摘 要

由于环境问题越加凸显，国际海事组织对硫化物等污染物的排放限制也日益提高，国内外学者将眼光投到了降低燃油含硫量和尾气后处理上。越来越严格的排放标准和日益上涨的低硫油价格，使得船舶动力设备废气的脱硫变得越来越重要。目前烟气脱硫的主流工艺方法是湿法烟气脱硫FGD（Flue gas desulfurization），将其应用到船舶上实现船舶废气后处理，对于船舶排气的含硫量的降低具有重要意义。

本文通过分析船舶脱硫的特殊条件，得出一个理论物理模型，针对脱硫塔内下落得液滴与逆向对流的高温船舶排气中的气液两相间的传热传质的过程进行研究，主要讨论液滴在吸收排气热量的过程中，其直径随时间的变化过程。重点是通过简化后的模型中的能量守恒与质量守恒找到与液滴直径相关参数随时间的变化过程，从而找到直径随时间变化的状态方程。

本文借助c语言在针对气液两相流动与传热的数值进行了模拟计算。由于其具有成本低、加工容易、脱硫效率高、占地面积小等优点而得到广泛的应用，但由于脱硫塔内的动态过程是一个很复杂的流动、传热、传质与物理、化学反应的过程，对于塔内的情况及环境的认知及简化过程存在问题，这阻碍了该技术的进一步发展，应用及推广，所以进一步研究脱硫塔喷淋段的气液两相的传热传质动态性所得结果对于脱硫效率具有重要的指导意义。

论文主要研究了在喷淋法脱硫技术的研究现状的基础上，优化设计液滴与气体在有限空间里的传热、传质过程，通过建立理论的数学模型，利用流体力学、热力学及传热学的有关知识，得出模拟塔内的理论等式。重点考察了不同液滴直径、进口高度、气体温度等条件下的传热传质动态特性的变化规律，并将各情况进行比较，得出最优方案。

关键词：喷淋塔脱硫，气液对流，传热传质

Abstract

This paper applies c language to simulation and verification of the two-phrase flow and heat transmission between gas and liquid in the large desulfurization tower. Because of many benefits this system owns, including low expenditure, easy process, rust protection, light weight, high efficiency of desulfurization, small occupation, leading to extensive usage of that. However, the dynamic process in the tower is complex involving fluxion, heat and mass transfer and chemistry reaction and so on. Meanwhile, simplification of the circumstance and condition in the tower exists some flaws. These blunders impede further development, application and generalization of this technology. So there still is guiding significance researching the heat and mass transfer of the two-phrase flow in the tower.

This paper primarily studied the process of the heat and mass transfer between gas and liquid in the finite space on the base of the research into the technology of the spraying desulfurization at the present. By building theoretical mathematic model, utilizing some intelligence on the hydromechanics, thermodynamics and heat transfer theory, reach theoretical equation in the model tower focusing on the change law of dynamic characteristic of the heat and mass transfer under the condition of varied situation, like different diameter of the drip, the height of the entrance, the temperature of gas, and comparing these concludes to obtain optimal project.

Research conclusion suggests: In the contained space, the smaller the drip volume comparing the gas is, the lower vaporizing rate is; the higher gas temperature is, the vaporizing speed is. In the finite room, the change law of the drip diameter when the drip is vaporizing have little correspondence in the law of d², and the smaller the space is, the more difference will have. The larger drip diameter does not necessarily mean the better cooling performance, the height of the desulfurization tower must be taken into account, the drip must vaporize out entirely before hitting the bottom.

This paper feature: applying the thermodynamics and hydromechanics intelligence reasonably to the relevant simplification process, getting corresponding mathematic equation to simplify the two-phrase convection between the gas and drip in the desulfurization tower. This method strengthens the basement of the further research of these involved parameters.

Key words: desulfurization, spraying tower, gas-liquid two phrase, convection, heat and mass transfer.

目录

第1章 绪论 1

1.1 目的及意义 1

1.2国内外研究进展 2

1.3 课题的研究内容 2

1.4 本章小结 3

第2章 脱硫技术与方法 4

2.1 船舶脱硫技术 4

2.2 船用海水脱硫装置 5

2.3湿法烟气脱硫技术 6

2.4 本章小结 7

第3章 气液两相流动与传热的数值模拟 8

3.1模型的基本假设 8

3.2 数学模型 8

3.2.1 液滴相蒸发模型 8

3.2.2 传热传质过程 9

3.3 数值计算方法 11

3.3.1 气相控制方程的数值解法 11

3.3.3 边界条件 11

3.4 本章小结 12

第4章 模型结果分析 13

4.1 数值计算方法 13

4.2 模拟计算参数 13

4.3 计算结果与分析 14

4.3.1 不同液滴直径时的模型计算结果 14

4.4 本章小结 16

第5章 总结 17

参考文献 18

致谢 20

第1章 绪论

随着我国经济的持续稳定发展，船舶运输以及海外贸易额不断提高，各类船舶的大型化、舒适化、自动化已成常态，这对船舶电站所提供的电量要求不断增大，而中国的资源分配情况是煤炭的资源比较丰富，石油、天然气的资源分布和储存量相比较少，由此可以看出，我国的陆地发电系统主要以煤炭为主，而船舶所需要的柴油，国内储量较少且含硫量高，但对电力不断增大的需求，加之高硫量的煤炭和劣质柴油燃烧，由此产生的大量其硫化物、温室气体和粉尘等有害人体及环境的物质，这些有害物质中危害最大也是影响面最广的污染物则是形成酸雨现象的SO₂及其硫化物。所以提高烟气的脱硫净化效率已经是不可拖延的重大问题了。

人为的SO₂与NO_x的大气排放主要源于化石燃料的燃烧所产生的烟雾气体及其颗粒物。相对于石油或是天然气这样的等高品位的能源，煤炭则由于含杂多的，污染大等原因作为低品位化石能源代表。加之中国现在的煤炭燃烧，尤其是中国的北方，大多是直接燃烧排放的，所释放的烟尘颗粒物以及SO₂及其硫化物等污染物大量的直接排放到大气环境中，而且当今中国又是一个以烧煤为主要能源产物的大国，煤炭的燃烧产能占国家一次能源消费总额的75%左右。SO₂排放总量高居世界第一，随之而来的酸雨和硫化物污染造成的直接或间接损失每年甚至能够达到1000亿以上。由于燃烧煤炭排放出的SO₂及其硫化物造成的酸雨现已影响到全国土地的40%将近400万平方公里左右的面积，而且影响范围还在不断地扩大。而1998年国务院发布的批文正式确定了控制二氧化硫及其相应污染物的污染的政策和措施，之后有相继出台相关政策，例如大量新建或者彻底改建使用含硫量超过1%的煤炭最为燃料的电厂，以及必须建立相应设备的脱硫装置。