（环境工程专业论文）燃煤电站活性炭喷射脱汞系统流场的组织与模拟.pdf

北京交通大学硕士学位论文 中文摘要 中文摘要 摘要 本文主要做了未燃尽炭 u n b u m tc a r b o n 对燃煤污染物脱除的机理研究的前 期基础理论准备部分的研究 通过对活性炭吸附烟气中汞的化学过程的研究 整 理出活性炭吸附气相汞的模型概要和计算流程 接下来主要用d p m 模型对吸附剂 的分布扩散情况进行了初步的研究模拟 在活性炭颗粒与烟气混合的气固两相流场的模拟中 本文从活性炭的喷射量 6 4 111 7 1 0 s k g m 3 1 6 0 2 7 9x1 0 4 k g m 3 3 2 0 5 5 8 1 0 4 k g m 3 活性炭喷射管的 数量 4 根 6 根 活性炭喷射孔的数量 8 4 8 等八种 喷射方式 单喷口逆流直射 双喷口呈夹角喷射 等不同角度设计了3 0 种工况 对活性炭颗粒在烟道内的分布情 况进行了细致的模拟研究 文中利用常用的流体计算软件f l u e n t 运用了可实 现性的k 一占模型对烟道内的等温气固两相流场进行了数值模拟 得到了研究对象 内的速度场 浓度场等分布结果 通过对比分析寻找最佳的布置方案 并通过对 流场的研究追踪其吸附剂的颗粒轨迹 为后续模拟吸附剂对气相h g 捕获的过程做 好准备 并且吸附剂喷射管口的布置也为实际工程应用提供了可靠的理论支持及 数据参考 关键词 活性炭吸附 气固两相流场 f l u e n t d p m 模型 颗粒扩散 分类号 x 5 1 1 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i st h e s i sb e l o n g st oa na d v a n c e dr e s e a r c ho fb a s i ct h e o r yo fc o a l f i r e db o i l e r se m i s s i o np o l l u t a n tc o n t r o lb ya c t i v a t e dc a r b o ni n j e c t i o n e s p o d a l l y u n b u m tc m b o n t h r o u g hl e a r n i n gc h e m i c a lp r o c e s sd u r i n gh e a v ym e t a l h ga b s o r b e d b ys o r b e n t m o d e lo u t l i n ea n dc a l c u l a t i o np r o c e d u r eo fa b s o r p t i o nr e a c t i o nw a sl i s t s y s t e m a t i c a l l y a n dt h e ng e td o w nt or e s e a r c hs o r b e n tp a r t i c l e s d i s t r i b u t i o na n d d i f f u s i o ni nt h ed u c tu s i n gd i s c r e t ep h a s em o d e l i nt h ep a r to f s i m u l a t i n gf l o wf i e l dw h e r e m i x e da c t i v a t e do a r b o np a r t i c l e sa n df l o w g a s t h ea u t h o rd e s i g n e d 岫w o r k i n gc o n d i t i o n sf r o md i f f e r e n tp e r s p e c t i v e s u c ha s d i f f e r e n te m i t t e dd o s e 6 4 1 1 1 7 1 0 s k g m s 1 6 0 2 7 9 x1 0 4 k g m 3 3 2 0 5 5 8 x1 0 4 k g m 3 d i f f e r e n tn u m b e ro fa c t i v a t e dc a r b o ni n j e c t i o nl a n c e s 4l a n c e s 6l a n c e s d i f f e r e n t n u m b e ro fj e t s d i f f e r e n ti n j e c t i o nt y p e s s i n g l ej e td i r e c ti n j e c t i o n d o u b l ej e t sw i t h a n g l e 蛔e c t i o n a n ds i m u l a t e ds o r b e n td i s p o s i t i o ni nt h ef l u e u s i n gf l u e n ts o f t t h ei s o t h e r m a l f l o wf i e l di nd u c ti ss i m u l a t e du s i n gt h e k e p s i l o nm o d e l 2e q n r e a l i z a b l e b ya n a l y s i so f v e l o c i t yc l o u dc h a r ta n d s c a t t e rg r a m o fp a r t i c l ec o n c e n t r a t i o n t h eo p t i m u mo r g a n i z a t i o np r o g r a mw a sg a i n e d a n dt h e nt r a c e t h es o r b e n tp a r t i c l et r a c ki no r d e rt og e tp r e p a r e dt os i m u l a t ec a p t u r ep r o c e s so fg a s p h a s em e r c u r y t h i sr e s e a r c hp r o v i d e dar e l i a b l et h e o r ys u p p o r ta n dd a t ar e f e r e n c ef o r t h ef u t u r ea c t u a lp r o j e c t s k e y w o r d s a c t i v a t e dc a r b o ns o r p t i o n t w op h a s ef l o wf i e l do fg a sa n ds o l i dp h a s e f l u e n t d i s c r e t ep h a s em o d d p a r t i c l ed i f f u s i o n c i a s s n o x 51 1 北京交通大学硕士学位论文 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果 也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名 签字日期 年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留 使用学位论文的规定 特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 导师签名 f 西力z 签字日期 伽罗年 2 月廖日签字日期 哆年 月 日 北京交通大学硕士学位论文 致谢 致谢 本论文的工作是在我的导师何伯述老师的悉心指导下完成的 何伯述老师严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响 在此衷心感谢三年来 何老师对我的关心和指导 何老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作 在学习上和生活上都给予了 我很大的关心和帮助 在此向何伯述老师表示衷心的谢意 何伯述老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见 在此表示衷 心的感谢 在实验室工作及撰写论文期间 王蕾 李鸣扬 崔彦亭 魏国强 同少莉 郎英博等同学对我论文中的模拟研究工作给予了热情帮助 在此向他们表达我的 感激之情 论文得以完成 还要特别感谢在家乡一直殷殷关注着我的父母亲给予我的理 解与帮助 还有一直关注我的亲人和朋友 正是他们在物质和精神上始终如一的 坚强支持与鼓励 使我能够心无旁骛地投入到学业之中 我所取得的任何进步与 成果都有他们倾注地一份心血 言及至此 感激涕零之情无以言表 1 引言 1 引言 煤是我国最丰富的资源之一 使用起来最便宜而且最为便利 也是全球最污 染环境的能源 为近7 0 的中国工业提供动力 也最为廉价的能源 1 1研究目的 汞是一种重金属 是地球的组成元素 在地壳中的平均含量约0 0 5m g k g 具 有显著的地域差异 汞还以极低的水平存在于整个生物圈内 植物对汞的吸收也 许可以说明汞出现在化石燃料如煤炭 石油 天然气中的原因 因为我们通常认 为这些燃料是由有机组织残余经由地质转换形成的 l 汞可以以三种形式排放入生物圈 a 自然来源 由于地壳中天然存在的汞的自然聚散而排放 比如火山运动 和岩石风化 目前汞的人为排放 都是由于生产 泄漏 消耗产品的处理或焚化过程中 的释出 或者其他形式的释出 诸如化石燃料一尤其煤炭 其次天然气和石油 的原料及其他萃取的 处理的 重复利用的矿石中汞杂质的聚散造成的汞排 放 曲先前沉积在土壤 沉积物 水体 垃圾及废物 残渣堆中的历史人为汞排放 的重聚散 1 1 1汞散播于环境中的危害 汞蒸汽是一种化学上很稳定的单原子气体 一旦存在于大气中 汞就会被广 泛散布 元素汞在大气中的存在期范围在几个月到一年左右 这使得半球范围的 传输成为可能 因此任意大陆上的排放都会造成其他大陆上的沉积 在大气层上 部 汞蒸汽经尚未完全了解的过程氧化成水溶性离子汞 水溶性离子汞随雨水返 回到地球表面 汞的全球循环使汞分布在这个星球最偏远的地区 汞不是人体的必需元素 职业性暴露和饮食是人体摄入汞的两个主要途径 此外 汞还可以通过呼吸和皮肤接触进入人体 汞对人体的健康危害与汞的化学 形态 环境条件和侵入人体的途径 方式有关 金属汞蒸汽有高度扩散性和较大脂溶性 侵入呼吸道后可被肺泡吸收并经血 液循环至全身 血液中的汞 可通过血脑屏障进入脑组织 然后在脑组织中被氧 北京交通大学硕士学位论文 化成汞离子 损害脑组织 在其他组织中的金属汞也可被氧化成离子状态并转移 到肾中蓄积起来 金属汞慢性中毒的临床表现 主要是神经性症状 如头痛 肢 体麻木等 大量吸入汞蒸汽会出现急性中毒 其表现为肝炎 肾炎 尿血和尿毒 症等 无机汞化合物也对人体有毒性 无机汞化合物可以通过胃肠道吸收 如氯化 汞 h 矿较h 矿更易吸收 无机汞中毒以消化道和肾脏损害为主要表现 常见的氯 化汞的致死量约为1 9 汞在生物圈内的生物化学循环多种多样 大气中的汞可以随降水进入地下水 或土壤 经过一系列化学反应成为具有剧毒的甲基汞 如不加限制 肆意排放 经过生物积累后会酿成1 9 5 3 年类似于日本 水俣病 的惨剧 l 1 1 2燃煤锅炉排放汞的来源 化石燃料 尤其是煤 的定点燃烧及废料焚化造成的排放约占人为来源大气排 放总量的7 0 左右 目前 大气中存在的汞有很大比例是由于多年人为活动排放造成的 最近的 研究显示工业化以来 人为活动提高的了大气中汞的总体水平3 倍 大气中的人为排放主要以气态元素汞的形式 并能够与气团一起传输很长的 距离 空气中汞排放的剩余部分是以气态存在的二价化合物 比如h g c l 2 的形式 或者与排放气体中的粒子结合 这些类型在大气中的存在期要比元素汞蒸汽短 约1 0 0 到1 0 0 0 k m 内就会经过湿法或干法的过程沉积下来 然而 汞的不同类型之 间的重要转换可能会在大气传输期间出现 这将会影响传输距离 有迹象表明 全球平均起来 汞的人为排放已经导致现在的沉积速度比工业 化前时代高出1 5 到3 倍 工业地区内及其周围的沉积速度在过去2 0 0 年间增加2 到l o 倍 引 在煤中汞元素主要是以固溶物的形式赋存在黄铁矿中 少部分也可能是以微 细的独立汞矿物分布于黄铁矿和有机组分之间 汞的沸点比较低 为3 5 6 5 8 是最易挥发的金属元素 从整个锅炉系统来看 煤中的汞进入锅炉后经过一系列复杂的物理和化学反 应过程 如破碎 碰撞 吸附 团聚 汽化和凝聚等 最终大部分以气溶胶颗粒 物的形式排出 如图1 1 所示 2 1 引言 媒墨袋蝴啊 图1 1 燃烧过程中汞元素的形态变化 h g 1 1c h a n g eo f m e r c u r ye l e m e n t a lf o r md u r i n gc o m b u s t i o n 在燃煤电站中 原煤首先进入制粉系统 煤在破碎的过程中产生热量 由于 汞具有很强的挥发性 一部分汞会吸热从煤中挥发出来 研究发现原煤中的汞有 1 4 在制粉过程中挥发掉 煤粉进入炉膛后 经过燃烧 其中的汞主要分为两部分 一部分伴随着灰渣的形成 直接存留于灰渣和飞灰中 煤中的另一部分汞在火焰 温度下 1 4 0 0 c 随着煤中黄铁矿 f e s 2 和朱砂 h g s 等含汞物质的分解 以单质的 形态释放到烟气中 煤中汞的具体形态和结构并不影响这一燃烧转化机理 也就 是说 在火焰温度下 气态汞主要以单质形态但g o g 存在 进入炉膛的煤粉中的 汞 绝大部分在火焰温度下转化为单质汞 随着烟气流出炉膛 流经换热面 烟气温度逐渐降低 在这个过程中 所有 的气相单质汞将会发生以下几种不同的变化 一部分气相单质汞被飞灰通过物理 吸附 化学吸附和化学反应这几种途径吸收 转化为以颗粒态存在的汞h g p 这 部分汞包括h g c l 2 n g o h g s 0 4 和h g s 等 一部分气相单质汞在烟气温度降到 一定范围时 被烟气中的含氯物质氧化 生成气相氯化汞 h g c l 2 目前 虽没有 直接通过实验证明 学术界还是认为含氯物质对气态单质汞的氧化起最主要作用 烟气中气态二价汞被认为多数为h g c l 2 g 气相氯化汞中一部分保持气态 随烟气 一起排出 一部分被飞灰颗粒吸收 形成颗粒态汞 一部分气态单质汞在烟气温 度降低的过程中受到飞灰颗粒表面物质的催化氧化作用 被氧化成气态二价汞 h 矿 最后一部分气相单质汞保持不变 随烟气排出 3 1 通常认为汞在燃煤锅炉尾部的最终形态有单质汞n g o 离子汞h 矿和固相汞 h g q 三种 其中前两种为气相汞 考察燃烧过程的不同阶段 在炉膛内的高温范围内 单质汞是汞的热力稳定 形式 大部分的汞的化合物都是不稳定的 它们将蒸发分解成单质汞 因此在炉 膛中 几乎所有的汞都是以单质汞的形式存在于烟气中 3 北京交通大学硕士学位论文 在烟气到达烟囱出口的过程中 随着烟气流经各个换热设备 烟气温度逐步 降低 烟气中的汞将进一步发生变化 单质汞将保持为元素汞形式或与烟气中的 其他成分发生化学反应生成二价汞化合物 氯化汞的生成 即h 酽 曲和h c i g c 1 2 g 反应生成h g c l 2 曲 通常被认为是冷却烟气中汞迁移转化的主要机理之一 烟气中 的氯含量对汞的形态及分布有着极大的影响 是决定单质汞和离子汞比的主要因 素 4 1 1 3我国汞污染现状 煤的燃烧仍然是我国空气污染的主要来源 w h o2 0 0 1 我国是以煤为主的能 源消耗大国 据研究表明 中国煤中的汞质量分数 以干基作基准 为 0 0 0 0 3 x 1 0 哆一1 1 5 x 1 0 r 6 算术平均值为0 1 5 8 x 1 0 6 几何平均值为0 0 7 7 x 1 0 6 煤炭 的平均汞质量分数为0 2 2 x 1 0 啊5 1 比其他国家煤的平均汞质量分数高 这使得中国 面临着比其他国家更严峻的汞污染 也使中国开展煤燃烧中汞排放的研究 对保 护环境有着更重要的意义 煤中汞的含量随煤种的不同而不同 表1 1 是我国不同煤种中汞的含量 研究 表明我国煤种中汞的平均含量为o 5 7 9 m g k g 远高于世界煤种的平均含量 6 表1 l 我国不同煤种汞的含l m g k g t a b l e1 1m e r c u r yc o n t e n to f d i f f o r e a tt y p e so f c o a li nc h i n a 煤种无烟煤瘦煤焦煤气煤长焰煤褐煤 干基 0 1 8 40 7 2 90 2 6 80 1 4 40 0 7 2 0 3 8 3 灰分基0 5 6 9 3 0 8 00 8 6 7 0 5 3 20 3 1 8 2 2 8 9 中国每年从发电厂和其它来源排放约4 9 5 吨汞 由于迅速的经济增长及工业 扩张 预计接下来2 到5 年间排放量每年会增长2 0 3 0 吨 仅中国的汞排放计划的 年增长量就大于目前美国发电厂总排放量的一半 中国报告了以下有关国内来自燃煤的汞排放的内容 煤的储备量约为8 6 0 0 亿 吨 1 9 9 6 年 中国总共生产了1 4 0 亿吨原煤 煤占中国初级能源总消耗量的7 5 而日本只占1 7 世界平均水平为2 7 根据研究信息 煤的平均汞含量为 0 0 3 8 0 3 2 m g k g 2 0 世纪9 0 年代中期 来自燃煤的汞排放总量每年约为2 9 6 3 0 2 9 公吨 包括大气中的2 1 3 8 公吨及灰烬和煤渣中的8 9 0 7 公吨 燃煤的飞灰中有机 汞的平均含量为o 0 4 5 m g k g 占灰烬中总汞的2 8 1 从1 9 7 8 年到1 9 9 5 年 汞排 放平均每年增长4 8 引 4 1 引言 1 2脱汞技术的研究现状 基于对汞的排放机理的基础研究及对汞特性的理解 目前工业上比较成熟的 燃煤汞污染控制技术路线主要有三种 燃烧前脱汞 燃烧中脱汞和燃烧后脱汞 燃烧前脱汞是一种物理清洗技术 根据煤粉中有机物质与无机物质的密度以 及有机亲和性的不同 通过浮选法除去原煤中的部分汞 阻止汞进入燃烧过程 一般而言 燃烧前脱汞可获得大约3 7 的去除率 但是燃烧前脱汞技术并不能完 全解决汞的排放控制问题 有关燃烧过程中脱除汞的研究很少 燃烧后脱汞 h p 烟 气脱汞 是未来电厂汞污染控制的主要方式 其脱汞效率也比较好 烟气脱汞主要 有以下几种方法 吸附剂法 常规污染物控制装置脱汞技术 化学氧化法和以半 干法为基础的燃煤烟气除汞技术 1 2 1吸附剂法 吸附法主要是利用多孔性固态物质的吸附作用来处理污染物的一种常用方 法 包括物理吸附和化学吸附两种方式 目前人们对吸附剂除汞的吸附过程中的 内在机理还不甚清楚 该过程到底是物理吸附还是属于化学吸附尚未有定论 而 弄清楚除汞机理对于研究和发展控制汞排放的技术是至关重要的 因而这方面的 研究显得迫在眉睫 吸附剂吸附法大致有以下研究成果 活性炭吸附法 飞灰吸 附法 基于钙类物质的吸附剂吸附法 基于矿石类物质的吸附剂吸附法 基于钛 类物质的吸附剂催化吸附法以及基于贵重金属类物质的吸附剂吸附法 目前 用于烟气脱汞的吸附剂主要有 活性炭 飞灰和金属吸收剂 1 活性炭 在烟气中喷入活性炭是烟气脱汞技术最为集中且较成熟的一种方法 脱汞率 可达9 6 胡长兴等人在模拟燃煤烟气流动反应试验台上 对喷射吸附脱汞过程 中影响活性炭喷射量的汞浓度 停留时间 温度 除尘设备等因素进行了试验研 究 虽然活性炭吸附剂在脱除汞方面有着很高的效率 但仍然存在价格昂贵 经 济可行性不高等问题 并且还存在很多技术难题 2 飞灰 燃煤过程中产生的飞灰作为一种廉价的吸附剂受到越来越多人的关注 飞灰 对汞的吸附主要通过物理吸附 化学吸附 化学反应以及三者结合的方式 飞灰 吸附主要受到温度 飞灰粒径 碳含量 烟气气体成分以及飞灰中无机成分对汞 的催化等因素的影响 并且飞灰中的多种金属氧化物对h g o 有不同程度的催化氧 化作用 如c u o 和f e 2 0 3 等 5 北京交通大学硕士学位论文 王立刚 陈昌和将飞灰残炭对汞的吸附能力与商业活性炭进行了对比实验 实验表明 在低汞浓度条件下 残炭飞灰对汞的吸附能力与商业活性炭差距并不 显著 但在高汞浓度条件下 活性炭对汞的吸附能力则比较有优势 从技术 经 济角度综合考虑 未燃尽残炭作为廉价的吸附剂 对于低汞浓度的燃煤烟气的汞 污染控制具有独特的优势 3 金属吸收剂 金属吸收剂是利用特定的金属与汞形成合金来除去烟气中的汞 这种新形成 的合金能够在提高温度的情况下进行可逆反应 实现汞的回收以及金属的循环利 用 并且 金属吸收率与汞的化学形态无关 这样采用金属吸收剂就可很好的去 除单质汞p j 1 2 2常规污染物控制装置脱汞技术 利用脱硫装置 f g d 可以达到一定的除汞目的 烟气中的h 矿化合物h g c l 2 是可溶于水的 湿法脱硫装置 w f g d 可以将烟气中8 0 9 5 的h 9 2 除去 但对于 不溶于水的n g o 捕捉效果不显著 另外 脱硝装置 s c s n c r 在一定程度上也 有利于尾部烟气中零价汞向二价汞的转化 即利于燃煤尾部烟气中汞的脱除 1 2 3化学氧化法 烟气中的h 9 2 化合物较易溶于水 在湿法烟气脱硫系统 w f g d 中 无论是用 石灰或石灰石或是活性炭作为吸收剂 均可除去约9 0 的h 矿 而对n g o 没有明 显的脱除作用 通过某些物质的催化作用将n g o 氧化成h 矿化合物 然后再采用 常规的方法去除h 矿 将单质汞转变成二价汞就比较容易去除了 在烟气进入脱硫塔前 加入某种催化剂如钯类 碳基类物质 它们可促使h g o 氧化形成h 矿 化合物 从而提高汞的脱除率 选择催化还原装置 s c r 可将氮氧化物还原为氮气 也可有效促进n g o 氧化 德国电站的试验测试发现烟气通过s c r 反应器后 h g o p t i 占份额由入口的4 0 6 0 降到2 1 2 这充分说明了催化还原装置 s c r 对n g o 也有氧化作用 光化学氧化技术经美国国家能源技术实验室研究并申请专利 以2 5 3 7 r i m 紫 外光照射光化学氧化烟气净化装置 发生反应时汞被氧化生成硫酸亚汞和氧化汞 然后通过布袋除尘器或电除尘器中除去 在实验室试验中 汞的脱除率达7 0 但是 紫外线除汞技术的投资比活性炭喷射法还要高 这给该技术的推广带来困 难 6 1 引言 1 2 4以半千法为基础的燃煤烟气除汞技术 以上介绍的几种脱除烟气汞的方法 目前大都还在实验室研究阶段和现场测 试阶段 还未正式用于实际燃煤电站 至今还没有一项成熟的 可应用于燃煤电 站的脱汞技术 最接近应用的技术是烟气中喷入活性炭颗粒脱汞 美国目前已将 该技术用于垃圾焚烧炉汞污染控制上并取得较好效果 据报道 在中等c h g 比条 件下脱汞效率大于9 0 浙江大学热能工程研究借鉴半干法脱硫工艺方面的研究 成果 围绕当前燃煤汞污染及其防治方法的新兴研究方面 开创性地提出了以半 干法为基础的燃煤汞排放控制技术 所谓半干法烟气脱汞工艺即是指反应过程中 有液相水参与脱汞过程 但脱汞产物为干态的烟气脱汞工艺 以半干法为基础的燃煤汞排放控制技术可以达到同时脱除烟气中三种汞的形 态 使脱汞效率达到较高的水平 反复进行的以半干法为基础的燃煤烟气中汞脱 除小试和中试实验结果表明该方法能够同时脱除烟气中三种形态的汞 汞去除率 可以达到8 5 以上嗍 1 2 5现有控制方法存在的问题 将燃煤烟气通过活性炭或其他吸附剂的固定床 或者直接将吸附剂在除尘器 前喷入到烟气中 这两种方式已经成为控制燃煤电站汞排放的主要发展方向 这 两种方式需要消耗大量吸附剂 成本很高 同时也产生了一系列新问题 这些问 题包括 如果采取将吸附剂喷入烟气中除汞的方式 吸附含汞的吸附剂和飞灰同 时由除尘器捕获 这样飞灰中掺杂了吸附剂 影响了飞灰的品质 另外吸附剂的 喷入也可能会给e s p e l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r s 静电除尘器 和f f f a b r i cf i l t e r s 布袋 除尘器 的工作性能产生一定影响 吸附含汞的吸附剂稳定性如何 这一点相当重 要 如果解决不好 虽然选择了固体吸附剂来控制烟气中的汞不向大气直接排放 但无形中又产生了一种新的需要安全处理的固体弃物 这些问题已引起国内外学 者的关注 吸附剂喷射法同e s p 和f f 等除尘设备联用虽然能达到有效控制烟气中汞的目 的 但是这种方法只是将烟气中的汞吸附转移到吸附剂中 这种方法主要以物理 吸附为主 吸附剂中的汞有可能再次释放进入大气 很有可能形成二次污染问题 其稳定性有待进一步研究 吸附剂与飞灰同时被e s p 或f f 等除尘设备捕获后 也 必对飞灰的性质产生影响 从而影响到煤粉灰的安全填埋和利用 另外 吸附剂如果能够脱附后再生利用 那么可以形成一个良好的循环过程 吸附一脱附一再利用 既可以节约成本 也可以减少环境污染 吸附剂的稳定性 7 北京交通大学硕士学位论文 程度决定了脱附再生的条件 因此研究吸附剂的稳定性很重要 吸附剂脱附再生 方面国内外研究还很少 美国a d a t e c h n o l o g i e s 用贵金属 如金 作为吸附剂 然后 把汞从吸附剂表面脱附 使得贵金属吸附剂得以再生利用 脱附后法汞可作为有 用的副产品 称之为 m e r c u r e 过程 9 1 1 3 活性炭的吸附机理 由于汞的高挥发性 在低温下未经处理的活性炭对汞的吸附绝大部分属物理 吸附 活性炭表面能提供吸附汞的活性位较少 如果对活性炭进行活化处理 用 含s i c l n 等元素的改性物质以官能团形式固定在活性炭的表面 形成新的 吸附活性位 其与h g 的亲和力比c 与h g 的亲和力强 可优先对汞进行化学吸附 从而改变活性炭的物理化学性质和吸附能力 另外 烟气中的氧气 水分等可直接被活性炭吸附形成含氧官能团 也能够 改善和提高活性炭对h g 蒸汽的吸附能力 对于汞的吸附 物理吸附和化学吸附是 同时发生的 而温度是影响化学吸附和物理吸附关键参数 它可以改变吸附力的 性质 在低温时原始活性炭的化学吸附速率很低 具有足够能量的分子数目较少 此时主要是物理吸附 但经过活化处理的活性炭 化学吸附明显加强 温度升高 对化学吸附有利 对物理吸附不利 1 2 图1 2 活性炭表面的含氧官能团 f i g 1 2f u n c t i o n a lg r o u p 谢mo x y g e no na c s u r f a c e 表面酸性含氧官能团中有代表性的是羰基 羧基 酚羟基 内酯基等 迄今 为止 表面碱性氧化物的结构并不清楚 在这一方面曾经存在着诸多争议 炭表面的 碱性氧化物可以催化氧化反应 而表面酸性氧化物抑制氧化反应 活性炭对氧化反 应的催化能力与炭内石墨微晶平面层的尺寸成反比 石墨微晶边缘部位越多 催化 8 1 引言 反应速率越高 在活性炭表面的酸性含氧官能团中 脂 羰基官能团是可以还原的官能团 y h l i 根据试验 得出结论 h 9 0 在活性炭表面的吸附很可能符合氧化还原机理 脂 羰基官能团提供了反应的活性位 并且他们与吸附的水发生了水解反应 使 得活性炭表面具有一定的p h 值 而且参加了电子转移过程 过程如下所示 h 2 0 卜旧h h g 2 e h 9 2 c 6 f 1 4 0 2 2 咖e c s i 1 4 o h h 活性炭表面的羰基官能团通过氢键与苯烃有关系或者螯和的 活性炭表面有 水分 在室温下 吸附能力显著提高表明水和炭氧复合物之间通过氢键发生作用 有利于平衡条件 这表明汞的吸附机理是一个电子转移的过程 活性炭表面作为 一个电极接收电子氧化h e 其他的表面含氧官能团像脂 羰基等也参加了电子转 移过程 1 0 1 1 4 活性炭吸附汞的模型浅析 利用活性炭喷射法脱除烟气中的汞的模型分为微观尺度模型 即吸附剂颗粒 的吸附动力模型 和宏观尺度模型 即在整个反应系统内的质量平衡方程 微观尺度模型一般包括外部的传导阻力和在吸附剂颗粒内部的传输模型 外 部的传导阻力一般根据f i c k 第一定律建模洲 f i c k 第一定律 适用于扩散通量不随时间改变的稳态扩散 j v 箜 1 1 出 其中 卜 扩散通量 单位时间内垂直通过单位横截面积的质量 伊寸散系数 孚 浓度梯度 1 4 1活性炭捕获气相汞的模型 汞在烟道内的传递 整个过程就是气相汞向固相颗粒吸附剂的相间传质过程 相间传质就是指物质从一相 气相 进入另一相 固相 的传质过程 此过程中传质速 度可表达为分压差或浓度差的线性函数 假设气相中被吸附组分分子扩散至吸附 剂固相外表面的吸附量为却 扩散该量所需时间为况 以气相中被吸附组分的质 量浓度p h g o 与吸附剂颗粒表面上被吸附组分的质量浓度岛 h 幽之差表示传质 9 北京交通大学硕士学位论文 推动力时 组分外扩散传质方程可表示为 2 6 7 锣磊 镌a g c d 砖 一房伍 1 2 式中 单位时间每单位体积吸附剂颗粒所传输被吸附组分的质量 口y 每单位体积吸附剂颗粒中气相和固相之间的界面面积 g 膜传质系数 k 口矿 颗粒外传质系数 求解流程如图1 3 所示 图1 3 活性炭捕获气相汞c f d 计算流程图 f i g 1 3c a l c u l a t i o nf l o wc h a r tf o rm e l c u l yc a p t u r e db ya c 利用d p m 模拟模型计算吸附剂颗粒的分布扩散情况阶段 将在本文的第5 章 中进行详细介绍 了解了吸附剂的扩散及沉降性能之后 利用f l u e n t 中的 u d s u s e rd e f i n e ds c a l a r e q u a t i o n 功能 对流程的后续部分 h g 传输的标量方 程进行求解 f l u e n t 中的u d s 就是用户自定义标量方程 是用来求解一些类似于对流 扩散方程与流场方程的耦合问题 用来描述传质 输运等等一系列的现象的工具 求解汞在烟道内的扩散传输方程 首先需要具备的已知条件如下 冽 已知典型的对流扩散偏微分方程 通过前面的研究 已知气相汞在烟道内的分布规律 烟气的流动分布条件 包括速度 压力等 1 0 1 引言 1 4 2活性炭颗粒内部的传质和吸附 颗粒内部的传输过程分为孔扩散和颗粒内部的扩散 1 孔扩散 当孔内外无压差时 没有层流流动问题 当有浓度差存在时 就有组分的扩 散存在 利用f i c k 定律 以 也粤 1 3 设名为分子平均自由程 乞为平均孔半径 当三 o 0 1 时 属于正常的扩散 羽 内扩散与气体的自由扩散差别不大 z 与孔直径无关 扩散系数d a b 可通过查手册 估算或实验得到 当 t1 0 时 称为努森扩散 气体与孔壁碰撞的机会远远大于分子之间 2 乞 的碰撞机会 此时的扩散系数称为努森扩散系数 可以表示为 圾 9 7 0 1 0 3 1 4 其中 平均孔径的单位是c m 当0 0 1 三 k o 过 一 b 1 0l b m m a c f e s o q 1 2 口 p 1 6 口 1 8 曩口 2 4 口 4 j 3 2 曩口 0 3 2 6 0 一弘 日 一船嚷口 4 4 8 嚷口 0 1 2 一口 l 每一a 恪埔 口 2 曩口 0 3 2 口 0 3 2 0 一斓口 一髓l 口 e 4 8 6 0 北京交通大学硕士学位论文 八 l 心沁 一 心心 心 5 mo nz m c 2 0l b m m a c f 图4 3 7 同一活性炭喷射量下不同喷口布置烟道内的颗粒浓度分布图 a f i g 4 3 7g r a p ho f p a r t i c l ec o n c e n t r a t i o ni nd i f f e r e n ti n j e c t i o no r g a n i z a t i o n s 从以上三张图的对比中可以看出 在同一喷射量条件下 不同喷口布置的工 况虽然在刚刚进入烟道的区域 3 m 截面 上的颗粒浓度相差很大 但是经过在烟道 内的混合过程 在烟道出口区域 1 0 m 截面 上的颗粒浓度差别却不是很大 如果只观察1 0 m 截面上的颗粒最高浓度 可以看出 随着喷口的增加 其最 高浓度是在降低的 参见图4 3 8 81 21 61 82 43 23 54 8 a 4 1 b m i v l a c f 7 8 一一一蝴一一一一 4 脱汞系统气固两相流场的数值模拟 l 1 t 0 1 2砖臻2 43 23 6 鸽 c o 1 0 1 b m m a o f 1 l 土 x n 1 t u埔珥2 4取两强 c 2 0 1 b m m a c f 图4 3 8 不同喷口数量时1 0 m 截面处的颗粒最高浓度图 f i g 4 3 8t h eh i g h e s tc o n c e n t r a t i o ns c a t t e rg r a mo f s e c t i o n 1 0 mi nd i f f e r e n t j e tn u m b e n 虽然在理论上喷口数量越多 布置越密的话 活性炭的扩散性能越好 但是 在实际的生产过程当中 大规模的布置喷口数量不但要增加建设成本和维护费用 将活性炭从储存罐中以一定的速度喷射出来 一根喷射管上的孔洞越多 需要的 压力就越大 生产过程当中的安全隐患就越大 从图4 3 8 中可以看出 随着喷口数量的增加 出口处的颗粒最大浓度值在降 低 但是在3 2 喷口以后 该数值趋于稳定 即 设置4 根管3 2 喷口或者6 根管 3 6 喷口或4 8 喷口最终的混合效果相当 考虑到实际生产操作过程当中u b c 的成 本和运行维护费用 选择喷口较少的结构就可以达到预期的效果 4 5 2活性炭喷射孔单方向喷射和两方向喷射结果的对比讨论 在n e t l 的实验研究中 4 刀 专家们设想了一种区别于单喷口逆流直射的喷射 模式 双喷口呈夹角将活性炭颗粒喷入烟道内 具体结构是 在同一根喷射管 子的相同高度上 设置两个夹危为6 0 0 喷射口 向烟道进口喷射 实验中的实际现 场图如图4 3 9 所示 一嗍一蝴一萋 一呲一 脂肼瞄瞄似船撇胍o n n n n n o q o 北京交通大学硕士学位论文 目4 3 9 双喷口呈夹角喷射现场凹 j h 目4 3 9 a p i p a r e o f w o 止s i t e w h e r e d o u b l e j e l s w i t h6 0 锄出b e u s e d 本论文研究过程中设计了两组不同喷射方向的工况对比 分别是4 根管3 2 喷 口数和6 根管4 8 喷口数 为了对比两种不同喷射方式的优缺点 在此引入一个最高浓度变化率的观点 r k 曼t 1 剑 1 0 0 4 2 q m 式中 玑 各工况的最高浓度变化率 c q 卅 分别代表该工况下 3 m 处和l o m 处活性炭颗粒的浓度 k g m s 以1 0 1 b m m a c f 喷射量为倒进行对比 表 33 2 及4 8 喷口条件下不同喷射方式的对比 4 8 喷口数量 单方向两方向单方向l 两方向 截面上 3 m0 0 0 0 8 6 0 2 4 6l0 0 0 4 0 9 9 9 2 70 0 0 0 5 1 6 8 3 30 0 0 2 1 4 9 3 3 3 颗粒最大浓度l6 m0 0 0 0 5 2 5 0 8 3 0 0 0 1 1 7 6 5 4 7 0 0 0 0 3 1 0 3 4 900 0 0 9 0 8 8 7 8 m 咖3 l i o m 0 0 0 0 2 5 8 0 0 50 0 0 9 9 3 最高浓度变化率 呦 由表4 3 3 可以看出 双喷口呈夹角的喷射方式在浓度的变化率上远远高于单 方向喷射 但是从出口处的颗粒浓度分布图中看 t 脱汞系统气固两相流场的数值模拟 薹 眶 l 薹 眶 l a 1 3 2 喷口 单方向直喷 a 2 3 2 喷口 跟喷口夹角喷射 l 肚i 4 8 喷口 单方向直喷 b 0 档疃n r 喷口夹角喷射 图4 郴不同喷射方式下颗粒浓度分布图 f i g 4 4 0s c 岫 g r a m so f 州d e c 姐伽们妇i n d i f f 凹m t i n j o e t i o n 帅 从图4 4 0 中可以看出 虽然双喷口夹角喷射方式中 颗粒最高浓度的变化率 较高 但是颗粒分布却不如想象中的理想 两方向喷射有利于喷射管之间的区域 烟气与活性炭颗粒的混合 但是在接近烟道壁面处颗粒浓度较高 这个缺憾可以 在今后的理论中通过改变烟道的形状和近壁面处喷射孔的夹角来解决 4 5 3烟道内活性炭颗粒运动规律的研究 以活性炭喷射量2 0 1 b m m a c f 8 喷口结构为例 观察一个喷射孔喷出的活性 炭颗粒的运动轨迹 如图4 4 l 所示 聪 嵯 曲颗粒轨迹啪l o r e d b y p a r t i c l e i d 北京交通大学硕1 学位论文 鹾 醛 彻颗粒轨迹 c o l o r e db y p a r t i c l e r e s i d e n c e t t m d 曲 图4 4 l 活性炭颗粒的i 薹动轨迹 f i g4 4 1p a r t i c l e t r a c k 从图中可以看出 大部分活性炭颗粒在喷射孔出口处比较集中 然后逐渐向 周围扩散 当其z 方向速度矢量衰减为0 的时候 颗粒运动方向发生政变 开始 同来流烟气一起向烟道出口处运动 此种与来流烟气逆流喷射的方式在一定程度上延陆了颗粒在烟道中的停留时 间 有利于烟气与活性炭颗粒的充分混合 从3 0 个工况所反映的数据来看 能够 使颗粒停留时间最长的活性炭喷射量为2 0 1 b m m a c f 在该喷射量下 颗粒停留时 间最短也能够保持在24 s 以上 最多可以达到33 s 以上 相比较崔彦亭在2 0 0 7 年的研究 州 颗粒的停留时间 可以得出 活性炭颗 粒的停留时间与喷射速度有很大的关系 喷射出口的速度越大 活性炭冲出喷射 孔的距离越长 颗粒的停留时问就越长 4 6 本章小结 本章是该论文的主要研究部分 主要模拟了3 0 种不同工况下活性炭与烟气的 混合流场 分别从喷口数量 活性炭喷射量和喷口的喷射方式上进行了细致的讨 论 得出最佳的喷射方式组合 即 沿烟道宽度1 根活性炭喷射管 0 5 m 每根喷 射管上的喷射孔数量6 8 左右 逆流直射 活性炭喷射量在2 0 1 b m m a c f 就能够 达到最佳的混台效果 而无需大量的增加喷射量和喷射孔数量 为实际生产现场 提供了可靠的数据保障 对于双喷口6 0 夹角喷射模型 其最高浓度的变化率较高 有利于颗粒快速 扩散 况明该模型有一定的可取之处 需要在今后的工作中改变喷射夹角和喷射 速度 以求能够达到更好的混合效果 5 结论与展望 5 结论与展望 本论文属于教育部留学归国人员科研启动基金一一分流活性炭 u n b u m t c a r b o n 对燃煤污染物脱除的机理研究的前期基础理论准备部分 通过对燃煤排放 污染物中重金属h g 与活性炭在烟道中的吸附过程的研究 总结出颗粒活性炭捕获 气相汞的模型轮廓 并进行了初步的研究 首先追踪得到了活性炭颗粒在烟道内 的分布情况和轨迹 为后续导出气相汞的沉降期做了充分的准备 论文从不同角度 活性炭的喷射量 活性炭喷射管的数量 活性炭喷射孔的数 量 不同喷射方式 设计了3 0 种工况 对活性炭颗粒在烟道内的分布情况进行了细 致的模拟研究 并得出如下结论 1 8 喷口喷射方式是所有喷射方式中唯一一种颗粒在烟道的后段混合区域 6 m 1 0 m 内的扩散效率要高于前段 3 m 6 m 由此可见8 个活性炭喷射口需要依靠 长距离烟道内的混合才能达到尽量均匀的效果 所以如果喷口数目为8 孔或更少 活性炭颗粒想要尽可能的达到均匀分布 需要较长的烟道长度 而a c i 方法的主 旨就是在生产现场利用现有的烟道进行脱除处理 受实际条件的限制 这一点是 很难达到的 所以喷口数量要在8 喷口以上 2 活性炭的喷射孔数目在3 2 以上后 出口截面上的颗粒浓度变化就趋于平 稳 所以活性炭喷射孔的数量并不是想象中的那样越多越好 可以根据现场的实 际条件设置活性炭喷射管每0 5 m 一根 每根管子上设置6 8 喷孔即可 无需太多 这样既节省了活性炭或u b c 的用量 减少了活性炭储存罐的压力 降低了施工现 场的安全隐患 3 在活性炭的喷射量上 可以看出4 1 b m m a c f 的喷射量较少 扩散效果一般 对h g 的脱除率不及另外两种喷射量的效果好 而1 0 1 b m m a c f 和2 0 1 b m m a c f 对 h g 的脱除效果相当 但是2 0 1 b m m a c f 的工况不但使活性炭颗粒在烟道内的停留 时间较长 其扩散性能也较另外两种喷射量好 实际生产现场可根据自身情况一 u b c 的产量 投资费用等情况来考虑究竟使用多少喷射量 4 从活性炭喷射孔的喷射方式上来看 双喷口呈6 0 夹角喷射在模拟中虽然 出口截面上的颗粒最高浓度没有同样喷口数量逆流直喷方式下出口的颗粒最高浓 度低 即 混合效果不及同样喷口数量下单喷口逆流直射的方式好 但是观其所 取的典型截面上的颗粒最高浓度值可以看出 其最高浓度变化率比较高 也就是 说明在同样的条件下 双喷口呈夹角喷射的方式在扩散的速度上要高于单喷口直 喷方式 也就是说 双喷口呈夹角喷射也并不是没有可取之处 可在后续的工作 中加以调整 期望有更好的效果 北京交通大学硕士学位论文 对于分流活性炭 n b u m tc a r b o n 对燃煤污染物脱除的机理研究的前期基础 理论准备部分的研究 从本论文的角度提出以下几点建议 1 在活性炭喷射流场模拟方面 有待加强对双喷口呈夹角喷射方式的研究 希望通过调整喷射夹角 利用更少量的喷口或喷射量来达到更好的混合效果 2 在模拟的网格方面 希望能够找到更好的划分方法 在保证网格质量的基 础上减少网格的数量 减少流体计算中计算机的负荷 从而减少工况的计算时间 提高效率 2 现在所做研究只停留在宏观的层面上 对于活性炭对h g 的吸附究竟是物 理吸附还是化学吸附 究竟在什么条件下是物理吸附什么条件下是化学吸附 学 术圈子里众说纷纭 在模拟研究当中需要大量的实验数据进行观察比对 由于条 件所限 未能进行此方面的研究 希望能够增加活性炭在不同温度条