煤燃烧过程中汞排放的模拟技术研究

1/7煤燃烧过程中汞排放的模拟技术研究韩军，徐明厚，詹靖，蔡铭，朱文渊华中科技大学煤燃烧国家重点实验室，湖北武汉430074摘要由于化学动力学数据的缺乏及其它因素，目前对于燃烧中汞的排放和转变机理的研究主要局限于化学热力学计算和试验研究。该文在CFD、化学热力学计算的基础上用数学模型预测了煤燃烧过程中汞的分布及排放，在模型中考虑了气态汞与烟气组分或其它化合物的化学反应、气态汞的冷凝以及颗粒物的气溶胶动力学等因素的影响。最后对实验室台架上的煤粉燃烧进行数值计算，得到的汞在灰中富集因子与试验结果比较吻合。关键词汞；煤燃烧；数值模拟1引言煤作为一次能源在我国的主要利用方式是燃烧，而煤的燃烧也是造成我国生态环境破坏的最大污染源。燃煤污染已成为制约我国国民经济和社会持续发展的一个重要因素。在煤燃烧造成的污染物中，除SO2、NOX和CO2外，还有痕量元素及其化合物排放，并且燃煤过程中排放的痕量元素对环境和人类的威胁已经成为燃烧污染中的一个新2/7兴而前沿的研究领域，愈来愈成为被关注的新热点。世界各国，特别是发达国家的研究机构，都将煤燃烧过程中产生的痕量元素污染物作为新的研究重点。目前国内对汞的研究仅局限于汞在煤或煤灰中的形态和分布，而对于汞在燃烧中的转化过程或在炉膛中的分布等研究鲜见报道。本文在CFD计算的基础上，考虑了汞在烟气中结核、冷凝和吸附等物理化学变化，采用数学模型对汞在燃烧过程中的挥发和分布做了数值计算。2汞在燃烧中的转变煤中含有少量的汞，它们在煤中的含量通常小于1MG/G，张军营1根据现有的资料及自己测试结果指出，在中国煤中汞的浓度平均值为MG/G，主要是以硫化物形式存在的。因为汞及其化合物的熔、沸点相当低，当它们随煤一起进入炉膛燃烧时，单质汞会随煤颗粒的温度急剧上升而从煤中释放出来，从煤中释放出来的单质汞在烟气中会与烟气中的其它组分如O2、NOX、SO2和HCL等发生化学反应，同时它们也会与烟气中漂浮的颗粒物发生化学反应，使得汞及其化合物被吸附在颗粒上。当烟气中气相汞的分压低于它们饱和蒸气压力时，气相汞会通过一系列物理化学变化使得气相的汞转变成固相的汞。目前对于烟气中的汞的化学变化主要局限于化学热力学计算。对于烟气中不同气氛下汞的热力学计算结果3/7如图1和图2所示，热力学计算软件为FACT2，它主要是基于平衡时吉布斯自由能最少的原理。从图1可以看出，在还原性气氛下汞在烟气中主要以单质形式存在，而单质汞是汞的热力稳定形式，可以预见在这一区域几乎所有的汞将蒸发转变成单质汞存在于气相中；汞在氧化性气氛下的化学热力平衡分析结果如图2所示。当温度高于800K时，单质汞HG0G是汞的主要形态，温度低于600K时，氯化汞HGCL2G是汞的主要形态，在1000600K的温度范围里，有少量的氧化汞HGOG生成约5。从以上对汞/煤氯系统的热力平衡分析结果可以推断出汞在煤燃烧过程中的行为在燃烧室的高温区域里，几乎所有的汞将蒸发转变成单质汞HG0G存在于气相中；在燃烧室的下游，随着烟气温度的降低，单质汞在氧化性气氛的烟气中与氯反应生成气相的氯化汞。3数学模型计算方法对于汞蒸气计算的子模型是在CFD的基础上进行的。通过CFD计算中可以得到烟气中各组分、烟气温度、压力、速度和颗粒轨迹等在炉膛中的分布，同时计算时考虑汞在燃烧过程中的挥发，在CFD计算收敛的基础上最后加入汞的计算子模型。CFD计算中采用KEG模型模拟气相湍流输运及气相湍流燃烧；采用离散传播法计算辐射换4/7热；对煤粉的挥发份释放采用双平行反应模型；对颗粒的湍流扩散采用随机轨道模型；对焦炭的燃烧采用扩散动力模型，挥发份燃烧为快速反应，并且一步完成，形成二氧化碳和水。有关CFD计算及其模型的详细介绍见文3。气溶胶模型如上所述，汞在分压低于它的饱和蒸气压力时会发生结核和冷凝等现象富集在亚微米颗粒上，又因为传统的除尘设备对亚微米颗粒的捕获率相当低，所以汞在颗粒中的尺寸分布对它们的排放控制有非常重要的影响。因此，研究痕量元素在颗粒中再分布，即结核、冷凝、凝结和吸附等物理化学过程对汞在炉膛中分布和汞的排放、控制是很有意义的。对于整个过程可用一个通用的对流扩散方程（GDE）来描述直角坐标系下不同的稳态通用标量输运方程可表示为式中代表N、M为亚微米颗粒和粗颗粒的总数量和总质量浓度；U为气体速度，M/S；,EFF为扩散系数，M2/S；S为颗粒的形成增长速率，它包括所有产生或改变这些颗粒的物理过程。这些物理过程是结核，它使金属蒸汽形成了新的颗粒；凝结，由于颗粒的粘附或聚结使得颗粒长大，改变了颗粒尺寸分布，但是颗粒总体积不变；冷凝，质量从气态的金属蒸汽转移到冷凝态的而使得颗粒5/7长大，因此改变了颗粒尺寸分布。因此SSCOUGSCONDSNUCL1/M3，其中SCOUG、SCOND、SUNCL分别是凝结，冷凝和结核产生的颗粒源项。汞在燃烧系统中的行为见图3。小颗粒模型本文假设气相汞的结核速率符合经典BECKERDORING结核理论4，这是因为它比其他结核模型有更多的实验支持,稳态结核速率D是系统饱和比例和冷凝成分物理化学属性的方程。发生在自由分子区的亚微米颗粒数密度的变化主要是由结核和亚微米颗粒扩散作用引起的，亚微米颗粒尺寸范围的颗粒总数量的源项可以写成为5式中I1和I2为结合了自包尺寸分布的无因子碰撞系数，它们的值分别为和；为平均法符合结核速率；D为颗粒半径；KB为玻尔兹曼常数；是调节因子；下标S和R代表亚微米颗粒模型和粗颗粒模型。在燃烧温度下燃烧产物的平均分子自由程大约为。在亚微米颗粒尺寸范围的颗粒总质量的源项可以写为式中右边的第2项表示I金属的沉积；第3项表示由于亚微米颗粒扩散到粗颗粒表面而导致的质量损失；第4项是汞蒸汽由于碰撞原因而吸附在颗粒上的质量；M为原子核的质量；HG,P是汞蒸汽与小颗粒碰撞后的半径；HG,P为由于碰撞而导致质量的损失。6/7对于颗粒结核速率根据经典的BERKERDORING理论可以写为式中PHG为汞的分压；MI和VI分别为气体的分子质量和体积；为表面张力；SI为饱和比，即实际压力与平衡压力之比。残留于灰的粗颗粒模型对于炉膛相对较短的停留时间，粗颗粒间的碰撞可以忽略，在残留于灰的粗颗粒总数量假设不变，于是残留于灰的粗颗粒总质量的源项可以写成为4式中第2项表示I金属沉积在颗粒表面，认为在残留灰模型中是被扩散控制的扩散系数DICI，这里气态分子的平均热运动速度8KBT/MI1/2；小颗粒I3的值为。汞蒸气守恒模型除了上述的方程外，汞蒸汽经历结核和冷凝过程的守恒方程也必须求解，其中源项可以表示为64煤燃烧过程中汞的挥发MINWANG7在试验台架进行了汞在煤燃烧过程中挥发的试验研究，分析结果发现单质汞在燃烧中的挥