顧紅柏，盤思偉，廖永進(jìn)，朱彬彬，肖日宏，熊卓，趙永椿

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東廣州，510665；2.華中科技大學(xué)煤燃燒國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢，430074)

汞(Hg)作為一種具有富集性、氣態(tài)傳輸特性和神經(jīng)毒性的有毒物質(zhì)[1?3]，在人體積累會引發(fā)頭痛發(fā)熱、口腔及消化道發(fā)炎、皮膚紅斑等，且對大氣、土壤、水體造成污染，使人體健康和生態(tài)安全遭受巨大威脅。燃煤電廠是汞污染的重要來源[4]。2012年，國家頒布《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[5]，要求從2015年1月1日起，煙氣中汞的排放限值不得超過0.03 mg/m3。2013年聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署理事會通過了有關(guān)限制和減少汞排放的《水俁公約》[6]。煙氣中汞的形態(tài)分布有氣態(tài)單質(zhì)汞(Hg0)、氧化態(tài)汞(Hg2+)、顆粒態(tài)汞(Hgp)，這三者合稱為總汞(HgT)[7]。其中煤炭中的汞以固溶物形態(tài)存在于黃鐵礦、方鉛礦、辰砂等硫化物和硒化物中，或以離子態(tài)形式存在[8?10]。鍋爐爐內(nèi)燃燒時(shí)，煤經(jīng)高溫氣化轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)汞，煙氣在流動過程中經(jīng)換熱器換熱，其溫度降低使氣態(tài)汞發(fā)生均相氧化反應(yīng)，從而產(chǎn)生氧化態(tài)汞。除此之外，剩余的氣態(tài)汞一部分富集于細(xì)顆粒物上成為顆粒態(tài)汞，另一部分仍以氣相形式存在[11?12]。煙氣中存在大量的氣態(tài)汞，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，易揮發(fā)且難溶于水，利用現(xiàn)有燃煤電廠除塵設(shè)備進(jìn)行脫除實(shí)現(xiàn)難度較大，因此，單質(zhì)汞的脫除技術(shù)成為了煙氣重金屬脫除領(lǐng)域上的研究重點(diǎn)。

目前主流的脫汞技術(shù)有：1)活性炭吸附劑噴射法[13?15]，為目前應(yīng)用最廣泛的脫汞方法。向煙道內(nèi)噴射固體吸附劑，可獲得較高的脫汞效率，但當(dāng)煙氣量過大時(shí)，為維持脫汞效率，需增加活性炭的噴射量，無疑提高了脫汞技術(shù)的運(yùn)行成本，并且過高的碳汞可造成飛灰質(zhì)量的降低[16]。2)燃煤電廠現(xiàn)有常規(guī)污染物控制設(shè)備對汞的協(xié)同脫除，包括選擇性催化還原脫硝(SCR)、靜電除塵器(ESP)、煙氣脫硫(FGD)和濕式電除塵(WESP)。在SCR系統(tǒng)中將Hg0催化氧化成Hg2+，濕法脫硫裝置中統(tǒng)一收集，濕式靜電除塵器脫除細(xì)微米顆粒上(Hgp)的將煙氣中的汞脫除。該方式可對煙氣多種污染物進(jìn)行脫除，雖滿足了國家的排放標(biāo)準(zhǔn)要求，但脫除產(chǎn)物生成的飛灰和石膏等，造成了二次污染，并且靜電除塵器的運(yùn)行成本過高[17]。

張翼等[2]開發(fā)一種可再生飛灰磁珠脫汞的技術(shù)，磁珠從燃煤飛灰中經(jīng)磁選機(jī)分離出來，經(jīng)改性后合成磁珠吸附劑，通過噴管將其噴射于靜電除塵器之前的煙道，來對煙氣中的單質(zhì)汞進(jìn)行吸附捕獲和氧化，飛灰和磁珠吸附劑被靜電除塵器捕獲收集后，飛灰中的含汞磁珠吸附劑經(jīng)磁選回收，加熱再生后重新投入使用，建立汞蒸汽回收利用單元，避免了汞的再次污染，實(shí)現(xiàn)了汞的資源化利用。由于燃煤飛灰的產(chǎn)量巨大，經(jīng)飛灰磁選出的磁珠可大大節(jié)省對于汞的排放控制成本，脫汞后的磁珠吸附劑進(jìn)行活化再生后，再次噴射進(jìn)煙道中脫汞，會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。其中磁珠吸附劑通過氣力輸送噴入煙道，是磁珠脫汞技術(shù)系統(tǒng)的一個重要環(huán)節(jié)。由于實(shí)際煙道尺寸較大，需設(shè)計(jì)和定制不同的噴嘴，可進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)研究成本較高且操作困難，因此，本文作者借助CFD軟件對吸附劑在煙道內(nèi)的軌跡進(jìn)行數(shù)值模擬，通過優(yōu)化噴射裝置方案提高顆粒濃度場的均勻性，增加顆粒與煙氣中汞的接觸概率，有利于吸附劑的高效利用，為磁珠吸附劑噴射裝置的設(shè)計(jì)與運(yùn)行提供重要的應(yīng)用參考。研究折流板噴射裝置的幾種布置情況對顆粒擴(kuò)散效果的影響，評價(jià)顆粒擴(kuò)散效果主要依據(jù)截面顆粒覆蓋率、截面最大濃度、顆粒出口平均濃度、顆粒停留時(shí)間、噴射裝置噴射前后壓降等標(biāo)準(zhǔn)。

1 數(shù)學(xué)模型

針對顆粒相的數(shù)值模擬，本文將顆粒相作為離散相，分散在介質(zhì)流體中，在拉格朗日坐標(biāo)下計(jì)算顆粒的運(yùn)動。

1.1 基本控制方程

1.1.1 連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒方程）

在微元體內(nèi)，單位時(shí)間流入的質(zhì)量等于同一時(shí)間段內(nèi)微元體增加的質(zhì)量：

式中：ui(i=1,2,3)為速度矢量在3 個坐標(biāo)方向(x,y,z)的分量；t為時(shí)間；ρ為密度。

1.1.2 動量守恒方程

在微元體中，外界對微元體的所有作用力之和等于單位時(shí)間內(nèi)流體動量的變化：

式中：ρg為重力體積力；p為靜壓；u'iu'j(i=1,2,3;j=1,2,3)為速度矢量在3個坐標(biāo)方向(x,y,z)的分量；μ為流體動力黏性系數(shù)。

1.1.3 能量守恒方程

式中：T為熱力學(xué)溫度；cp為比定壓熱容；sT為黏性耗散項(xiàng)，表示流體的內(nèi)熱源及由于黏性作用流體機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分；h為流體的傳熱數(shù)。

1.2 湍流模型

磁珠吸附劑模擬采用k-ε雙方程湍流模型。其中，在Bousinesq 假設(shè)條件下，雷諾應(yīng)力項(xiàng)可表述為

在k-ε湍流模型中，其中，ε為湍流動能耗散率，k為湍流動能項(xiàng)，μt為湍流黏度。

其中：σk為k對應(yīng)的湍流普朗特?cái)?shù)(Prt)；σε為ε對應(yīng)的Prt；Sk和Sε分別為k和ε對應(yīng)的源項(xiàng)；C1ε，C2ε和C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

式(5)和(6)中Gk，Gb和ym這3 個物理量可表述如下：

式中：Mat為湍流流動馬赫數(shù)，a為聲速；Prt為湍流普朗特?cái)?shù)，在k-ε湍流模型中為0.85；gi為在i方向的重力加速度；β為熱膨脹系數(shù)。

表1 k?ε湍流模型的參數(shù)設(shè)定Table 1 Parameter setting of k?ε turbulence model

1.3 物質(zhì)輸運(yùn)模型

輸運(yùn)模型中組分守恒方程可表述如下：

式中：Si為離散相及自定義的源項(xiàng)導(dǎo)致的額外產(chǎn)生速率；Ri為化學(xué)反應(yīng)的凈產(chǎn)生速率。

在三維湍流模型中，一般質(zhì)量擴(kuò)散計(jì)算公式如下：

在湍流模型設(shè)置過程中，層流擴(kuò)散忽略，Sct為湍流施密特?cái)?shù)，通常取為0.7。

1.4 離散相模型

磁珠顆粒在煙道中流動，可以看作氣固兩相流動，連續(xù)介質(zhì)為煙氣。計(jì)算顆粒在流場中運(yùn)動，并對流場產(chǎn)生影響時(shí)，一般采用多相流模型。煙氣和磁珠吸附劑在煙道內(nèi)的運(yùn)動可以看作復(fù)雜的三維氣固兩相流動，在對煙道流場特征進(jìn)行模擬時(shí)，需考慮固體顆粒相對流場的影響，選用多相流模型。數(shù)值模擬軟件中模型包括歐拉模型(Eulerian model)、VOF 模型(volume of fluid model)、離散相模型(DPM，discrete phase model)和混合模型(mixture model)等多相流模型。

離散相模型一般適用于體積分?jǐn)?shù)小于10%的粒子、液滴和氣泡等負(fù)載運(yùn)動；VOF 模型主要適用于分層、自由面流動或活塞流；體積分?jǐn)?shù)超過10%的粒子、液滴和氣泡多采用混合物模型或歐拉模型進(jìn)行分析。

本文磁珠吸附劑噴射模擬采用歐拉?拉格朗日離散相模型也就是隨機(jī)軌道模型，針對穩(wěn)態(tài)流動和非穩(wěn)態(tài)流動，考慮離散顆粒的布朗運(yùn)動、重力、慣性力、熱泳力、曳力等作用力的影響，計(jì)算由于湍流旋渦連續(xù)相介質(zhì)中顆粒產(chǎn)生的影響。

1.4.1 顆粒運(yùn)動方程

顆粒在Lagrangian坐標(biāo)下的運(yùn)動方程為

式中：FD(u-up)為顆粒單位質(zhì)量曳力；Fx為顆粒加速周圍流體所需要的力。

式中：up為顆粒相速度，m/s；Dp為顆粒直徑，m；ρp為顆粒真密度，kg/m3；μ為流體動力黏性系數(shù)，Pa?s；u為連續(xù)相速度，m/s。顆粒雷諾數(shù)Re為

式中：CD為阻力系數(shù)；α1，α2和α3為常數(shù)。

1.4.2 顆粒粒徑分布

離散相顆粒粒徑一般采用Rosin-Rammler 分布。統(tǒng)計(jì)顆粒所有粒徑，連續(xù)分成若干組，每組選取一種代表粒徑，形成若干個粒徑，代表所有顆粒。一般大于粒徑d的質(zhì)量分?jǐn)?shù)MD可表述如下：

式中：n為顆粒粒徑分布指數(shù)(spread parameter)；為中位數(shù)粒徑(mean diameter)。

1.4.3 離散相邊界條件

運(yùn)動顆粒與壁面發(fā)生接觸時(shí)會出現(xiàn)多種情況，在數(shù)值模擬計(jì)算中，一般會假設(shè)出現(xiàn)如下3 種情況：被壁面捕集(trap)、與壁面發(fā)生反彈或非反彈反射(reflect)和在壁面處發(fā)生逃離(escape)。

2 邊界條件

本文研究對象為山西某50 MW 煤矸石電廠空預(yù)器與布袋除塵器之間的一段煙道，圖1所示為煙道的三維立體圖，圖2所示為煙道的平面尺寸圖。

圖1 煙道三維立體圖Fig.1 Three-dimensional perspective of flue

圖2 煙道截面尺寸圖Fig.2 Cross-sectional dimensions of flue

如圖2所示，選取煙道長度為18.8 m，其中噴射裝置位置與煙道出口的距離為13.1 m，煙道共有2 個彎道，在第2 個彎道下游有一段長為4.04 m 的漸變煙道，之后是1個長方體煙道。煙道出口位置即為布袋除塵器。

評價(jià)不同布置情況的顆粒擴(kuò)散效果主要通過顆粒覆蓋率、截面顆粒最大濃度、顆粒停留時(shí)間、出口顆粒濃度和壓降等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價(jià)。在煙道上選取5 個測量截面：Sp1，Sp2，Sp3，Sp4和Sp5，它們分別離噴射點(diǎn)的距離為1.785，5.302，7.722，9.922和12.122 m，如圖3所示。

圖3 煙道各個測量截面的位置Fig.3 Location of various test sections of flue

2.1 停留時(shí)間

停留時(shí)間為顆粒從噴管出口到煙道出口所需時(shí)間。煙道出口顆粒質(zhì)量濃度是指出口截面顆粒質(zhì)量濃度大于10?5kg/m3的截面范圍內(nèi)的顆粒質(zhì)量濃度平均值，間接表征顆粒在煙道內(nèi)的擴(kuò)散情況。壓降為煙道內(nèi)噴射裝置前后的壓強(qiáng)變化。

式中：?p為噴射裝置前后壓降；pb為噴射裝置上游1.385 m 處截面平均壓強(qiáng)；pa為噴射裝置下游1.385 m截面(Sp1)平均壓強(qiáng)。

2.2 顆粒覆蓋率

顆粒覆蓋率ηi為顆粒質(zhì)量濃度大于10?5kg/m3的截面面積與總截面面積的比值。

其中：i指不同截面，即Sp1，Sp2，Sp3，Sp4和Sp5；St為顆粒質(zhì)量濃度大于10?5kg/m3的截面面積；Sd為總測量截面面積。

2.3 質(zhì)量流量

每個噴孔磁珠吸附劑噴射量的計(jì)算公式如下：

其中：Qm為磁珠的質(zhì)量流量；Qv為磁珠的體積流量；kg/m3；S是煙道截面積，m2；v為煙氣流速，m/s；N為噴口數(shù)量。

煙道出口設(shè)置為壓力出口，煙道進(jìn)口和噴管進(jìn)口截面設(shè)置為速度進(jìn)口邊界條件。模擬煙氣按照空氣計(jì)算，溫度設(shè)置為120 ℃；在噴嘴進(jìn)口，空氣攜帶顆粒相進(jìn)入煙道，溫度設(shè)置為25 ℃。為了使模擬更簡便，進(jìn)行如下假設(shè)：1)流動是三維和穩(wěn)定的，流體是不可壓縮的，溫度是常數(shù)；2)吸附劑是球形顆粒，并且粒徑呈Rosin Rammler 分布，本文研究的是所有粒徑的磁珠，顆粒的直徑分布如表2所示；3)不考慮湍流的各向異性；4)由于顆粒濃度過低，僅僅考慮氣體對固體的單向耦合；5)不考慮顆粒碰撞。

采用顆粒相在煙道底面均設(shè)為捕捉(trap)，其他煙道壁面設(shè)為反射(reflect)，進(jìn)出口面均設(shè)為逃離(escape)，模擬煙道參數(shù)如表3所示。

劃分網(wǎng)格時(shí)，網(wǎng)格質(zhì)量直接影響計(jì)算精確度，網(wǎng)格質(zhì)量太低會出現(xiàn)計(jì)算錯誤甚至不能收斂。Fluent 軟件研究表明，為了達(dá)到理想的計(jì)算效果，幾何模型的網(wǎng)格必須絕大部分(90%)是六面體網(wǎng)格。本文采用Gambit 2.4.6 軟件對煙道對象劃分網(wǎng)格，總共分成8個部分單獨(dú)劃分網(wǎng)格，保證對各個特征量變化劇烈的區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，對特征量變化不大的區(qū)域設(shè)計(jì)較稀疏的網(wǎng)格，各個部分交界面采用interface設(shè)置，可以避免在同一體中網(wǎng)格稀疏不均，導(dǎo)致網(wǎng)格質(zhì)量不高的現(xiàn)象。采用結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為71 萬左右。采用單元夾角計(jì)算的歪斜度進(jìn)行建模，在歪斜度為0～0.75 的情況下，所建模型合格率為100%，符合本模型計(jì)算要求。采用Fluent 15.0 對煙道流體進(jìn)行計(jì)算，先計(jì)算煙氣在煙道中的模擬效果，之后加入顆粒相磁珠，繼續(xù)計(jì)算直至收斂。

表2 顆粒的粒徑分布Table 2 Particle size distribution

表3 模擬煙道參數(shù)Table 3 Simulated flue parameters

3 噴射裝置及布置設(shè)計(jì)

3.1 折流板噴射裝置布置設(shè)計(jì)

圖4所示為煙道內(nèi)折流板布置圖，圖5所示為矩形噴管截面圖，圖6所示為折流板示意圖，圖7所示為矩形噴管布置示意圖。

圖4 煙道內(nèi)折流板布置圖Fig.4 Layout of baffles in flue

可見，噴射裝置選用矩形截面噴管，噴管數(shù)分別為1，2，3，4，5 和6 個，噴管不插入煙道，主要通過空氣攜帶磁珠顆粒噴入煙道。折流板為直板，長度與煙道截面寬度相同，布置位置主要參考顆粒的運(yùn)行軌跡，達(dá)到更好均分顆粒流的目的。

3.2 折流板噴射裝置數(shù)值模擬

3.2.1 不同布置情況的顆粒擴(kuò)散情況

1)不同布置情況的截面覆蓋率。圖8所示為噴管在不同截面的顆粒覆蓋率。

圖5 矩形噴管截面圖Fig.5 Sectional view of a rectangular spray gun

圖6 折流板示意圖Fig.6 Schematic diagram of baffle

由圖8可見：當(dāng)噴管數(shù)為1，2和3個時(shí)，顆粒覆蓋率隨著距離的增大而增大；而當(dāng)噴管數(shù)為4，5 和6 個時(shí)，顆粒覆蓋率先變小后增大，說明并不是噴管數(shù)越多，顆粒越能覆蓋整個煙道。通過分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)噴管數(shù)較少時(shí)，空氣攜帶的顆粒很多，很容易把顆粒送到靠近煙道壁面的位置，而第一塊、第二塊折流板所遮擋的顆粒流較少，折流板不能把顆粒流平分，越遠(yuǎn)離噴射點(diǎn)的顆粒濃度越大。另外，由于煙道的特殊結(jié)構(gòu)，越貼近煙道壁的顆粒流，在煙道彎道，因?yàn)榭拷鼰煹辣诿娴乃俣容^大，壓力較小，顆?？梢愿踪N近煙道底面流動，擴(kuò)散至整個煙道。當(dāng)噴管數(shù)為4，5 和6 個時(shí)，每股空氣流攜帶的顆粒相對較小，噴射到第四塊折流板的顆粒較少，通過第四塊折流板右側(cè)的煙氣量較大，顆粒擴(kuò)散導(dǎo)致不均勻，所以，顆粒擴(kuò)散與噴入的空氣流量也有很大關(guān)系。另外，從圖8可以看出，隨著測量截面距離的增加，顆粒覆蓋率不斷增加，若增加煙道長度，則不僅可以增加停留時(shí)間，也可以增加顆粒的擴(kuò)散。

圖9所示為不同噴管數(shù)在Sp1，Sp3和Sp5截面的顆粒覆蓋率。由圖9可見：在煙道Sp1測量截面，噴管數(shù)越多，顆粒擴(kuò)散越大，這是因?yàn)閲姽軘?shù)越多，每股空氣流攜帶的顆粒越少，在很短的煙道距離內(nèi)，顆粒擴(kuò)散越均勻。而在煙道Sp3和Sp5測量截面，由于煙道彎道的特殊結(jié)構(gòu)，空氣量隨噴管數(shù)增大而增多。另外，噴射裝置造成煙道壓降較大，煙氣流大部分從第四塊折流板通過，導(dǎo)致噴入空氣流在水平煙道時(shí)與煙氣流分層流動，造成之后Sp3和Sp5截面的顆粒覆蓋率隨噴管數(shù)增大先增大后減小。

圖7 矩形噴管布置示意圖Fig.7 Schematic diagrams of rectangular spray gun layout

圖8 噴管在不同截面的顆粒覆蓋率Fig.8 Particle coverage of spray gun in different sections

2)不同布置情況的截面最大質(zhì)量濃度。圖10所示為不同噴管數(shù)在Sp1和Sp5截面顆粒最大質(zhì)量濃度。

由圖10可見：在Sp5測量截面，不同噴管的顆粒最大質(zhì)量濃度相差不大，在Sp1測量截面時(shí)，顆粒最大質(zhì)量濃度隨著噴管數(shù)增大而減小，這與圖9中一致；隨著噴管數(shù)的增大，在短距離內(nèi)，Sp1的覆蓋率隨著噴管數(shù)增大而增大，最大質(zhì)量濃度隨著噴管數(shù)增大而減小。因?yàn)閲姽軘?shù)越多，每股空氣流所攜帶的顆粒量較小，達(dá)到了分散的目的。

圖9 不同噴管數(shù)在Sp1，Sp3和Sp5截面的顆粒覆蓋率Fig.9 Particle coverage of Sp1,Sp3 and Sp5 cross-sections in different spray gun numbers

圖10 不同噴管數(shù)在Sp1和Sp5截面顆粒最大質(zhì)量濃度Fig.10 Maximum particle mass concentration of Sp1 and Sp5 cross-sections with different spray gun numbers

3)不同布置情況的停留時(shí)間。圖11所示為不同噴管數(shù)的顆粒停留時(shí)間。

由圖11可見：不同噴管數(shù)的顆粒停留時(shí)間大致相同，均在2.0 s 左右，這說明在同樣的煙道距離下，顆粒流在煙道停留時(shí)間不會隨著噴管數(shù)的變化而變化，顆粒停留時(shí)間僅僅與煙道長度有關(guān)。

4)煙道出口顆粒質(zhì)量濃度。圖12所示為不同噴管數(shù)的煙道出口顆粒質(zhì)量濃度。

圖11 不同噴管數(shù)的顆粒停留時(shí)間Fig.11 Residence time of particles with different spray gun numbers

圖12 不同噴管數(shù)的煙道出口顆粒質(zhì)量濃度Fig.12 Particle mass concentration at the exit of flue with different numbers of spray guns

由圖12可見：當(dāng)噴管數(shù)為2個或3個時(shí)，出口截面顆粒質(zhì)量濃度為1.3 g/m3左右；當(dāng)噴管數(shù)為1個時(shí)，出口顆粒質(zhì)量濃度為1.839 g/m3，顆粒不易擴(kuò)散；當(dāng)噴管數(shù)為4，5 和6 個時(shí)，出口顆粒質(zhì)量濃度為1.6 g/m3左右，比2 個和3 個噴管時(shí)大，這是煙道特殊結(jié)構(gòu)和空氣流量較大的緣故。另外，在出口顆粒質(zhì)量濃度為0～10?5kg/m3的截面范圍內(nèi)，2 個和3 個噴管的顆粒質(zhì)量濃度相對分布較大，更加驗(yàn)證了當(dāng)噴管數(shù)為2 個或3 個時(shí)，顆粒覆蓋率較大。

5)不同布置情況的噴射前后煙道壓降。圖13所示為煙道中噴射裝置前后壓降變化。

由圖13可見：隨著噴管數(shù)的增加，噴射裝置前(噴射點(diǎn)前1.01 m 煙道截面)和噴射裝置后(噴射點(diǎn)后1.01 m 煙道截面)壓降增大，其中，1 個噴管數(shù)時(shí)，壓降最小為25.77 Pa；6 個噴管數(shù)時(shí)，壓降增大為103 Pa；每增加1 個噴管，壓降增加15 Pa左右。在煙道中，若壓降過大，則會對整個機(jī)組有很大影響，影響除塵器等設(shè)備正常運(yùn)行，所以，在現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)，不能僅僅靠增加噴管數(shù)促使顆粒擴(kuò)散。

圖13 煙道中噴射裝置前后壓降變化Fig.13 Pressure changes of front and back of injection device in flue

3.2.2 煙道流場分析

由于煙道結(jié)構(gòu)特殊和吸附劑噴射等，造成煙道內(nèi)流場復(fù)雜，對顆粒擴(kuò)散和脫汞效率有重大影響。所以，分析煙道內(nèi)的壓力場、速度場、溫度場、顆粒軌跡等流場，可以更好地理解和設(shè)計(jì)噴射裝置，促進(jìn)顆粒擴(kuò)散，提高脫汞效率。以下主要分析2個矩形噴管時(shí)的流場情況。

1)壓力場分析。圖14所示為煙道各個截面的壓力云圖。圖中，x為煙道煙氣流動端面，y為煙道出口端面，z為煙道縱截面。

由圖14可見：圖14(e)和14(f)中顯示煙道的2個彎道外側(cè)的壓力較大，而內(nèi)側(cè)壓力較小，是因?yàn)闊煹缽澋栏淖儫煔獾姆较颍斐蔁煔庠谕鈧?cè)堆積，導(dǎo)致壓力較大，煙氣從內(nèi)側(cè)快速流過，壓力較小。圖14(a)～14(d)顯示在噴管前后的壓力變化較大，是由于噴射進(jìn)入煙道中的顆粒流阻擋了上游的煙氣流動，其中左側(cè)煙道壁噴管位置的壓力較大，而右側(cè)壓力相對較小，造成部分煙氣改變方向向右流動，速度也相對較大。折流板之間的壓力較小，是因?yàn)轭w粒流與顆粒流之間有煙氣流急速通過，造成壓力較小。圖14(g)和14(h)顯示，下游水平煙道出現(xiàn)中間和兩側(cè)壓力變小，而周圍壓力較大，是因?yàn)闊煹赖耐蝗蛔冃危斐蔁煔獍凑諔T性沿著壁面流動，中間煙氣受阻力和黏滯力較小，速度較大，所以壓力較小。

2)速度場分析。圖15所示為煙道各個截面的速度云圖。

圖15(a)～15(d)與圖14相比，煙道2 個彎道處外側(cè)壓力較大，速度較小，內(nèi)側(cè)速度較大，壓力較大。折流板上游速度較大，是噴管噴出的顆粒流速度較大的原因。圖15(a)，15(b)和15(d)中，折流板之間和下游的煙氣速度較小，這是因?yàn)轭w粒流阻擋煙氣和折流板阻擋顆粒流，造成折流板下游通過煙氣量較小，流動較慢，顆粒在煙氣方向速度較小。而圖15(c)中，折流板前后速度是增加的，是因?yàn)樵?個顆粒流之間沒有阻擋煙氣流動，煙氣流動截面變小，煙氣量不變，速度增大。

圖15(e)和15(f)中，煙道左側(cè)煙氣流速較小，右側(cè)煙氣流速較大。圖15(e)中煙氣由于顆粒流的阻擋，從煙道左側(cè)顆粒流速度較小的位置通過，煙氣流量增大，流動截面不變，速度增大。圖15(f)中，由于煙道彎道內(nèi)側(cè)壓力較小，所以速度較大。圖15(g)和15(h)中，煙道頂部煙氣流較大，這是由于煙道的特殊結(jié)構(gòu)，截面兩側(cè)變窄，上下稍微變高，造成圖15(g)中兩側(cè)速度較大，圖15(h)中上部速度較大。

3)溫度場分析。圖16所示為煙道各個截面的溫度云圖。

圖16(a)，16(b)和16(d)中，截面均選自噴管或噴管附近截面，溫度變化較大，與煙氣對流換熱效果較差，第四塊折流板右側(cè)有大部分煙氣通過，而顆粒濃度較小，所以，煙氣溫度變化不大，而第四塊折流板左側(cè)煙道為顆粒流通過區(qū)域，顆粒流有明顯升溫。在下游水平煙道，由于密度作用，溫度較低的煙氣和顆粒流在下部流動，而溫度較高的煙氣在上層流動。圖16(c)中截面為2 個噴管中間區(qū)域，煙氣流和顆粒流可以充分混合，對流充分，下游水平煙道截面范圍內(nèi)溫度均下降。圖16(e)中，溫度較低的區(qū)域出現(xiàn)在煙道中間偏左區(qū)域是由于折流板的遮擋作用，導(dǎo)致大量顆粒流從折流板左側(cè)通過，圖16(f)～16(h)中溫度較低區(qū)域在煙道截面中間偏下位置，是顆粒流溫度小、顆粒流密度較大的原因，造成溫度較低區(qū)域偏下。3個截面中間均出現(xiàn)一道豎直低溫區(qū)域，與圖16(c)相對應(yīng)，是2個噴管中間區(qū)域煙氣流與顆粒流充分對流造成的。

4)顆粒分布及軌跡分析。圖17所示為煙道顆粒分布圖。

圖14 煙道各個截面的壓力云圖Fig.14 Pressure clouds of various sections of flue

圖15 煙道各個截面的速度云圖Fig.15 Velocity clouds of various sections of flue

圖16 煙道各個截面的溫度云圖Fig.16 Temperature clouds of various sections of flue

圖17 煙道顆粒分布圖Fig.17 Distribution of flue particles

由圖17可見：圖17(a)和17(b)中顆粒流已經(jīng)布滿煙道截面的絕大部分，顆粒覆蓋率分別達(dá)到86.8%和90.8%，表明顆粒流充分與煙氣混合。圖17(a)中顆粒分布在截面偏上區(qū)域，是由于煙道彎道區(qū)域的煙氣貼壁流動，顆粒流暫時(shí)沒有擴(kuò)散到煙道壁底部。圖17(b)中，由于密度和湍流等作用，顆粒流擴(kuò)散到煙道壁下部。圖17(c)和17(d)中，顆粒流可以大部分?jǐn)U散整個煙道區(qū)域，在下游水平煙道顆粒覆蓋率均在86%以上。

4 結(jié)論

1)當(dāng)噴管為2 個或3 個時(shí)，至少有3 個截面的顆粒覆蓋率達(dá)到80%以上；當(dāng)噴管增多時(shí)，由于噴入煙道的空氣量增大，造成煙道內(nèi)氣流分層，擾動反而不大。在下游水平煙道，截面顆粒最大質(zhì)量濃度變化不大。在折流板下游附近，顆粒最大質(zhì)量濃度隨噴管數(shù)增大而減小，主要是由于多噴管對顆粒噴射量的分散作用；停留時(shí)間變化不大，主要與煙道長度有關(guān)；當(dāng)噴管數(shù)為2個或3個時(shí)，出口截面的顆粒質(zhì)量濃度較小，說明顆粒擴(kuò)散較均勻；噴射裝置前后的壓降隨著噴管數(shù)的增大而增大，壓降過大對整個機(jī)組有很大影響。經(jīng)綜合考慮，噴管選用2個或3個較合適。

2)壓力云圖中，折流板左側(cè)、煙道彎處和壁面處壓力較大，折流板中間、右側(cè)壓力及水平煙道中間壓力較?。凰俣仍茍D中，顆粒流噴射后，由于其本身速度大于煙氣速度，折流板設(shè)置后使通過折流板的流動截面減小，速度增加，煙氣前后總體流動速度增加；溫度云圖中，在噴管附近，噴管中間，折流板的遮擋處，出現(xiàn)煙氣流與顆粒流充分對流，磁珠與煙氣的換熱效果較差，致使溫差變化較大；飛灰磁珠噴射劑的噴射可以保證較高的顆粒覆蓋率，使顆粒流擴(kuò)散至整個煙道區(qū)域。

致謝：感謝南方電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(GDKJQQ 20154001)給予的資助。