静电除尘器中的汞吸附机理重构：EHD效应与PAC协同的再认识

基于美国密歇根大学 Clack 团队二维数值模型的技术洞察

关键词
electrostatic precipitator, mercury adsorption, powdered activated carbon, electrohydrodynamics, ESP 改造, 煤电烟气治理

在煤电机组超低排放和《水俣公约》背景下，电厂汞控制正从“是否治理”转向“如何更高效、低成本地治理”。在现有除尘系统中叠加粉末活性炭（PAC）喷射，是美国电力行业实践最充分的烟气汞控制路线之一，核心配置就是“PAC + 静电除尘器（ESP）”[2]。但一个被行业长期忽视的问题是：PAC 在 ESP 里的真实行为机理究竟如何？是单纯靠停留时间，还是受电场和电流所驱动的电流体力学（Electrohydrodynamics，EHD）效应在“暗中发力”？

Herek L. Clack（密歇根大学土木与环境工程系）团队近期发表的《Computational Modeling of Electrohydrodynamically-Influenced Mercury Adsorption within ESPs》给出了一个罕见的“全景式”数值视角。文章基于 COMSOL 多物理场平台，构建了二维静电除尘器通道模型，将电场、EHD 诱导流场、带电粒子运动以及气固传质过程（包括汞吸附）统一耦合计算，为我们理解 ESP 内部的 PAC 行为和汞控制效率提供了新的技术抓手[4–9]。

研究首先回到工程一线的“反常现象”：在冷端 ESP 前喷入 PAC 进行试验时，很多电厂监测数据都呈现类似特征——ESP 出口总汞浓度在开始喷炭的瞬间会立即出现显著下降，而停止喷炭后，出口汞浓度的“恢复”却往往需要数小时[10]。结合 ESP 内典型 2–5 秒级别的烟气停留时间，这一现象几乎不可能仅靠“简单停留时间差”解释。Clack 团队据此明确区分出两类汞去除机理：一是 PAC 或飞灰在烟道中悬浮时对汞的“在飞(in-flight)吸附”；二是沉积在极板上的含 PAC 粉尘层对汞的“壁面(wall-bounded)吸附”。前者主要解释“响应快”，后者则解释“尾部效应长”。

为从机理上量化 EHD 对这两类机理的影响，研究构建了一个长度 2 m、板间距 0.3 m、包含三根放电极线（直径 1 mm，间距 0.5 m，电压 70 kV）的二维 ESP 通道。通过对电势分布、空间电荷密度和气流动量方程的耦合修正，将库仑体力项引入雷诺平均的 Navier–Stokes 方程，用以模拟典型的“离子风”扰动和电流体力学效应。空间电荷分布则通过在 COMSOL 内的迭代：假设电荷密度场，解泊松方程与电流连续方程，反复修正直至满足电荷守恒及放电极线性电荷密度要求[3]。

在得到稳态 EHD 诱导流场后，作者分两步考察汞吸附：一是仅考虑壁面吸附，将收尘极板边界设为“汞浓度为零”的强吸附表面，通过对入口与出口总通量积分评估吸附效率；二是仅考虑悬浮多分散颗粒的在飞吸附，引入多相混合物模型模拟 PAC 颗粒的滑移速度、充电饱和与受力迁移，并再叠加可溶质传质与反应模块计算汞从气相向颗粒表面的转移。悬浮相 PAC 被假定为对汞具有足够高吸附能力，以传质控制为主；颗粒物理与电学性质参考石墨参数，并设定一个对数正态的粒径分布，平均粒径 20 μm，几何标准差 1.75，离散为 11 个粒径段（1.5–125 μm）。

为了突出 EHD 作用，计算设置了两种工况：低 EHD（入口平均流速 0.5 m/s）和高 EHD（入口流速 0.1 m/s），其它电场与边界条件保持一致。结果显示，在低 EHD 情况下，ESP 通道内流场虽有一定扰动，但整体仍接近常规“入口层流发展+边界层增厚”的格局；而在高 EHD 情况下，大量由离子风驱动的环流区在板间生成，靠近放电极上下形成强剪切和局部高/低速混合区域，流动拓扑被显著重构。

这种流场重构对壁面汞吸附的影响极为显著。当仅考虑壁面吸附时，低 EHD 工况下 2 m 通道内的汞去除率约为 8.3%，而在高 EHD 工况下提升至 32.2%，几乎提高了约 4 倍。必须指出，模型中将整个极板表面等效为“完全被高效 PAC 覆盖”的零浓度边界，这显然高估了实际 ESP 中只含 1%–2% PAC 的粉尘层能力，但即便如此，低–高 EHD 之间的相对差异仍具有明确的工艺指向：通过合理调节电场和流量工况，利用 EHD 诱导环流打破极板附近的浓度与速度边界层，可以显著强化 PAC 覆盖粉尘层的对流–扩散传质效率，从而放大壁面汞吸附贡献。

相比之下，在飞吸附部分的数值结果则更接近工程实际的“温和提升”。当仅考虑悬浮多分散 PAC 颗粒的汞吸附（入口汞浓度 4×10^-7 mol/m³，典型 PAC 喷入量约 6 lb/MMacf），低 EHD 工况下 2 m 模拟通道的汞去除率约为 1.55%，高 EHD 下约为 1.7%，增幅有限。原因在于：模型中假设进入 ESP 截面的 PAC 已瞬间达到饱和荷电，导致颗粒在靠近入口处就被电场迅速牵引至极板并高效捕集，整体在飞停留时间被大幅压缩，剩余用于汞传质的时间和比表面积有限，EHD 环流对这一机制的改善空间被“提前高效率收集”所抵消。

需要注意的是，这一设置意味着模型实际上低估了真实 ESP 中 PAC 在通道前段的在飞时间——从更现实的角度看，若考虑 PAC 充电是一个沿程累积而非瞬时饱和的过程，那么颗粒在 ESP 前段的有效在飞距离会更长，在飞汞吸附对总去除率的贡献也有望高于 1%–2%。这也从另一个侧面提醒工程设计：在追求颗粒物超低排放和黑碳控制的同时[3]，过快的初段颗粒捕集可能并不利于“PAC + ESP 一体化汞控制”的整体经济性与效果，需要在电场强度、气速和粉尘层特性之间做系统优化。

从二维模型给出的流场与浓度场分布看，还有几个对 ESP 工程改造颇具价值的定性发现：其一，在低 EHD 工况下，通道中心线附近往往形成一个“快流核心”，该区域 PAC 提前被剥离，而汞浓度相对偏高并沿程延续，提示实际布置中 PAC 喷入位置和流场均匀性会直接影响局部汞穿透；其二，靠近极板的近壁区域在仅考虑在飞吸附时也呈现“低汞带”，说明即便不计壁面粉尘层的反应性，仅靠细颗粒连续漂移并在近壁低速区停留，也能构成一个有利于传质的缓冲层；其三，高 EHD 工况下，放电极周围大尺度环流区中的 PAC 颗粒呈现明显“驻留–循环”特征，其内部汞浓度显著低于主流“喷射”区，显示 EHD 环流对局部质量传递具有放大效应，只是该效应在本算例中被高捕集速率部分“掩盖”。

综合来看，这项来自密歇根大学的数值研究为行业提供了几个关键结论：第一，ESP 中的汞控制不应仅被视作 PAC 注入量和停留时间的“简单函数”，电场–流场–颗粒场–反应场的多场耦合，特别是 EHD 诱导环流和边界层扰动，是影响传质效率的决定性因素之一；第二，在“PAC + ESP”组合工艺下，壁面吸附（PAC 覆盖粉尘层）在长时段汞去除中可能担当主力，而在飞吸附主要贡献初期快速响应，这与现场检测到的“快速下降+长时间恢复”的出口汞浓度曲线高度吻合[4–7,10]；第三，在未来的 ESP 技改中，可以通过优化比荷载、电场电压分布、通道截面气速以及喷炭位置等手段，有意识地“设计”有利于传质的 EHD 流动结构，而不只是被动满足颗粒物捕集效率指标。

对于正在规划或实施 ESP 汞协同控制改造的燃煤电厂而言，这些来自二维数值模拟的结果虽未直接给出某一台设备的具体参数，但已经清晰指向了一个新的工程设计逻辑：以 EHD 为纽带，把除尘、电场控制和汞传质看成同一个系统问题，而非三个彼此割裂的环节。

参考文献
[1] U.S. EPA. (2012). Mercury and Air Toxics Standard (MATS). Federal Register, 78(79).
[2] Pavlish, J.H., Sondreal, E.A., Mann, M.D., Olson, E.S., Galbreath, K.C., Laudal, D.L., & Benson, S.A. (2003). Status review of mercury control options for coal-fired power plants. Fuel Processing Technology, 82, 89–165.
[3] Clack, H.L. (2012). Estimates of Increased Black Carbon Emissions from Electrostatic Precipitators during Powdered Activated Carbon Injection for Mercury Emissions Control. Environmental Science & Technology, 46, 7327–7333.
[4] Clack, H.L. (2006). Mass transfer within electrostatic precipitators: Trace gas adsorption by sorbent-covered plate electrodes. Journal of the Air & Waste Management Association, 56, 759–766.
[5] Clack, H.L. (2006). Mass transfer within ESPs: In-flight adsorption of mercury by charged suspended particulates. Environmental Science & Technology, 40, 3617–3622.
[6] Clack, H.L. (2006). Particle size distribution effects on gas-particle mass transfer within electrostatic precipitators. Environmental Science & Technology, 40, 3929–3933.
[7] Clack, H.L. (2006). Bimodal fly ash distributions and their influence on gas-particle mass transfer during electrostatic precipitation. Fuel Processing Technology, 87, 987–996.
[8] Scala, F., & Clack, H.L. (2008). Mercury emissions from coal combustion: Modeling and comparison of Hg capture in a fabric filter versus an electrostatic precipitator. Journal of Hazardous Materials, 152, 616–623.
[9] Clack, H.L. (2009). Mercury capture within coal-fired power plant electrostatic precipitators: Model evaluation. Environmental Science & Technology, 43, 1460–1466.
[10] ADA-ES. (2003). Pleasant Prairie Power Plant Unit 2 – Sorbent injection into a cold-side ESP for mercury control. Final Report. U.S. Department of Energy.

获取更多静电除尘相关专业论文，请访问 https://isesp.org/conference-papers/