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1、华中科技大学 博士学位论文 氧化铝在布袋上沉积和吸附HF规律研究 姓名：汪家琼 申请学位级别：博士 专业：化工过程机械 指导教师：余永富;刘根凡 20091110 I 摘 要 在铝电解行业，广泛使用布袋除尘器净化铝电解烟气中的氧化铝粉尘和 HF 有毒 气体。布袋上形成均匀的粉尘层不但能过滤微小粉尘，还具有吸附 HF 的作用。在兼 顾压降的情况下， 为了使粉尘层具有更好的吸附 HF 的效果， 本文综合应用数值方法、 理论分析和实验方法对氧化铝粉尘在布袋上沉积和吸附 HF 规律进行了研究。用数值 方法对布袋除尘器内部流场进行了分析，提出了结构优化方案。实验研究了氧化铝在 布袋上沉积、布袋过滤压降和
2、沉积层吸附 HF 的规律；拟合了粉尘沉积层厚度分布与 平均过滤速度、粉尘含量、单位过滤面积加料量及布袋长度的关系式。从理论上对除 尘器内氧化铝颗粒进行了受力分析，在前人一维压降模型的基础上，推导了与粉尘层 厚度关联的过滤压降二维模型，对布袋除尘器的除尘机理、氧化铝颗粒吸附氟化氢吸 附机理进行了分析，建立了氧化铝在布袋上沉积和吸附氟化氢的综合经验数学模型。 用 MATLAB 软件对模型进行了数值求解，并将实验结果和模拟结果进行了验证，表 明两者具有很好的一致性。 工业实践表明，我国广泛使用于铝电解烟气净化行业的布袋除尘器在结构上有诸 多不足之处。本文提出了三种改进方法： （1）在除尘器进气口内侧
3、增加导流结构， （2） 在进气通道加导流板， （3）在除尘器底部加导流板。通过综合应用这三种方法来达到 均匀除尘器内部流场的目的。 并采用离散相模型， 用 FLUENT 软件对每个方案进行了 数值模拟分析。 求得了除尘器内部氧化铝颗粒运动速度-轨迹和气相速度分布， 通过颗 粒相和气相流场分布均匀程度，确定布袋除尘器内流道增设构件结构和分布。除尘器 结构改进后，改善了气流分布，使气体较均匀上升，避免大旋涡。为研究布袋上粉尘 层的形成和吸附 HF 规律奠定基础。 在实验部分，为了研究氧化铝在布袋上沉积规律，本文创新设计了一套除尘实验 装置和粉尘层厚度测量方法。采用透明的有机玻璃装置和扁平布袋结构，
4、用移动式测 量显微镜从粉尘层外侧面在线测量其厚度。且在 1 米长的扁平过滤布袋基础上，本文 分段实验研究了 1 米-6 米布袋对粉尘层厚度分布的影响。 从而解决了布袋上粉尘层不 易测量和按传统实验方法研究所带来的实验装置建造费用高的问题。基于此装置，实 验研究了烟气平均过滤速度、烟气中粉尘含量、过滤时间和布袋长度对布袋上粉尘层 厚度分布的影响。并首次用 GuassAmp 峰值函数拟合了粉尘层厚度分布规律。 II GuassAmp 峰值函数的三个中间变量 A、w、 c x 可以用于评价粉尘层分布情况。A 反映 出沉积层厚度形成过程与 u，c 和 t（时间）的关系，w 除以布袋长度 L，即 w L
5、 反映了 布袋上粉尘层分布均匀程度， c x表示最厚处距布袋轴线长度中点的接近程度。所以， 选择峰值函数 ()2 2 2 c x x w yAe =进行拟合，在布袋除尘器研究方向具有一定的创新意义。 此外，在此实验装置上，实验研究了平均过滤速度、氧化铝粉尘含量和 HF 含量 对过滤沉积层吸附氟化氢效果的影响。研究表明：在相同的过滤时间里，粉尘含量越 高，除氟效果越好；综合考虑过滤压降和对除氟效果的影响，布袋长 5 米最佳；平均 过滤速度在 20mm/s-60 mm/s 范围内，40mm/s 时具有最好的除氟效果；进口处 HF 含 量越高，出口处 HF 含量越高。研究亦表明布袋脉冲清灰不要太彻底
6、，否则刚清灰后， 布袋上由于粉尘层太少，导致除氟效率低下。 在过滤达西定律的基础上，本文依据特定条件推导了与粉尘层厚度相关的过滤压 降二维模型。在分子气动理论基础和前人研究基础上，用反应本征动力学和宏观动力 学相关理论分析 HF 在氧化铝沉积层中的吸附机理，其宏观反应符合收缩未反应芯模 型，并建立了相应的吸附速率方程式。 最后，在实验和理论分析基础上，首次建立了氧化铝粉尘沉积和吸附 HF 的综合 经验数学模型，并用 MATLAB 编程求得了数值解，数值解和实验结果具有很好的一 致性，从而验证了综合经验数学模型的有效性。该综合经验数学模型可以根据操作条 件和布袋长度预测铝电解烟气布袋除尘器的过滤
7、压降和除氟效率，为工程设计提供参 考依据。 由于实验条件限制，本研究还有一些不足之处。还需在不同温度范围、不同氧化 铝样品对过滤吸附 HF 的影响方面做进一步研究，另外，本研究的过滤除氟综合经验 数学模型还需得到工业实践检验，并根据实践对模型进行修正。 关键词关键词：布袋除尘器，氧化铝，氟化氢，沉积层，过滤压降，数值分析，实验研究， 吸附 III ABSTRACT In aluminum electrolysis industry, bag filters are widely used to remove alumina dust and toxic HF gas in alumina el
8、ectrolysis fume. The dust layer diposited on the bag can not only filter fine dust, but also adsorb HF gas. In this paper, in order to get a good effect of filter and HF adsorption within a suitable filter pressure drop range, numerical methods, theoretical analysis and experimental methods are comp
9、rehensively applied to study the laws of alumina sedimentation on the bag and HF adsorption by alumina layer. Internal flow field analysis of bag filter is studied with numerical method, on which the structural optimization program is brought forward. The law of alumina depositing on the bag and HF
10、adsorption by alumina layer are experimentally studied; the relationship between dust layer thickness vertical distribution and the average filtration velocity, dust content, filter time and the length of filter bag are fit with equations. On theory, force analysis of alumina particles is conducted;
11、 pressure drop model of bag filter is derived; filter mechanism of bag filter, the mechanism of HF adsorption by alumina are analyzed. Comprehensive models of alumina deposition on bag and HF adsorption are set up. These models are solved with numerical method with MATLAB software, the model results
12、 are verified with experimental results, which shows a good consistency between the two. Industrial practice shows, there are several inadequacies on the bag filters widely used in aluminum industry in our country. Three optimized programs are put forward: (1) add deflector in intake in the dust col
13、lector; (2) add deflector in the side-stream channel; (3) add baffle plate at the bottom of the filter. These methods are comprehensively applied to improve the internal flow field. Each program is numerically analyzed with FLUENT software and with discrete-phase model, velocity-track of alumina par
14、ticle and gas velocity distribution are obtained, optimal structure is determined by the uniformity of particle and gas flow field distribution in filter. With the improved collector structure, the airflow distribution will be improved, so that the airflow will rise uniformly without large eddy curr
15、ent, which is in the favor of formation of uniform dust layers and fluoride removal. In the experiment part, a new dust experimental device and a new dust layer thickness measurement method are designed in order to study the deposition law of alumina on the bag. In the experiments, a transparent ple
16、xiglass bag device and a plat bag structure are adopted and the dust layer thickness is measured on-line with mobile measuring microscope from outside of dust layer. In the paper, the influence of 1 to 6 meter bag on the IV dust distribution is studied with 1-meter-long flat bag, which solves the two problems that the thickness of dust layer is hard to measure and the cost is high for the experiment equipment designed with traditional way. Based on this device, the influence of the avera
