（热能工程专业论文）利用声波团聚增强燃烧源可吸入颗粒物脱除的研究.pdf

摘要 摘要 可吸入颗粒物p m ，；( 也称细颗粒) 是主要的大气污染物之一，它直接对人类健康 和生态环境造成危害。燃煤电厂和机车尾气是细颗粒排放的重要源头，由于静电除尘器 和旋风分离器等常规除尘设备，对细颗粒的脱除效率很低，有很大数量的细颗粒排放至 大气中。目前没有有效脱除细颗粒的技术方法，而声波团聚是一种有潜力的预处理方法， 利用声波作用，促使颗粒发生团聚长大，再经过后续的常规除尘设备将其清除，从而达 到控制细颗粒排放的目的。本文将从细颗粒在声波场中的微观动力学特性和利用声波团 聚增强后续分离器对细颗粒的宏观脱除效果两个方面展开研究。 利用可视化技术建立了研究细颗粒微观动力学特性的实验平台，动态地显微观察并 拍摄细颗粒在水平声波场中的运动轨迹。研究了细颗粒在声波作用前后和声波场中不同 位置的运动特点，结合数值方法理论模拟颗粒在声波场中的运动轨迹。结果显示：颗粒 在水平声场中，除了重力沉降，还发生与声波同频率振动，同时向速度波节点漂移。与 自由沉降相比，在单位时间内颗粒运动轨迹扫过的面积大大增加，有利于颗粒间的碰撞 团聚。比较了颗粒和颗粒团声波夹带动力学特性，研究发现：颗粒团和一定尺寸的单颗 粒具有接近的空气动力学特性，颗粒团的分形结构使其在气流中具有倾向于较小颗粒的 气流跟随性，惯性被弱化。在声波作用下细颗粒漂移特性的实验研究和理论分析表明： 细颗粒漂移驱动力是粘性不对称产生的漂移力，声辐射力的影响较弱；细颗粒向速度波 节点漂移，导致局部浓度增加，从而促进声波团聚。比较了确定颗粒粒径的三种方法， 与光学法和重力沉降法相比，对细颗粒而言，用声波夹带法确定颗粒的粒径较为准确。 以颗粒排放控制的工业应用为目标，利用声波及其与外加种子颗粒联合作用，建立 了研究细颗粒宏观清除效果的脱除系统。采用频率为l k h z 的声源，研究了燃烧源颗粒 分别在声波单独作用及其与外加种子颗粒联合作用下颗粒的分布变化和系统的脱除效 果，研究结果表明：在声波单独作用下，本实验中的系统对数浓度峰值粒径在亚微米级 的颗粒具有明显的脱除效果，颗粒浓度减少率随声强增加而升高。声波单独作用对燃煤 颗粒的脱除效果优于燃油颗粒；在联合作用下，系统对燃煤颗粒的脱除效果优于其在声 波单独作用下的脱除效果；在雾化水的联合作用下，系统对燃煤颗粒的脱除效果较固体 种子颗粒的联合作用更显著。在强度为1 5 8 5 d b 的声波与雾化水颗粒联合作用下，燃煤 颗粒数浓度的减少率达到6 8 。基于气溶胶通用动力学方程，建立了声波团聚核，采用 尺度离散的区域化算法，对实验结果进行理论模拟并预测。结果表明：在声强不高于 1 5 8 5 d b 时，模型较好地模拟了实验结果，在高声强作用时因湍流作用，模拟结果了低 估了实验结果。理论预测，在中等声强条件下，通过改变加料方式和种子颗粒特性能进 一步提高联合作用对细颗粒的脱除率。总的结论是利用声波与种子颗粒的联合作用促进 细颗粒脱除的方法有望是一种新的有应用前景的细颗粒脱除方法。 关键词：可吸入颗粒物p m z 5 动力学特性；声波团聚；联合作用；脱除效果 a b s t r a c t a b s t r a c t a so n eo ft h ep r i m a r yp o l l u t a n t s ，i n h a l a b l ep a r t i c l e sp m 2 5o rf i n ep a r t i c l e sm a i n l yf r o m c o a l - f i r e dp o w e rp l a n t sa n dd i e s e lc o m b u s t i o nh a v eg r e a t l yt h r e a t e n e dh u m a nh e a l t ha n d t h e e c o l o g i c a le n v i r o n m e n t t h ec o n v e n t i o n a ld e v i c e s ，s u c ha se s p ( e l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r s ) a n dc y c l o n ec a n n o tr e m o v et h ef i n ep a r t i c l e se f f i c i e n t l yb e c a u s eo ft h e i rv e r ys m a l ls i z e s 嬲 t h er e s u l t ，t h e r ea r es t i l lag r e a tn u m b e ro ff i n ep a r t i c l e sf l o w i n gi n t ot h ea t m o s p h e r e u pt o n o w , t h e r ei sn oa l le f f e c t i v et e c h n o l o g yt or e m o v ef i n ep a r t i c l e sa n dt h ep r e t r e a t m e n tp r o c e s s o fa c o u s t i ca g g l o m e r a t i o ni sap o t e n t i a lm e t h o d b ys u b j e c t e dt ot h ei n t e n s es o u n d ，t h ef i n e p a r t i c l e sc a na g g l o m e r a t et o g e t h e ra n de v o l v et ob i go n e s ，s oi ti se a s yt or e m o v et h e s el a r g e p a r t i c l e sb ye p so rc y c l o n e i nt h i sp a p e r , r e s e a r c ho na c o u s t i ca g g l o m e r a t i o nh a sb e e nd o n e f r o mt h et w oa s p e c t s ：m i c r oa e r o d y n a m i c a lb e h a v i o r so ff i n ep a r t i c l e si na na c o u s t i cw a v e f i e l da n dm a c r oe f f i c i e n c i e so ff i l t e r st or e m o v ef i n e p a r t i c l e sb ym e a n so fa c o u s t i c a g g l o m e r a t i o n a ne x p e r i m e n t a ld e v i c et os t u d yt h ed y n a m i c a lb e h a v i o r so ff i n ep a r t i c l e sw a ss e tu pb y m e a n so fav i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g y t r a j e c t o r i e sa n ds h a p e so ff i n ep a r t i c l e si nah o r i z o n t a l a c o u s t i cf i e l dw e r ev i s u a l i z e da n dp i c t u r e d ，w h i c hw a su s e dt oi n v e s t i g a t et h em o t i o n b e h a v i o r so ff r e ep a r t i c l e s 谢t l la n dw i t h o u tt h ee x c i t a t i o no fa na c o u s t i cw a v e a tt h e d i f f e r e n tp o s i t i o n si nt h ea c o u s t i cf i e l d r e s u l t ss h o w e dt h a tf i n e p a r t i c l e sv i b r a t e da tt h e s a m ef r e q u e n c ya st h a to ft h ea c o u s t i cw a v ea n dd r i f t e dt o w a r d st h en o d e s 镐w e l l 船 g r a v i t a t i o n a ls e d i m e n t i nc o m p a r i s o nw i t ho n l yt h es e d i m e n to fp a r t i c l e s ，t h eo s c i l l a t i o n g r e a t l yi n c r e a s e dt h ea r e ac o v e r e db yt h et r a c eo ft h ep a r t i c l e s ，w h i c hc o u l db eb e n e f i c i a lt o t h ep a r t i c l ea g g l o m e r a t i o n f u r t h e rm o r e ，t h ec o m p a r i s o no fe n t r a i n m e n tb e h a v i o r sb e t w e e n i n d i v i d u a lp a r t i c l e sa n da g g r e g a t e sh a sb e e ns t u d i e de x p e r i m e n t a l l ya n dt h e o r e t i c a l l yb a s e d o nt h et h e o r yo fa c o u s t i ce n t r a i n m e n ta n df r a c t a l i tw a sf o u n dt h a tb i g g e ra g g r e g a t e sa n dt h e c o u n t e r p a r t so fs m a l l e ri n d i v i d u a lp a r t i c l e sh a v es i m i l a rd y n a m i cb e h a v i o r s t h er e s u l t sa l s o s h o w e dt h a tf i n ep a r t i c l e sd r i f t e dt ot h ev e l o c i t yn o d en o tb yt h er a d i a t i o nf o r c eb u tb yt h e d r i f tf o r c e t h ed r i f t i n gb e h a v i o r sa c c e l e r a t et h ea g g l o m e r a t i o nt h r o u g hi n c r e a s i n gt h el o c a l c o n c e n t r a t i o n s t h r e em e t h o d so f d e t e r m i n i n ga no b s e r v e dp a r t i c l ed i a m e t e ra c c o r d i n gt ot h e t r a j e c t o r yw e r ei n t r o d u c e d i nc o m p a r i s o nw i t ht h eo p t i c a lr u l e rm e t h o da n dt h eg r a v i t y s e t t l e m e n tm e t h o d ，t h em e t h o db a s e do na c o u s t i ce n t r a i n m e n tp r o v i d e sm o r ea c c u r a t e m e a s u r e m e n t so fp a r t i c l ed i a m e t e r a i m e dt h e i n d u s t r i a l a p p l i c a t i o na sag o a l ，ar e m o v a lf a c i l i t yw a sc o n s t r u c t e dt o i n v e s t i g a t et h ee n h a n c e m e n to fr e m o v i n gf i n ep a r t i c l e sf r o mc o m b u s t i o nb yt h ec o m b i n a t i o n o ft h ea c o u s t i cw a v ea tt h ef r e q u e n c yo fl k h za n ds e e dp a r t i c l e s 1 1 1 ed i s t r i b u t i o nc h a n g ea n d h a b s t r a c t t h ei m p r o v e m e n to fr e m o v i n gp a r t i c l e sf r o mc o a lc o m b u s t i o nw e r es t u d i e de x p e r i m e n t a l l y t h er e s u l t sr e v e a l e dt h a tt h e r ew a sa ne f f i c i e n c yt or e m o v et h es u b m i c r op a r t i c l e sa n dt h e r e d u c t i o no fc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e dw i t ht h er i s i n go ft h es o u n di n t e n s i t y w i t ho n l yt h e e x c i t a t i o no fa na c o u s t i cw a v e ，t h er e d u c t i o nw a sh i g h e rt or e m o v et h ep a r t i c l e sf r o mc o a l c o m b u s t i o nm o r et h a nf r o md i e s e le x h a u s t t h er e d u c t i o no ff i n ep a r t i c l e sf r o mc o a l c o m b u s t i o nw a sl a r g e r e rw i t ht h ec o m b i n a t i o no fa na c o u s t i cw a v ea n ds e e dp a r t i c l e st h a n o n l yb ya na c o u s t i cw a v e t h er e d u c t i o no fn u m b e rc o n c e n t r a t i o nw a sr e a c h e d6 8 w i t ht h e c o m b i n a t o no ft h es o u n dw a v ea tt h ei n t e n s i t yo f15 8 5 d ba n dt h es e e dp a r t i c l e so fw a t e rf o g b a s e do nt h eg e n e r a ld y n a m i c a le q u a t i o n ，k e r n e lf u n c t i o no fa a ( a c o u s t i ca g g l o m e r a t i o n ) w a sf o r m u l a t e d at h e o r e t i c a ls t u d yw a sc a r r i e do u tu s i n gt h es e c t i o n a la l g o r i t h mb a s e do nt h e d i s p e r s e ds i z eo fp a r t i c l e s a f t et h ec o m p a r i s o no ft h er e s u l t sb e t w e e ne x p e r i m e n t sa n d n u m e r i c a ls t u d i e s ，i tw a ss h o w e dt h a tg o o da g r e e m e n tw a sr e a c h e du n d e rt h el o w e ra c o u s t i c i n t e n s i t yn om o r et h a nl5 8 5 d b w h e nt h es o u n di n t e n s i t yw a s o v e r15 8 5 d b ，t h et h e o r e t i c a l r e s u l t so v e r e s t i m a t e dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，b e c a u s eo ft h ei n f l u e n c eo ft u r b u l e n c e e f f i c i e n c yw i l lb ef u r t h e rp r o m o t e dt h r o u g hc h a n g i n gt h ef e e d i n gw a ya n dt h es o r to fs e e d p a r t i c l e s 1 1 1 eg e n e r a lc o n c l u s i o ni st h a tt h em e t h o db ym e a n so ft h ec o m b i n a t i o no fa n a c o u s t i cw a v ea n ds e e dp a r t i c l e si sap r o m i s i n gn e w t e c h n o l o g yt or e m o v ef i n ep a r t i c l e s k e y w o r d s ：i n h a l a b l ep a r t i c l e sp m 2 5 ；d y n a m i c a lb e h a v i o r ；a c o u s t i ca g g l o m e r a t i o n ； c o m b i n a t i o n ；r e m o v a le f f e c t i i i 主要符号对照表 五 波长 厂 声波频率 工 截至频率 主要符号对照表 声压级( s o u n dp r e s s u r el e v e r ) 有效声压 参考声压 空气质点的振动速度幅值 空气密度 声速 角频率 波数 声压 大气压 空气介质的速度 颗粒的速度 空气的动力粘度 空气分子平均自由程 颗粒直径 e l p i 低压电称冲击器 m p 颗粒质量 肯宁汉修正系数 g 重力加速度 丁 空气温度 p p 颗粒密度 f 颗粒的张驰时间 刁 颗粒的声波夹带系数 缈 相位角 r 颗粒半径 ，颗粒半径 ，g 颗粒团的回转半径， 哆 分形维数 d初始状态颗粒数浓度 mt 时刻颗粒数浓度 r 颗粒数浓度脱除率 ，& y 颗粒体积 p 碰撞核函数 趴 仇 氏 依 彩 七 p 既 心 以 嘭 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，论文不包括其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包括为获得东南大学或其他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作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：盘至 日期： 订f ，y 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。除了保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文 的公布( 包括以电子信息的形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 纽凼期：醚坐矿 第一章引言 1 1 可吸入颗粒物的概述 1 1 1 可吸入颗粒物的危害性 第一章引言 可吸入颗粒物( i n h a l a b l ep a r t i c l e s ，简称i p ) 是指悬浮在空气中、能够沉积于咽喉 以下呼吸道部位的颗粒物，常用p m l o 表示，其含义是空气动力学当量直径小于或等于 1 0 1 x m 的颗粒物，其中空气动力学当量直径小于或等于2 5 9 m 、可以深达肺泡并沉积的 颗粒物称为细颗粒，常用p m 2 5 表示【i j 。 可吸入颗粒物的尺度很小，能长期悬浮在人类赖以生存的大气环境中。随着工业的 发展、城市人口的密集、煤炭和石油燃料消耗的迅猛增长，可吸入颗粒物排放量相应大 幅增加，使得大气环境日趋恶化。由于它与人类健康和生态环境密切相关，自上世纪八 十年代开始，国际上就很重视可吸入颗粒物的研究和防治工作。美国国家环保局( e p a ) 和一些研究机构的研究表明【2 1 ，p m l o 是影响人类身体健康最主要的大气污染物，其浓度 的变化与慢性病、呼吸道疾病以及心脑血管疾病的发病率有很大相关性。2 0 0 2 年美国纽 约大学药物院的研究表明【3 】，可吸入颗粒物与肺癌、心脏病所导致的死亡有关，美国每 年与p m l o 相关的疾病导致死亡的人数达到6 万。我国预防医学和环境卫生部门的科研 人员对此也作了大量研究。魏复盛、滕恩江、吴国平和胡伟等1 4 , 5 1 对我国空气污染较严重 的四座城市进行相关性研究，结果发现，咳嗽、咳痰、支气管炎和哮喘等呼吸系统疾病 的发病率与p m 。有显著相关性，当p m 。每升高1 0 0 9 9 m 3 ，儿童和父母支气管炎的患病 率分别上升4 8 1 和5 1 3 。可吸入颗粒物除了对人类健康直接造成影响外，对光照和 气候也有很大影响，是产生温室效应的主要因素之一1 6 ，。 由于可吸入颗粒物会对人体健康产生直接负面影响，因而受到各国政府及有关部门 的高度重视，美国国家环保局( e p a ) 在其所制定的环境空气质量标准中，于1 9 8 5 年率先 引入并实行p m l o 的排放控制标准，目前大多数国家都颁布了空气中p m 。的排放标准。 随着研究的深入，人们发现，由于细颗粒p m 2 5 更小，悬浮在空气中时间更长，比表面 积更大，更易于富集多环芳香烃、多环苯类、病毒和细菌等有毒物质、以及痕量有毒元 素，并更易进入并沉着在人体呼吸系统而危害人体健康，此外细粒子因光散射效应影响 能见度，所以细颗粒对人类和环境的危害性较粗颗粒更为严重 8 - 1 2 j 。美国于1 9 9 7 年在 p m 。基础上增加了p m 2 ，的排放控制标准i l 引，欧盟在同年也提出了p m 2 5 的排放标准【1 4 j ， 我国在1 9 9 6 年颁布的环境空气质量标准( g b 3 0 9 5 9 6 ) 中规定了p m l o 的排放标准i l 引， 目前正在考虑制定p m 2 ，的排放标准。表1 1 列出了美国、欧盟和中国目前正在实行的 可吸入颗粒物排放标准的具体内容。 东南大学博i 学位论i 表il 美国、欧删和中国可吸 颗粒物的排放标准 日平均排放浓度年平均排放浓度 排放标准 ( g 一)( g ，m ) 美国p m j 。 1 9 8 5 1 5 05 0 美国p m 1 9 9 7 6 515 欧盟p m 2 j 1 9 9 74 02 0 中国p m l 。 1 9 9 61 5 01 0 0 1 _ 1 2 可吸入颗粒物的来源及形貌特征 对大气中可吸入颗粒物源解析的研究表明，燃煤电厂和机车尾气的排放是大气中可 吸入颗粒物的主要源头。图il 是王淑兰等【i ”对成都市大气中可i 殁入颗粒物p m i o 源解析 的研究结果，结果显示燃烧源排放对p m ，。的年均贡献约为6 0 。图l2 是朱先磊等1 1 7 l 对北京市大气中细颗粒物p m ：，源解析的研究结果，从中看出燃烧源排放对p m ，的年均 贡献达到2 64 。国外相关研究反映了类似结果i l 。随着我国电厂装机容量和机车数 量大幅增长，可吸入颗粒物的排放量相应大幅增加，而且燃烧中各种脱硫剂、添加剂的 加入也进一步加大了可吸入颗粒物的排放量。在燃煤及垃圾焚烧过程中细颗粒p m 2 ； 表面富集了多种痕量重金属元素，燃烧产生的多环芳烃( p a h s ) ，二恶瑛等毒性有机物也 主要集中在p m 25 上。燃烧产生的p m 25 成为一个高效载体将富集的有毒物质直接送达 人体肺部，危害极大。而富集更多有害物质的可吸入颗粒，将对大气环境的年均贡献率 有升高的趋势，因此寻求有效的燃烧源可吸入颗粒物的排放控制技术显得更为迫切。 图li 成都p m i o 年平均贡献百分率 图1 2 北京p m 25 年平均贡献百分率 一般燃烧源使用的矿物燃料中，含有较高的s i 、a l 等元素，燃烧后呈熔融状态冷 却后形成光滑的球形颗粒，而含有残余炭黑形成的颗粒往往不规则。由于矿物燃料产生 的可吸入颗粒物主要由挥发分燃烧后冷却以及s i ，a l 等元素组成的物质，光滑球形是其 主要特征刚。通过x 射线能谱仪对电厂飞荻进行成分分析，得到如表1 2 所示的飞扶中 含各种元素的百分含量，从表中看出飞灰颗粒中主要元素为o 、a l 和s i 。 第一章引言 表12e 灰颗粒苒种元素的百分古鼙 e l e m e n los la i c m g k c af e w e i g h t 4 28 3 2 31 11 85 783 2 o6 823 0l7 l 24 7 a t o m i c 5 29 6 1 62 81 3 6 21 3 7 0 05 611 608 4 08 7 采用扫描电镜观察燃煤电厂飞灰颗粒得到图l3 所示的微观形貌，该图放丈倍数 为8 0 0 0 倍，图中标尺为l 岫。从图巾看出燃煤电厂烟气中细颗粒的形态基本呈球形， 表面无孔且光滑，与w a y n e s 2 1 j 的研究结果一致。 幽i3 电厂e 灰颗粒扫描电镜目 1 2 可吸入颗粒物的排放控制现状 1 2 1 传统除尘设备的脱除效果 在当今燃烧源颗粒物的排放控制技术中，传统方法是在尾部烟道上布置静电除尘 器、旋风分离器、布袋除尘器和陶瓷过滤器等常规脱除设备，控制燃烧源的颗粒排放。 虽然这些常规除尘设备脱除粗颗粒的效率很高，但对细颗粒p m 25 的脱除效率较低陋】， 仍有极大数量的细颗粒物排放至大气中，不能满足日趋严格的环保要求。在燃煤电厂中， 采用改善传统除尘方法提高细颗粒脱除效果的途径会遇到实际的困难，如采用高效旋风 分离器，其阻力压降增加很多：高效静电除尘器在增加电场数、加长电极会使原本就很 大的电除尘嚣体积变得更庞大而且能耗也大大增加。在柴油机尾气中的颗粒排放控制 方面，由于排放源是移动的，处理起来更加困难。目前没有有效的细颗粒脱除方法，这 迫使人们去探索高效脱除p m 25 的新原理和新方法。 东南人学博l ：学位论文 1 2 2 新型控制方法的探索 由于p m 2 5 尺度小、数量多，利用常规方法直接脱除带来很大困难，所以在常规除 尘器前设置预处理阶段，通过物理或化学作用使细颗粒团聚成大颗粒后再被清除，成为 未来技术发展的重要趋势。致使各国研究人员开始研究细颗粒在电场、磁场、温度场和 声波场等场力作用下的颗粒团聚机理、相变凝结的团聚机理、以及多种场力共同作用促 使颗粒团聚的机理。并开始探索基于这些团聚机理促进细颗粒排放控制的技术。 电团聚原理是利用高压电极对颗粒进行荷电，在交变电场作用下使颗粒产生振动， 由于粗、细颗粒间存在不同的振动速度和振幅，引起两者碰撞并发生团聚，团聚后大颗 粒再经常规除尘设备加以清除。外国学者j u n h o 等1 2 列采用单极荷电和频率为 6 0 h z - 5 0 0 h z 的交变电场作用，亚微米颗粒脱除效率达到2 5 2 9 。m i t c h n e r 、k o b a s h i 、 k i d e s o 等1 2 4 啪j 采用双极荷电研究颗粒在交变电场中的团聚，也取得了一些进展。这些研 究证明了电场作用的有效性，但离工业应用还存在差距，而且采用电团聚方法需要设备 复杂的颗粒荷电过程。 磁场力作用原理包括两个方面：高梯度磁力分离和磁力团聚。高梯度磁分离的原理 是磁介质磁化后产生的磁场与外加磁场相互叠加，形成较高的梯度磁场，磁化后的颗粒 受到磁场梯度力作用而被磁介质吸附，达到分离气流中颗粒的目的。磁团聚原理是先将 颗粒磁化，磁化后的颗粒间因相互磁吸引作用而发生碰撞并团聚【2 7 1 。但这两种方法均受 到颗粒是否含有铁磁性物质以及铁磁性强弱等条件的限制。 颗粒在温度场中动力学作用机理是：在温度梯度的流体中，颗粒周围因存在密度差 而产生热泳力，促使其向低温面定向运动并沉积于壁面，达到清除的目的。目前国内清 华大学研究小组在做这方面研究【2 引。国外对热泳力研究较多f 2 9 j ， 并开发出一些应用技 术，目前能耗还较高，离大规模的工程应用还有一定距离。 相变凝结促使微粒长大的机理是：在过饱和蒸汽环境中，蒸汽以p m 2 5 为凝结核发 生相变，使颗粒长大，惯性增加，并同时产生扩散泳和热泳力作用，促使微粒迁移运动， 发生碰撞，进一步使p m 2 5 合并、长大。在相变凝结过程中，水汽以微粒表面为依托开 始凝结发生相变，微粒起到凝结核的作用，其表面物理、化学特性对核化性能及凝结生 长具有决定性作用1 3 0 ，3 1 j 。不同燃烧源排放的可吸入颗粒物，它们的物化性质( 如润湿性、 可溶性、粒径、形态、化学组成等) 相差很大 3 2 , 3 3 j ，这为这项技术的应用增加了难度。 声波团聚是利用高强度声波作用促使微米和亚微米颗粒发生碰撞合并的过程。颗粒 的声波团聚过程如图1 4 所示，其原理是：在高强度声波场中，颗粒被介质夹带而发生 振动，大小不同颗粒间的振动速度和振动幅度以及振动相位存在差异，从而产生相对运 动，增加了颗粒间的碰撞率，颗粒一旦碰撞，很可能发生团聚，并成为较大一级的颗粒 团聚体。从整体上看，由于声波的团聚作用，颗粒的分布将发生由小尺寸向大尺寸方向 的迁移，团聚后颗粒的平均粒径增大，细颗粒的数目浓度降低，结果容易地通过静电除 尘器、布袋除尘器等常规的除尘设备，将团聚长大后的大颗粒从气流中分离出来。因此， 4 第一章引言 声波团聚是一种预处理过程，通过声波的团聚作用可提高整个系统的除尘效率。 另外g e o r g e t 】等的研究结果表明，声波作用下产生的颗粒团聚体经过高效旋风分离 器和冲击器后，颗粒团足够牢固不易破碎，所以颗粒团一旦形成，存在较稳定。这个结 论证实了颗粒的声波团聚具有实际意义，有利于后续常规脱除设备的迸一步清除。 量二一，岛 静嘈” a c o u s t1 t 2 a g g l o m e r a t x o n 图1 4 声波团聚过程示意图 颗粒的声波团聚仅是个预处理过程，声波作用后形成的大颗粒需经后续的常规除尘 设备加以脱除，才能最终达到细颗粒脱除的目的。图1 5 是一种基于声波团聚技术的细 颗粒除尘系统的一个例子，系统主要由声波团聚室和旋风分离器组成。含尘气流先引入 声波团聚室，经声波团聚的预处理作用后长大，长大后的大颗粒，一部分在团聚室内沉 降下来，经团聚室的底部排出；另一部分随气流进入后续的旋风分离器被进一步分离， 分离出来的烟尘与团聚室排出的烟尘被合并收集。处理后的净化烟气排入大气中。目前， 声波团聚作为一种潜在有效的促进除尘器脱除细颗粒的预处理方法，引起了研究人员的 关注【3 刚。由于声波团聚不受颗粒理化性质的影响、也无需荷电等复杂过程，所以相对于 其他几种方法，带声波团聚预处理设施的除尘系统是种简便易行、易实现工业化应用 的方法。 含尘烟气 伊 图1 5 声波团聚细颗粒除尘系统的示意图 对细颗粒而言，仅采用一种技术存在局限性。为了满足细颗粒p m 2 5 排放浓度的要 ；_ +；，i z k+篡 。 舱钉垤 东南人学博一l ：学位论文 求，研究人员基于多种场力组合作用原理，开始探索新的联合脱除技术。这些联合作用 的组合方式有：湿法与布袋、旋风与布袋、静电与旋风以及电场与布袋等【3 7 , 3 8 , 3 9 】。本文 也将在声波场单独作用基础上，进行声波与外加种子颗粒( 包括固体颗粒或者液体颗粒) 联合作用的实验研究，探索高效脱除p m 2 5 的新方法。 下面内容将围绕细颗粒声波团聚的研究方向作一综述，包括声波团聚的历史回顾、 研究成果和目前存在问题，在此基础上提出本文的研究内容。 1 3 国内外声波团聚细颗粒的研究进展 1 3 1 声波团聚研究的历史回顾 声波对小颗粒的作用作为一种物理现象，早在1 8 6 6 年由k u n d t 首次发现，他观察 到了驻波场中灰尘颗粒聚集的现象；w i l l a i m 在1 8 8 6 年提出了细微颗粒声波团聚的设想， 直到1 9 3 1 年才由p a t t e r s o n & c a w o o d 首次进行了颗粒声团聚的实验研究【3 9 1 。其后的二 十年中，声波团聚的研究掀起了一股热潮，以美国、前苏联为主的研究人员在颗粒声波 团聚方面做了较多实验和理论研究工作。 到上世纪六十年代，由于能耗和声源等因素，美国一度中止了这方面工作，前苏联 继续进行这方面的研究工作。在此期间前苏联学者m e d n i l o v 即l ，在他的著作“1 1 1 e m e c h a n i c so f a e r o s o l s ”中，对早期声波团聚的研究成果作了系统总结，并首次提出了声 致湍流颗粒团聚的思想。 自上世纪七十年代，由于环境污染问题日益突出，声波团聚的研究工作又得到了重 视。美国、前苏联、德国、英国和西班牙等国的众多学者，对声波团聚的操作参数作了 研究，在团聚机理和理论模型方面得出了一些有益的结论，并且在工业化应用方面也作 了一些探索，但在一些关键问题上还未取得突破，这方面研究延续至今。目前主要研究 机构包括美国宾夕法尼亚卅i 立大学研究小组1 4 卜”j 、西班牙马德里声学研究院的研究小组 5 2 - 6 5 l 和美国纽约b u f f a l o 州立大学的研究小组等【皤7 1 1 。下文将对这些声波团聚的研究结 果作一个综述。 1 3 2 目前有关声波团聚的研究结果 对声波团聚进行系统研究始于上世纪七十年代末。宾夕法尼亚州立大学研究人员 v o l k 等i 7 2 】，首先在冷态下对声波团聚的操作参数进行了研究。研究中采用声压级为 1 0 0 1 2 0 d b 和频率为1 - 6 k h z 的声源，声波作用时间为1 0 - 4 0 s ，研究了声强、频率、声 波照射时间和粒子浓度对团聚的影响，其结果和后续文献报道基本一致。由于研究中采 用较长的声波作用时间，在处理较大烟气量时可能存在困难。 自m e d n i l o v l 4 0 1 首次提出了声致湍流颗粒团聚的思想后，从上世纪七十年代末开始， 许多学者对声致湍流展开研究。d a v i d s o n 【5 1j 采用声强为1 6 8 d b 的高强声波进行颗粒团聚 6 第一章引言 实验，实验得出了声致湍流对颗粒团聚有重要影响的结论。但t i w a r y 等1 5 l j 在1 9 8 4 年的 研究报道中认为，声致湍流只在压力节点、即速度最高处产生，且只存在于声波场的压 力节点2 0 的区域罩，湍流能量比声波能量小3 个数量级，声致湍流对颗粒团聚影响作 用可以忽略。f u c h s 7 2 】也指出声致湍流对声波团聚的效果不显著。有关声致湍流的颗粒 团聚，由于实验条件和方法的差异，得出的结论完全不同。 由于声致湍流只在高声强( 大于1 6 0 d b ) 的声源条件下产生，能耗较高。而声波团聚 最有希望获得工业应用的参数是：声强在1 5 0 1 6 0 d b 之间，作用时间为2 5 s 。于是人 们开始注重中等强度下声波团聚的研究。 1 9 8 7 年，t i w a r y 掣7 3 l 对有工业应用前景的操作参数进行了研究，研究得出温度越 高，中位直径变大，表明颗粒的尺度分布向大粒径方向迁移；原始质量浓度越高，声强 越高，中位直径变大；频率越低，中位直径变大；作用时间延长，中位直径变大。t i w a r y 通过研究得出如下结论：声压级为1 5 0 - 1 6 0 d b 和频率范围为1 2 k h z 的声波作用时间为 2 4 s ，是浓度1 - 3 0 m g m 3 含尘气体的最佳声波团聚操作参数。该实验室研究人员 r e e t h o f l 4 5 1 ，于1 9 8 8 年采用声压级为1 5 5 1 6 5 d b 和频率为2 5 k h z 的声源，作用于实际 温度下的飞灰颗粒，作用时间4 s ，发现直径小于6 9 m 的颗粒较有效地得到了清除。由 于测试仪器的限制，上述的脱除效果仅从质量上分析得出。 1 9 9 3 年西班牙研究人员h o f f m a n n 等【5 5 j 利用偏心轮振动产生声强为1 6 0 d b 和频率为 4 4 h z 的声波作为声源，作用于常压高n ( 5 5 0 0 c ) 含尘烟气，同时在声波团聚室中加入直 径为8 8 i _ t m 的石灰石，利用石灰石的多孔性，将其作为飞灰微粒的吸附剂进行双模态( 飞 灰和石灰石) 声波团聚实验，采用9 级冲击器测量粒径在o 2 4 l l 岬范围内的分布变化。 实验结果得出，粒径小于1 1 l a r n 的颗粒质量份额减少了2 3 。其结论是：粒径的宽谱分 布有利于声波团聚，该研究对开发新型声源发生装置作了探索。 西班牙声学研究所的g a l l e g o 掣6 5 】，在1 9 9 9 年建立了一个如图1 6 所示的半工业规 模的多频率声波团聚室。来自0 5 m w 流化床燃烧器的烟气，依次流经声波团聚室和静 p 趟蛾一x z 图1 6 声波团聚室结构【6 4 1 7 东南人学博j j 学位论文 电除尘器，在静电除尘器的出口取样进行实时分析。处理烟气的流量为2 0 0 0 m 3 h ，温 度为1 5 0 0 c ，含尘质量浓度为1 5 9 m 3 。在能耗均为4 x 4 0 0 w 时，频率为2 0 k h z 的声 波作用下，静电除尘器出口质量浓度、微米级颗粒数浓度和亚微米级颗粒数浓度比无声 波作用，分别减少3 7 、4 2 、3 9 ，而频率为1 0 k h z 声波作用时分别为3 2 、3 7 、 3 9 。g a l l e g o 指出此项技术工业化应用速度慢的原因是缺乏稳定可靠的高强度声源和 相应规模的团聚室。这些结果显示了，采用声波团聚预处理过程后，脱除系统对细颗粒 的清除效率提高了4 0 左右，由于该实验装置的声波团聚室采用水平布置，团聚后的颗 粒沉降在团聚室内，在声波作用下容易引起破碎和飞扬。 s a r a b i a t 7 4 j 研究了湿度对柴油机尾气排放中亚微米颗粒声波作用下清除效果的影响。 结果发现适当增加尾气中湿度可以提高亚微米颗粒的清除效率。在频率为2 0 k h z 、声强 为1 5 1 d b 的声波作用下，干尾气中颗粒数浓度减少了2 5 ，而当尾气中湿度为6 时， 颗粒数浓度减少了5 6 。 上述两个实验中均采用超声声源研究声波团聚，但采用超声波存在两大弊端：一是 超声波阻抗小，在空气中传播时衰减较大，能耗较大；二是高强度超声源的可靠性较差。 有关声波团聚理论研究方面，研究人员也作了一些工作。v o l k 是最早开发分散相气 溶胶声波团聚计算模型的学者。他基于g e l b a r d 【7 6 】上世纪七十年代开发的求解气溶胶通 用动力学方程的区域化算法，在完善m e d n i k o v 的同向运动相互作用声波团聚理论的同 时，还考虑了辐射压、介质粘性变化及声波畸变等非线性影响因素，对一系列颗粒声波 团聚的结果进行了模拟。但模型仅预测了气溶胶的物理参数和声学参数对声波团聚的影 响趋势，还不很完善。 s h a w i 咧在上世纪七十年代末提出的模型，除考虑了同向运动相互作用外，还提出 了高强度声波场条件下的团聚机理，包括流体力学相互作用、声致湍流扩散和声致湍流 碰撞等机理。尽管模型较复杂，但预测效果并不好。 s o n g 7 2 j 认为同向运动和流体力学相互作用是两种主要声波团聚机理，对中等强度声波作 用的团聚结果获得很好的预测。但对同向运动相互作用的快速填充机理未做出合理的解 释，且两种机理在声波团聚过程中的组合形式有待进一步研究。 理论模型的合理性是以对声波团聚机理的充分认识为前提。一般认为颗粒与颗粒之 间、颗粒与声波场介质之间的多种相互作用导致颗粒的相互接近、碰撞并发生团聚，其 中可能的团聚机理包括：同向相互作用机理