第1章绪论
自然界中雾霾天气是一种大气污染状态，雾霾是对大气中各种悬浮颗粒物含量超标的笼统表述。自然界每次暴雨或大雪过后，空气都会变得清新，这是自然界通过雨水清洗低层大气层实现污染物控制的结果。减少大气中可悬浮颗粒物的聚集是解决雾霾的根本之道\[1\]。因此，我们应着眼于大气可悬浮颗粒物来源，减少可悬浮物排放。随着工业的发展及人们生活水平的提高，一方面，工业生产过程中所产生的可悬浮颗粒物的排放现象日趋严重，使环境不断恶化；另一方面，随着生活水平的不断提高，人们不再盲目追求经济建设、效益最大化，健康问题逐渐进入了人们的视野，人们的环保意识日益增强。环境保护问题也逐渐进入了人类的视野，并制订了一系列的粉尘排放标准，这些都促进了各种除尘工艺和相应设备的发展。实际上，自然界清洗大气层是通过雨滴的作用，将气体携带的固体颗粒物予以分离的过程，这是一个典型的多相流动分离的过程。在工业设备中，例如冲击水浴除尘器、激冷室气流床气化炉等，都存在含尘气体经顶部浸没平口管口穿越液池的过程。而该工艺过程存在着相互耦合作用的复杂非稳态多尺度多相流动，该多相流动过程的好坏直接影响工业设备运行的稳定性和利用的高效性。本书将以在工业设备中广泛存在的气固两相流穿越液池的气体净化冷却工艺过程为对象，详细介绍该工艺过程及其在工业中的应用情况，阐述目前气固两相流穿越液池过程中内在作用机理及其规律的研究和应用状况，提出并分析该过程中所涉及的工程热物理领域关键科学问题。
1.1气固两相流穿越液池过程的工业应用背景
1.1.1冲击式水浴除尘器中的气固两相流穿越液池过程
大气中悬浮颗粒物聚集是雾霾天气的形成原因。汽车尾气排放、地面扬尘、化石燃料燃烧、垃圾焚烧，甚至火山喷发等都会造成空气中悬浮颗粒物的聚集。减少可悬浮颗粒物排放，最有效手段就是除尘。除尘技术就是将气体所携带颗粒物予以分离的技术。燃煤锅炉烟气的排放是空气中悬浮颗粒物含量增加的主要元凶之一，人们一直致力于减少烟气含尘量的研究。冲击水浴式除尘器\[2\]
\[3\]作为烟气除尘系统的第一级设备，其结构简单、造价低、运行费用低，水还可以循环利用。
其在冶金、建筑、环保、石油化工等领域都有广泛的应用。冲击水浴除尘器中的气体洗涤净化方式是一种使夹裹着固相颗粒的气体依靠冲击并在水中进行充分
水浴作用的分离技术。在该分离技术中，含尘气体高速冲击液池与水充分接触，并在穿越液池的过程中完成对气体的水浴除尘。如图1-1所示，其工作原理是，除尘器运行时水箱内要储存一定量的水，淹没进气管管口。当具有一定进口速度的含有固体颗粒的气体经过进气管，在出口处以一定速度射入液池内。气体对液池中的水层产生冲击作用后，在负压力和负浮力梯度的双重作用下其速度越来越小直至改变运动方向反折向上流动，并鼓泡穿越液池。在气体的运动方向发生改变时，气体中夹裹的颗粒由于其惯性较大将继续按照原来方向运动，其中粗大的尘粒因惯性较大直接沉降到水箱内，细小尘粒有的依靠惯性和水的黏附作用被水捕集，更加细小的尘粒则跟随气体钻出液面，从而气体得到一次净化。其中，有一部分细小颗粒随气体运动并与大量的冲击水滴和泡沫混合在一起，在液池内形成一抛物线形的水滴和泡沫区域，气体在此又得到二次净化。冲击水浴式除尘技术是湿法除尘技术的一种。
实际上，不难看出冲击水浴除尘器运行所涉及的物理过程就是由尘颗粒和气体共同组成的气固两相流冲击并穿越液池的多相流动过程。在穿越液池的过程中气体与颗粒分离，从而完成气体的除尘工艺。该过程是一个复杂的三相湍流流动过程，其中的多相流动规律及特性的研究和揭示，对冲击水浴除尘器设计和优化改造具有重要的参考价值和理论指导。冲击水浴除尘器作为除尘系统的第一级除尘设备，它的作用就是对含尘气体进行粗洗涤，去除含尘气体中大部分的尘粒。提高冲击水浴式除尘器除尘效率可以降低后续除尘设备的除尘负荷。但冲击水浴式洗涤净化过程中所涉及的多相流动特性、气固分离规律的研究相对较少，可查阅的文献较为匮乏。
图1-1冲击水浴式气体洗涤净化设备示意图
1.1.2多喷嘴对置式水煤浆气化炉中的气固两相流穿越液池过程
气固两相流穿越液池的冲击水浴式三相流动分离技术除了广泛应用在工业烟气除尘领域中之外，该类似过程也在煤气化工艺流程中得到应用。在洁净煤技术体系中，煤气化技术是其中最为重要的技术之一。而气化炉又是整个煤气化技术体系中最为关键的核心所在。在激冷式水煤浆气化技术中，气化炉主要是由气化室和激冷室组成。整个炉壳为一整体结构，内部由激冷环和托砖盘分开。激冷室内有激冷环、下降管、上升管、液池、激冷水弯管、折流挡板等内件组成。激冷水经过激冷水弯管进入激冷环，激冷环将水均布沿下降管内壁向下流动形成水膜，高温合成气夹带着熔渣出气化室后经过激冷环进入下降管，在下降管内与激冷水剧烈换热降温，同时水膜有效的隔绝了高温合成气与下降管间的直接接触，保护下降管免受高温加热而变形。下降管下端浸没在液池中的黑水中。下降管将高温合成气引至激冷室水浴，完成高温合成气的降温、饱和及除渣的任务。上升管将激冷后鼓泡上升的合成气引到激冷室液面上部，避免气流鼓泡时对整个液面产生过大的波动。从目前国内几套Texaco水煤浆气化装置来看，激冷室依然存在气化炉激冷室带灰带水问题、激冷环堵塞以及反应气在激冷室内偏流等问题。
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图1-2多喷嘴对置式水煤浆气化炉示意图
为了解决原激冷室中存在的问题，具有我国自主知识产权的多喷嘴对置式水煤浆气化炉内，采用了喷淋床与鼓泡床相结合的复合床洗涤冷却技术。其中包括冷却环、下降管、液池和内部构件等主要部分\[4-6\]，如图1-2所示。洗涤冷却水在冷却环的作用下，一方面在下降管内壁形成降膜流动，另一方面在下降管内产生喷淋效果，形成喷淋床，高温合成气进入下降管内，首先经冷却水的喷淋作用，初步降温，同时喷淋水气化，产生增湿效果，并减轻了下降管顶部液膜的热负荷。在下降管顶端处的液膜，最先与气化炉内的高温气体接触，由于喷淋水的存在，使高温气体在与液膜换热前就进行了初步的降温。从气化炉气化室出来的熔融态灰渣在洗涤冷却室的冷却环和下降管的激冷下，凝固为固态灰渣。经过下降管的降温和增湿，气体和灰渣经下降管进入液池，夹带着固态灰渣的合成气在穿越液池的过程中实现气液固三相的分离。其中的分离过程为：在气体与液体充分掺混接触的过程中，气体所含的绝大部分灰渣被液体捕获而进入液池中，从而实现气固分离，其中只有少数细小的灰渣跟随气体一起穿越液池；被液体捕获的灰渣在液池内完成悬浮、沉降、堆积等运动，堆积到液池底部的颗粒间隙排出池外，从而最终实现液固分离；与此同时，气体在与液体充分接触洗涤，流经气液分离空间时，绝大部分飞溅液滴依靠自身重力作用与气体分离，以实现减少气体带水量之目的。目前针对煤气化炉洗涤冷却室内所涉及的复杂多相反应产物处理等诸多基础性科学问题还尚待进一步认识，这在一定程度上也制约了洗涤冷却技术在煤气化工业上进一步的开发和利用。
总地来说，正如Mycock\[7\]在其著作中所指出的，气体穿越液池所形成的冲击水浴式的多相分离技术在工业、环保、医疗卫生等领域存在可观的应用前景。但该过程中的气液固三相体系伴随着复杂的相间耦合作用机制、内部条件与外部条件的相互影响等，其蕴含着极其复杂而丰富的机理和规律，还远未被认识和掌握。三相体系中各种湍流流动特性、相与相之间相互作用，有的有利于强化相间分离，有的不利于强化相间分离，而这最终要取决于哪个方面因素占优，这些都需要从机理上研究清楚，掌握各个因素的影响规律。因此，不论从指导工程应用方面，还是从发展和丰富多相流理论、分离理论来说，开展气固两相流穿越液池过程中的气液固三相流动、分离行为及其规律研究都具有重要的科学意义和应用价值。
1.2气固两相流穿越液池工业过程的基础研究与应用
在本书前一节所提到的气化炉洗涤冷却室内，由气化室产生的高温气体主要通过与冷却环和下降管中的激冷水之间强烈的热质交换来实现激冷降温\[8-10\]。与此同时，气体中的熔融态灰渣在下降管内冷却相变为固态渣。随后经激冷降温的气体与固态渣一同沿着下降管进入液池，在穿越液池的过程中完成洗涤净化工艺。从而满足后续工序的需要。此外，在冲击式水浴除尘器中,从锅炉出来的高温烟气夹裹着灰渣在穿越液池的过程中完成的洗涤净化。在穿越过程中存在着复杂的多相体系，其中涉及多相流动、多相分离以及多相间直接接触热质传递、相变等多个方面的基础科学问题。可以说，对其的探索是一个非常复杂而且任务艰巨的庞大系统工程，其中涉及多方面的机理研究。针对气体夹带颗粒穿越液池过程中涉及的气液固三相流动、分离以及热质传递等多个关键性问题的研究进展进行综述，并以此为基础提出本书的主要内容。
1.2.1穿越液池过程中气液流动特性的研究
在化工、能源以及冶金等领域，气体经浸没的管口进入液体中的现象十分普遍。根据管口的浸没方式的不同，一般可以分为管口向上的底部浸没(bottom-submerged)、管口水平布置的侧面浸没(side-submerged)和管口向下的顶部浸没(top-submerged)三种方式\[11\]。其中，前两种浸没方式的应用最为广泛，因此该方面的文献报道已屡见不鲜。对于顶部浸没方式也有许多应用，但该方面的研究报道却非常少。在本书所涉及的穿越液池工艺过程中，下降管多以顶部浸没方式布置。这是一种气体从淹没在水中的喷口射入静止水介质中的运动模式。对气体穿越液池过程中的气液流动特性(如气液含率分布、气液速度分布、湍动能分布、气泡尺寸以及气液界面浓度分布等)的掌握，是进一步研究洗涤过程中的气液固三相分离特性、气体穿越液池过程中的气液间传热传质特性、气体带水问题以及保证设备稳定运行的前提和基础。
1.气体穿越液池过程中的气液两相流动规律研究
许杰\[12\]采用双平行电导探针实验测定了洗涤冷却室内气液泡状流，总结了洗涤冷却室内局部气含率、界面浓度、气泡直径的分布规律。并运用多普勒粒子动态分析仪对不同形式降膜运动进行测定，比较了旋流式、对置式洗涤冷却环的优劣。卢瑞华\[13\]以洗涤冷却室的气液两相流动为研究对象，在所建立的热模实验装置上对下降管的中心温度分布进行了实验测试。并以气液鼓泡状态下的相关参数为优化依据，对洗涤冷却室内部结构进行了优化实验研究。同时还对下降管的振动进行了实验测试并运用小波分析了下降管振动特性。贺必云\[14\]通过双平行电导探针对洗涤冷却室鼓泡床内气液两相泡状流中的局部气含率和气泡直径进行了测量。并对洗涤冷却室鼓泡床内的压力波动信号进行混沌分析，确定该系统的混沌特征，计算相关统计学特征量和混沌动力学特征量。吴宏涛\[15\]采用双头电导探针测定了在使用三种不同内部构件条件下的气液两相流中局部气含率、界面浓度和气泡尺寸等参数。采用防水型加速度传感器测定了不同工况下的下降管振动加速度，分析了下降管的振动特性。王树太\[16\]实验研究了下降管内的降膜流动，对比分析了对置式降膜和旋流式降膜的液膜流动。实验研究了分离空间对气体带水的影响，分析了气流对液珠携带的影响。付碧华\[17\]采用压差传感器和高清摄像仪对下降管出口处射流深度和洗涤冷却室内气液界面波动特性进行了冷模实验研究，研究发现,随着表观气速的增大,射流深度呈指数式增大，由此提出了主流射流深度与下降管出口处动量通量的经验式。
随着计算机技术的快速发展以及流体力学相关理论的不断完善，计算流体力学越来越多地应用到多相流的研究当中。西安交通大学的龚晓波等\[18\]基于双流体模型，运用颗粒群和涡扩散理论，建立了应力代数模型，对德士古水煤浆气化炉激冷室内的气液两相流动问题进行了数值模拟研究，得到了最大下降深度与入口动量间的关系曲线。龚晓波在其博士学位论文\[19\]中，指出激冷室内的气液流动为存在负浮力、逆压力梯度的突扩流动。并运用颗粒群和涡扩散理论，建立数学模型研究了不同因素对德士古水煤浆气化炉激冷室内气液两相流场特性的影响。并分析了激冷室内的水量衡算及液位控制。但在其所建模型中忽略了气泡的聚并、破碎行为，始终认为气泡尺寸均一。谢海燕等\[20\]采用VOF模型对水煤浆气化炉激冷室内合成气穿越液池过程的流动特性进行了数值模拟研究。陈意心等\[21\]采用欧拉双流体模型对水煤浆气化炉洗涤冷却室内气液两相的分布特性进行了数值模拟研究。张竞恒等\[22\]运用AspenPlus软件建立了气流床水煤浆气化系统的洗涤冷却室模型，模拟研究了操作参数对洗涤冷却室出口气体中蒸汽含量的影响，并对洗涤冷却室进行了热力学分析。Peter\[23\]运用分段线性容积跟踪方法对冶金熔炼技术中的顶部浸没气体喷射过程进行了模拟研究，分别模拟了气体射流进入水和甘油两种介质中的流动情况。
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