂ 纳米管阵列结构的比表面积对复合结构的光电特性影响也做了深入的讨论.