煙氣脫汞過程中活性炭噴射速度的選擇

鄭 逸

0 前言

活性炭噴射（ACI）脫汞的原理是[1]，活性炭作為吸附劑，經噴射系統從顆粒物脫除裝置如布袋除塵器（FF）或靜電除塵器（ESP）前的煙道內噴入，在流動過程中活性炭會與煙氣發生摻混并且將煙氣中的氣相汞吸附和固定在自身表面，吸附煙氣汞后的活性炭在流經顆粒物脫除裝置時被捕集脫除，從而實現煙氣脫汞的目的。現有研究表明[2]，在不同噴射條件下，活性炭顆粒在煙道內的覆蓋率、停留時間和分布均勻性也不同，進一步會影響煙氣汞脫除效果。

因此，本文借助商用CFD 軟件對加裝ACI 脫汞系統煙道內的氣固兩相流場進行了數值模擬研究，根據氣固流場分布情況，選擇最佳的活性炭噴射速度，以期為ACI 脫汞的工業應用提供技術支撐。

圖1 燃煤機組活性炭噴射脫汞示意圖

圖2 活性炭噴嘴布置方案

圖3 煙道三維模型

圖4 網格模型

1 建立模型

1.1 物理模型

機組總體布局如圖1 所示，在空氣預熱器（AR）和靜電除塵器（ESP）之間加裝有活性炭噴射脫汞裝置，活性炭噴嘴9 個，噴射方向與煙氣流向相同，布置方案如圖2 所示。

根據煙道實際尺寸，利用UG 軟件建立的煙道三維模型如圖3 所示。利用前處理器Gambit 對加裝ACI 系統后的煙道三維模型進行網格劃分，劃分結果如圖4 所示，網格總數達到75 萬個。

1.2 數學模型

采用Navier- Stokes 方程求解連續相的動量方程，如下[3]：

離散相體積率小于10%，選擇DPM 模型進行求解[4]：

2 設定計算條件

煙氣流速為9m/s，沿入口截面法向方向，湍流強度5%，煙溫為150 ℃，計算過程不考慮煙氣流動時的熱量損耗和湍流變化。活性炭采用木質活性炭，顆粒直徑80- 120μm，密度1300 kg·m-3，噴射速度分別設為9m/s、18m/s、和27m/s，負載風量900m3h-1。

圖5 活性炭噴射圖和截面濃度分布圖

圖6 不同噴射速度下活性炭停留時間及覆蓋率

圖7 不同噴射速度下煙道截面顆粒最高濃度值

3 結果分析

圖 5（a）-（c）分別是噴射速度（v）為 9m/s、18m/s、27m/s時，活性炭顆粒在煙道內隨停留時間分布的云圖以及煙道截面上顆粒濃度分布圖。將停留時間（t）、覆蓋率（δ）進行整理，結果如圖6 所示，可以得出，噴射速度越大，活性炭在煙道內的停留時間越短，其中t1=2.81s，t2=2.34s，均滿足t>2s 的工業應用要求[5]，但當噴射速度達到3 倍煙速 27m/s 時，t3=1.83s，不滿足應用要求。

三種噴射速度下活性炭顆粒在煙氣中的覆蓋率差異較大，δ1=27.13% ，δ2=68.84% ，δ3=74.30% ，這是因為噴射速度越大，活性炭顆粒經過給料噴嘴的導流作用后，噴入煙道時的切向速度越大，覆蓋面也就越大。

此外，對比分析不同噴射速度下活性炭顆粒在煙道截面上的最高濃度值（圖7），可以發現當噴射速度為18m/s 時，活性炭顆粒在煙道截面上的最高濃度值最小，分布均勻性最佳，這表明活性炭能夠充分與煙氣發生摻混，并吸附煙氣中的汞。

綜上所述，在綜合考慮活性炭顆粒在煙道中的停留時間、顆粒覆蓋率和濃度分布均勻性三個影響因素后，確定活性炭最佳噴射速度為18m/s。

4 結論

通過仿真計算證明，活性炭噴射速度對其在煙道內的覆蓋率、停留時間以及濃度場均勻性存在影響。噴射速度越大，停留時間則越短，覆蓋率也越高，綜合顆粒濃度場均勻性的考量，確定三種噴射速度中，最佳的噴射速度為18m/s，這為ACI 技術的實際工業應用提供了技術支撐。