靜電除塵器中的活性炭噴射脫汞數(shù)值研究*

馮宇軒，羅坤，樊建人

(浙江大學(xué)能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 杭州 310027)

汞是一種常見的工業(yè)原料和產(chǎn)物，具有劇毒性且能在生態(tài)系統(tǒng)中進(jìn)行生物積累，對環(huán)境和人體健康有著極大的破壞力[1-3]。為限制汞在大氣中的排放，2013年聯(lián)合國通過了一項具有全球法律約束力的《水俁公約》[4]。在《水俁公約》中提到有色金屬冶煉和火力發(fā)電廠是最重要的汞排放來源。而中國作為燃煤大國，是全球大氣汞排放量最多的國家之一，約占全球大氣汞排放總量的33%左右，并且每年以4.8%的速度遞增[5]，因此中國在新型汞污染排放控制技術(shù)的研究上面臨十分嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

目前，活性炭噴射除汞技術(shù)(powdered sorbent injection, PSI)是公認(rèn)最有潛力的燃煤脫汞技術(shù)之一[6]。PSI 技術(shù)的原理是在除塵設(shè)備(靜電除塵器或布袋除塵器)上游的煙道噴入粉狀吸附劑，通常是粉狀活性炭顆粒(pulverized activated carbon, PAC)。在流動過程中，吸附劑顆粒吸附煙氣中的汞，將氣態(tài)單質(zhì)汞轉(zhuǎn)化為氧化態(tài)汞和顆粒狀汞，最終通過顆粒去除裝置將這些活性炭與汞協(xié)同脫除[7]。

靜電除塵器(electrostatic precipitator, ESP)是目前燃煤電廠運(yùn)用最多的高效除塵設(shè)備之一，其基本原理是通過電極高壓放電使空氣電離，讓粉塵顆粒荷電從而在電場力作用下附著到集塵板上[8]。由于靜電除塵本身是一個較為復(fù)雜的多場耦合的氣固兩相流問題，特別是考慮到顆粒遷移和電動力(electro hydrodynamic, EHD)效應(yīng)的影響，研究ESP中汞和吸附劑顆粒同時去除的機(jī)理是一項挑戰(zhàn)。此前有許多學(xué)者利用實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬手段研究活性炭噴射脫汞的機(jī)理和操作參數(shù)的影響，例如周強(qiáng)等[9]利用模擬煙氣管道噴射脫汞實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行活性炭噴射除汞實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)研究活性炭尺寸、煙氣溫度、汞濃度等因素對汞脫除的影響。任建莉等[10]建立活性炭吸附汞的吸附動力學(xué)數(shù)學(xué)模型，并通過對模擬煙氣吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到相應(yīng)的吸附參數(shù)，能有效預(yù)測活性炭脫汞的除汞效率。Clack[11]利用數(shù)值模擬手段分析在靜電力作用條件下活性炭顆粒的遷移和汞吸附機(jī)理，但該模型對于非均勻電場及顆粒的微觀運(yùn)動特性無能為力?？偟膩碚f，目前人們對于ESP中較為復(fù)雜的活性炭與汞協(xié)同脫除的機(jī)理與影響因素仍缺乏足夠清晰的認(rèn)識，也少有相關(guān)研究報道。針對此現(xiàn)狀本文建立典型ESP中的耦合電場、傳質(zhì)及顆粒運(yùn)動的多場數(shù)值模型，并分析在ESP內(nèi)兩種不同的汞吸附機(jī)制作用下，活性炭顆粒粒徑、離子風(fēng)效應(yīng)對于汞吸附效率的影響，這對于燃煤電廠選擇運(yùn)行參數(shù)，達(dá)到最佳脫汞效果，降低脫汞成本有著一定的借鑒意義。

1 數(shù)值建模方法

本文建立了ESP內(nèi)部包含流場、電暈電場、離子密度場、顆粒荷電模型以及汞吸附的多場耦合數(shù)理模型，由商業(yè)軟件ANSYS FLUENT實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)格的處理及運(yùn)算，通過其二次開發(fā)功能用戶自定義函數(shù)(user defined function,UDF)和用戶自定義標(biāo)量(user defined scalar,UDS)建立統(tǒng)一的對流擴(kuò)散方程，從而計算得到靜電除塵內(nèi)電場及汞濃度分布。對于活性炭顆粒的運(yùn)動，采用拉格朗日方法對顆粒的軌跡進(jìn)行追蹤(考慮庫侖力及曳力)，顆粒的荷電速率利用Lawless和Sparks[12]提出的綜合荷電方程來計算。

1.1 氣相控制方程

在工業(yè)ESP中，由于離子風(fēng)效應(yīng)的干擾，絕大多數(shù)ESP內(nèi)的流場處于紊流狀態(tài)，只有少數(shù)雙區(qū)ESP能達(dá)到接近層流狀態(tài)[13]。因此，本文采用雷諾時均湍流模型(Reynolds average Navier-Stokes, RANS)對ESP內(nèi)的流場進(jìn)行數(shù)值模擬。對于穩(wěn)態(tài)湍流，控制方程如下:

質(zhì)量守恒方程

(1)

動量守恒方程

(2)

其中:ui是流體速度在xi方向的分量;μt是湍流黏性系數(shù);fDi是顆粒對流體造成的的曳力;ρion,ρpc分別代表離子電荷密度和顆粒電荷密度，二者之和即為空間電荷密度;Ei是電場強(qiáng)度分量;(ρion+ρpc)Ei項代表電場對流場產(chǎn)生的離子風(fēng)效應(yīng)。

1.2 電場控制方程

在干式ESP中，電暈產(chǎn)生的電場可用泊松方程和電流連續(xù)性方程表示：

泊松方程

(3)

電流連續(xù)性方程

(4)

(5)

泊松方程和電流連續(xù)性方程可以用如下統(tǒng)一的廣義擴(kuò)散對流輸運(yùn)方程進(jìn)行表述：

(6)

其中：φ為電勢；ε0為真空介電常數(shù)，εr為煙氣的相對介電常數(shù)，取值分別為8.854×10-12F/m以及4.0;kion為離子遷移率，取3.0×10-4m2/(s·V);Ei為場強(qiáng)在xi方向上的分量;De為離子的有效擴(kuò)散系數(shù)，根據(jù)工況溫度取1.02×10-5m2/s。具體對應(yīng)項如表1所示。

表1 電勢、離子電荷密度及汞濃度的標(biāo)量輸運(yùn)方程對應(yīng)項Table 1 Terms of the scalar transport equations of electric potential, charge density, and mercury concentration

表1中：Φ為所研究的標(biāo)量(電勢及離子荷電密度)；Fi為對流通量；ΓΦ為擴(kuò)散系數(shù)；SΦ為源項。電勢、離子電荷密度場及汞濃度場通過Fluent提供的UDS功能迭代計算。

1.3 顆粒荷電模型

顆粒在電暈場中運(yùn)動時會帶上一定的電量，荷電機(jī)制主要分為電場荷電與擴(kuò)散荷電。粒子的荷電量決定了顆粒所受靜電力的大小從而影響到顆粒的運(yùn)動以及對汞的吸附過程。Long和Yao[14]指出，Lawless[12]提出的綜合荷電率模型能夠較為準(zhǔn)確地計算顆粒在運(yùn)動過程中的總荷電量：

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

其中:qs是顆粒的飽和荷電量,ε0為真空介電常數(shù),εr是煙氣的相對介電常數(shù),τ是顆粒荷電的時間常數(shù) (顆粒荷電量為飽和荷電量一半時所花費(fèi)的時間),kB為玻爾茲曼常數(shù)而e為單位電子的電量。

1.4 顆粒受力模型

在拉格朗日坐標(biāo)系中，采用DPM方法對氣相中懸浮粒子進(jìn)行跟蹤。在典型的電除塵器質(zhì)量加載速率下，氣固兩相流非常稀薄，顆粒間的相互作用可以忽略不計。Luo等[15]指出，流體拖曳力、Saffman升力、重力和庫侖力是經(jīng)典靜電除塵器中顆粒所受的主要體積力。在目前的分析中，與流體阻力和庫侖力相比，Saffman升力和重力被證明是微不足道的[16]。因此，粒子運(yùn)動方程可以描述為

(12)

其中

(13)

mp為顆粒質(zhì)量,ug為煙氣流速,up為顆粒運(yùn)動速度,Cc為康寧漢姆修正系數(shù), λ是空氣的平均自由程。式(12)右邊的項分別表示流體曳力和庫侖力。大約有1 020個粒子從ESP的入口噴射出來，采用DPM方法對氣相中懸浮粒子進(jìn)行跟蹤。

1.5 活性炭汞吸附模型

ESP中噴入的活性炭顆粒對于氣相單質(zhì)汞的吸附主要基于2種機(jī)制：懸浮顆粒吸附與近壁面吸附[11]。有學(xué)者分別對2種機(jī)制對于汞吸附的影響進(jìn)行過研究，但2種機(jī)制的綜合作用效果和機(jī)理尚不明了。在實(shí)際工業(yè)運(yùn)用中，由于干式ESP的集塵級上覆蓋著由活性炭吸附劑與粉塵混合組成的粉塵層，因此在ESP中，兩種吸附機(jī)制是同時作用的。

無論是哪種吸附機(jī)制，都包含著復(fù)雜的物理吸附與化學(xué)吸附過程?；钚蕴繉奈竭^程包括3個主要步驟：膜傳質(zhì)、顆粒內(nèi)擴(kuò)散以及汞在活性點(diǎn)位的吸附[17]。通常后兩者的發(fā)生速率都遠(yuǎn)快于膜傳質(zhì)過程?；诖耍⑽侥Ｐ瓦^程中做如下假設(shè)：1)膜傳質(zhì)過程即煙氣中氣相汞分子向活性炭顆粒表面?zhèn)鬟f的過程是決定整體吸附速率的步驟； 2)忽略顆粒內(nèi)擴(kuò)散及活性點(diǎn)位吸附所帶來的傳質(zhì)阻力，即將顆粒外表面的汞濃度視為零；3)活性炭顆粒在ESP中較短的停留時間里遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到吸附飽和狀態(tài)。

從而可以利用菲克定律計算膜傳質(zhì)的速率：

(14)

其中:NA為傳質(zhì)速度，kg/(m3·s);kg為膜傳質(zhì)系數(shù)，m/s;a為活性炭顆粒的比表面積，m2/m3;Cg為顆粒外部煙氣中氣相汞的平均濃度，Ci為活性炭表面的汞濃度(假設(shè)為零)，kg/m3。

膜傳質(zhì)系數(shù)kg可由舍伍德數(shù)Sh確定：

(15)

其中:DM為氣態(tài)汞在空氣中的擴(kuò)散系數(shù);m2/s；dp為活性炭粒徑，m。而舍伍德數(shù)Sh則是謝密特數(shù)Sc與顆粒雷諾數(shù)Rep的函數(shù)：

(16)

通過以上關(guān)系式可以得到單個活性炭顆粒吸附氣相單質(zhì)汞的速率，而利用拉格朗日方法追蹤活性炭粒子在ESP中的軌跡，可以計算出每一個控制體積中的顆粒數(shù)量密度，從而得到每一個控制體積(網(wǎng)格)中單位時間內(nèi)被吸附的汞單質(zhì)質(zhì)量

(17)

其中：NDP是顆粒數(shù)量密度，個/m3。而對于近壁面的吸附問題，假設(shè)整個收塵板都被活性炭顆粒均勻覆蓋，那么在不考慮粉塵層堆積的情況下，可以粗略地認(rèn)為整個收塵極板表面的單質(zhì)汞濃度為零，被壁面吸附的汞單質(zhì)的質(zhì)量通量通過式(6)的對流擴(kuò)散方程來計算。在實(shí)際中，吸附劑只占粉塵層的一小部分，但考慮到煙塵對于汞單質(zhì)也有一定的吸附作用，且有研究[11]證明采用此假設(shè)對于研究近壁面汞單質(zhì)的相對濃度變化沒有太大影響，因此該邊界條件不會影響到對于ESP內(nèi)汞吸附機(jī)制的研究。

2 物理模型及邊界條件

2.1 幾何模型建立

在本文中，為簡化問題、減少網(wǎng)格量，采用的是二維的線板式ESP物理模型，幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。集塵極的總長度為0.65 m，3根直徑為5 mm的圓形電暈極以0.15 m的間距等距排列，電暈極與集塵極的距離為0.1 m。為了在不影響結(jié)果的同時降低計算量，以ESP水平中心線為軸對稱地選取模型的1/2作為計算域并劃分網(wǎng)格。在整個計算域中生成質(zhì)量較高的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并且由于電暈極周圍電場強(qiáng)度梯度較大，對電暈極附近的網(wǎng)格進(jìn)行加密。此外，考慮到計算結(jié)果對網(wǎng)格的獨(dú)立性要求，對網(wǎng)格無關(guān)性進(jìn)行了檢驗(yàn)。用33 098、62 879、91 645和209 811共4種不同網(wǎng)格數(shù)量的計算域計算同一工況(393 K,進(jìn)口流速1 m/s, 顆粒直徑5 μm)下的活性炭除汞效率，分別為85.9%、89.8%、89.5%和89.3%。考慮到當(dāng)網(wǎng)格量大于62 879時顆粒收集效率已無顯著變化，為了提升計算效率，我們選擇的計算域劃分網(wǎng)格數(shù)量為62 879個，如圖2所示。

2.2 邊界條件

在數(shù)值計算中運(yùn)用的邊界條件見表2。除了流場和離散相模型外，數(shù)值模型中的電勢、離子電荷密度和汞濃度場3個標(biāo)量需要給定邊界條件。電暈極表面的電勢為運(yùn)行電壓，值得注意的是電暈極表面的離子電荷密度則需要特別的處理，先用Peek定律計算得到電暈極的表面場強(qiáng)，隨后迭代求解強(qiáng)耦合的離子電荷密度和表面場強(qiáng)，直到得到的表面場強(qiáng)值與Peek定律計算得到的場強(qiáng)值相等(一定殘差范圍內(nèi))，則認(rèn)為收斂，取最終的離子電荷密度作為電暈極邊界值。收塵板(接地極)處的電勢為0，離子電荷密度通量為0，單質(zhì)汞濃度也為0。入口和出口的電勢、離子電荷密度及單質(zhì)汞濃度的通量均為0。

圖1 ESP幾何結(jié)構(gòu)Fig.1 ESP geometric construction

圖2 模型網(wǎng)格劃分結(jié)構(gòu)Fig.2 The grid scheme of the physical model

表2 邊界條件Table 2 Boundary conditions

3 結(jié)果與討論

3.1 模型驗(yàn)證

本文建立ESP內(nèi)活性炭汞吸附的數(shù)值模型，由于在工業(yè)尺寸ESP內(nèi)進(jìn)行的活性炭噴射脫汞測試較少，且相關(guān)測試報告也都缺乏所測試ESP的幾何參數(shù)和運(yùn)行條件，因此為了驗(yàn)證本文所建立汞吸附模型的準(zhǔn)確性，將模擬結(jié)果與周強(qiáng)等[9]的煙道活性炭脫汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。雖然該實(shí)驗(yàn)是在煙道內(nèi)而不是ESP內(nèi)進(jìn)行的，但活性炭脫汞機(jī)理相同。計算區(qū)域長2 m,內(nèi)徑為16 mm，模擬工況為: 煙氣溫度120 ℃，活性炭粒徑為31.5 μm，噴射量2.2～6.9 g/h。對兩種停留時間下的除汞效率進(jìn)行對比，如圖3所示。

圖3 模型除汞效率與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比Fig.3 Comparison of mercury removal efficiencies between modeling results and experimental data

不難發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在趨勢上吻合較好，除汞效率隨著停留時間和活性炭噴射量的提高而提高，但模擬得到的除汞效率相對實(shí)驗(yàn)值都偏高，最大相對誤差值約為12.1%，這也是符合預(yù)期的。由于在建立除汞模型時便忽略了活性炭顆粒內(nèi)部的傳質(zhì)阻力，假設(shè)顆粒外表面汞濃度始終為零，而在實(shí)際中活性炭顆粒內(nèi)部的擴(kuò)散和吸附速率都是有限的，尤其是未經(jīng)過化學(xué)改性處理的活性炭。因此本模型將會高估顆粒吸收的氣態(tài)單質(zhì)汞質(zhì)量，在相同工況下得到的除汞效率大于實(shí)際值。即使如此，本模型還是能夠較好地表現(xiàn)出ESP內(nèi)不同因素對于除汞效率的影響，對于研究活性炭除汞的機(jī)制有一定的幫助。若在未來的研究工作中，加入顆粒內(nèi)部的擴(kuò)散阻力和化學(xué)吸附的影響，對于提高汞吸附模型的準(zhǔn)確度十分有幫助。

3.2 活性炭粒徑對汞吸附的影響

在典型的ESP運(yùn)行工況(即煙氣溫度120 ℃，初始汞濃度為1×10-8kg/m3，煙氣入口速度為1.0 m/s,活性炭質(zhì)量流量為2.2×10-6kg/s,電極運(yùn)行電壓為70 kV)下,模擬結(jié)果表明，活性炭粒徑對汞吸附有著重要的影響，如圖4、圖5所示。值得注意的是，由于粒徑大小對于近壁面汞吸附的影響微乎其微，在這里只討論粒徑對于懸浮顆粒吸附的影響。隨著粒徑從5 μm增加到20 μm，從圖4可以看出，活性炭顆粒吸附汞的能力在降低，且所噴入活性炭顆粒在ESP內(nèi)的吸附范圍也在減小。因此活性炭顆粒粒徑的增加將會造成ESP內(nèi)汞脫除效率的降低，圖5所顯示的ESP內(nèi)汞單質(zhì)平均濃度的變化證實(shí)了這一點(diǎn)，當(dāng)活性炭粒徑為5 μm時，ESP脫汞效率可以達(dá)到89.6%，而當(dāng)粒徑為20 μm時，脫汞效率急劇下降到12.3%。當(dāng)減小活性炭粒徑時，活性炭顆粒的外比表面積增大，因此在同樣的活性炭質(zhì)量流量下顆粒的表面積更大，總的傳質(zhì)速率更大。此外，由式(7)、式(8)及式(10)可知，當(dāng)顆粒粒徑減小時，顆粒雷諾數(shù)和舍伍德數(shù)均增大，膜傳質(zhì)系數(shù)kg增加，從而使得顆粒吸附汞的效率顯著提升。

圖4 活性炭顆粒粒徑對汞吸附的影響Fig.4 Mercury adsorption per unit volume in a unit time for different particle sizes

圖5 活性炭顆粒粒徑對汞吸附效率的影響Fig.5 Average mercury concentration along the downstream direction

值得注意的是，顆粒粒徑也對吸附劑在ESP內(nèi)的停留時間有著較大影響，如圖6所示。當(dāng)活性炭顆粒粒徑減小時，顆粒在ESP內(nèi)的停留時間也隨之增加，這是由于小粒徑顆粒受到的靜電體積力較小從而其向極板方向的遷移速度較小，因此顆粒在ESP內(nèi)停留時間增加，這意味著煙氣汞分子與活性炭發(fā)生碰撞而吸附的概率增大，脫汞效率由此得到提高。因此在相同的碳汞比時，使用更小粒徑的吸附劑顯然會得到更高的脫汞效率。但大幅減少吸附劑顆粒尺寸，會增加吸附劑的生產(chǎn)成本，且ESP收集顆粒物的效率是隨著粒徑減小而下降的，當(dāng)粒徑小于2.5 μm時，除塵效率將低于95%，這將附加地產(chǎn)生許多微顆粒污染物，如PM2.5。因此在選擇活性炭粒徑時應(yīng)當(dāng)平衡好除汞效率與除塵效率，在保證除汞效率的同時不產(chǎn)生額外的顆粒污染物。

圖6 活性炭顆粒粒徑對停留時間的影響Fig.6 Variation of residence time with different particle diameters

3.3 離子風(fēng)效應(yīng)對汞吸附的影響

離子風(fēng)(ionic wind)，又稱電暈風(fēng)(corona wind)、電風(fēng)(electric wind)或二次流(second flow)。之所以稱為電暈風(fēng)或離子風(fēng)，是因?yàn)樗请姇灧烹姰a(chǎn)生的離子在電場中遷移引起的流動。離子風(fēng)對于ESP內(nèi)的能量、動量和能量交換有著重要的影響。離子風(fēng)效應(yīng)的強(qiáng)弱常用無量綱數(shù)NEHD來表示：

(18)

式中：i是單位長度電暈極的電流密度，u是ESP入口處的氣體平均速度。可以發(fā)現(xiàn)影響NEHD大小的主要參數(shù)是場強(qiáng)和主流速度的大小，因此通過改變這2個參數(shù)便能研究不同離子風(fēng)強(qiáng)度對于汞吸附的影響。本文將分別從懸浮顆粒吸附與近壁面吸附兩種機(jī)制來闡述離子風(fēng)對汞吸附的影響。

從圖7顯示的結(jié)果來看，離子風(fēng)效應(yīng)對于懸浮活性炭顆粒的汞吸附有著重要影響。當(dāng)運(yùn)行電壓為70 kV時，若不考慮離子風(fēng)效應(yīng)的影響，即去掉氣相動量方程的離子風(fēng)項(ρion+ρpc)Ei，可以看到懸浮活性炭顆粒吸附汞的效率相比有離子風(fēng)的條件下降約2%。說明在ESP內(nèi)離子風(fēng)的存在能夠提升活性炭汞吸附的效率，這是由于離子風(fēng)能在ESP內(nèi)形成漩渦，漩渦將使湍流強(qiáng)度增加，這對于加強(qiáng)顆粒與氣相之間的傳質(zhì)作用是有利的。而當(dāng)增加ESP的運(yùn)行電壓使離子風(fēng)強(qiáng)度增大時，卻發(fā)現(xiàn)除汞效率反而降低了，不難得出這是因?yàn)殡妷旱脑龃笫沟妙w粒受到的電場力增加，使得活性炭顆粒很快便被收集到集塵板上，停留時間變短，而湍流強(qiáng)度的增加對傳質(zhì)效率的增加遠(yuǎn)小于停留時間減小對除汞效率的削弱，因此總的活性炭顆粒除汞效率隨著電場強(qiáng)度的增加而減小。這說明想通過提升電場強(qiáng)度來增加脫汞效率是不可行的。

圖7 離子風(fēng)對顆粒汞吸附效率的影響Fig.7 Average mercury concentration along the downstream direction under different EHD conditions

電場強(qiáng)度對于近壁面汞吸附的作用則有所不同。圖8直觀地顯示了僅考慮壁面吸附的ESP內(nèi)單質(zhì)汞濃度分布圖。不難發(fā)現(xiàn)沿著極板方向形成了汞吸附傳質(zhì)的邊界層，且厚度隨流動方向而增長。比較2種電場強(qiáng)度下氣相汞濃度的分布可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電場強(qiáng)度增加時，離子風(fēng)對于邊界層的擾動效應(yīng)增強(qiáng)，使得局部的傳質(zhì)邊界層厚度減小，垂直壁面的濃度梯度增大，由菲克定律可知傳遞向壁面的汞單質(zhì)質(zhì)量通量隨之增大。如圖9所示，當(dāng)運(yùn)行電壓由70 kV增大到100 kV時，近壁面除汞的效率由7.77%增加到9.92%，這證明了離子風(fēng)形成的漩渦對于加強(qiáng)集塵板上收集的活性炭顆粒層吸收單質(zhì)汞有一定的增強(qiáng)作用。而當(dāng)煙氣入口速度減小時，無量綱數(shù)NEHD增大，離子風(fēng)效應(yīng)加強(qiáng)，由圖8(c)可知，離子風(fēng)形成的主要漩渦區(qū)對應(yīng)著汞吸附量較大的區(qū)域，整體的壁面汞吸附效率提高到40.4%。因此通過適當(dāng)減小煙氣入口速度能夠提高收塵極壁面對汞的吸附量，若考慮懸浮顆粒的吸附，可以預(yù)料到的是，隨著活性炭顆粒入口速度的減小，在ESP內(nèi)的停留時間增加，因此懸浮顆粒脫汞效率也會增大。從而不難得出結(jié)論，適當(dāng)?shù)臏p小入口煙氣速度能夠提高ESP中整體的脫汞效率。

圖8 離子風(fēng)對近壁面汞吸附的影響Fig.8 EHD effects on wall-bounded mercury capture

圖9 離子風(fēng)對近壁面汞吸附的影響Fig.9 EHD effects on wall-bounded mercury capture efficiencies

從表3顯示的結(jié)果可以看出，當(dāng)懸浮顆粒脫汞與近壁面脫汞兩種吸附機(jī)制共同作用時，效果要比兩種吸附機(jī)制單獨(dú)作用的疊加效果弱，即兩種機(jī)制共同作用的吸附量要大大小于懸浮顆粒脫汞量與壁面脫汞量之和。這是由于懸浮顆粒吸附效率遠(yuǎn)大于壁面吸附，因此在活性炭顆粒甫一進(jìn)入ESP，大部分的氣相汞單質(zhì)就被活性炭顆粒所吸附，整體的汞濃度降低，相對于壁面的汞濃度梯度減小，由菲克定律不難得到煙氣汞相對于壁面的傳質(zhì)通量將減小，汞吸附量下降。因此可以得出結(jié)論，在ESP內(nèi)兩種脫汞機(jī)制共同作用時，壁面吸附的作用較小，特別是在壁面零濃度條件將高估壁面吸附量的前提下，這與Clack[18]的模擬結(jié)果相同。

表3 兩種吸附機(jī)制脫汞效率Table 3 Removal efficiencies of two mercury adsorption mechanisms %

4 結(jié)論

1) 建立的活性炭噴射脫汞預(yù)測模型，能較好地預(yù)測活性炭的脫汞率，模型預(yù)測的脫汞效率與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有相同的變化趨勢,最大相對誤差約為12.1%; 該模型可用于預(yù)測ESP內(nèi)煙氣噴射活性炭脫汞過程．

2) 減小活性炭粒徑，不僅增大活性炭的單位外表面積，而且增大煙氣汞向活性炭表面?zhèn)鬟f的膜傳質(zhì)速率和在ESP內(nèi)的停留時間，提高了噴射脫汞的效率。當(dāng)活性炭粒徑為5 μm時，ESP脫汞效率可以達(dá)到89.6%，而當(dāng)粒徑為20 μm時，脫汞效率急劇下降到12.3%。但過小的吸附劑顆粒尺寸，會增加吸附劑的生產(chǎn)成本，并產(chǎn)生額外的顆粒污染物如PM2.5。

3) 離子風(fēng)能在ESP內(nèi)形成漩渦，漩渦將使湍流強(qiáng)度增加，這對于加強(qiáng)顆粒與氣相之間的傳質(zhì)作用是有利的，即離子風(fēng)能夠提高懸浮活性炭對汞的吸附作用，相較于無離子風(fēng)條件下能使除汞效率提升2%。但若通過提升電壓的方式來提高離子風(fēng)強(qiáng)度反而會使除汞效率下降，這與顆粒在ESP內(nèi)停留時間的縮短密切相關(guān)。

4) 離子風(fēng)形成的漩渦同樣能提高收塵極壁面對汞煙氣的吸附速率，壁面吸附的效率最大可達(dá)到40.4%，但在煙氣速度較大的工況下離子風(fēng)的影響較小。在ESP內(nèi)兩種脫汞機(jī)制共同作用時，壁面吸附的作用較小，顆粒吸附作用占主導(dǎo)地位。