陳招妹，劉含笑，徐旭東，劉志波，郭高飛，沈敏超

(1. 浙江菲達環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，浙江 諸暨 311800；2.綏中發(fā)電有限公司，遼寧 葫蘆島 125222)

近年來，燃煤電廠排放的Hg等有毒重金屬污染受到廣泛關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計，燃煤電廠排放的Hg約占全球人為Hg排放的40%，而中國的Hg排放量世界第一，約占全球的40%，是美國和印度排放量的3倍[1-2]。世界范圍內(nèi)的煤炭平均Hg含量(質(zhì)量分數(shù)，下同)為0.13 mg/kg，中國的煤炭平均Hg含量為0.22 mg/kg[3]。

燃煤煙氣Hg控制是當前世界各國大氣污染控制的重點，燃煤電廠燃燒后煙氣Hg脫除技術(shù)可分為利用現(xiàn)有設(shè)備協(xié)同脫Hg和煙道噴射吸附劑脫Hg[4-14]。煙道噴射吸附劑脫汞技術(shù)成熟度高，減排效果顯著，是未來應(yīng)對更嚴格排放限值的主流技術(shù)，常用的吸附劑有活性炭、改性活性炭、改性飛灰等。與鈣基類吸附劑相比，活性炭顆粒的孔隙率更豐富，擁有更多表面官能團，對煙氣中的氣態(tài)Hg具有較好的吸附、氧化能力?；钚蕴课矫揌g裝置一般布置在除塵裝置前，吸附Hg后的活性炭在除塵裝置中收集后，同粉煤灰一起輸送至灰?guī)臁?/p>

美國針對活性炭吸附脫Hg開展了大量工程試驗并進行了推廣應(yīng)用。一般活性炭與煙氣中Hg的質(zhì)量比為2 000∶1～15 000∶1，據(jù)美國能源局估計，脫除0.45 kg(1磅)Hg，約需25 000～70 000美元[3]。通過鹵族元素(如Cl、Br等)、金屬(如Mn、Fe、Cu等)及其化合物等對活性炭進行改性，在活性炭表面形成新的活性中心，可提高活性炭吸附性能。相關(guān)研究表明，通過氯化硫改性的活性炭，在實驗條件140 ℃時，對Hg的吸附效率大于90%；摻雜CeO2的活性炭脫Hg效率可達70%，再加入Mn之后，效率可達90%[4]。國外成熟的改性活性炭產(chǎn)品有美國Cabot公司的DARCO HG系列、Albemarle公司的B-PAC溴化活性炭系列等[1]，脫Hg效率可達70%～98%，每吸附0.45 kg(1磅)Hg的成本約為2 000～20 000美元[3]。國內(nèi)目前也已經(jīng)有項目正在應(yīng)用此技術(shù)。

煙道噴射吸附劑在煙道中的覆蓋率、均勻性、停留時間等與脫汞效率密切相關(guān)，如何增加吸附劑在煙道中的覆蓋率、提高物料與煙氣分布的均勻性、延長顆粒的停留時間，是提高脫汞效率、節(jié)省吸附物料損耗的關(guān)鍵。目前國內(nèi)大部分工程案例中均采用管道直噴，或簡單做一個變徑、彎頭等，物料的霧化效果不佳，煙道內(nèi)物料分布不均，不僅影響了脫汞效率，還增加了物料消耗。本文以某100 MW機組為例，根據(jù)前期技術(shù)方案及工程實際參數(shù)，采用活性炭噴射技術(shù)進行煙氣脫汞，模擬不同噴嘴布置方式下氣固兩相流進行研究，旨在為活性炭噴射系統(tǒng)的設(shè)計和運行提供技術(shù)參考。

1 物理模型

活性炭顆粒的噴射位置一般布置在空氣預(yù)熱器后、除塵器前的水平煙道上，要求有一定長度的直管段，使活性炭顆粒在煙氣中有足夠的停留時間，以保證活性炭顆粒對煙氣中氣態(tài)Hg的吸附效果。根據(jù)某100 MW機組的煙道實際截面尺寸﹝如圖1(a)所示﹞，繪制一段15 m長的直煙道。該機組為新建熱電聯(lián)產(chǎn)機組，設(shè)計煤種熱值為21 000 kJ/kg，煤中Hg含量為0.15 mg/kg，要求煙氣Hg排放質(zhì)量濃度小于3 μg/m3。采用Gambit軟件進行幾何模型的網(wǎng)格繪制[15]，網(wǎng)格劃分如圖1(b)所示，考慮到計算精度、計算復(fù)雜度、計算時間等方面的要求，需對軟件繪制的網(wǎng)格進行質(zhì)量驗證，尤其是噴射點前后區(qū)域。采用質(zhì)量較高的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，干粉噴射區(qū)域采用網(wǎng)格局部加密，將網(wǎng)格質(zhì)量及數(shù)量調(diào)整至最佳效果，網(wǎng)格總數(shù)量約為2 460 000。

圖1 煙道物理模型Fig.1 Physical model of flue duct

2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

2.1 數(shù)學(xué)模型

采用歐拉-拉格朗日計算方法進行求解。連續(xù)相采用常規(guī)的N-S(Navier-Stokes)方程求解，湍流模型采用k-ε(k為湍流動能、ε為湍流動能耗散率)模型求解。

連續(xù)方程為

(1)

動量守恒方程為

(2)

鑒于干粉噴射量較小(體積分數(shù)小于10%)，屬于稀疏氣固兩相流，干粉噴射計算求解可采用離散相模型(discrete phase model，DPM)，將兩者作為惰性離散相顆粒處理，即選用DPM模型來跟蹤顆粒運動[16-19]。顆粒相的作用力平衡方程在直角坐標系下的形式為

(3)

針對本文的研究對象，計算中進行了以下假設(shè)和簡化：干粉顆粒為規(guī)則的球形顆粒，粒徑分布遵循R-R(Rosin-Rammler)分布；流動為定常工況，氣體為不可壓縮氣體，不考慮溫度、密度等變化對計算結(jié)果的影響；不考慮湍流的各向異性；僅考慮連續(xù)相對顆粒相的作用，不考慮顆粒相對連續(xù)相的反作用；不考慮顆粒的凝聚或破碎。

2.2 邊界條件

模型的入口條件設(shè)定為速度入口，流速為12 m/s；出口條件設(shè)定為Outflow；物理模型壁面設(shè)置為Wall，顆粒相與壁面接觸后處理為彈射；噴射模型選擇壓力旋轉(zhuǎn)霧化模型，總的干粉噴射量為50 kg/h；噴射顆粒為活性炭，真密度1 300 kg/m3，堆積密度取400 kg/m3；活性粒徑小于45 μm(325目以上)的占比超過95%，粒徑分布如圖2所示。

圖2 粒徑分布Fig.2 Particle size distribution

3 計算結(jié)果及分析

3.1 方案1，單點噴射

首先，選單點噴射工況為研究對象，不考慮噴霧效果，經(jīng)計算，活性炭顆粒的停留時間散點圖如圖3(a)所示。取Y=0 m的截面，顆粒相濃度云圖如圖3(b)所示?？梢钥吹剑钚蕴款w粒經(jīng)過管道噴入煙道后，并未得到有效擴散，從噴射點到煙道出口，都是僅在噴射軸的徑向小范圍內(nèi)與煙氣接觸，嚴重影響了活性炭顆粒的脫汞效率。

考慮噴嘴的霧化效果，采用Fluent自帶的壓力-旋流霧化噴嘴模型[20-21]，噴射點設(shè)定在(0 m,0 m,0 m)處，噴霧口徑為1 mm，起始噴射角度為45°，經(jīng)計算，活性炭顆粒的停留時間散點圖如圖4(a)所示。分別取Z=0.5 m、Z=1 m、Z=2 m的截面，各截面顆粒相濃度云圖如圖4(b)所示。

可以看到，活性炭顆粒經(jīng)霧化噴嘴噴入煙道后，隨著在煙道的停留時間增加，在煙道截面擴散的有效面積也逐漸增加，且噴射面基本上呈圓形分布，有利于提高活性炭顆粒在煙氣中的分布均勻性，當Z=2 m時，擴散截面已靠近煙道壁面。值得注意的是，為防止干粉顆粒對噴嘴的堵塞，物料噴射的效果往往是空心錐結(jié)構(gòu)，僅采用單個噴頭并不能完全保證物料在煙道截面的均勻分布。

圖3 單點噴射工況計算結(jié)果(不考慮噴霧效果)Fig.3 Calculation results of single-point injection condition(Spray effect was not considered)

圖4 單點噴射工況計算結(jié)果(考慮噴霧效果)Fig.4 Calculation results of single-point injection condition(Spray effect was considered)

3.2 方案2，三點噴射

選三點噴射工況為研究對象，不考慮噴霧效果，經(jīng)計算，活性炭顆粒的停留時間散點圖如圖5(a)所示。取Y=0 m、Z=1 m的截面，顆粒相濃度云圖如圖5(b)所示。可以看到，活性炭顆粒經(jīng)過3路管道噴入煙道后，均并未得到有效擴散，在整個煙道截面的分布區(qū)域十分有限。

圖5 三點噴射工況計算結(jié)果(不考慮噴霧效果)Fig.5 Calculation results of three-points injection condition(Spray effect was not considered)

考慮噴嘴的霧化效果，采用Fluent自帶的壓力-旋流霧化噴嘴模型，噴射位置點分別設(shè)定在(0 m,0 m,0 m)、(0 m,1 m,0 m)、(0 m,-1 m,0 m)處，噴霧口徑均為1 mm，起始噴射角度均為45°，經(jīng)計算，活性炭顆粒的停留時間散點圖如圖6(a)所示。分別取Z=0.5 m、Z=1 m、Z=2 m的截面，各截面顆粒相濃度云圖如圖6(b)所示?？梢钥吹?，活性炭顆粒經(jīng)霧化噴嘴噴入煙道后，隨著在煙道的停留時間增加，在煙道截面擴散的有效面積也逐漸增加，當Z=2 m時，活性炭顆粒已幾乎遍布整個截面區(qū)域，且3個噴射點的覆蓋面相互疊加，有效填補了空心區(qū)域。

圖6 三點噴射工況計算結(jié)果(考慮噴霧效果)Fig.6 Calculation results of three-points injection condition(Spray effect was considered)

3.3 方案3，五點噴射

選五點噴射工況為研究對象，考慮噴嘴的霧化效果，采用Fluent自帶的壓力-旋流霧化噴嘴模型，噴射位置點分別設(shè)定在(0 m,0 m,0 m)、(-0.5 m,1 m,0 m)、(-0.5 m,-1 m,0 m)、(0.5 m,1 m,0 m)、(0.5 m,-1 m,0 m)處，噴霧口徑均為1 mm，起始噴射角度均為45°，經(jīng)計算，活性炭顆粒的停留時間散點圖如圖7(a)所示。分別取Z=0.5 m、Z=1 m、Z=2 m的截面，各截面顆粒相濃度云圖如圖7(b)所示?？梢钥吹?，活性炭顆粒經(jīng)霧化噴嘴噴入煙道后，隨著在煙道的停留時間增加，在煙道截面擴散的有效面積也逐漸增加，且五點噴射效果優(yōu)于三點噴射。

3.4 方案比選

為了進一步對比不同噴射點布置方式的優(yōu)劣，表征活性炭顆粒在煙道內(nèi)的噴射面積，定義顆粒覆蓋率的概念，計算公式為

圖7 五點噴射工況計算結(jié)果(考慮噴霧效果)Fig.7 Calculation results of five-points injection condition(Spray effect was considered)

Δα=Ap/Af.

(4)

式中：Δα為活性炭顆粒在煙道的覆蓋率；Ap為活性炭顆粒在煙道截面的總擴散面積；Af為煙道截面的面積。

經(jīng)計算，3種工況條件下不同截面活性炭顆粒的覆蓋率如圖8所示，單點噴射工況在Z=0.5 m、Z=1 m、Z=2 m的截面的活性炭顆粒覆蓋率分別為6.9%、19.5%、35.1%，三點噴射工況時各截面活性炭顆粒覆蓋率分別為16.7%、41.3%、79.5%，五點噴射工況時各截面活性炭顆粒覆蓋率分別為24.9%、49.4%、92.6%。在活性炭顆粒噴射總量不變的前提下，噴嘴數(shù)量越多，噴射覆蓋面積越大，活性炭顆粒在煙道的覆蓋率越高。但值得注意的是，三點噴射改為五點噴射后，覆蓋率的增加幅度并沒有單點噴射改為三點噴射后的增加幅度大，因此在實際工程應(yīng)用中，在盡量多布置噴射點的同時，也應(yīng)考慮所增加的噴射點數(shù)對覆蓋率擴大的貢獻比例。

圖8 3種工況計算結(jié)果對比Fig.8 Comparison of calculation results of three working conditions

4 結(jié)論

活性炭覆蓋率、活性炭與氣流分布的均勻性、活性炭顆粒的停留時間等與活性炭的脫汞效率密切相關(guān)，且直接影響基于活性炭噴射的煙氣脫汞系統(tǒng)的運行費用。本文以某100 MW機組為例，根據(jù)前期技術(shù)方案及工程實際參數(shù)，采用活性炭噴射技術(shù)進行煙氣脫汞，對不同噴嘴布置方式下氣固兩相流進行模擬研究，得到主要結(jié)論如下：

a)基于Fluent軟件，采用DPM能較好地模擬煙道干粉噴射或的顆粒分布情況，為實際工程中噴射點數(shù)量及噴射點位選擇提供借鑒。

b)噴嘴數(shù)量越多，噴射覆蓋面積越大，活性炭顆粒在煙道的覆蓋率越高；但在實際工程應(yīng)用中，在盡量多布置噴射點的同時，也應(yīng)考慮所增加的噴射點數(shù)對覆蓋率擴大的貢獻比例。