静电除尘器中的汞捕集建模：从机理验证到工程上限

基于 Illinois Institute of Technology Herek L. Clack 团队对 ESP 中活性炭喷射汞控制模型的最新验证

关键词
mercury capture, ESP, model prediction, sorbent injection, activated carbon injection, flue gas cleaning

以煤电机组为代表的燃煤源汞排放，正在从“附带治理”走向“刚性约束”。在美国 CAMR（清洁空气汞规则）被法院推翻、MACT（最佳可行控制技术）重新被抬到台前后，监管逻辑从“依赖脱硫脱硝等协同去汞”转向“必须具备专门、可验证的汞控制技术”[1]。在这样的大背景下，如何在静电除尘器（ESP）中通过活性炭喷射（ACI）实现稳定、可预测的汞捕集效率，成为全球煤电行业的技术焦点。

已有的大量现场试验表明，同样是在 ESP 前喷射活性炭，不同电厂的汞去除效率可能从不到 10% 到超过 90% 不等，差异巨大[1-3]。常见的经验做法，是按燃煤类别、污染控制配置（如“ACI+布袋除尘”、“ACI+ESP+低硫煤/高硫煤”）把试验数据划成若干“绩效带”，给出一个经验上可参考的范围。但这种方法无法回答一个关键问题：在既定 ESP 条件下，理论上“能做到的最好水平”究竟是多少？

Illinois Institute of Technology 的 Herek L. Clack 团队开发的 ESP 汞捕集模型，正是为解决这一核心问题而提出。该模型将汞吸附过程视为气固传质受限的过程，不引入复杂的气相化学与表面反应动力学，只在边界条件中用一个“平衡吸附容量”来代表活性炭在特定烟气条件下的性能。换句话说，它给行业提供的是一个“在现有 ESP 条件下，仅由传质能力决定的 ACI 理论上限”。在本文中，研究者用 11 个燃煤电站、冷侧 ESP 条件下的全规模 ACI 试验结果，对这一模型进行了系统验证[8-12]。

在研究方法上，Clack 的算法把 ESP 看作一段具有一定停留时间的流通反应器：入口烟气带入一定质量浓度的粉状吸附剂（主要是 NORIT Hg 粉状活性炭），吸附剂颗粒在电场中带电、迁移，同时与含汞烟气进行对流与扩散传质。模型首先利用粒子充电理论和电场迁移分析，计算不同粒径颗粒在 ESP 中的运动轨迹和停留时间分布；随后，在此基础上做一个“整体传热学式”的传质积分：对入口颗粒粒径分布进行积分，叠加每一类颗粒在整个停留时间内从气相吸附的汞质量变化，得到 ESP 这一段空间内的总汞捕集量。对应的基本数学形式，可归结为对时间和粒径的双重积分，在给定流量、ESP 几何参数、电场强度和初始粒径分布的条件下，计算出口气相汞浓度的降低量。

为了将问题简化为“ESP 内部传质极限”而非“全流程复杂反应器”，模型明确做了几项假设：其一，原生飞灰不参与汞吸附；其二，ESP 内壁和极板表面的汞传质贡献可以忽略；其三，粉状吸附剂在 ESP 入口横截面上均匀分布，质量浓度仅沿烟气流向变化；其四，颗粒带电达到理论最大值，电场电压统一取 54 kV；其五，颗粒为理想球形、高介电常数，不考虑团聚、再飞扬和走漏等复杂因素[8-11]。在吸附剂物性方面，研究统一采用 NORIT Hg 粉状活性炭的实测粒径分布（35 μm 为界分别拟合不同粒径段），此前研究已表明粒径分布对 ESP 内气固传质有强烈影响[10,11]。

模型的另一个关键输入，是活性炭在特定烟气下的平衡汞吸附容量。部分早期 DOE-NETL 项目在现场抽取烟气，采用固定床试验测得 NORIT Hg 在本地烟气中的平衡吸附容量，例如 Brayton 电站在无 SO₃ 条件下容量约为 4314 μg/g，加入 SO₃ 调质后骤降至约 1380 μg/g[15-17]。然而，后续很多项目出于成本和“容量远大于 ESP 传质需求”的判断，停止了这项测定工作[15,20]。在本次模型验证中，只有 Brayton 和 Pleasant Prairie（PPPP）两个站点有现场容量数据，其余 9 个电站则根据煤种（褐煤、次烟煤、烟煤）“类比”采用相近工况下的容量值，例如把 Brayton 的 4314 μg/g 用于同烧烟煤的其他机组，把 PPPP 对 PRB 煤测得的 8823 μg/g 用于其他次烟煤机组。研究者也坦陈，这一做法在机理上较为粗糙，但可以在“上限模型”框架下，检验现场表现与“仅受传质限制”的理论极限之间的差距，从而反向暴露其他控制因素的影响。

在 11 个电站的对比结果中，多数组合表现出“模型为上限，现场数据在其下方或紧贴其下”的一致特征。对如 Leland Olds、Miami Fort 6、Brayton、Plant C 这类工况相对清晰、ACI 系统布置合理、电场配置典型的站点，低喷射率（如 3–10 lb/MMacf）下模型预测与实测汞去除效率拟合良好，从工程视角看，这意味着这些 ESP 中的 ACI 汞控制已基本接近传质极限。在 Brayton 站点，利用有/无 SO₃ 两组现场容量（4314 vs 1380 μg/g）代入模型，分别得到两条“上限曲线”，而现场 ACI 结果恰好被这两条曲线从上、下包夹，显示出 SO₃ 对容量的影响在模型中被正确反映；但值得注意的是，Brayton 现场在不同 SO₃ 状态下的汞去除效率差别并不显著[15]，研究者推测这与其“双 ESP 串联系统+ESP 之间布置 ACI 点”的特殊结构有关：SO₃ 很可能已在第一电场大量被飞灰吸附，导致 ACI 点下游实际 SO₃ 浓度不高，现场表现因此“弱化”。

与之形成鲜明对比的是 Plant A、Meramec 2、PPPP、部分 Plant D 等站点，在中高喷射率（如 ≥10–20 lb/MMacf）下，现场汞去除效率明显“触顶”，呈现随喷射率提高而趋于平台的现象，而模型曲线则继续平滑上升。在这些工况上，由于模型只考虑气固传质，其预测代表了“如果不受化学与微观物理限制，ESP 最多能做到哪里”，因此实际数据在高喷射率阶段显著低于模型，就有力地表明：此时的限制因素已经不再是 ESP 的传质能力，而是其他机理控制。

针对这种平台行为，行业内主流解释有两类：一是“氯贫乏假说”，认为过量活性炭优先吸附烟气中的含氯物种，抑制气相 Hg⁰ 向 HgCl₂ 的氧化，从而削弱下游脱硫/除尘系统对氧化汞的高效去除[3,18]；二是“团聚与粒径放大假说”，认为高注入量下活性炭颗粒在料封、喷射和 ESP 区内更易团聚，等效粒径变大导致单位质量活性炭的比表面积下降、传质速率变慢。Clack 团队指出，在几个典型出现平台的电站中（如 Leland Olds、Plant A、Miami Fort 6），煤中氯含量并不显著低于那些没有平台问题的站点（如 Plant C、Monroe 4），且数值有较大重叠[Plant A 150–450 mg/kg vs Plant C 150–642 mg/kg]，因此“只用氯含量解释平台现象并不充分”。研究者正在通过对部分电站 ACI 给料系统的细致梳理与数据分析，进一步验证团聚假说，这也为今后在 ESP 汞控制项目中加强粉体输送与喷射系统工程优化提供了思路。

另一个在行业内引发反思的点，是早期 DOE 项目曾基于“ESP 停留时间很短，平均粒径颗粒在典型 ESP 中最多只能利用 150 μg/g 汞容量”的粗略分析，得出“传质远远不足以用完容量，因此没必要再测现场容量”的结论，并据此在后续试验中取消了固定床容量测试[15,20]。Clack 团队利用上述模型对 Plant C 等站点进行反演时发现，即使采用远大于 150 μg/g 的 400 μg/g 作为容量输入，模型仍显著低估现场汞去除效率；只有当采用 Brayton 实测的 4314 μg/g 容量时，模型与 Plant C 现场曲线才实现良好重合。这从反面说明：“平均粒径+单点扩散”式估算显著低估了 ESP 内实际可用的容量潜力，忽视了细小颗粒缓慢沉降、充分接触以及电荷驱动相对运动带来的对流传质强化效应[8-11]。对工程实践而言，一个重要启示是：对于新工况、新吸附剂配方或复杂烟气组成，现场或实验室条件下的容量标定依然非常必要，它直接关系到 ACI 投药量与预期去除效率之间的匹配关系。

整体来看，该研究的价值主要体现在三点：第一，它为“ESP 中 ACI 的理论上限”定出了一个可以量化的传质边界，使工程师在制定汞控制方案时，不再只依赖经验“绩效带”，而是可以对比“本厂数据 vs 传质上限”来判断问题出在 ESP 条件、ACI 系统还是烟气化学；第二，通过 11 个电站的系统对比，可以初步梳理出影响 ESP 汞捕集的关键因素，包括煤种及烟气成分（SO₃、卤素）、PAC 粒径分布与团聚、ACI 喷射点与 ESP 结构匹配、飞灰本底吸附等，为后续针对性优化提供了技术路径；第三，在全球范围内，特别是发展中国家煤电机组普遍装配 ESP 而非布袋除尘的现实下，这个模型有助于减少大量昂贵的全规模 ACI 试验，仅通过必要的烟气参数与 ESP 结构参数，即可粗略评估通过 ACI+ESP 实现的汞减排潜力，从而降低汞控制技术落地的决策门槛。

从行业风向来看，ESP 不再只是传统意义上的飞灰控制设备，而正在成为“多污染物协同治理平台”的重要一环。以 Clack 团队的工作为代表，静电除尘器中的汞捕集建模研究，正在把 ACI 等精细化控制手段从经验调试推动向可验证、可移植、可扩展的工程工具演进。对国内正在推进超低排放改造和汞排放标准讨论的煤电企业而言，结合自身 ESP 条件与燃煤烟气特性，利用类似的传质上限模型预判 ACI 效果，将是下一轮工业环保技术升级中不可忽视的一步。

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