细颗粒核化凝结长大实验平台设计及特性研究-动力工程硕士论文

隶南大粤 硕士学位论文 细颗粒核化凝结长大实验平台设计及 特性研究 导师姓名：韭垩 王斌 万方数据 F 玳EP I A R T I C L EG R O W T HB Y N U C L E A T I O NA N DC O N D E N S A T I O N E X P E M E N TS Y S T E MD E S I G NA N D C H A R A C T E I UST I CR ESE A R C H AT h e s i sS u b m i R e dt o S o u t h e a s t U n i v e r s i t y F o rt h eA c a d e m i c D e g r e eo fM a s t e ro f E n g i n e e r i n g B Y X UJ u n c h a o S u p e r v i s e db y P r o f Z h a n gJ u n a n d W A N GB i n S c h o o lo f E n e r g ya n dE n v i r o n m e n t So u t h e a s t U n i v e r s i t y S e p t e m b e r2 0 1 4 万方数据 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期：y l 中L 驴l 与 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学 位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文 的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 导师签名：日期： 多易备 一 钞f 印D f 3 万方数据 摘要 摘要 细颗粒物给大气环境和人类身体健康带来了严重的危害，燃烧源排放的细 颗粒物是大气中细颗粒物的主要来源之一。传统的除尘设备对于细颗粒物的控 制效率却非常有限，通过蒸汽相变促进细颗粒物核化凝结长大的预处理措施， 是提高传统除尘设备对细颗粒物的脱除效率是重要的技术方法。 本论文针对细颗粒物在水汽作用下核化凝结长大的机理研究设计搭建了新 的细颗粒核化凝结长大实验平台，对实验平台的生长管内热水与气流之间的传 热传质进行了模拟计算，深入的研究了热水温度、气流流速、细颗粒物初始浓 度等参数对细颗粒物核化凝结长大影响，探讨了平台中细颗粒物的长大特性。 平台的重要组成部分是生长管，由于细颗粒物是在生长管中核化凝结长大 的，所以针对生长管内热水与混合气之间的传热传质进行了理论计算分析。结 果表明，通入热水后，生长管内的温度和压力分布都发生了变化，随着热水温 度增大，生长管内的过饱和度也增大；生长管内的最大过饱和度发生在管子的 中心线上。 为了探索细颗粒物核化凝结长大平台的特性，进行了细颗粒物在不同的实 验条件下的长大实验，结果表明： 1 通入热水后，在水蒸汽的作用下，细颗粒物的粒径都有所增大，说明蒸 汽可以使细颗粒物核化凝结长大；随着温度的上升，蒸汽与混合气在生长管内 形成的过饱和度越来越大，温度越高，越有利于细颗粒物的激活；流速增大， 整个细颗粒物的粒径分布都有向左移动的趋势，说明流速越大，长大的效果越 差；随着浓度增大，造成了蒸汽的耗散效应增大，从而使得细颗粒物长大的最 终直径变小；说明可以通过改变平台的参数来研究细颗粒核化凝结长大的过程； 2 蒸汽过饱和条件下，细颗粒物的算术平均直径可以长大到5 4 u m ； 3 平台中各参数对于蒸汽在细颗粒物表面核化凝结的影响权重是不一样 的，排序为温度 速度 浓度。 4 细颗粒物的粒径分布( 数量和体积) 、选定的特征参数D 1 0 、D 2 5 、D 5 0 、 D 7 5 和D 9 0 ，以及细颗粒的算术平均直径可以用来研究细颗粒物在平台中的长 大过程。 本文的研究结果可以为水汽相变促进细颗粒物核化凝结长大的过程探索提 供实验准备和理论支持。 关键词：细颗粒；蒸汽；过饱和：核化凝结长大；平台特性； 万方数据 A b s t r a c t A b s t r a c t T h ep a r t i c l eh a v eb a de f f e c to ne n v i r o n m e n ta n dh u m a nh e a l t h ，p a r t i c l e e m i s s i o nf r o mi g n i t i o ni St h em a j o rs o u r c eo fa i r p a r t i c u l a t e T r a d i t i o n a l d u s t r e m o v i n ge q u i p m e n th a v eal i m i t e de f f e c t o nc o n t r o l l i n gp a r t i c l e V a p o r c o n d e n s m i o no np a r t i c l ee n l a r g e m e n ti Sa ni m p o r t a n t p r e t e c h n i q u et oi m p r o v et h e r e m o v a le 伍c i e n c yo ft r a d i t i o n a ld u s t r e m o v i n ge q u i p m e n t T h i sp a p e rd e s i g n e dan e we x p e r i m e n ta p p r o a c ht od e v e l o pt h ee n l a r g e m e n to f p a r t i c l es i z eu n d e rt h ev a p o rc o n d e n s a t i o n W i t ht h en e we x p e r i m e n t a ls y s t e m W e h a v et a k e nas e r i o u so fa n a l o gc a l c u l a t i o no nh e a ta n dm a s st r a n s f e rb e t w e e nh o t w a t e ra n dg a sm i x t u r ei nt h eg r o w t ht u b ea n dh a v er e s e a r c h e dr e l a t i o n so fp a r t i c l e e n l a r g e m e n tw i t ht h ef a c t o r so fh o tw a t e rt e m p e r a t u r e ，m i x t u r ev e l o c i t y , a n di n i t i a l p a r t i c l ec o n c e n t r a t i o nt oe x p l o r et h eg r o w t hc h a r a c t e r i s t i co f t h i ss y s t e m T h eg r o w t ht u b e t h em o s ti m p o r t a n tp a r to ft h i s s y s t e m ，i S w h e r et h e s u p e r s a t u r a t i o nc o n d i t i o ni Sc r e a t e da n dt h ep a r t i c l es i z ee n l a r g e m e n tt a k e sp l a c e T h et h e o r e t i c a la n a l y s i so fh e a ta n dm a s st r a n s f e rb e t w e e nh o tw a t e ra n dg a sm i x t u r e i nt h eg r o w t ht u b eh a sb e e nd o n e T h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a tt h et e m p e r a t u r ea n d p r e s s u r ei nt h eg r o w t ht u b ec h a n g e sw i t ht h eh o tw a t e ri n l e t ，f u r t h e r m o r e ，t h e s u p e r s a t u r a t i o ne n l a r g ew i t ht h et e m p e r a t u r eo fh o tw a t e rr a i s i n g W 色a l S Of i n dt h e m a x i m u mo fs u p e r s a t u r a t i o na p p e a r sa tt h ea x i so fg r o w t ht u b e T or e s e a r c ht h e s y s t e mc h a r a c t e r i s t i c so fp a r t i c l ee n l a r g e m e n t ，w et a k ear a n g eo fe x p e r i m e n t so n d i f f e r e n te x p e r i m e n t a ls i t u a t i o n s T h e nw eg e tt h ec o n c l u s i o n sa sf o l l o w ： 1 W i t hh o tw a t e ri n l e t ，t h ep a r t i c l es i z ei n c r e a s eb yv a p o rc o n d e n s a t i o n ，S Ot h e s y s t e mc a np r o m o t et h ep a r t i c l eg r o wu pu n d e rt h es u p e r s a t u r a t i o n 2 T h ev a p o ra n dg a sm i x t u r eb u i l das u p e r s a t u r a t i o ne n v i r o n m e n ti nt h eg r o w t h t u b ea n dt h es u p e r s a t u r a t i o nw i l le n h a n c ew i t ht h et e m p e r a t u r er a i s i n g T h eh i g h e r t e m p e r a t u r e t h eb e R e rf o rp a r t i c l ea c t i v a t i o n S ow ec a ng e tt h er e s u l tt h a tt h es y s t e m c a ni m p r o v et h ee f f e c tf o rv a p o rc o n d e n s a t i o no np a r t i c l eb yr a i s i n gt h et e m p e r a t u r e 3 V e l o c i t yi n c r e a s i n g t h ef i n ep a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o ns h o w st h et r e n dt o m o v et ot h el e f t T h eh i g h e rv e l o c i t yl e a d i n gt ot h ep o o r e re f f e c t ，S Ol o w e rg a s v e l o c i t yi nt h es y s t e mC a ni m p r o v et h ee f f e c to ff i n ep a r t i c u l a t em a t t e rg r o w i n gu pi n t h eg r o w t ht u b e 4 C o n c e n t r a t i o ni n c r e a s i n g ，r e s u l t i n gi nt h ed i s s i p a t i o ne f f e c to fV a p o r i n c r e a s e st om a k et h ef i n ep a r t i c u l a t em a t t e rg r o wu pi nt h ef i n a ld i a m e t e rs m a l l e r I t i Si l l u s t r a t e dt h a tt h eg r e a t e rt h ei n i t i a lc o n c e n t r a t i o no fp a r t i c l ei nt h es y s t e m ，t h e l e s sc o n d u c i v et op a r t i c l es i z ee n l a r g e m e n t 5 T h ep a r a m e t e r si nt h es y s t e mh a v ed i f f e r e n ti m p a c to nt h eV a p o r c o n d e n s a t i o no nt h ep a r t i c l es u r f a c en u c l e a t i o n T h eo r d e ri s ：t e m p e r a t u r e v e l o c i t y c o n c e n t r a t i o n 6 T h es e l e c t e dc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so ff i n ep a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n ( t h e n u m b e ra n dv o l u m e ) ，a r eD 1O ，D 2 5 ，D 5 0 ，D 7 5a n dD 9 0 A n df i n ep a r t i c l e so f a r i t h m e t i ca v e r a g ed i a m e t e rc a nb eu s e dt os t u d yt h ef i n ep a r t i c u l a t em a t t e ri nt h e g r o w i n gu pp r o c e s s i n gi nt h es y s t e m T h er e s u l t so ft h i ss t u d yC a np r o v i d i n ge x p e r i m e n tp r e p a r a t i o na n dt h e o r y s u p p o r tf o rt h ee x p l o r i n gp r o c e s s i n go fv a p o r c o n d e n s a t i o no np a r t i c l ee n l a r g e m e n t K e y w o r d s ：p a r t i c l e ；V a p o r ；s u p e r s a t u r a t i o n ；c o n d e n s a t i o n a n dg r o w t h ；s y s t e m c h a r a c t e r i s t i c I I 万方数据 目录 目录 摘要I A b s t r a c t I I 第一章绪论1 1 1 课题的背景及意义1 1 1 1 我国的能源结构分布及细颗粒P M 2 5 的污染现状1 1 1 2 细颗粒P M 2 5 对人体健康和经济损失的影响2 1 1 3 细颗粒物长大脱除技术3 1 2 蒸汽凝结促进细颗粒长大的研究现状4 1 2 1 国内外学者的实验研究平台简介4 1 2 2 晶胚的形成机理和影响因素6 1 2 3 液滴长大的影响因素9 1 2 4 蒸汽凝结促进P M 2 5 脱除的应用研究1 0 1 3 课题的研究内容和思路1 2 1 4 本章小结_ 1 3 第二章实验平台的设计及搭建1 4 2 1 引言1 4 2 2 实验平台1 4 2 3 生长管的几何尺寸及计算方法l7 2 4 实验仪器及介绍18 2 4 1 实验仪器18 2 4 2D P 0 2 激光粒度仪工作原理1 9 2 4 3E L P I 介绍2 2 2 5 本章小结2 2 第三章生长管内蒸汽过饱和场的数值模拟2 3 3 1 引言2 3 3 2 单个颗粒的传热传质分析2 3 3 3 生长管内传热传质2 5 3 3 1 建立模型2 6 3 3 2 生长管内温度T 2 8 3 3 3 生长管内蒸汽平衡分压力P 2 9 3 3 4 生长管内蒸汽的当地分压力P v 3 1 3 3 5 生长管内过饱和度S 3 2 3 4 本章小结3 4 第四章平台实验特性研究3 5 4 1 引言3 5 4 2 实验3 5 4 2 1 实验方法3 5 4 2 2 实验工况3 5 4 3 实验结果及讨论3 6 4 3 1 不同条件对平台实验特性的影响对比3 6 4 3 2 细颗粒在平台长大过程中的粒径特征参数和平均粒径分析5 0 4 4 本章小结5 3 万方数据 目录 I I 舛铂矾铊 一 一 一 一 一 一 一 i | 一 一 一 一 文 望一 一论 展 的 及 表 结 发 总 问 文 期全献读章文在五考谢者第参致作 万方数据 第一章绪论 1 1 课题的背景及意义 第一章绪论 1 1 1 我国的能源结构分布及细颗粒P M 2 5 的污染现状 据报道，早在2 0 0 3 年我国能源消耗总量己居世界第二位，约占世界能源消 耗总量的1 1 。2 0 1 2 年，最新数据表明我国能源消耗总量为3 6 1 7 亿吨标准煤 【1 】，下图给出了我国2 0 1 2 年的能源结构分布，从图1 1 中可以看出，我国的能 源消费主要还是依赖于煤炭和石油这些化石能源，尤其是煤炭的消耗依然是我 国能源的主要支柱，由于我国人口众多，人均能源的占有量和消费量均处于较 低水平。我国煤炭消费量每年约占全世界煤炭消耗总量的2 6 6 ，可以称为全 球煤炭消费的第一大户，约占我国消耗总量的6 7 ，世界平均水平是2 5 ，且 能源利用率低，专家预测【2 J ，在本世纪前3 0 年内，煤炭在我国一次能源构成中 仍将占主体地们，这种以煤炭和石油为主的化石能源结构是造成我国大气中 P M 2 5 含量居高不下的重要原因。 2 0 1 2 年我国能源结构分布 蠢煤炭：慧石油麓天然气羹水电、核电、风电 图1 - 1 我国的能源结构分布 2 0 1 3 年上半年我国7 4 个城市平均达标天数比例为6 4 4 ，超标天数比例 为3 5 6 ，其中轻度污染占2 1 5 ，中度污染占8 8 ，重度污染占4 9 ，严重 污染占0 4 t 引。7 4 个城市P M 2 5 平均浓度为7 6 l ae d m 3 ，仅舟山、惠州、海E l 和拉萨4 个城市P M 2 5 浓度达到或优于空气质量年二级标准( 年二级标准限值 为3 5Hg m 3 ) ，石家庄市为1 7 2l ag m 3 ，与年浓度标准相比超标近4 倍。京津 冀地区城市上半年P M 2 5 平均浓度为1 1 51 te d m 3 ，区域内所有城市均未达到 P M 2 5 年均值二级标准；长三角地区城市上半年P M 2 5 平均浓度为6 9l ag m 3 ， 仅舟山满足P M 2 5 年均值二级标准；珠三角地区城市上半年P M 2 5 平均浓度为 万方数据 东南大学硕士学位论文 4 4u g m 3 ，仅惠州满足P M 2 5 年均值二级标准，P M 2 5 污染形势严峻。2 0 1 3 年 全年监测数据表F l f t 4 ，京津冀、长三角、珠三角区域是空气污染相对较重的区 域，尤以京津冀区域污染最重。京津冀1 3 个城市中，有1 1 个城市排在污染最 重的前2 0 位，其中有7 个城市排在前1 0 位，部分城市空气重度及以上污染天 数占全年天数4 0 左右。京津冀区域城市P M 2 5 超标倍数在O 1 4 3 6 倍之间， 长三角区域城市P M 2 5 超标倍数在O 4 1 3 倍之间( 舟山市不超标) ，珠三角 区域城市P M 2 5 超标倍数在0 0 9 0 5 4 倍之间。空气污染呈现复合型特征。7 4 个城市首要污染物是P M 2 5 ，其次是P M I O ，臭氧和二氧化氮也有不同程度超 标情况。7 4 个城市空气质量呈现传统煤烟型污染、汽车尾气污染与二次污染物 相互叠加的复合型污染特征。图1 2 给出了北京市P M 2 5 来源百分比【5 J ，从图 中可以看出P M 2 5 的一次主要来源为燃烧污染和机车排放污染。 冶 图1 - 2 北京市大气P M 2 5 来源百分比 1 1 2 细颗粒P M 2 5 对人体健康和经济损失的影响 P M 2 5 粒径小，数量庞大，并且由于粒径越小，表面积越大，沉降速度慢， 传播距离远，可为一些化学物质、细菌、病毒提供载体。研究表明空气动力学 直径小于2 5 1 t m 的细颗粒物可以到达肺泡并沉积，进而进入血液循环，损害全 身各个系统，会对人体的肺部及呼吸系统、心血管系统造成损害，同时增加早 死率和罹患癌症折风险。大量科学研究结果1 6 堪J 表明P M 2 5 可以导致许多健康 损害，如哮喘、支气管炎、急性各慢性呼吸系统疾病，甚至可导致非正常的死 亡。 欧美等发达国家的研究【9 J 表示，P M 2 5 如果每立方米增加1 0 个微克的话： 肺癌发生的风险欧洲的增加1 8 ，美国则增加1 4 ；而肺癌的死亡率美国的从 1 5 增加到2 7 ，日本则可以增加2 7 。特别是对孩子的肺功能的影响，国外 的资料显示P M 2 5 每立方米增加1 0 微克，孩子不正常的肺功能可以增加3 。 2 万方数据 第一章绪论 P M 2 5 造成的大气污染同时也给经济带来了巨大的损失。桑燕鸿等人uu J 研 究了2 0 0 5 年广东省大气污染对人体健康影响的经济损失，核算结果表明，2 0 0 4 年广东省大气污染造成的人体健康损失为1 1 2 1 亿元，占当年G D P 的0 5 。 同样胡雁【l l J 对青岛市大气污染所致健康危害的经济损失定量评估结果表明，大 气污染对人体健康影响的经济损失为3 5 3 亿元，并且由于大气污染长期作用的 特点，实际的损失要比3 5 3 亿元大。表1 1 是学者u2 J 通过健康危害及经济损失 计算模型计算出的2 0 1 0 年P M 2 5 导致的健康危害及经济损失汇总。 表1 12 0 1 0 年P M 2 5 导致健康危害与经济损失 城市 P M 2 5 浓度( I X g m 3 ) 死亡人数经济损失( 亿元) 北京7 2 62 3 4 91 8 6 上海4 7 42 9 8 02 3 7 广州 4 21 7 1 51 3 6 西安7 87 2 0 5 8 可以看出，越来越严重P M 2 5 污染不仅仅损害了我们的身体健康，同时也 在迫使我们为P M 2 5 污染的致病付出经济损失的代价。控制P M 2 5 在大气中含 量的任务迫在眉睫。 1 1 3 细颗粒物长大脱除技术 由于P M 2 5 颗粒物的粒径太小，以致于传统的除尘设备在面对P M 2 5 时脱 除效率低下，像高效旋风除尘器脱除l l a m 颗粒的效率已经低至2 7 【l 引。细颗 粒物聚并长大的预处理措施是提高传统除尘设备对细颗粒物的脱除效率的主要 途径。目前，促进细颗粒物长大的方法主要有：蒸汽凝结、声聚并、电聚并、 化学团聚、磁聚并和光聚并。 1 蒸汽凝结 利用蒸汽在细颗粒物表面凝结促使细颗粒物聚并长大的预调节措施已经具 有较长的历史0 4 - 1 8 ，其聚并长大的机理是：在过饱和水汽条件下，蒸汽以细颗 粒物为核心在细颗粒物的表面凝结，并通过进一步的冷凝在细颗粒物表面凝结 长大，同时通过扩散和热泳作用，使细颗粒物发生迁移运动，颗粒物之间相互 碰撞聚并长大，长大后的液滴通过传统的除尘设备进行捕集。 2 声聚并 对细颗粒物的运动空间外加声场会对细颗粒物的运动产生显著的影响，添 加声场后，颗粒在声场中的不同位置、不同的颗粒物的粒径的运动方式均不同， 从而会增加细颗粒物之间的碰撞几率【l 弘2 3 J 。声聚并就是细颗粒物在声场中，碰 撞接触而粘合成较大粒子的现象，颗粒声聚并的速度很快，已经被认为是一种 有效的清除细颗粒物的方法 2 4 - 2 7 J 。 3 电聚并 电聚并是通过外加电场作用增加细颗粒物表面的荷电能力，从而以电泳的 方式促进细颗粒物之间的相互碰撞几率。细颗粒物在荷电区域进行荷电，然后 在电场的作用下进行团聚，相互之间的进一步碰撞从而聚并成较大的细颗粒， 聚并后的细颗粒物在末端被除尘设备捕集。有研究结果1 2 8 J 表明，静电聚并除尘 器的效率要比常规的电除尘器的效率提高3 。向晓东等的研究【2 9 3 1 】表明，将 预荷电区与团聚区进行合并的双区除尘器的效果要比分开的更高效。 4 化学团聚 万方数据 东南大学硕士学位论文 化学团聚是利用吸附剂捕集细颗粒物的除尘方法，通过物理吸附和化学反 应相结合的机理来实现这一过程。Z h u a n g 等【32 J 对烟煤燃煤产生的细颗粒物形成 机理和化学团聚的方法进行了实验研究，发现化学团聚对脱除超细颗粒物不仅 十分有效，而且可以实现多种污染物同时脱除的效果。哈尔滨工业大学的刘加 勋等u 驯通过实验研究了化学团聚对燃煤超细颗粒物的脱除，提出了一种复合喷 动流态化技术，结果表明，喷入团聚剂后可以有效降低尾部烟尘浓度。赵永椿 等【3 4 J 对燃烧后区添加团聚促进剂，促使超细颗粒团聚长大并加以脱除进行了研 究，表明化学团聚对超细颗粒物脱除具有显著作用。 5 磁聚并 所谓磁聚并就是先将细颗粒物磁化，磁化后的细颗粒物由于磁性而相互吸 引或排斥，从而加速了细颗粒物之间的运动和碰撞并且团聚，磁化长大后的细 颗粒物在除尘设备中被脱除。在燃煤细颗粒物中，铁等金属氧化物的含量达 4 1 2 3 5 ，其主要成分为F e 3 0 4 ，G c F e 2 0 3 , 丫F e 2 0 3 。这些细颗粒物在磁化后具 有较高的饱和磁化强度。东南大学李永旺等和鲁端峰等【j 5 4 0 J 对燃煤细颗粒物在 磁场中的聚并特性进行了实验和理论研究，结果表明，对于含有磁性物质细颗 粒物，通过外加磁场可增加细颗粒物的聚并效果。 6 光聚并 光聚并应用光辐射的原理促进可吸入颗粒物凝聚在一起。L u s h n i k o v 4 1 1 对激 光照射下颗粒物聚并动力学和聚并后颗粒数浓度、形状、粒径、团聚程度等进 行分析，认为光聚并的过程为：入射电子束一一等离子体膨发一一等离子体云 膨胀一成核一冷凝膨胀长大、等离子云膨胀一一凝结一不规则片状一一 团聚一凝胶化。D i 等1 4 列4 J 在压力0 0 1 M P a 和温度为1 8 0 0 K 2 0 0 0 K 之间变化 的振动试管内进行了团聚实验，研究了光折射角、光强度对燃煤颗粒聚并特性 的影响。光作用可以促进可吸入颗粒物的聚并，使颗粒数目减少、粒径增加， 但是其成本相当高，目前还不可能大规模应用【4 引。 目前这些技术都在进行研究，但可以看出针对细颗粒物的脱除，采用蒸汽 凝结促进细颗粒物长大具有一定的优势，一方面，蒸汽凝结促进细颗粒物长大 已经被证实是一项非常具有应用前景的预处理技术u 4 ，1 5 , 4 6 j ；另一方面，由于燃 烧产生的烟气通常都会含有一定的湿度，甚至在脱硫之后，烟气含有大量湿气， 这些条件都非常有利于蒸汽凝结促进细颗粒物的长大，同时水也是最廉价的团 聚剂。目前，蒸汽凝结技术已经有部分工业技术的应用j 。 1 2 蒸汽凝结促进细颗粒长大的研究现状 蒸汽相变技术脱除P M 2 5 的原理是：细颗粒物进入过饱和环境中，与蒸汽 之间发生传热传质过程，进而水汽在颗粒物表面凝结长大，使得细颗粒物长大 到6 - 7 9 m ，然后利用传统除尘设备脱除长大后的颗粒达到脱除P M 2 5 的目的。 蒸汽相变促进细颗粒核化凝结长大是一项非常有前景的脱除细颗粒物的预处理 技术【4 8 铷】，国内外学者都对该项技术进行了研究。 1 2 1 国内外学者的实验研究平台简介 张霞等5 1 】在研究应用蒸汽相变机理脱除燃烧源P M 2 5 试验中采用了图1 3 4 万方数据 第一章绪论 所示的实验平台，燃煤锅炉燃烧产生的烟气通过旋风除尘器脱除粗颗粒后进入 烟气相对温度调节室，通过注入水蒸汽调节烟气含湿量，然后进入相变核化室， 利用冷却水使烟温降低，烟气达到过饱和，水汽在颗粒表面凝结促使颗粒增大， 凝并长大后的颗粒由扩散式旋风除尘器脱除。在烟气尾部采用E L P I 来测量脱 除的效果，这样的测量方法并没有直接观察到细颗粒物的凝结长大效果，而是 间接的对脱除效率进行了测量，不利于研究细颗粒物在水汽相变条件下凝结长 大的机理。 卜噍煤锅炉( 或柴油机) ；2 麓风藩尘器；3 雾化室； 4 - - “ 棰变棱化室；5 _ _ 弓I 风视 图1 - 3 E L P I 测量的试验平台 J o a n n o n 等5 川采用了激光仪器来测量细颗粒物的粒径分布( 如图1 4 ) ，以氩 气作为载气输送由气溶胶发生器产生的气溶胶颗粒与蒸汽混合进入生长管，在 生长管的外壁设置一个夹套，在夹套内充入加热的氩气作为保护，防止蒸汽在 壁面的凝结，然后通过激光来测量粒径分布。 图1 4 激光测量的实验平台 针对细颗粒核化凝结长大，国内外学者都试图从实验的角度来研究其凝结 长大的机理，最直观的方法就是测量细颗粒核化凝结长大之前与长大之后细颗 粒物的粒径分布。然而由于细颗粒物是在蒸汽过饱和环境下核化凝结长大的， 万方数据 东南大学硕士学位论文 蒸汽既会在细颗粒的表面进行凝结，同时也会在生长空间的壁面凝结成水滴， 这就给细颗粒物凝结长大后的粒径的测量带来了困难。因为一方面，蒸汽在壁 面的凝结使得激光测量方法会使得激光在水滴表面发生散射；另一方面，采用 E L P I 等荷电或者稳重的测量方法会由于细颗粒表面凝结水滴的蒸发而造成测 量误差，为了克服这些方法带来的误差，本文将会设计一种新的测量方法。如 图，细颗粒物核化凝结长大后的液滴通过光学窗口，在光学窗口周围采用了热 风来使得窗口的温度与窗口内流动的气流温度一致，从而保证了窗口上没有液 滴凝结，其结构如下图1 5 。 l 颗粒入I ：】 图1 - 5 热风保护的光学测量窗口 1 2 2 晶胚的形成机理和影响因素 1 晶胚的形成机理 细颗粒物蒸汽相变长大是通过蒸汽在细颗粒物上发生非均相凝结而实现的， 长大的过程通常认为分为两个步骤：首先是蒸汽在细颗粒的表面凝结，形成晶 胚；然后蒸汽在晶胚的表面进一步冷凝长大，形成以颗粒为核心的液滴。因此， 晶胚的形成过程是颗粒长大的关键步骤。但由于实验研究的困难，对晶胚形成 的认识仍很肤浅。 最早对蒸汽在颗粒表面核化凝结过程的解释是K r a s t a n o v ，他认为在成核阶 段水汽会在细颗粒物的表面形成一个完整的水膜结构包裹颗粒【52 。，从而组成一 个以颗粒物为核心的水壳结构( 图1 6 ) 。 n 奏 K r a s t a n o v 模型 图1 - 6K r a s t a n o v 晶胚形成机理模型 6 万方数据 第一章绪论 在K r a s t a n o v 模型中没有考虑颗粒表面结构不均匀性产生的影响。从材料 科学中可以知道，实际固体表面存在不均一性，因此表面不同位置上发生蒸汽 凝结的可能性并不会完全相同。基于此，F l e t c h e r 提出了经典异质成核理论p 圳， 他认为在成核阶段水汽凝结并不是在颗粒物表面每处都会展开，而是在颗粒物 表面上的某一点开始凝结形成晶胚( 图1 7 ) ，随后在其他的点上也会同样的形 成晶胚，最后随着这些晶胚的长大，它们会发生凝并长大。在颗粒物表面与液 相之间存在一个接触角0 ，接触角的大小是由杨氏方程决定的。当接触角0 0 。 时，水汽就会在颗粒的表面凝结形成一个比颗粒小的晶胚。同时，F l e t c h e r l 4 1 还 提出了形成晶胚的临界自由能A 6 “ 作为判断是否会开始形成晶胚的一个标准。 m = c o s 0 = ( q 3 一万2 3 ) q 2 3 g = ( 1 - I - x 2 2 m x ) j 1 1 1 2 1 3 1 。4 砌力小( 字 3 。 2 - 3 ( 等) + ( 等) 3 卜x - m 一，) 1 5 上述式中，R 是颗粒的直径，m ；r + 是临界直径，m ：G ；，为单位体积晶核在气 相和液相时的自由能差，J o m - 3 ；o - 。2 是气相与液相之间的表面自由能，N m 。 S T 颐粒n I 、k ， F i e t c h e r 模型 图1 7F l e t c h e r 晶胚形成机理模型 7 妁 m 爵 8 一玎 。r I | “ 。： R 札 船 肛 其 万方数据 东南大学硕士学位论文 S m o r o d i n 对经典异质成核理论进行了进一步的修正【5 4 ，55 1 ，他认为在细颗粒 物的表面存在一些活化部位，水汽只会在这些活化部位开始凝结并且形成晶胚 ( 图1 8 ) ，在过饱和的水汽环境中，晶胚会同时在不同的活化部位开始凝结。 不过对如何确定活化部位仍没有给出明确方法，因此国内学者对晶胚形成的模 型分析上主要还是继承了F l e t c h e r 的经典异质成核理论。 活化区域 颗粒 蒸汽 S m o F O d i n 模型 图I - 8S m o r o d i n 晶胚形成机理模型 2 晶胚形成的影响因素 a ) 颗粒物初始粒径和过饱和度 B a r r e t t 和F i s s a n 5 6 】发现颗粒的最小活化直径取决于环境的过饱和度，过饱 和度越大，颗粒的临界活化直径( 也就是晶胚形成的最小颗粒直径) 就越小。 过饱和度对晶胚的形成也存在影响。根据F l e t c h e r 经典异质核化理论，不 可溶球形颗粒的临界过饱和度为： ，厂气 、 - e x p 蚓面漏八力l J 1 6 式中，k 代表波尔兹曼常数，1 3 8 1 0 。2 3 J K ；T 为水汽温度，K ；圪为一个水分 子的体积，m 3 ；K 为动力常数；仃为表面张力，N m ；B 为颗粒直径，m ；r 为 完全润湿的球形粒子的临界半径，I T I ；m o 为水与颗粒接触角的余弦值。 由式1 - 6 可知，颗粒物初始粒径越小，所需的临界过饱和度越大；过饱和 度越大，P M 2 5 中的细颗粒物就会有更大的机会形成晶胚，颗粒的临界活化直 径则越小。 b ) 颗粒物的物化特性 H e i d e n r e i c h 【5 7 J 采用渣颗粒、石英颗粒和石蜡油颗粒在蒸汽中进行实验，结 果表明石蜡油颗粒的活化饱和度要比渣颗粒和石英颗粒的大，原因认为是油颗 粒物的表面粗糙度小于渣颗粒和石英颗粒的缘故。颗粒表面粗糙度能够降低成 核自由能势垒，引起成核速率与成核几率的增大，成核临界饱和度降低，所以 颗粒表面越粗糙，越易于晶胚的形成。 P o r s t e n d o r f e r 等【5 8 J 在绝热膨胀下获得的过饱和环境中研究了A g 和N a C l 颗 粒表面的非均相成核，发现对于不可溶性的颗粒A g ，其临界过饱和度要比开尔 9rr，J 文方程疋2 五瓦I , A 1 亓1 “ 1 w 忑( 其中R 是通用气体常数，8 3 1 4 J ( K 。m 。1 ) ；丁是绝对温 度，K ；收，仃，序分别是液相的摩尔分子质量，g m o l ；表面张力，N m ； 和密度，k g m 3 ；足是临界直径，m ；S 是过饱和度) 计算的大，而对于可溶性 的颗粒N a C l ，其临界过饱和度要比开尔文方程计算的小，因此非均相凝结过程 万方数据 第一章绪论 很大程度上依赖于颗粒的化学组成。 根据F l e t c h e r 异质成核理论，颗粒物表面越容易被润湿，则颗粒物表面的 晶胚形成也越容易。张霞等【5 l 】的研究结果证实了这一结论，他们发现强疏水性 的燃油P M 2 5 颗粒凝并长大效果明显不及中等憎水性物质燃煤P M 2 5 颗粒。颜 金培等【5 9 】研究了不同燃烧源细颗粒物的润湿性能，结果表明：燃烧源P M 2 5 微 粒的润湿性能与微粒形态和组分有关，燃煤电厂微粒大多呈规则的球形结构， 表面光滑无孔，主要为难溶于水且吸湿性较差的硅铝质矿物颗粒，垃圾焚烧电 厂微粒呈现不规则的多孔结构，比表面积较大，水溶性组分含量较高( 主要为 C a , N a , K 的氯化物) ，使其润湿性能优于燃煤电厂P M 2 5 微粒。在些基础上又进 行了燃煤源P M 2 5 凝结洗涤脱除实验研究，结果表明：微粒的形态和组分对润 湿性能有较大的影响，垃圾焚烧发电厂的P M 2 。5 微粒主要为不规则的水溶性组 分含量高的物质，而燃煤P M 2 5 大多呈规则球形结构，组分主要为吸湿性差的 硅铝质，相同条件下，燃煤P M 2 5 相变脱除效果要优于燃油P M 2 5 。即蒸汽在 颗粒物表面核化形成晶胚的可能性也越大。 C ) 润湿剂的影响 凡凤仙等【6 0 】在F l e t c h e r 经典异质成核理论的基础上建立数值实验平台，数 值预测了水汽及润湿剂溶液蒸汽在燃煤P M 2 5 表面异质核化晶核形成自由能、 临界晶核半径、成核速率和临界饱和度。结果表明，添加润湿剂能降低临界晶 核形成自由能，减小临界晶核半径，使成核速率急剧增加，成核临界饱和度显 著降低。 颜金培【6 l J 利用W a s h b u r n 动态渗透压力法研究了添加润湿剂对水润湿燃煤 源P M 2 5 的改善作用，发现润湿剂的改善效果与颗粒的特性密切相关，S D S 和 S i l a n o lw 2 2 可明显改善燃煤P M 2 5 的润湿性，而F S 一31 0 和J F C 则对垃圾焚烧 P M 2 5 颗粒有显著的改善作用。所以选择合适的润湿剂可以提高颗粒与蒸汽接 触时晶胚的形成。 1 2 3 液滴长大的影响因素 a ) 颗粒数浓度对液滴长大的影响 O k u y a m a 等【6 2 J 采用数值研究的方法讨论了不同条件下D P B ( 邻苯二甲酸二 丁酯) 液滴直径随着时间的变化关系，发现颗粒数浓度大于1 0 5 c m 弓时颗粒的 最终直径取决于颗粒的浓度，与蒸汽的浓度无关；但是当颗粒数浓度小于 10 3 c m 。3 时，颗粒长大可以看做是单颗粒长大。 F i s e n k o 6 3 J 对纳米细颗粒在水蒸汽中粒径长大研究也表明颗粒的数浓度会 对颗粒的最终直径产生影响，颗粒数浓度小于1 0 1 0