【优秀硕士博士论文】燃煤烟气超细颗粒物（pm2.5）声波团聚数值模拟研究综述

燃煤烟气超细颗粒物（PM25）声波团聚数值模拟研究大气是人类赖以生存的最基本的环境要素之一，任何生物从它诞生之日起，就需要通过呼吸维持生命，停止呼吸就意味着生命的终结。随着人类生产和生活活动的发展，当它对大气产生的影响超过其自净能力时就会对大气造成污染。自我国改革开放以来，我国经济获得了长足的发展，生产力水平大大提高。但是，传统模式下的生产力的提高在驱动经济增长和为企业带来利润的同时，却使我们的家园变得千疮百孔，不堪重负。传统意义上讲，人类面临主要的环境问题分为三种，分别是气候变暖、臭氧层破坏和酸雨。其中，酸雨问题是最为突出的问题，对人类的生活及健康产生的威胁也最大。酸雨通常是指表示酸碱度指数的PH值低于56的酸性降水。酸雨是工业高度发展而出现的副产物，由于人类大量使用煤、石油、天然气等化石燃料，燃烧后产生的硫氧化物或氮氧化物，在大气中经过复杂的化学反应，形成硫酸或硝酸气溶胶，或为云、雨、雪、雾捕捉吸收，降到地面成为酸雨。如图1为酸雨形成的简单示意图。图1酸雨形成过程示意图近几十年来，经过世界环保人员的不懈努力以及各国政府的正确引导，世界各国人民对以上三大环境问题已经有了较清楚的认识，也对传统意义上的环境问题有了足够的重视。例如，对于酸雨问题，各国政府及组织均制定了相关的法律法规，以控制酸雨问题的不断恶化。从目前的数据上来看，经过各国的不断努力，酸雨问题得到的一定程度的控制。我国的SO2排放量名列世界各国前列，从我国国家环保局的统计数据上来看，近几年我国的SO2排放量处于减小的趋势。如图2所示。但是，随着世界化石燃料相关工业（如动力发电、汽车行业及石油工业等）的不断发展，新的环境问题也不断涌现。人们对空气质量要求的不断提高，可吸入颗粒物越来越受到人们的关注。图2全国二氧化硫排放量年际变化问题引出2010年11月21日，美国驻华使馆发布的北京PM25监测数据爆表，超过了最高污染指数500，此时的PM25浓度522，也因为“超出了该污染物的值域”，在美国环保局网站上无法转换为空气质量指数，当时使馆在推特上描述其为“CRAZYBAD（糟糕透顶）”。2011年，随着部分地区的空气监测引发关注和热议，PM25和PM10这两种空气监测标准也进入公众视野。早在20世纪80年代，国际社会已对可吸入颗粒物污染高度重视。随着人们对大气颗粒物研究的深入，人们认识到粒径在10UM以下的颗粒物是对环境和人体健康危害最大的一类污染物，并且细颗粒的危害性比粗颗粒更加严重，因此各个国家对其制定的排放标准日趋严格。PM25的标准是1997由美国率先提出，主要是为了更有效地监测随着工业化日益发达而出现的、在旧标准中被忽略的对人体有害的细小颗粒物。PM25指数已经成为一个重要的测控空气污染程度的指数。到2012年底为止，除美国和欧盟一些国家奖PM25纳入国标并进行强制性限制外，世界上大部分国家都还未开展对PM25的监测，大多通行对PM10进行监测。PM25简介PM，英文全称为PARTICULATEMATTER颗粒物）。PM25是指大气中直径小于或等于25微米的颗粒物，也称为可入肺颗粒物。它的直径还不到人的头发丝粗细的1/20（如下图所示）。虽然PM25只是地球大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。与较粗的大气颗粒物相比，PM25粒径小，富含大量的有毒、有害物质且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。PM25危害中国很多城市到现在还是仅仅监测PM10的密度，认为PM10“可以进入人体上呼吸道，与市民的呼吸系统疾病关系比较密切”。但实际上PM25微粒由于体积特别微小，对人类身体健康的影响大大超过PM10。世界卫生组织公布的资料也认为PM25会增加死亡的风险。气象专家和医学专家认为，由细颗粒物造成的灰霾天气对人体健康的危害甚至要比沙尘暴更大。粒径10微米以上的颗粒物，会被挡在人的鼻子外面；粒径在25微米至10微米之间的颗粒物，能够进入上呼吸道，但部分可通过痰液等排出体外，对人体健康危害相对较小；而粒径在25微米以下的细颗粒物，直径相当于人类头发1/10大小，被吸入人体后会进入支气管，干扰肺部的气体交换，引发包括哮喘、支气管炎和心血管病等方面的疾病。这些颗粒还可以通过支气管和肺泡进入血液，其中的有害气体、重金属等溶解在血液中，对人体健康的伤害更大。在欧盟国家中，PM25导致人们的平均寿命减少86个月。而PM25还可成为病毒和细菌的载体，为呼吸道传染病的传播推波助澜。中国工程院院士、中国环境监测总站原总工程师魏复盛研究结果还表明，PM25和PM10浓度越高，儿童及其双亲呼吸系统病症的发生率也越高，而PM25的影响尤为显著。中国工程院院士、中国环境监测总站原总工程师魏复盛研究结果还表明，PM25和PM10浓度越高，儿童及其双亲呼吸系统病症的发生率也越高，而PM25的影响尤为显著。整体环境科学（SCIENCEOFTOTALENVIRONMENT）上增刊登过北京大学医学部公共卫生学院教授潘小川及其同事一项新发现2004年至2006年期间，当北京大学校园观测点的PM25日均浓度增加时，在约4公里以外的北京大学第三医院，心血管病急诊患者数量也有所增加。虽然PM10和PM25都是心血管病发病的危险因素，但PM25的影响显然更大。PM25世界监控状况据了解，到2010年底为止，除美国和欧盟一些国家外，世界上大部分国家都还未开展对PM25的监测，大多通行对PM10进行监测。值得注意的是，伦敦、巴黎、纽约等对PM25进行频密监测和发布的国际城市，其污染水平也相对较低，与此同时，不少发展中国家的大城市如墨西哥城和新德里等城市，也早已开展了PM25的频密监测和发布。我国PM25污染特性美国国家航空航天局（NASA）2010年9月公布了一张全球空气质量地图，显示了20012006年全球PM25浓度的平均值，显示我国东部地区PM25污染非常严重。地图由加拿大达尔豪斯大学的两位研究人员制作。他们根据NASA的两台卫星监测仪的监测结果，绘制了一张显示出2001年至2006年PM25平均值的地图。在这张图上红色（即PM25密度最高），出现在北非、东亚和中国。中国华北、华东和华中PM25的密度，指数甚至接近每立方米80微克，甚至超过了撒哈拉沙漠。在这张20012006年间平均全球空气污染形势图上，全球PM25最高的地区在北非和中国的华北、华东、华中全部。世界卫生组织（WHO）认为，PM25小于10是安全值，中国的这些地区全部高于50接近80，比撒哈拉沙漠还要高很多。PM25控制方法燃烧源中可吸入颗粒物的控制技术主要包括两类，一类是以减少可吸入颗粒物的数量为目的的控制技术，一种是以减少可吸入颗粒物中某种元素为目的的控制技术。两者相互关联，相互影响。前者主要有布袋除尘器，静电除尘器。静电除尘器被认为是一种可靠、运行费用和维护费用较低的除尘好方法，能满足大多数设备的除尘需要。布袋除尘器是一种高效，维护费用相当高的除尘方法。当采用了静电除尘器后，出口飞灰的平均粒经可达到几个微米，即飞灰中大部分是可吸入颗粒物。电除尘器的除尘效率随着粒经的增加而增加，即便如此，电除尘器对粒经为2M的颗粒的除尘效率也大于99。后者就包括了很多的技术，如为了减少硫酸盐、氮酸盐的技术，为了减少重金属排放的技术和为了减少多环芳烃的技术。现有研究已经表明烟气脱硫方式对重金属的化学形态和浓度都有影响。进一步探明其影响机理，提出脱硫过程中控制重金属的方法具有实用价值。钙基的加入也可以有效降低氯化氢和二恶英的排放。由此可见，合理设计脱硫方法以控制重金属排放，可以有效控制超细颗粒物的形成。对于第一类技术，又可以从两个方面入手解决。一方面是升级除尘设备，从设备上提高对超细颗粒物的捕集率；另一方面是利用外场作用，使得小颗粒长大为大颗粒或小颗粒发生团聚现象，从而可以用传统除尘设备将超细颗粒物除去。从目前的研究方向来看，研究者大多将团聚技术作为目前解决PM25问题的主要手段。现阶段，超细颗粒物的团聚技术主要有声团聚、电团聚、磁团聚、化学团聚（包括热团聚、光团聚等），下面对各种团聚技术进行简单介绍。1声波团聚11声波团聚发展历程气溶胶中的微粒在电场、磁场、温度场和声场中都可能产生团聚，其中声场中的团聚是一种较有发展前景的技术。自1886年WILLIAMOSTWALD提出了声场中微粒团聚的设想以来，很多学者在这方面进行了研究，并将声波团聚技术应用到工业上，产生了一定的经济效益。微粒在声场中的团聚机理非常复杂，很多学者对此做了大量的研究工作。声波除尘技术的原理是声波凝聚现象，根据最小表面能原理，系统有减少表面能的倾向，多分散系统的气溶胶是一种表面能不稳定体系，有相互凝结成较大颗粒的趋势，声波能加速颗粒的运动速率，增加粒子的碰撞几率，从而使气体中的微粒聚集成较大的颗粒而沉降。对声波团聚技术的研究，首先是在冷态下进行的，选择冷态的目的是便于探讨声波团聚微粒的可行性。声波除尘研究大约已有100年的历史，较著名的有宾夕法尼亚大学的DRGETHARDREETHOF和DRGARXKOOPMAN，纽约州立大学DRDAVIDSHAW和加拿大多伦多大学在近15年来的研究成果。宾夕法尼亚大学建立了较完整的声波团聚的基本理论，并主要针对小于6KHZ较低频率的声波团聚技术进行小型实验和技术经济研究，在声波团聚的操作参数影响，团聚后微粒的坚固性、双模态团聚等方面做了很多探索性工作。MICHAEL较早对声波团聚的冷态操作参数进行了系统的研究，试验用声源为电声喇叭，在中等声强120140DB和频率范围16KHZ声场中考察了声强、频率、声波辐射时间和粒子浓度对团聚的影响。RTIWARY等通过实验得到在含尘浓度为130G/M3烟气中粒子团聚的最佳操作参数为声强范围150160DB、频率为L2KHZ及辐射时间为24秒。GEORGE等通过对比分析粒子在ANDERSONMARK型冲击采样器及旋风分离器中所受的剪切应力，研究了微粒团聚后颗粒的结识程度，发现前者比后者要大45倍，并由此得出经团聚后的微粒在旋风除尘器中不会再破碎的结论。HOFFMANNTL等提出双模态团聚方法，即在含尘气体中加入粒径较大的石灰石微粒，利用石灰石微粒的多孔性作为飞灰颗粒的吸附剂。美国于1997年率先颁布了细颗粒PM25环境空气质量新标准，近年来，随着人们对空气中可吸入颗粒物污染尤其是PM25对健康危害的深入了解，空气污染问题逐渐受到全世界的普遍关注，控制燃煤电厂细颗粒物的排放成为新的热点课题，作为控制颗粒排放手段之一的声团聚方法重新激发科研工作者的兴趣。许多工业过程如燃煤电厂、钢铁厂和水泥厂排放的烟尘、粉尘污染中细颗粒占据了相当大的份额，同时诸如电除尘器这样的除尘设备对25UM以下颗粒的脱除效率均较低，因此提高小颗粒除尘效率的一些新技术应运而生。声波团聚是对载尘气流进行中间预处理过程以提高传统除尘装置除尘效率的一种方法。在颗粒进入传统的除尘器之前，先进行预处理将微米和亚微米的颗粒团聚为较大的粒子，然后将预处理后的气溶胶高效过滤是一种目前认为比较有前景的技术和方法。12声波团聚机理声波团聚是利用高强度声场使气溶胶中微米和亚微米颗粒团聚的过程。声波的作用效果在于引起颗粒间的相对运动并因此增加它们的碰撞速率，一旦颗粒发生了碰撞，它们便十分可能粘附而形成较大一级的团聚物，图14为细颗粒声波团聚的示意图。细颗粒声波团聚长大示意图从整体上来看，由于外加声波的作用，发生了颗粒的团聚，在很短的时间范围内，颗粒的分布密度函数（PDF）将发生从小尺寸向大尺寸范围的迁移，团聚后细颗粒平均粒径变大，细颗粒的数目浓度变小。团聚的产物容易通过静电除尘器、布袋除尘器等常规的颗粒清除设备，将变得相对较大的细颗粒从携带的气体中清除掉。因此，声波团聚是一种预处理过程，通过声波团聚作用可提高整个系统的除尘效率。从目前相关研究者的研究成果来看，声波团聚之所以能引起颗粒相对运动主要是因为在声波作用时，出现的颗粒随声波的夹带运动（同向团聚机理）、入射波的反射（交互反射和互相辐射压力作用）以及颗粒附近的流场扰动（声波尾迹相互作用）等效应。几种作用同时存在，在其共同影响下，颗粒相互靠近并最终碰撞黏附在一起形成团聚物。团聚物和其他细颗粒继续发生碰撞，团聚的尺寸不断增大，在很短时间内颗粒的粒径分布向较大粒径的方向迁移，细颗粒的数目浓度降低。在颗粒相对运动和团聚过程中，存在着声场与颗粒、流体介质与颗粒、颗粒与颗粒间的相互作用，而这些作用又相互耦合，这意味着颗粒的声波团聚过程十分复杂。一般认为，声波团聚机理主要有同向团聚作用、流体力学作用、声辐射压力作用、声致湍流等，其中前两者是主要的声波团聚机理。13声波团聚研究进展目前对于声波团聚的研究，主要通过两种方法，即实验研究及数值模拟。131实验研究进展1931年，PATTERSON和CAWOOD首次对声波团聚进行实验研究，他们发现MGO气溶胶在驻波管内聚集长大的现象。1949年CLAIR使用氯化铵气溶胶进行实验，发现了絮状团聚物生成，该实验采用的是观察法，并无定量数据。同年，FAHNOE等采用8005000HZ的声波对平均粒径为1M左右的NACL气溶胶进行预处理，提高了其在旋风分离器的除尘效率，并发现在团聚室里喷入水蒸气能增强团聚效果。此后直到20世纪70年代中期这段时间内，几乎没有声波团聚的实验研究1975年SCOTT等创新性地采用了锯齿波代替正弦波声场，对ZNO气溶胶进行团聚实验，取得了很好的团聚效果，并发现提高气溶胶初始浓度能增强团聚。由于缺乏合适的锯齿波声源，且能量转换效率不高，这方面的研究没有进行下去。1976年VOLK等采用011M的炭黑作试验气溶胶，研究了声压级、频率、含尘浓度和停留时间对声波团聚的影响，发现最佳频率为3KHZ。然而在他的实验中需要很长的团聚时间（1050S）才能得到明显的团聚效果，因此无法为工业应用提供参考。1977年，RAJENDRAN通过实验研究了低声压级声场中声波团聚的可行性，实验采用了055KHZ的声驱动器作为声源，氯化铵颗粒（052M）作为试验气溶胶，结果表明在烟气进入除尘器前，使用声波团聚进行预处理，是经济可行的。1979年SHAW等采用了低频的电声喇叭（13KHZ）和高频的旋笛（1020KHZ）两套声源，对单分散相气溶胶进行了声波团聚实验，发现在低频下团聚效果更好，而高频时声波衰减比较严重。RAJENDRAN等比较了气溶胶在流动和静止两种情况下的声波团聚效果，发现在流动条件下团聚效果降低。他认为原因是流动条件下，气流压制了声波产生的湍流，使湍流引起的团聚减少。1983年CHANG等采用了声压级为145155DB、频率为600300HZ的声场，对氯化铵气溶胶进行声波团聚实验研究，发现声波频率对团聚影响很大，在3KHZ时效果最好。1985年TIWA采用声压级为240165DB、频率为13KHZ的声场，对燃煤飞灰气溶胶（浓度130G/M3，粒径为0120M）进行预处理，在小于65S的停留时间获得较好的团聚效果。他认为对于燃煤锅炉排放的烟气，最佳声波团聚的参数是声压级为160DB，频率为2KHZ。1993年HOFFLNANN等采用低频44HZ、高声强160DB声场，实验研究了燃煤飞灰的声波团聚，并通过添加CACO3大颗粒（粒径为88M）增加燃煤飞灰的团聚效果。1995年，CAPERAN等进行了一系列的声波团聚实验，采用的声源是21KHZ的超声波换能器，最大功率为200W，发现乙二醇液滴气溶胶、TIO2颗粒和燃煤飞灰在长时间的辐射下，能产生明显的团聚效果。1999年，GALLEGOJUAREZ进行了中试规模的实验，在一台05MW的循环流化床锅炉出口和静电除尘器之间加装了一个团聚室，采用4台400W的大功率超声波换能器作为声源，频率为10KHZ或20KHZ。实验发现10KHZ和20KHZ的声波效果相当，处理后的烟气颗粒数目浓度减少了40左右。RIERAFRANCO使用同样的声源，对柴油机排放的烟气进行处理，发现20KHZ的声波团聚效果比L0KHZ更好，同时发现如果在烟气中增加体积分数为6的水蒸气，可以提高团聚效果。2000年，刘淑艳等实验发现，经15KHZ，150DB的声波处理后，旋风分离器对燃煤飞灰的除尘效率提高了34“。2004年，KOMAROV等实验研究了900高温条件下的声波团聚，使用ZN在高温下蒸发，凝聚成0180M的气溶胶，实验发现声波频率为991HZ时团聚效果最好，此时气溶胶颗粒数目浓度减少50左右。2007年陈厚涛等采用1KHZ的声波对流化床锅炉的烟气进行处理，使气溶胶颗粒数目浓度降低60左右，之后，又采用同样的声源对柴油机排放的亚微米气溶胶进行声波团聚实验，也取得了很好的团聚效果。2007年，徐鸿等采用15KHZ的声波进行团聚实验，发现对于燃煤飞灰，最佳团聚频率是29KHZ。综上所述，早期，前人通过实验研究的方法对声波团聚的研究内容主要是选取一定范围的声压级、频率的声场，然后制备一种亚微米级气溶胶颗粒，通过实验研究特定范围的声场对气溶胶颗粒团聚的效果，分析声压级或频率的变化对团聚现象的影响，团聚效果的表征也停留在定性的层面，最后找出最佳的团聚条件，以指导工程应用。近期，研究者们通常使用燃煤飞灰作为研究对象，或者是选几种定向制备的气溶胶颗粒作为对比，选定一定范围声压级、频率的声场，同时，对其他影响因素也进行了定量的控制，定量表征了各因素对团聚效果的影响。从早期到近期的实验研究上来看，研究者们对声波团聚的研究仅停留在摸索影响规律的层面，并没有对影响的机理进行深入的研究。导致这一现象出现的原因可能是声波团聚的机理过于复杂，现在还没有统一的认识；或者是因为现阶段水平的实验研究不能较好将各个影响因素控制在理想范围内。由于以上这些原因的存在，目前阶段的实验研究只是帮助人们认识声团聚随声场及其他条件的变化规律，并没有帮助人们深入了解声团聚的机理。因此，另一种研究团聚的方法数值模拟研究，引起了相关研究人员的兴趣。132数值模拟研究与实验研究相比，数值模拟具有成本低、时间短、能够模拟任何工况、不受实验条件限制等优点。随着计算机技术的发展，数值模拟成了几乎所有课题的重要研究工具之一，声波团聚当然也不例外。1977年，VOLK进行了最早的声波团聚数值模拟，模型主要基于MEDNIKOV的同向团聚机理，另外还包含了声辐射力等二次效应。他将各个机理下的团聚核函数相加，得到总团聚核函数。由于该模型过于简化，且没有考虑流体力学作用，因此模拟结果低于实验值。1980年，CHOU采用了标准矩量法METHODOFMOMENTS对声波团聚进行数值模拟，采用的数值模型为同向团聚机理（声压级小于160DB）和湍流团聚机理（声压级大于160DB）。为了使矩量法适用于声波团聚，他假设气溶胶的粒径分布在任意时刻都能满足对数正态分布。他对湍流强度的处理存在问题，而且对气溶胶粒径分布的假设与实际情况不符，所以他的数值模型无法很好地描述声波团聚过程。1981年，PATEL采用了矩量法和离散法两种方法模拟了声波团聚，采用的机理为同向团聚机理和共辐射效应。其中矩量法采用的是美国ATOMICINTERNATIONAL开发的HAARM商用气溶胶计算程序，与CHOU的数值模拟一样,需要假设气溶胶在任意时刻均满足对数正态分布才能求解。他还尝试了离散法，将气溶胶动力学方程按照颗粒的体积分组，进行求解。1981年，CHENG的数值模拟采用了PATEL的离散法，该模型仍比较粗糙，只考虑了同向团聚机理和布朗团聚机理。1985年，TIWARY改进了PATEL的数值计算模型，他仍然采用将气溶胶颗粒体积按照几何增长的分组方法，但颗粒团聚后的颗粒并不是简单地归于某个分组，而是按照某种算法分配到几个不同的分组中。经过这个改进，只需较小的分组数目就可以获得很高的计算精度，且气溶胶体积在计算中更易守恒。然而，TIWARY的数值模型中只考虑了同向团聚机理，且将再填充因子和碰撞效率均设为L，与实际情况差别较大。1990年，SONG建立了完整的声波团聚数值模型，采用的算法是气溶胶动力学方程的离散化解法，采用的机理是同向团聚机理和改进的共辐射压作用。之后，SONG又进行了改进，将共散射效应包含进新的模型。1994年，TEMKIN采用离散法对声波团聚进行了数值模拟，采用的分组方法是按照颗粒体积线性分组，好处是计算时气溶胶总体积能够严格守恒。但使用该方法时，粒径范围跨度不能大于L个数量级，否则分组数目过多。因此他的模型只能用于计算粒径在较窄范围内的团聚情况。而且，该数值模型只考虑了最简单的同向团聚机理，过于简化。1999年，EZEKOYE采用GELBARD和SEINFLDLS开发的MAEROS计算程序对声波团聚进行模拟，该程序的实质也是将气溶胶按照颗粒体积分组，模型包含的机理是同向团聚机理和SONG改进的共辐射压作用。2006年，徐鸿对声波团聚数值模拟进行了数值模拟，包含了同向团聚机理、共辐射压作用和共散射效应，并于实验数据进行比较，发现两者符合得较好。2006年，SHENG开始尝试使用等体积蒙特卡罗方法对声波团聚进行数值模拟，模型包含布朗团聚、同向团聚和流体力学作用机理。2007年又做了改进，将壁面沉积和重力沉降加入模型。133国内近年来数值模拟进展东南大学洁净煤发电及燃烧技术教育部重点实验室姚刚等人利用声波团聚同向合并作用模型和气溶胶团聚动力学方程，分别对考虑和不考虑团聚体分形特性下的超细固体颗粒声波团聚效果进行了模拟，将模拟结果和实验进行了对比。数值模拟了声场强度、声波频率、颗粒质量浓度等参数在考虑分形的条件下对团聚效果的影响，结果表明，团聚效果随颗粒质量浓度线性增加，随声波强度呈指数增加，对声波频率则存在一个团聚效果最佳的频率值。之后利用区域算法（区域算法是将气溶胶颗粒按照其粒径进行分组）求解超细颗粒声波团聚的动力学方程（GDE），数值模拟了声波团聚前后的超细颗粒的谱分布变化，并同相关实验数据和数值算法进行了比较和分析。区域算法结果和实验数据以及数值解之间吻合较好，并且利用该算法研究了颗粒质量浓度、声波频率和声波强度对超细颗粒团聚效果的影响，结果表明颗粒质量浓度和声强的增加均有利于颗粒的团聚，而声波频率则存在一个最佳值。浙江大学热能工程研究所采用改进的区域算法对燃煤飞灰声波团聚过程进行了数值模拟，以克服传统区域算法精度低、气溶胶总颗粒体积不易守恒等缺点。与实验数据的对比表明，数值模拟结果基本上能够较好地符合实验值，仅在粒径较大时由于大颗粒的重力沉降使数值模拟计算值略高于实验值。计算和实验结果均表明，频率对声波团聚的影响很大。对于燃煤飞灰气溶胶，最佳团聚频率为1400HZ左右。随着气溶胶停留时间的增加和声压级的增强，燃煤飞灰声波团聚效果变好。数值模拟研究方法的发展是随着声波团聚机理的不断完整而进行的。机理的提出旨在解释团聚过程中的一些现象，当出现解释不通的现象时，就必须提出新的机理对其加以解释。新的机理出现后，再对数值模拟方法进行改进，从而就可以更加精确地描述团聚中出现的一些现象，帮助人们更加清楚地认识团聚机理。由于团聚机理的复杂性，在利用数值模拟方法进行计算时，首先要对真实的团聚过程进行简化，仅考虑一些最重要的机理，而忽略次要因素，建立简化的模型。这样既可以节省计算空间，又可以比较专一地研究主要机理，有助于深入理解该机理。简化模型建立之后，还要做一些必要的假设，这些假设是数值模拟能够进行的必要条件。假设的合理与否也直接影响数值计算结果的正确性。比如假设碰撞之后不发生破碎，颗粒粒径分布规律等。经过上述步骤之后，就基本建立了声波团聚的数值计算模型，之后的工作就是得到各个机理作用下的团聚核函数，然后通过一定的叠加原则（如线性相加）得到总的团聚核函数。然后再采用数值计算方法，对团聚过程中气溶胶性质（主要是颗粒数目和体积）的变化进行数值求解。从上述研究者们做的工作中可以看出，数值计算方法主要有三种，分组法、矩量法和蒙特卡罗法。2化学团聚化学团聚是通过添加具有吸附作用、胶结作用及絮凝作用等的化学物质使细颗粒物团聚结合成更大颗粒物，达到能够被常规除尘方法除去的颗粒粒径级别的方法。化学团聚属于通过添加剂的辅助而实现颗粒物聚结长大成团的方法大类，根据加入添加剂的作用机理和加入位置不同，可以分为在颗粒物生成过程中团聚和颗粒物生成过程后团聚；加入添加剂以促进团聚，既可以发生在高温固体熔融状态下固体颗粒与颗粒之间聚合成团，又可以是在含有细颗粒物的气体中，通过添加剂的作用促使颗粒物结合长大。燃烧中化学团聚是指在燃烧室中注入高温条件下能够稳定存在的固相或气相吸附剂，通过为气态细颗粒物前驱物提供凝结基核或与之发生化学反应，进而抑制细颗粒物的生成，并增大燃煤颗粒物的粒度。燃烧后化学团聚是指通过在烟气中喷入少量团聚促进剂，利用絮凝理论增加细颗粒物之间的液桥力和固桥力，促使细颗粒物长大，进而提高后续常规除尘设备的脱除效率。化学团聚剂的选择也会极大的左右团聚效果的好坏，不同类型的飞灰颗粒要选用不同的的团聚剂。目前使用较多的高分子有机絮凝剂，例如像黄原胶、羧甲基纤维素钠（CMC）。它们适用性比较广，可以适应成分不同的多种燃煤飞灰，而且作用时间较长，喷入团聚室内，由于挥发较慢，可以长时间作用于飞灰颗粒，促使它们团聚变大。但是它们价格较高，如果用的较多的话，可能造成团聚成本偏大。21化学团聚发展历程ZHUANG等人通过实验发现，在小型煤粉炉的排烟系统中加入粘结剂可以有效促使超细颗粒物凝聚在一起，超细颗粒物粒径明显增大。YEZHUANG针对俄亥俄州燃煤颗粒用化学团聚方法进行了系统的实验，煤燃烧时在燃烧室中喷入气相吸附剂，检测团聚前后收集到的颗粒的元素组成及其粒径分布；并且在不同工况下进行实验，实验得出不同温度下化学团聚的效果。TORBEN分析了影响团聚形成和高剪切搅拌器熔融团聚的生长机制的因素，团聚的形成可能是由于分配机制，或浸润机制，也可能是两种机制共同作用的结果。DURHAM在燃煤电站烟道内喷入由纤维素，树脂，多聚糖及衍生物等组成的粘性剂进行实验，实验发现，这种方式能够很大的提高静电除尘器对细微颗粒物的脱除效率。通过对以上各种团聚方法的介绍分析，化学团聚技术很有优势，不仅可以对亚微米颗粒物有效脱除，具有工业实际应用的前景，并且还有望实现多种污染物同时脱除。下图为燃烧后静电除尘器前烟道采用化学团聚方法的示意图。烟道中采用化学团聚方法示意图22国内研究现状华中科技大学魏凤研究了燃煤飞灰成分对痕量砷的吸附规律，选用一般飞灰中含量较多的四种单一成分AL2O3、CAO、MGO和SIO2，分别进行了不同温度下含砷物质的挥发和吸附的实验研究，并在吸附理论和质量扩散理论的基础上，模拟了CAO对砷的吸附过程。为了减少燃煤亚微米颗粒的排放，本文提出采用化学团聚促使颗粒物团聚成较大粒径后加以除去的方法，该方法的提出开辟了一条亚微米颗粒的排放控制新思路。对此，本文进行了较为系统的理论工作，推导了基于喷雾理论的团聚剂促进亚微米颗粒团聚的模型，研究了亚微米颗粒间的团聚作用力。陈俊在超细颗粒物化学团聚促进方面做了一些开创性的探索。由于超细颗粒物的微观形和复杂性，其化学行为与动力学行为十分特殊，对超细颗粒物的团聚控制机理则主要依据理论或实验的推测，不确定性因素较强，超细颗粒物的污染控制研究因此受到极大的制约。需要建立新的研究思路，寻求新的研究手段。因此，作者在超细颗粒化学团聚促进方面进行一些开创性的研究工作，为有效地控制超细颗粒物排放提供理论基础和技术支撑。具体开展了如下的研究工作1建立化学团聚实验的喷雾团聚实验台架；2通过实验对影响喷雾团聚的各种不同因素进行分析，并开发出无害廉价实用的高效团聚剂；3模拟计算喷雾团聚中颗粒物被吸附团聚的过程；4探讨对颗粒物的喷雾团聚提出合理的理论解释。李海龙、张军营等以青山电厂燃煤细颗粒为对象，采用激光粒度仪对细颗粒在化学团聚剂中的团聚行为进行实验研究。通过分析聚合氯化铝（PAC）、非离子型聚丙烯酰胺（PAM）、羧甲基纤维素钠（CMC）、黄原胶（XTG）4种高分子化合物对细颗粒的团聚效果，发现PAM对细颗粒的团聚效果最为明显，细颗粒主要通过高分子链的吸附架桥作用发生团聚。接着，他们以团聚体粒度分析为主要手段研究了燃煤细微颗粒在化学团聚剂中的团聚行为，考察了团聚剂种类、团聚剂量、团聚剂浓度、表面活性剂、磷酸、温度等因素对颗粒团聚的影响。张凯对超细颗粒物化学团聚微观吸附机理进行了蒙特卡罗模拟，同时对团聚室内流场进行了FLUENT模拟以及气固液多相流蒙特卡罗模拟。王宇翔针对300MW燃煤机组进行化学团聚系统设计，并对实验台架下的团聚室和实际应用时的团聚内流场FLUENT数值模拟分析。陈富华在化学团聚的絮凝理论基础上，提出用斯蒂芬流理论来分析研究化学团聚过程的机理，斯蒂芬流首先存在于化学团聚过程中，并通过相关公式来证实其存在，并从团聚剂溶液液滴蒸发角度来阐述由斯蒂芬流对化学团聚作用过程带来的影响，在烟气湍流流动中，斯蒂芬流的影响不可忽视。哈尔滨工业大学刘加勋在借鉴前人研究成果的基础上，提出了一种复合喷动流态化技术，对燃煤颗粒物的化学团聚行为进行了实验研究和理论分析。选取几种团聚剂在自行设计搭建的多级喷动团聚实验台上进行了系统的实验研究，结果表明喷入团聚剂后可以有效降低尾部烟尘浓度。通过团聚剂优选，进一步研究了表面活性剂、团聚剂PH值、团聚剂浓度、团聚剂流量、团聚剂存放时间、给粉浓度、烟气量、团聚室温度等因素对团聚效果的影响。综上所述，国内研究者对于化学团聚的研究方法也分为实验研究及数值模拟研究。国内对于化学团聚的研究起步较晚，本世纪初才有研究者开始对其进行研究，目前对于化学团聚的认识还不够深入。前人实验研究的重点在于寻求高效的团聚促进剂，通过实验分析各影响因素（如促进剂量、存放时间、浓度、PH值等）对团聚结果的影响，最终的目的是得到最佳的团聚剂及能实现高效团聚的条件。随着研究的进行，人们对团聚过程的认识不断深入，由于实际团聚过程的复杂性和微观性，就需要对实际的团聚过程进行简化，建立团聚理论模型，所以数值模拟方法越来越得到人们的重视。从前人研究现状来看，大部分研究者将实验研究与数值模拟研究相结合，通过分析实验结果，阐述各因素的影响规律，然后通过数值模拟对其进行验证，从而揭示相关的机理，加深对团聚机理的认识。化学团聚与声波团聚的数值模拟类似，计算的核心是建立合适的简化模型，从而方便得到团聚核函数，然后选用相应的数值计算方法对气溶胶动力学方程求解。3电团聚电团聚是提高粉尘团聚的有效方法之一。这种方法通过增加微细颗粒的荷电能力，促进微细颗粒以电泳方式到达飞灰颗粒表面的数量，从而增加颗粒间的团聚效应。电团聚研究主要概括为四个方面异极性荷电粉尘的库仑团聚；异极性荷电粉尘在恒电场中的团聚；同极性荷电粉尘在交变电场中的团聚；异极性荷电粉尘在交变电场中的团聚。研究发现异极性荷电粉尘在交变电场中的团聚作用远大于同极性荷电粉尘在交变电场中的团聚。目前，电团聚理论与实验研究的核心是确定电团聚速率电团聚系数大小。其研究目的是尽可能地提高微细尘粒的电团聚速度，使微细尘粒在较短的时间内尽可能地团聚而增大粒径，从而有利于被捕集。向晓东等根据碰撞理论推导出异性荷电粉尘在交变电场中的团聚系数，并根据粉尘团聚过程趋于“自保分布”的概念，建立了多分散性粉尘粒度分布随团聚时间变化的关系。用电团聚技术能够使电除尘器除去超细颗粒物的效率大为提高。但除尘极板捕捉的颗粒累计一定数量后，效率大大降低了，需用燃烧法再生，这限制了电团聚技术在工业中的使用。4热团聚热团聚又称为热扩散团聚，是指超细颗粒物在没有外力、温度较高的环境下产生明显的成核和团聚的现象。SMOLUCHOWSKI首先建立了在静止连续介质中的球形超细颗粒物热团聚模型，并且认为要使超细颗粒物增长到较大的粒径，需要较长的时间。LIND进行了滴管炉燃烧实验，确定了初始温度、氧气浓度和给煤速率对炉内温度的影响，进而分析了温度对超细颗粒物团聚的作用。并将实验结果与实际情况进行比较发现，氧气浓度为15时，燃烧温度较高，颗粒团聚后的粒径较大。通常，对于烟尘浓度高，粒径相差较大的颗粒物，热团聚的效果比较明显。即使这样，热团聚的团聚过程仍十分缓慢。例如常温下单分散性的球形超细颗粒，要将其计数浓度为10粒/CM降至10粒/CM3，也就是说让超细颗粒物的体积等效增22倍，忽略重力沉降和边壁效应，按经典的热团聚方程计算，其团聚所用的时间约要9H以上。由于热团聚过程缓慢，因而难以在工业中得到应用。5湍流团聚和梯度（边界层）团聚湍流团聚就是超细颗粒物在湍流的射流中有明显的成核和凝聚现象，而且成核和凝聚的颗粒将进一步长大。梯度团聚是由于横向速度梯度引起的碰撞而导致的团聚现象，边界层的横向速度梯度最大，故梯度团聚也称为边界层团聚。许世森分析了超细颗粒物的预团聚对旋风分离器高温除尘性能的影响。认为在湍流流动中，同时存在