基于SEM图像二值化与格子Boltzmann方法的飞灰颗粒吸附硫酸蒸气动力学模拟研究

针对低低温烟气系统中硫酸蒸气（H2 SO4 ）在飞灰颗粒表面的吸附机制难题，研究人员通过OpenCV图像处理技术重构飞灰孔隙结构，建立耦合对流-扩散与表面吸附的格子Boltzmann方法（LBM），揭示了Na2 CO3 /K2 CO3 添加剂对吸附动力学的影响规律。研究发现含18.4% Na2 CO3 的飞灰在1000μs内吸附速率达96.73%，孔隙率73.65%显著提升传质效率，为优化烟气净化系统提供理论支撑。

　　

随着全球能源消费量突破619.63艾焦（2023年数据），燃煤产生的SO₃
/H₂
SO₄
蒸气治理成为环境领域重大挑战。低低温电除尘器（LLT-ESP）虽能协同脱除飞灰与硫酸雾滴，但传统实验方法难以解析微纳尺度孔隙内的吸附机制。飞灰作为复杂多孔介质，其吸附性能与孔隙结构、化学组分密切相关，而现有数值模拟多基于简化假设，无法真实反映非均质孔隙内的传质-吸附耦合过程。

为解决这一难题，陕西自然科学基金支持的研究团队创新性地将扫描电镜（SEM）图像处理与介观模拟方法结合。通过采集实际飞灰样本（粒径<68μm），利用C++ OpenCV库对SEM图像进行高斯模糊、阈值分割和孔洞填充等处理，构建了精确反映飞灰孔隙结构的二值化模型。在此基础上，建立了耦合对流-扩散方程与表面吸附动力学的多弛豫时间（MRT）格子Boltzmann模型，在14核处理器上实现了飞灰-硫酸蒸气体系的跨尺度模拟。

关键技术包括：1）基于真实飞灰SEM图像的形态学处理与孔隙网络重构；2）开发MRT-LBM算法求解包含表面吸附项的浓度场方程；3）引入化学组分（Na₂
CO₃
/K₂
CO₃
）的吸附动力学参数化模型。

问题描述
研究聚焦飞灰化学组分对H₂
SO₄
吸附的影响机制。实验样本包含添加7.1-14.2% K₂
CO₃
和9.2-18.4% Na₂
CO₃
的改性飞灰，通过SEM观测发现碳酸盐添加剂显著改变表面形貌与孔隙分布。

控制方程
模型遵循三项核心假设：1）流体为不可压缩牛顿流体；2）单层飞灰颗粒的二维简化；3）吸附过程符合Langmuir动力学。控制方程包含描述流体运动的Navier-Stokes方程和包含吸附源项的浓度输运方程，其中表面吸附速率常数与飞灰化学组分直接关联。

结果与讨论
模拟显示：1）硫酸蒸气在5.1μs时穿透飞灰层，51μs后流场稳定，最大速度0.29 m/s；2）未改性飞灰在1000μs内快速吸附达78.92%饱和度（1.31 mg/g），10200μs时接近完全饱和（1.6-1.8 mg/g）；3）含碳酸盐飞灰呈现左向优先吸附特征，18.4% Na₂
CO₃
样本在510μs时小颗粒率先饱和，其1000μs吸附效率（96.73%）显著高于14.2% K₂
CO₃
样本（93.87%）；4）高孔隙率（73.65%）样本因减少大颗粒阻滞效应，主流速度提升促进孔隙内传质。

结论
该研究首次实现SEM-LBM联用技术对飞灰吸附过程的介观表征，揭示碳酸盐添加剂通过优化孔隙结构（提升73.65%孔隙率）和加速表面反应双重机制增强吸附效能。发现18.4% Na₂
CO₃
改性飞灰在1000μs内即可完成96.73%吸附，为LLT-ESP系统化学添加剂选择提供定量依据。方法论层面，建立的图像处理-数值模拟耦合框架，为复杂多孔介质内流动-吸附耦合过程研究开辟新途径。

（注：全文数据与结论均源自原文，未添加外部引用；专业术语如多弛豫时间MRT、格子Boltzmann方法LBM等均在首次出现时标注英文缩写；作者单位按要求隐去英文名称）