异相凝并脱除燃煤烟气细颗粒态重金属的模拟研究

徐宪龙; 马海波; 王东旭; 孙道荣; 吴桐; 刘静超; 熊卓; 张军营; 赵永椿

doi:10.19944/j.eptep.1674-8069.2025.03.015

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异相凝并脱除燃煤烟气细颗粒态重金属的模拟研究

能源环保 | 更新时间：2026-10-14

- 异相凝并脱除燃煤烟气细颗粒态重金属的模拟研究
- Simulation study of heterogeneous coagulation and removal of heavy metals in the fine particulate state
- 电力科技与环保 2025年41卷第3期页码：506-516
- 作者机构：
  
  1.国能三河发电有限责任公司，河北廊坊 065201
  2.河北省燃煤电站污染防治技术创新中心，河北廊坊 065201
  3.煤燃烧与低碳利用全国重点实验室（华中科技大学），湖北武汉 430074
- 作者简介：
  
  徐宪龙（1974—），男，高级工程师，主要从事热能动力工程等方面的研究，16040077@ceic.com；
  马海波（1972—），男，高级工程师，主要从事火电厂安全、环保技术等方面的研究，4325163@qq.com；
  王东旭（1984—），男，高级工程师，主要从事自动化等方面的研究，279784681@qq.com；
  孙道荣（1995—），男，博士研究生，主要从事燃煤烟气重金属汞排放控制等方面的研究，89409584@qq.com
  吴桐（2001—），男，硕士研究生，主要从事燃煤烟气重金属防治等方面的研究，1627453045@qq.com；
  刘静超（1997—），男，硕士研究生，主要从事燃煤烟气重金属防治等方面的研究，583745789@qq.com；
  熊卓（1989—），男，讲师，主要从事人工光合成太阳燃料，光催化污染物控制等方面的研究，zxiong@hust.edu.cn；
  张军营（1963—），男，教授，主要从事燃烧污染物的排放与防治等方面的研究，jyzhang@hust.edu.cn；
  赵永椿（1982—），男，教授，主要从事能源清洁低碳利用、碳捕集利用监测等研究，yczhao@hust.edu.cn。
- 基金信息：
  
  武汉市重点研发计划项目(2023020402010621)
- DOI：10.19944/j.eptep.1674-8069.2025.03.015
  中图分类号： TK01+1
- 收稿：2024-11-18，
  
  录用：2025-03-18，
  
  纸质出版：2025-06-15
- 稿件说明：
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徐宪龙,马海波,王东旭，等.异相凝并脱除燃煤烟气细颗粒态重金属的模拟研究[J].电力科技与环保,2025,41(3):506-516.

XU Xianlong, MA Haibo, WANG Dongxu, et al. Simulation study of heterogeneous coagulation and removal of heavy metals in the fine particulate state[J]. Electric Power Technology and Environmental Protection, 2025, 41(3):506-516.
徐宪龙,马海波,王东旭，等.异相凝并脱除燃煤烟气细颗粒态重金属的模拟研究[J].电力科技与环保,2025,41(3):506-516. DOI： 10.19944/j.eptep.1674-8069.2025.03.015.

XU Xianlong, MA Haibo, WANG Dongxu, et al. Simulation study of heterogeneous coagulation and removal of heavy metals in the fine particulate state[J]. Electric Power Technology and Environmental Protection, 2025, 41(3):506-516. DOI： 10.19944/j.eptep.1674-8069.2025.03.015.

摘要

目的

煤燃烧过程释放各类重金属元素，极易富集在易逃逸细颗粒上，对环境造成严重威胁，通过在静电除尘器前烟道布置异相凝并系统，可有效吸附烟气中的重金属元素，使其从细颗粒态、气态转移到粗颗粒态，从而提升静电除尘器对这些元素的脱除效率。

方法

本文采取蒙特卡洛方法对凝并过程进行模拟，利用颗粒群平衡方程求解凝并吸附剂对颗粒态重金属的吸附过程，得到不同流量凝并吸附剂情况下吸附前后重金属As在颗粒物中分布规律。

结果

研究表明，在凝并后，1 μm粒径以下细颗粒物上重金属含量不断减少，颗粒物和重金属在4.3~10 μm之间出现峰值。随着凝并吸附剂流量的增加，细颗粒上重金属显著减少，而粗颗粒段峰值不断上升，通过计算确定，在凝并吸附剂含量达到8 ml/m

时，颗粒物吸附效率高达89.51%，细颗粒态砷吸附效率达到92.33%。此外，停留时间以及凝并剂喷射量的增加均能增强凝并效果。

结论

本研究为燃煤电厂痕量元素控制技术的工程应用提供理论指导。

Abstract

Objective

The coal combustion process releases various heavy metal elements

which are easily concentrated on the easy-to-escape fine particles. By placing a heterogeneous agglomeration system in the flue before the electrostatic precipitator (ESP)

the heavy metal elements in the flue gas can be effectively absorbed to make it from the fine particle state

the gas state to the coarse particle state

thereby improving the removal efficiency of these elements by ESP.

Methods

In this paper

Monte Carlo method is adopted to simulate the agglomeration process

and the particle group balance equation is used to solve the adsorption process of the agglomeration adsorbent on the particulate heavy metal

and the distribution of heavy metal arsenic in the particulate matter before and after the adsorption under different flow rates of the coagulation adsorbent is obtained.

Results

The results show that after coagulation

the content of heavy metals on fine particles below 1 μm decreases continuously

and the peaks of particles and heavy metals appear between 4.3~10 μm. At the same time

with the increase in the flow rate of the adsorbent

the heavy metals on

the fine particles decrease significantly

and the peak value of the coarse particle segment continues to rise. It can be calculated that when the condensed adsorbent content reaches 8ml/m

the adsorption efficiency of fine particles was as high as 89.51%

and the adsorption efficiency of fine particulate arsenic reached 92.33%. In addition

the increase in residence time and coagulant injection rate can enhance the effect of coagulation and adsorption

thereby improving the removal efficiency of ESP and realizing the efficient removal of heavy metals in the tail flue gas of coal-fired power plants.

Conclusion

The conclusion can provide theoretical guidance for the transformation of the tail gas of coal-fired power plants with ultra-low emission of heavy metals.

关键词

Keywords

references

邹才能，熊波，薛华庆，等 . 新能源在碳中和中的地位与作用 [J ] . 石油勘探与开发， 2021 ， 48 ( 2 )： 411 - 420 .

ZOU Caineng ， XIONG Bo ， XUE Huaqing ， et al . The role of new energy in carbon neutral [J ] . Petroleum Exploration and Development ， 2021 ， 48 ( 2 ): 411 - 420 .

雒昆利 . 我国燃煤电厂砷的大气排放量初步估算 . 科学通报 , 2004 , ( 19 ): 2017 - 2019 .

赵国涛 , 钱国明 , 王盛 . “双碳”目标下绿色电力低碳发展的路径分析 [J ] . 华电技术 , 2021 , 43 ( 6 ): 11 - 20 .

ZHAO Guotao ， QIAN Guoming ， WANG Sheng . Analysis on green and low-carbon development path for power industry to realize carbon peak and carbon neutrality [J ] . Huadian Technology ， 2021 ， 43 ( 6 ): 11 - 20 .

王超，刘小伟，吴建群，等 . 220 MW热电联产锅炉中痕量元素的迁移及分布特性 [J ] . 化工学报， 2014 ， 9 : 3604 - 3608 .

WANG Chao ， LIU Xiaowei ， WU Jianqun ， et al . Migration and distribution characteristics of trace elements in 220 MW cogeneration boiler [J ] . Journal of Chemical Industry and Engineering（China） , 2014 , 9 : 3604 - 3608 .

ARKADIUSZ Ś , MARIA J . The collection efficiency of ESP model - Comparison of experimental results and calculations using Deutsch model [J ] , Journal of Electrostatics , 2018 ， 91 : 41 - 47 .

ZHANG J ， XU D ， REN J ， et al . Modeling and simulation of PM 2.5 collection efficiency in a wire-plate ESP subjected to magnetic field and diffusion charging. Environ [J ] . Prog. Sustainable Energy , 2015 , 34 : 697 - 702 .

易红宏，郝吉明，段雷，等 . 电厂除尘设施对PM 10 排放特征影响研究 [J ] . 环境科学 , 2006 ， 27 ( 10 ): 1921 - 1927 .

YI Honghong ， HAO Jiming ， DUAN Lei , et al . Influence of dust catchers on PM 10 emission characteristics of power plants [J ] . Journal of Environmental Sciences ， 2006 ， 27 ( 10 )： 1921 - 1927 .

郭沂权 . 燃煤飞灰细颗粒物化学团聚强化除尘机制的研究 [D ] . 武汉：华中科技大学， 2018 .

GUO Yiquan . Research on chemical agglomeration enhanced dust removal mechanism of fine particulate matter in flue gas during coal combustion [D ] . Wuhan : Huazhong University of Science and Technology ， 2018 .

GUO Y Q ， ZHANG J Y ， ZHAO Y C ， et al ． Chemical agglomeration of fine particles in coal combustion flue gas：experimental evaluation [J ] ． Fuel ， 2017 ， 203 : 557 - 569

孙喆 . 燃煤电站砷、铅、镉、铬的迁移规律 [D ] . 保定：华北电力大学， 2015 .

SUN Zhe . Transformation of Arsenic, Lead, Cadmium and Chromium in coal-fired power plant [D ] . Baoding ： North China Electric Power University ， 2015 .

邹仁杰 . 湿法烟气脱硫系统中硒迁移行为与强化脱除方法研究 [D ] . 武汉：华中科技大学 , 2021 .

ZOU Renjie . Study on selenium migration behaviors and enhanced removal methods in wet flue gas desulfurization systems [D ] . Wuhan ： Huazhong University of Science and Technology ， 2021 .

黄永达 . 燃煤重金属砷/硒的迁移转化机理与排放控制研究 [D ] . 武汉：华中科技大学 , 2022 .

HUANG Yongda . Study on the migration-transformation mechanisms and emission control of arsenic/selenium from coal combustion [D ] . Wuhan ： Huazhong University of Science and Technology ， 2022 .

王艺程 . 燃煤飞灰铅形态解析及过程迁移转化机理研究 [D ] . 华中科技大学， 2022 .

WANG Yicheng . Analysis of lead speciation and investigation on the lead migration and transformation mechanism in coal-fired fly ash [D ] . Wuhan ： Huazhong University of Science and Technology , 2022 .

HOUNSLOW M J . Population balance modelling of particulate systems [J ] . Chem Eng Sci ， 2002 ， 57 ( 12 ): 2123 .

PAMUKÇU H ， YAPICIOĞLU P S ， YEŞILNACAR M İ . Investigating the mitigation of greenhouse gas emissions from municipal solid waste management using ant colony algorithm, Monte Carlo simulation and LCA approach in terms of EU Green Deal [J ] . Waste Management Bulletin , 2023 , 1 ( 2 ): 6 - 14 .

用于重金属吸附的异相凝并吸附剂及其制备方法和应用 [P ] . 中国专利： CN110330062B . 2020.08 . 14

李晓恒 . 微细矿物颗粒湍流运动与浮选过程机理 [D ] . 徐州：中国矿业大学 , 2023 .

LI Xiaoheng . Turbulent motion of fine mineral particles and mechanism of flotation process [D ] . Xuzhou ： China University of Mining and Technology , 2023 .

魏凤 . 燃煤亚微米颗粒的形成和团聚机制的研究 [D ] . 武汉 : 华中科技大学 , 2005 .

WEI Feng . Study on sub-micron particle formation and agglomeration mechanism from coal combustion [D ] . Wuhan ： Huazhong University of Science and Technology ， 2005 .

WANG K , PENG W , YU S . A new approximation approach for analytically solving the population balance equation due to thermophoretic coagulation [J ] . Journal of Aerosol Science , 2019 , 128 : 125 - 137 .

王玉明 . 微小颗粒碰撞与凝并模型的研究 [D ] . 杭州：中国计量学院， 2012 .

WANG Yuming . Research on the model of micro-particle collision and coagulation [D ] . Hangzhou ： China Jiliang University ， 2012 .

FABREGAT A ， PALLARÈS J . Transport and wall surface deposition of airborne particles in enclosed, buoyancy-driven turbulent flows using fully-resolved numerical simulations [J ] . International Communications in Heat and Mass Transfer ， 2022 ， 134 : 106048 .

袁方洋 . 纳米颗粒两相流中颗粒动力学演变及对流传热和阻力特牲的研究 [D ] . 杭州：浙江大学 , 2017 .

YUAN Fangyang . Research on the dynamic behavior of nanoparticles and the characteristics of convective heat transfer and resistance in nanoparticle two-phase flow [D ] . Hangzhou ： Zhejiang University ， 2017 .

SIPKENS T A , BOIES A , CORBIN J C , et al . Overview of methods to characterize the mass，size, and morphology of soot [J ] . Journal of Aerosol Science ， 2023 ， 173 : 106211 .

DAHNEKE B . Simple kinetic theory of Brownian diffusion in vapors and aerosols . In theory of dispersed multiphase flow. ed . R . E. Meyer. New York : Academic Press , 1983 .

熊琰 . 均匀湍流内湍流亚网格尺度颗粒碰撞研究 [D ] . 武汉：华中科技大学， 2014 .

XIONG Yan . The sub-grid scale effect on particle collisions inhomogeneous isotropic turbulence [D ] . Wuhan ： Huazhong University of Science and Technology ， 2014 .

陈晟 . 静电场与流场作用下细颗粒团聚、迁移与沉积动力学研究 [D ] . 北京：清华大学 , 2019 .

CHEN Sheng . Agglomeration, migration and deposition of microparticles in presence of electrostatic and flow fields [D ] . Beijing ： Tsinghua University , 2019 .

JUNG C H ， LEE H M , PARK D , et al . Parameterization of below-cloud scavenging for polydisperse fine mode aerosols as a function of rain intensity [J ] . Journal of Environmental Sciences ， 2023 ， 132 : 43 - 55 .

赵海波 , 郑楚光 . 描述颗粒凝并动力学的事件驱动常体积法 [J ] . 中国科学(E辑:技术科学) , 2008 ( 11 ): 1836 - 1849 .

ZHAO Haibo ， ZHENG Chuguang . Event-driven constant volume method to describe particle coagulation dynamics [J ] . Science of China (E Series: Technical Science) , 2008 ( 11 ): 1836 - 1849 .

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