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(jīng)噴射系統(tǒng)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(nèi)噴入，在流動(dòng)過程中活性炭會(huì)與煙氣發(fā)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(jīng)顆粒物脫除裝置時(shí)被捕集脫除，從而實(shí)現(xiàn)煙氣脫汞的目的。現(xiàn)有研究表明[2]，在不同噴射條件下，活性炭顆粒在煙道內(nèi)的覆蓋率、停留時(shí)間和分布均勻性也不同，進(jìn)一步會(huì)影響煙氣汞脫除效果。

因此，本文借助商用CFD 軟件對(duì)加裝ACI 脫汞系統(tǒng)煙道內(nèi)的氣固兩相流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，根據(jù)氣固流場(chǎng)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(yè)應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

圖1 燃煤機(jī)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(wǎng)格模型

1 建立模型

1.1 物理模型

機(jī)組總體布局如圖1 所示，在空氣預(yù)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(gè)，噴射方向與煙氣流向相同，布置方案如圖2 所示。

根據(jù)煙道實(shí)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(duì)加裝ACI 系統(tǒng)后的煙道三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分結(jié)果如圖4 所示，網(wǎng)格總數(shù)達(dá)到75 萬個(gè)。

1.2 數(shù)學(xué)模型

采用Navier- Stokes 方程求解連續(xù)相的動(dòng)量方程，如下[3]：

離散相體積率小于10%，選擇DPM 模型進(jìn)行求解[4]：

2 設(shè)定計(jì)算條件

煙氣流速為9m/s，沿入口截面法向方向，湍流強(qiáng)度5%，煙溫為150 ℃，計(jì)算過程不考慮煙氣流動(dòng)時(shí)的熱量損耗和湍流變化。活性炭采用木質(zhì)活性炭，顆粒直徑80- 120μm，密度1300 kg·m-3，噴射速度分別設(shè)為9m/s、18m/s、和27m/s，負(fù)載風(fēng)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(shí)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(jié)果分析

圖 5（a）-（c）分別是噴射速度（v）為 9m/s、18m/s、27m/s時(shí)，活性炭顆粒在煙道內(nèi)隨停留時(shí)間分布的云圖以及煙道截面上顆粒濃度分布圖。將停留時(shí)間（t）、覆蓋率（δ）進(jìn)行整理，結(jié)果如圖6 所示，可以得出，噴射速度越大，活性炭在煙道內(nèi)的停留時(shí)間越短，其中t1=2.81s，t2=2.34s，均滿足t>2s 的工業(yè)應(yīng)用要求[5]，但當(dāng)噴射速度達(dá)到3 倍煙速 27m/s 時(shí)，t3=1.83s，不滿足應(yīng)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?yàn)閲娚渌俣仍酱螅钚蕴款w粒經(jīng)過給料噴嘴的導(dǎo)流作用后，噴入煙道時(shí)的切向速度越大，覆蓋面也就越大。

此外，對(duì)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(fā)現(xiàn)當(dāng)噴射速度為18m/s 時(shí)，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(fā)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(shí)間、顆粒覆蓋率和濃度分布均勻性三個(gè)影響因素后，確定活性炭最佳噴射速度為18m/s。

4 結(jié)論

通過仿真計(jì)算證明，活性炭噴射速度對(duì)其在煙道內(nèi)的覆蓋率、停留時(shí)間以及濃度場(chǎng)均勻性存在影響。噴射速度越大，停留時(shí)間則越短，覆蓋率也越高，綜合顆粒濃度場(chǎng)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(shù)的實(shí)際工業(yè)應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。