介绍
近年来汞排放已成为需要考虑的一个问题，特别是与美国东部淡水鱼污染问题相关。在1990年至1999年间，美国的人造汞排放降低了约50%。几乎所有的改进都来自于医药及垃圾焚烧排放的减少。汞是煤组成的内在元素，同一时期来自燃煤电厂的排放减少了大约4.3%。为了处理这种问题，EPA在2005年发布了Clean AirMercury Rule (CAMR)1规则。CAMR对新建和已有的燃煤电厂提出了限制汞排放的标准。同时创建了市场化的限额和交易计划，分两阶段实施。
在2005年由CAIR发布的用于二氧化硫和氮氧化物的控制设备，也会造成部分汞排放的减少。通常称之为SO2和NOx减少的协同效应。第一阶段汞的限额是38吨(目前的排放水平是48吨)，期望可以通过CAIR的协同效应来实现。第二阶段是在2018年，限额是15吨。新建的燃煤电厂(2004年1月30日后建的)必须满足新的污染源行为标准，同时必须满足这些限额值。原来的形式是，规则将限额分配到所有的州中，每个州自行决定如何实现减排，包括污染源控制的决定以及是否加入贸易计划。
活性碳喷射技术
对于大部分煤，每千克煤中含有50-300微克的元素汞。在煤燃烧完后，当烟气在锅炉的冷却通道内被冷却时，部分汞被氧化。结果是烟气夹带着气相元素汞，气相HgCl2和汞颗粒。通过电厂颗粒控制系统可以消除汞颗粒，但是气相成分需要通过其他方式消除。在传统燃煤电厂烟气里捕获氧化汞的建议方法包括提供标准的燃煤电厂装备，比如湿法烟气脱硫(FGD)系统和喷雾干燥器(传统用于SO2去除)，以及湿式静电除尘(ESP)。由于汞以元素形式存在而更具挑战性。存在一些氧化更多汞的方法，比如使用紫外线和氧化剂，通过后处理方法捕获更多汞。活性炭喷射(ACI)已成为研究最广泛的技术和消除元素汞和氧化汞最通用的方法。主要是在静电除尘装置或布袋除尘装置的上游向烟气中喷入碳颗粒吸收气相元素汞，而这些装置会消除碳颗粒。碳的多孔结构对吸收过程来说是理想的选择。气相汞化合物移动到碳颗粒的表面，然后通过吸收进入孔内部。这种方法的优势是设备的安装不需要电厂停机，固定设备的支出小于$100万，能够同时捕捉元素汞和氧化汞。可用于烟煤和次烟煤。由于需要不停的补充活性炭，相比于固定设备支出，运行成本支出成为需要重点考虑的一个因素。
设备安装也存在一定的技术难度。控制这一过程的主要因素是烟气中汞向颗粒表面的扩散，因此必须最大化颗粒在整个烟气管道中的分布。除此之外，颗粒必须有足够的滞留时间确保扩散过程的发生。在一些案例中，经过改造的系统可以提供远大于扩散过程所需的滞留时间。而在其他一些案例中，这一问题变得具有挑战性。因此需要确定最佳的喷射点位置。
汞捕获模拟
当安装ACI系统存在空间限制时，需要通过试凑法确定喷射位置。一个更加有效的方法就是使用虚拟工程，通过建立数字计算模型，然后模拟烟气的流动，活性炭的运动以及随后的汞的吸收。
求解过程
分析分两阶段：管道中三维流动模拟和烟气中活性炭颗粒跟踪模拟。第一阶段涉及到三个步骤：1)创建管道几何的三维计算模型;2)生成计算网格;3)使用计算流体力学(CFD)求解器计算三维流场。在导入CAD文件或使用 3D几何软件创建几何模型后，网格生成工具将流体域划分为更小的单元，每个单元在流体求解器里表示为一个控制体。现有的工具可以高度自动化这一过程。第三步，在流体求解器里定义烟气材料特性和边界条件，计算工作以迭代过程的形式开始。图1为这一过程中两个ESP之间的翻新管道的几何形状，最后一张图为管道内烟气的流线。从最后一张图中可以看到在管道的顶部存在一个大的回流区。
延伸阅读：
分析的第二个阶段涉及到流域内活性炭轨迹的模拟。这些轨迹取决于颗粒的属性，包括材料和尺寸。流动求解器将使用这些特性，壁面的恢复系数以及周围流体的作用来计算颗粒的轨迹。在一些案例中，简单的滞留时间计算或颗粒分布图就足够了。在其他案例中，需要估算三维管道中汞捕获的情况。这里就需要考虑汞的吸收模型。
图2显示了分析的最后阶段，活性炭轨迹和颗粒浓度。图2 a)中的灰色平面和图2b)中下游的第二个云图为汞采样位置。注意由于管道内的速度分布较差，在顶部产生回流区，这回造成小颗粒的滞留时间增大。
确定有效的汞捕获
Fluent Inc.和能源部门(DOE)汞控制技术研发中心合作开发汞捕获模型，用于估算活性炭颗粒气相汞的吸收。实际上图1和图2 中的案例是Dominion Generation’s Brayton Point电厂喷射系统的解决方案。详细的捕获模型帮助工程师了解烟气中汞的捕获以及局部位置汞浓度的分布。
即使没有详细的捕获模型，也可以通过管道横截面上活性炭颗粒的分布来了解大致的情况。图3 给出了Ameren UE’s Meramec电厂空气预热器下游管道的三维形状。图中给出了活性炭喷射位置，进口位置和采样点。图4中颗粒的迹线用滞留时间渲染。与Brayton不同，Meramec的颗粒轨迹光滑平直。
确定管道横截面活性炭颗粒覆盖率的一种方法是显示颗粒浓度大于平均浓度10%的位置。如果通过管道的颗粒混合较差，那么管道横截面很大一部分将要低于10%这个值。如果混合充分，管道横截面大部分位置的这个值大于10%。图5 a)显式弯管下游
20英尺管道横截面的覆盖率，红色表示颗粒浓度大于10%平均值的位置。由于颗粒轨迹很直，颗粒很少向管道壁面和角落迁移。作为比较，图5b)显式了Brayton Point相同的图，即喷射位置下游30英尺处，表明更高的颗粒覆盖率。
在汞吸收过程中，颗粒截面覆盖率和接触时间都起着很重要的作用。结果表明Meramec有更好的汞去除效果，主要是管道更长，增加了颗粒与烟气的接触时间。对于这个层级的比较，需要在模型里考虑汞吸收的子模型。如果仅是比较同一管道内不同喷射位置的比较，只需要进行覆盖率的计算即可确定最佳喷射位置。
延伸阅读：
原标题：如何利用ANSYS在燃煤电厂设计有效的汞捕获系统
