冶金、化工、建材等工业流程中会产生大量的高温烟气,排烟温度一般为800~1200℃,烟气余热品位高,余热回收利用潜力大。但由于烟气含尘量较大,尤其对于含凝结/凝固性尘(如易凝结焦油气、低熔点熔融态金属)的烟气,高温状态下除尘较难。若直接对高温含尘烟气进行余热回收利用会导致换热表面积灰堵塞,凝结沉积物清理困难;高温烟气余热回收和除尘装置存在孔隙堵塞和再生困难、余热回收和除尘效率低等瓶颈问题,亟待解决。国内外的研究表明固定颗粒床除尘器在高温烟气余热回收和含凝固性粉尘去除方面具有突出的优势。但目前,运用CFD数值模拟高温含尘烟气在三维随机填充单层和双层颗粒床内除尘及换热特性研究较少,并且国内外几乎没有高温含凝尘烟气在颗粒床内的流动传热特性研究。此外,颗粒床除尘和余热回收一体化的研究也很少。基于以上存在的问题,本文针对颗粒床复杂孔隙流道内高温含尘烟气除尘与换热耦合关系的关键科学问题,数值模拟研究了高温含固体粉尘烟气在单层和双层颗粒床内的除尘换热特性,定性定量地分析了影响除尘及传热特性的因素;实验研究了高温含凝固性粉尘烟气在单层颗粒床内的流动换热特性,获得了凝尘处于不同物态下的流动换热Nu关联式;提出了一种颗粒床除尘与余热回收一体化的结构,针对该结构进行了实验研究与优化分析,获得了各因素对床层压降、除尘效率、颗粒床容尘量和余热回收率的影响规律,为进一步工程应用提供了技术支持。首先本文基于CFD(计算流体力学)和DEM(离散单元法)方法,建立了三维随机填充单层颗粒床除尘换热物理模型。研究了高温含固体粉尘烟气在单层颗粒床内的除尘和换热特性。颗粒间的接触采用“搭桥法”进行处理,模拟过程中认为粉尘接触到颗粒表面即被捕集。数值研究了颗粒床床层厚度、气体流速、粉尘粒径、气体温度及流动方向对单层颗粒床除尘效率的影响规律。结果表明,粉尘粒径大于5μm时,增加床层厚度,增大气体流速,均可以有效地提高除尘效率。而在壁面恒热流密度冷却的条件下,气体温度越高,除尘效率越低。流动方向与重力方向相同时,可提高除尘效率。并拟合获得了分级除尘效率与斯托克斯数(St)的关系式,当St<0.009时,分级除尘效率为一个定值,当St≥0.009时,分级除尘效率随着lg(St)的增加呈线性增加的趋势。基于平均对数温差和热平衡理论,计算得到了含尘烟气在颗粒床流动换热过程中的整体换热系数,发现粉尘的加入会强化流动过程中的换热,且整体换热系数随着粉尘载荷比的增加而线性增加;并拟合获得了低雷诺数下努谢尔数(Nu)和阿基米德数(Ar)、雷诺数(Re)和粉尘载荷比的计算关系式。然后基于CFD和DEM方法,建立了三维随机填充双层颗粒床除尘物理模型。数值研究了不同细颗粒层厚度、气体流速、粉尘粒径对于双层颗粒床除尘效率的影响规律。结果表明,双层颗粒床的床层压降增量随下层细颗粒的床层厚度增加近似呈线性增加的关系;上粗下细双层颗粒床对不同粒径粉尘的除尘效率相比于粗粒径单层颗粒床均有明显的提高,且该除尘效率随着下层细颗粒层厚度的增加而增加。对于粒径在15μm以上的粉尘,除尘效率增加幅度较小,对于粒径在1~10μm的粉尘,双层颗粒床的除尘效果更显著,且通过粒径“拐点”得出,增加下层细颗粒床的床层厚度,可以提高细小粒径粉尘的除尘效率。对于双层颗粒床,可以通过较小的流速实现较高的除尘效率,因此,通过合理的设计上下层颗粒床厚度比和入口气体流速,可以实现在压损增量不大的情况下,获得较高的除尘效率。拟合获得了不同床层结构分级除尘效率与St的关系式,当St小于某一值时,分级除尘效率为一个定值,当St大于该定值时,分级除尘效率随着lg(St)的增加呈线性增加的趋势。随着下层细颗粒床的厚度增加,该St转折值逐渐减小,表明孔隙尺度越小,惯性力对除尘效率的作用越明显。对于不同床层结构,当St增大到一定值时,除尘效率会趋于一致,表明惯性作用占主导地位时,滤层结构对除尘效率的影响减弱。该研究成果可用于指导设计高除尘效率、低阻力的颗粒床结构。含凝固性粉尘在颗粒床内流动换热及余热回收过程中,由于温度的变化,凝尘会有凝固的现象,从而影响床层内的流动换热,进而对余热回收和高温除尘等过程产生重要的影响。因此,本文针对含凝固性粉尘高温烟气在颗粒床内的流动换热特性开展了相关实验研究。基于平均对数温差和热平衡理论,计算得到了含凝尘烟气在颗粒床流动换热过程中的整体换热系数。结果表明,相比较于固体粉尘,凝尘在流动过程中的凝固放热对含尘烟气在颗粒床内的换热有强化作用,拟合得到了该条件下Nu计算关联式,其值同凝固性粉尘的质量流量和熔化热有关。而凝尘以液滴状流动对固定床内的流动换热有弱化作用,拟合得到了该条件下Nu计算关联式,其值同凝固性粉尘的载荷比有关。该结果揭示了凝尘物态对传热特性的作用机制,相关关联式可以用于含凝尘高温烟气颗粒床内过滤过程的传热设计计算。针对高温烟气除尘和余热回收一体化,本文提出了一种颗粒床换热过滤器的结构装置,将各级颗粒床层用紧密排列的换热管隔开,通过调节各级换热管束的流量,控制颗粒床层温度分布及余热回收率,实现对凝尘的有效捕集,同时对烟气余热进行高效回收利用。实验研究结果表明,含凝尘高温烟气比含固体粉尘高温烟气,可以更早达到较高的除尘效率,但其床层的整体压降也会偏高。在除尘的初始阶段,含凝尘高温烟气的整体换热系数高于含固体粉尘烟气,且该换热系数随着入口粉尘浓度的增加而增加,原因是凝固性粉尘在流动过程中的凝固放热;但在除尘的后阶段,含凝尘高温烟气的整体换热系数低于含固体粉尘烟气,且该换热系数随着入口粉尘浓度的增加而减小,原因是凝固性粉尘在流动过程中的凝固导致表面换热条件恶化。凝尘在颗粒床内流动后期,床层压降随着气体流速的减小而增加,随着气体流速的增加,床层的整体换热系数增加。最后,针对颗粒床换热过滤器的余热回收影响因素进行了分析。在凝尘流动过程中,余热回收率随着气体流速和入口粉尘浓度的减小而增加,适当调控第二排换热管的水流量,可以有效地提高余热回收率。该装置结构可以同时实现较高的除尘效率(>98%)和较高的余热回收率(>70%)。同时理论分析了颗粒床换热过滤器滤料置换过程中,气体流速、入口粉尘浓度和各级换热管水流量对余热回收的影响规律。该颗粒床换热过滤器作为一种固定床除尘换热一体化概念的技术原型,有较高的除尘效率和余热回收率,为相关的示范工程和工业化应用奠定了一定的基础。