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基于CFD模拟的大型工业沸腾炉中废加氢脱硫催化剂的流化焙烧研究
Study on Fluidized Roasting of Spent Hydrodesulphurisation Catalysts in Large-Scale Industrial Boiling Furnace by CFD Simulation
1. 主要摘要
本文利用计算流体力学（CFD）结合粗粒化模型（CGM）对大型工业沸腾炉中废加氢脱硫（HDS）催化剂的流化焙烧效果进行了模拟，研究了初始床层高度和气体速度对床层膨胀比、床层孔隙率和压力降的影响。结果表明，最佳的初始床层高度为0.45米，气体速度为1.45米/秒，此时气体消耗为0.34立方米/千克，节能达到2.29×10¹⁰焦耳。此外，提出了颗粒碰撞与气泡破碎的竞争关系理论，并通过湍流能量强度分布的变化验证了该理论。
2. 引言
随着石油工业的快速发展，加氢脱硫催化剂广泛用于油品精炼，其在催化过程中会因金属硫化物和焦炭沉积而失效。废HDS催化剂中含有钼、钒、镍等重金属，这些金属的回收具有重要的经济和环境意义。传统氧化焙烧方法存在金属硫化物氧化不充分的问题，且废催化剂中的残余油和碳不能有效利用，造成额外的能耗。沸腾炉流化焙烧能够利用残余油和碳提供焙烧热量，同时氧化金属硫化物，提高了反应效率，具备工业化应用潜力。
3. 主要内容
1. 模型与方法
使用Ansys Fluent与Rocky DEM耦合，采用粗粒化模型（CGM）模拟废HDS催化剂的流化行为。模拟中通过平均质量和动量守恒方程，以及流体和颗粒间的相互作用来描述流化状态。还考虑了湍流能量对流化效果的影响，以分析气泡和颗粒间的竞争作用。
2. 床层膨胀比和孔隙率
研究了不同初始床层高度（0.20米到0.45米）和气体速度（1.35到1.60米/秒）对床层膨胀比的影响，发现较高的初始床层高度有助于床层膨胀的稳定性和流化均匀性。结果表明，随着气体速度的增加，孔隙率整体升高，气体与固体之间的接触效率得到改善。
3. 压力降分析
研究发现，床层的总压力降随初始床层高度的增加而增大，这是由于较高的初始床层高度导致单位面积上颗粒数量增加，从而增加了气固摩擦力。此外，总压力降的波动程度反映了不同初始床层高度和气体速度下的流化稳定性。
4. 流化质量和湍流能量机制
通过对不同初始床层高度下的湍流能量强度区域进行分析，发现较低床层高度时湍流能量主要消耗在颗粒碰撞上，而在较高气体速度下，气泡破碎优势逐渐显现。实验表明，随着气体速度增加，流化质量逐步提高，气泡破碎程度增强，最终提高了床层的流化均匀性。
5. 能耗和节能分析
计算了气体消耗和单位质量催化剂的能耗，并提出了最佳的流化条件（初始床层高度0.45米，气体速度1.45米/秒），实现了2.29×10¹⁰焦耳的净能量节约。结果表明，在最佳条件下，沸腾炉流化焙烧技术可以有效减少能耗。
4. 主要结论
1. 较高的初始床层高度可以保持床层膨胀的稳定性，提高流化均匀性。
2. 在较低床层高度时，流化质量随气体速度增加呈先下降后上升的趋势，而较高床层高度下则随着气体速度增加逐步改善。
3. 湍流能量强度区域的减少表明颗粒碰撞的能耗较弱，气泡破碎占据主导，进而提高气固接触均匀性。
4. 气体消耗与净能量节约的分析表明，流化焙烧工艺在最佳条件下可以显著降低处理成本，为废HDS催化剂的工业化处理提供了参考依据。
5. 主要结果图
6. 参考文献
一区TOP期刊《Energy》— CFD-DEM模拟分析水力压裂工程中的两相流动问题
一区TOP期刊《Separation and Purification Tech》—新型非对称双室电化学反应器的设计与性能评估
一区TOP期刊《Chemical Engineering Journal 》—COMSOL模拟冲击波电渗析过程中的关键参数
一区TOP期刊《Chemical Engineering Journal 》—PBI膜的形态调控及其在锂金属电池中的性能提升
一区TOP期刊《Chemical Engineering Journal 》—COMSOL模拟煤泥微波加热过程
一区TOP期刊《Energy》—CFD-DEM耦合模拟颗粒高速自旋和热传递的规律
一区TOP期刊《Energy》—ANSYS与COMSOL电磁-热耦合模型对比分析
一区TOP期刊《Computers and Geotechnics》— 三维耦合MPM模拟隧道面在水力-机械作用下的坍塌机制
一区TOP期刊《Energy》— COMSOL模拟考虑沉积压缩效应的天然气水合物降压开采储层物理和力学特性的演变
一区TOP期刊《Energy》— VOF-DEM耦合模拟气-液-固多相流混合过程中的传质
一区TOP期刊《Energy》— CFD-DEM模拟颗粒在页岩孔隙中堵塞问题
一区TOP期刊《Energy》— 高剪切流动的 CFD-DEM 数值模拟方法
一区TOP期刊《Energy》— 超临界 CO2热泵系统扁管气体冷却器结构分析与优化
