（热能工程专业论文）可吸入颗粒在驻波声场中的团聚特性研究.pdf

籀要 可吸入颗粒物作为世界上日益受到关注的一类污染物质，如何将其脱除已经逐渐吸引了越来越 多的重视。目前，可吸入颗粒物在外加条件作用下的团聚脱除是各类脱除方法的中心思想，其中最 具研究前景的方法之一是声场中可吸入颗粒物的脱除。 本文从可吸入颗粒物的定义和各类性质开始，介绍了可吸入颗粒物的概念、分类和形成机理、 对人体和环境的危害，以及各国的研究现状。针对可吸入颗粒物的各种传统的脱除方法进行了详细 介绍，特别是声波团聚脱除可吸入颗粒物的几种团聚机理，如同向凝并机理、流体力学作用和声辐 射压力作用等。其中，同向凝并机理主要发生在粒径不同的颗粒间，当频率不是很高时使多个颗粒 团聚到一起。流体力学作用主要发生在粒径相似的颗粒间，在较高声强时会使颗粒发生快速团聚 阐述了团聚体积和夹带系数的定义，流体力学作用包含的两种机理以及常见的声尾迹效应。 接着采用了可视化实验的方法，搭建了微观可视化的实验台并进行实验，实验台包含了给料系 统、声团聚室、声场和测声系统、照明系统、图像拍摄和采集系统等。实验中，使用高倍率的显微 镜观察可吸入颗粒物在没有声场作用下和加入驻波声场作用后的运动状态，在不同实验条件和声场 参数下，使用高速摄像仪对可吸入颗粒物的运动轨迹进行拍摄，拍摄结果传入计算机内进行分析研 究。 实验表明，可吸入颗粒在声团聚室中因受到声波夹带作用在水平方向振荡，由于重力作用在竖 直方向沉降，并由于粘性力的影响随着声波漂移。根据拍摄图像，分别采用标尺测量、颗粒重力沉 降特性和声波夹带特性计算颗粒粒径。计算结果说明，团聚室内没有宏观流动时，三种方法测定的 颗粒粒径一致当声场参数一定时，利用颗粒的声波夹带特性可以准确计算颗粒粒径。根据图像， 对颗粒在声场中的漂移特性进行了分析，使用公式和拍摄图像分别计算了颗粒受到的漂移力和漂移 速度，两者的结果是一致的。说明了实验中，颗粒向邻近的速度波节点的漂移完全是由漂移力所引 起根据可视化实验可以得出颗粒的几何尺寸及运动参数，对于明确颗粒在声场中的运动，为进一 步对颗粒团聚特性进行分析提供了基础。 最后根据可吸入颗粒在声场中的受力分析，计算了颗粒在声场中受到的重力、粘性力、压力梯 度力和漂移力，并使用牛顿第二定律计算了随着时间变化，颗粒在合力作用下的运动加速度、速度 和位移，并根据颗粒的初始位置最终模拟得到颗粒的运动轨迹。文中使用了拍摄到颗粒的相同实验 条件进行计算，分别给出了两个单颗粒的运动轨迹，还给出了其中一个颗粒进入声场的初始位置分 别在速度波腹和速度波节处的运动轨迹结果显示，模拟计算的两个颗粒的运动轨迹都与拍摄结果 一致。颗粒在竖直方向上的沉降位移与拍摄结果完全相等，水平方向上，颗粒的夹带幅值和漂移距 离及漂移方向与拍摄结果基本一致。证实了颗粒在驻波声场中受到的主要作用力就是重力，粘性力、 压力梯度力和漂移力。将压力梯度力和漂移力进行了比较，压力梯度力是由驻波声场中可吸入颗粒 两侧压力大小不等所造成的，而漂移力则根据粘性力不对称推导得到。两者大小都与颗粒进入声场 初始位置、颗粒粒径和声场强度有关，但相对于粘性力都可以忽略不计。实验条件下漂移力始终大 于压力梯度力。 关键词：可吸入颗粒p m 2 5 驻波声场可视化数值模拟 东南大学硬士学位论文 a b s t r a c t l n h a l a b l ep a r t i c l e sa 地他喇v 面gi n c r e a s i n ga t t e m i o n 面t kw o r l d 鹞- 枷o fp o l l u t a n tm a t t e r , e s p e c i a l l y t o h o w t o g e t f i do f i t f r o m c o a l c o m b u s t i o n g a s 1 1 ”m o f v a r i o u s m e t h o d se x i s t i n g n o w a d a y s i st om a k ep a r t i c l e sa g g r e g a t eu n d e rt h ee f f e c to f a d d i t i o n a lf o r c e s , a m o n gw h i c h , o n eo ft h em o s t p f o s p e , c t i v em e t h o d si sa c o u s t i ca g g l o m e r a t i o ni nas o u n dw a v ef i e l d 憾p a p e rb e g i n sw i t ht h ei n t r o d u c t i o no ft h ed e f i n i t i o na n dv a r i o u sf e a t u r e so fi n h a l a b l ep a r t i c l e s 1 五e nt h ec o n c e p t i o n c l a s s i f i c a t i o n , f o r m a t i o nm e c h a n i s m , h a r mt oh u m a na n dt h ee n v i r o n m e n t ，t h e r e s e a r c hs t a t u si nt h ew o r l dw e r ea l li n t r o d u c e d k i n d so fm e t h o d so nh o wt og e tr i do fi n h a l a b l ep a r t i c l e s w e r ep r e s e n t e di nd e i a i le s p e c i a l l yt h em e c h a n i s m so fa c o u s t i ca g g l o m e r a t i o nt or e m o v ei n h a l a b l ep a a i c l e s ， s u c ha so r t h o k i n e t i ca g g l o m e r a t i o n ，h y d r o d y n a m i ci n t e r a c t i o na n ds o u n dp r e s s u r ei n t e r a c t i o ne t c o r t h o k l n e f i ca g g l o m e r a t i o no c c l t r sb e t w e e np a r t i c l e sw i t hd i f f e r e n td i a m e t e r s w h e ns o u n df ，e q u e n c yi s n o ts oh i g h , t h i sm e c h a n i s ml e a d st oa c o n s t i ca g g l o m e r a t i o n h y d r o d y n a m i ci n t e r a c t i o no c c u i sb e t w e e n p a r t i c l e sw i t hs i m i l a rd i a m e t e b ，a n dw i l lm a k ep a r t i c l e s , g g l o m e m eq u i c k l yu n d e rh i g hs o u n dp r e s s u r e t h ea g g l o m e r a t i o nv o l u m e e n t r a i n m e n tc o e f f i c i e n t , t w ok i n d so fi n t e n c t i e z $ i n c l u d e di nh y d r o d y n a m i c i n t e r a c t i o nm e c h a n i s ma n ds o u n dw a k ee f f e c tw e r fa l s oi n t r o d u c e d av i s u a l i z e de x p e r i m e n ts e t u pw a sb u i l tt oc o n d u c tv i s u a l i z a t i o ne x p e 蛔t t h es e t u pi n c l u d e s p a r t i c l e sf e e d i n gs y s t e m , a g g l o m e r a t i o nc h a m b e r , s o u n ds o t r c ca n dm e a s u r e m e n ts y s t e m , 曲r i n gs y s t e m , i m m e s 协k 细g - n dn ：r d i n gs y s t e m am i c r o s c o p ew a su s e dt oo b s e r v et h em o v e m e n t so fi n h a l a b l e p a r t i c l e si nas l a n d i n g 愀s o u n df i e l d 勰w e l l 豳w i t h o u ta n ys o u n df i e l d s 1 1 坼t r a j e c t o r i e so fp a r t i c l e s m o v e m e n t sw e r er e c o r d e db yaf a s t - s p e e dv i d e oc 棚m c nt m d e gd i f f e r e n tt e s tc o n d i t i o n sa n dt r a n s f e r r e dt oa c o m p u t e rf o rf u r t h e rs t u d y e x p e r i m e n t r e s u l t ss h o w e dt h a tp a r t i c l e so s c i l l a t e d h o r i z o n t a l l y d u et oa c o u s t i ce n t r a i n m e n t ， s e d i m e n t a t e dp e r p e n d i c u l a r l yd u et og r a v i t y , a n dd r i f t e dd u et ov i s c o s i t yf o r c ei na na c o u s t i cf i e l d a o r d m g t ot h ep i c t u r e st a k e n ，p a r t i c l ed i a m e t e r sc o u l db ee v a l u a t e db a s e do ng r a v i t a t i o n a ls e d i m e n t a t i o n , a c o u s t i ce n t r 面n n 砖n la n dm e a s u r m e n tw i t ham l e r , r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a ta c o u s t i c e n t r a i n m e n tc o u l db eu s e dt oo b t a i na c c u r a t ep a r t i c l ed i a m e t e r sw h e nt h es o u n df i e l dp a r a m e t e r sa r e a c c u r a t e i ft h e r ew a su od i s t u r b i n gf l o wi nt h ec h a m b e r , i m t i c l e sd i a m e t e r so b t a i n e db yt h et h r e em e t h o d s w e 碹a c c o r d a n c e t h ed r i f ti e a t m e so fp a r t i c l e si nas o u n df i e l dw e r ea n a l y z e d d r i f tf o r c e sa n dd r i f ts p e e d s o fp a r t i c l e sc o m p u t e db a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i sw e i eb a s i c a l l ya c c o r d a n c ew i t ht h a to b i a i n e df r o mt h e e x p e r i m e n t w h i c hi n d i c a t e dt h em o t i v i t yo fp a r t i c l ed r i f t i n gt ot h es p e e dn o d e si nas t a n d i n gw a v ef i e l d w a st h ed r i f tf o r c e p a r t i c l ed i a m e t e r sa n do t h e rm o t i o np a r a m e t e r sp r o v i d e daf o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e r 咖d yo np a r t i c l ea g g l o m e r a t i o nf e a m r e s f o r sa c t i n go nas i n g l ei n h a l a b l ep a r t i c l ew e r ea n a l y z e d g r a v i t y , v i s c o s i t y , p l v & s u l eg f a d i e n tf o r c e a n dd r i f tf o r c ea c t i n go nas i n o ep a r t i c l ea td i f f e r e n tt i m ew e r ec o n s i d e r e d a c c o r d i n gt on e w t o n ss e c o n d l a w , t h eh i s m r yo fp a r t i c l ea 瓣l e r a t i o na n ds p e e dw e r ee v a l u a t e db ym e a b so ft h ef o i c ea n a l y s i s 1 1 圮 t r a j e c t o r i e so ft w op a r t i c l e sw i t hd i f f e r e n tp 而m a r yp o s i t i o n sw e r ee v a l u a t e di nt h es a m ec o n d i t i o na st h et e s t , a n dt h a to fas i n g l ep a r t i c l ew i t hi t sp d m a r yp o s i t i o nb e i n ga ts p e e dc r e s ta n ds p e e dn o d ew e r ea l s og i v e n ， r e s p e c t i v e l y t kc o m p e t e 砖s i l i i sw e r ca c c o r dw i t ht h et e s t s t ks e d i m e n t a t i o nd i s t a n c e sm e a s u r e di n t a k e np i c t u r e sa n de v a l u a t e dt i g o r e t i c a l l yw m i d e n t i c a la p p r o x i m a t e l y 1 ke n t r a i n m e n tb r e a d t ha n dd r i f t d i s t a n c e s w e nbd i r e c t i o n sc a nb et s k c n t h e 鞠i m ，w h i c h 岫瞄i c dt h em o s ti m p o r t a n tf o r c e sa c t i n go l l as i n g l ep a n i c l ei na na c o u s t i cf i e l d 懈g r a v i 哆，v i s c o s i t y , p r e a m b l eg r a d i e n tf o r c e ，薯n dd r i f tf o r c e p l 鹊峨 g r a d i e n tf o r c ea n dd r i f tf o r c ew e r e m p a r e d t h ef o r m e ri sc a u s e db ya s y m m e t r yd i s t r i b u t i o no fa c o u s t i c p r e s s u r e a r o u n d t h e p a r t i c l e ，w h i l e t h e l a t e r i s c a u s e d b ya s y m m e t r y o f v i s c o s i t y b o t ha r er e l a t e d t o p a r t i c l e d i a m e t e r , t h ei n i t i a lp o s i t i o no fap ；叭i c l ce n t e r i n gt h ea c o u s t i cf i e l da n da c u n s t i cp r e s s u r e a l t h o u g hb o t h c o u l db en e g l e c t e d 超c o m p a r e dw i t hv i s c o s i t y , 出mf o n ：ei s a l w a y sb i g g e rr h e ap r e s s u r eg r a d i e n tf o r c e u n d e rt h ec x p e r i m e n * c o n d i t i o n s k e yw o r d s ：i n h a l a b l ep a r t i c l e s 聊脚 a c o u s t i ca g g l o m e r a t i o nv i s u a l i z a t i o n m o d e l i n g h i 符号，变量、缩略词等本论文专用术语的注释表 符号、变量、缩略词等本论文专用术语的注释表 4 p ，r p p 、p f e c o 七 见 a m j l ， 毋 n r o 垂 、u s 、s 。 颗粒直径，半径 颗粒密度，流体密度 颗粒运动速度 团聚系数 声速 波数 声压的有效值 声波波长 声波圆频率 流体动力粘度 夹带系数 相位角 阿伏加德罗常数 绝对温度 松弛时间 颗粒瞬时位置 声波速度势 气体分子、颗粒振动速度 气体分子、颗粒振动位移 v 独创性声明 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已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意 研究生签名： 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。 研究生签名：一型全：竺；：导师签名： 期：矽刁7 f 第一章绪论 第一章绪论 1 可吸入颗粒物的研究背景 煤炭是世界上最丰富的化石燃料资源，约占世界化石燃料总储存量的7 0 以上，目前煤炭燃烧 发电约占世界一次能源消费的3 0 左右。根据世界上能源消耗现状和前景，煤炭作为一次能源的重 要组成部分这一地位在很长时间内都不会有所改变i l j 。预计到2 0 2 0 年，煤炭将占世界一次能源消费 的3 3 7 。截至2 0 0 4 年底，我国的煤炭储量居世界第三，可采量为1 1 4 5 0 亿吨我国目前的能源 结构也表明，煤炭燃烧发电是现阶段和未来一段时期内能源供应的主要方式之一2 0 0 5 年，我国原 煤产量为2 1 9 亿吨，而近几年我国平均每年用于燃烧发电的煤炭为8 亿吨，煤炭占我国一次能源消 费结构总量的6 8 7 以上闭。从1 9 7 8 年到2 0 0 5 年，由于能源需求的不断增加，交通运输业对石油 的需求也一直加大，煤炭在我国能源消费中的比例有所降低，但仍然是主要的能源提供者。预计在 近十年内，火力发电所占的全国总发电量的比重在7 0 以上，到2 0 1 0 年，全国火电厂用煤量要占 煤炭消耗总量的6 2 1 3 1 相应的，煤炭燃烧会带来废气、废水、废渣等一系列环境污染方面的问题。在煤炭燃烧所生成 的烟气中，很多成分具有毒性。除了大量排放的s o ，n o ，等酸性气体会污染大气以外，飞灰中的 可吸入颗粒物也是很重要的一部分污染源i z 删。我国煤炭中的灰分含量较高，一般在1 5 2 5 之 间，有的煤种的灰分甚至可以达到4 0 1 4 l 。煤炭的直接燃烧造成了我国大气典型的煤烟型污染。2 0 0 5 年我国烟尘捧放量达到1 1 8 2 万吨，比2 0 0 4 年增长了1 8 2 ，其中工业烟尘排放量为9 1 1 万吨，粒 径小于l o a m 的颗粒物捧放量超过2 0 0 万吨( 5 j 。事实上，燃煤带来的烟尘排放量占全国烟尘排放量 的7 0 ，其中的一半以上都是由燃煤电厂捧放的。燃煤带来的烟尘中，质量分数最大，对人类影响 最大的就是可吸入颗粒物。 1 1 1 可吸入颗粒物的基本特性 1 可吸入颗粒物的概念 大气中颗粒物的大小通常使用空气动力学直径表示可吸入颗粒物的物理和化学性质都与颗粒 物的粒径密切相关大气颗粒物( a p m ) 中，颗粒的空气动力学直径小于1 0 0 z m 的颗粒被称为总悬 浮颗粒物( t s p ) ，这类物质可以在空气中长期悬浮而不易沉降1 6 1 在一定空间内，大气中颗粒物的 含量通常使用总悬浮颗粒物的浓度进行表示 总悬浮颗粒物可以根据颗粒的空气动力学直径进一步划分空气动力学直径在o 1 u m l o t m 之 间的被称为可吸入颗粒物( 1 n h a l a b l e p a r t i c l e ，i p ) ，是分散在大气中的固态或液态颗粒状物质的总称， 也被称为p m l 0 。可吸入颗粒物又可以分为空气动力学直径= 2 5 a n 的细颗粒物( p m 2 5 ) 和空气动 力学直径介于2 5 岸m 1 0 u m 之间的粗颗粒物i r l l 8 l 【9 】1 1 0 】。总悬浮颗粒物的数目浓度和质量浓度在大气 中呈双峰分布。其中数目浓度集中在粒径为0 1 , u m 1 , t i n 的区间内，而粒径在l u m 3 z m 的颗粒浓 度较低，粗颗粒占据了8 0 9 5 的体积和质量【1 1 1 。目前国内有研究显示，近几年来我国大气中 p m l 0 约占t s p 质量分数的6 0 ，比十几年前高出1 0 2 0 个百分比1 1 2 1 ，说明我国大气中细 颗粒物的比例有所上升，这对于环境而言是非常不利的。 2 可吸入颗粒物的形成机理 可吸入颗粒物的粒径大小很大程度上取决于颗粒物的形成过程。 燃煤所形成的颗粒物中，一部分是燃煤直接释放的一次颗粒，主要是燃烧的副产品和未燃烬物， 另一部分是燃煤释放的气相组分在大气中形成的二次颗粒，主要是硫酸盐和硝酸盐类，以及半挥 发的有机物等。燃煤生成的粗颗粒主要是通过燃烧时内在无机矿物在焦炭表面熔化、粘合以及焦炭 燃烬和破碎等过程中产生的细颗粒主要通过内在矿物的蒸发、成核、凝结、聚合四个过程产生 1 1 1 1 0 1 3 1 , 具体的形成方式有三种：直接以固态形式捧出的一次粒子( 化石燃料，主要是煤和石油的 东南大学硕士学位论文 燃烧) 和生物质燃料的燃烧；在煤燃烧的高温状态下，煤中大部分无机物质( 矿物质和痕量元素等) 被蒸发，以气态形式捧出的无机气体在烟气的稀释和冷却过程中，发生均相成核作用凝结成固态的 一次可凝结粒子，或形成了极细小的气溶胶颗粒并进一步团聚；由气态前驱体污染物在大气中由于 羟基、臭氧和光的作用，经过一系列化学反应而生成二次颗；粒1 9 1 1 1 1 硝1 q 1 7 1 1 1 2 可吸入颗粒物的危害 1 可吸入颗粒物对人体的危害 可吸入颗粒物以及围态或气态颗粒物形成的气溶胶的化学成分非常复杂，含有多种元素。由于 其结构非常复杂，具有比较大颗粒物更大的比表面积，所以还是其它污染物的载体，更容易吸附一 些重金属和有机物，从而带有更大毒性。在至少3 5 个不同国家和地区进行的研究表明，空气中颗粒 物的浓度与人体健康有一定关系【l 习。 可吸入颗粒物对人体健康的危害主要表现在三个方面：致癌，致畸、致突变【”1 q 1 ，i “。煤燃烧 带来的可吸入颗粒物富集各种重金属元素，包括a s 、s e 、p b 、c r 等，多环芳香烃类和= 嗯英类( 如 p c d d f s ) 等，这些有机污染物对人体产生的危害很大1 1 8 1 。粒径小于5 0 j e t m 的颗粒极易被人体吸入 呼吸道内并粘附在支气管壁和肺泡壁上1 9 j 不同粒径的细颗粒物随着空气进入肺部。通过碰撞、扩 散和沉积的方式长期滞留在肺部组织中。颗粒越小，进入肺部越深，目前的研究表明1 a n 以下的颗 粒物在肺泡内沉积率最高，诱发病变的可能最大1 6 1 1 9 1 。可吸入颗粒物可能进入血液循环系统，长期 积蓄在体内，影响人体的心血管系统和其它内脏器官可吸入颗粒物还会通过雨水等渠道污染水资 源，进入食物链，并在生物体内聚集或转化为危害更大的金属有机化合物，从而危害生物体健康。 国外一些资料表明，可吸入颗粒物浓度的上升与疾病的发病率、死亡率等密切相关，尤其是呼吸系 统疾病和心肺疾病1 6 1 ，长期生活在可吸入颗粒物浓度高的地区，各类疾病的发病率也会显著升高1 ”】。 欧洲六国对p m l 0 的研究显示，p m l 0 浓度每增加1 0 a g m 3 ，急性重病的发病率会增加0 a 4 1 7 1 。研 究显示，p m 2 5 富集的毒性成分明显大于p m l 0 i ”j 2 可吸入颗粒物对环境的影响 可吸入颗粒物会造成多种环境污染问题。由于可吸入颗粒物沉降速度小，雨水冲刷效率低，因 此在大气中滞留的时间可以是几小时、几天甚至几年，输送的距离也能达到上千公里，对环境的影 响比一般灰尘颗粒更为严重【1 3 ”i 。 由于可吸入颗粒物的比表面积很大，对太阳紫外线短波的吸收和敖射特别敏感，降低了物体和 背景之间的对比度，从而降低大气能见度1 6 1 。研究表明，粒径在0 4 p m 0 和m 的颗粒物的尺寸接近 可见光的波长，对光的散射影响较为明显i l 习。碳黑( 元素碳) 和含有碳黑的可吸入颗粒物对光的吸 收作用会影响气溶胶的光学厚度1 6 1 1 “i3 1 。 由于可吸入颗粒物的存在，一部分太阳光不能直接抵达地球表面，使得地球温度降低，高空温 度升高，影响了风速和风向，甚至是地区气候，还会阻碍植物的光合作用和呼吸作用，也在一定程 度上影响了大气层的生态平衡懈，并严重影响儿童的正常生长发育。同时，可吸入颗粒物中的微细 粒子对大气中的s 0 2 和n o f f i 等酸性气体的氧化起催化作用，加剧酸雨的形成1 1 7 1 ，还可能形成光化学 烟雾污染破坏环境1 1 4 j 。 可吸入颗粒物的污染对人体健康和环境的影响直接破坏国民经济。根据中国社会科学院公布的 报告，1 9 9 5 年我国因总悬浮颗粒物导致的人体健康损失估算为1 7 1 亿元。我国的城市大气污染呈现 严重化的趋势，据统计，2 0 0 0 年我国3 3 8 个大中型城市中，空气质量达到国家二级标准的仅占l 3 。 在很多大城市都很难见到蓝天白云，这是可吸入颗粒物的污染对环境造成的最直观的影响。从国家 整体来看，欧美城市的年均t s p 浓度为5 0 l s 0 u m 3 ，而我国城市的年均髑p 浓度已经达到1 1 0 1 5 0 0 ”g m 3 ，我国大气的污染水平已经明显高于欧美地区，这是非常值得关注的严峻事实 1 2 可吸入颗粒物的脱除 可吸入颗粒物已经成为我国城市大气污染的首要污染物，因此必须寻求高效脱除可吸入颗粒物 2 第一章绪论 的方法。控制并减少可吸入颗粒物的捧放量，明确其高效脱除机理都是当务之急，也逐渐受到了国 内外越来越多的关注和重视 对于颗粒物的相关研究可以追溯到1 8 世纪末。过去几十年内，美国和一些欧洲国家都大规模展 开了可吸入颗粒物的相关研究，主要针对可吸入颗粒物质量浓度的时空分布、捧放特征谱、源解析、 对大气能见度以及对人体健康的影响等，大多取得了显著的成果1 6 1 。目前，国内外对于可吸入颗粒 物的研究主要围绕可吸入颗粒物的源解析、团聚机理研究和控制技术等方面进行，人们对可吸入颗 粒物的研究也越来越重视。特别是对于可吸入颗粒物的脱除研究，对我国能源和环境都有着深远影 响。 1 2 1 可吸入颗粒物的常规脱除 燃烧生成的烟气必须经过除尘设备处理后才能捧入大气，其中的大尺寸颗粒物使用一般除尘方 法进行脱除。传统的除尘设备可以收集捕捉颗粒物，从而控制颗粒物的捧放 传统的除尘设备发展至今主要根据除尘机理分为以下几种：湿式除尘器、静电除尘器和袋式除 尘器等，其中后两种的运用较为普遍i 驯。 静电除尘器的应用最为广泛，其原理在于利用颗粒在电极板间受到的静电力使得颗粒带电，并 在电场力的作用下沉积在电极上对于超细颗粒，提高电场的电压可以明显提高颗粒的有效驱动速 度，从而提高分级除尘效率。但是静电除尘器的一次性投资较高，体积也较大，同时，影响静电除 尘器除尘效率的因素很多，针对不同除尘对象除尘效率并不稳定。我国的煤种很多，性质差别也较 大，使用静电除尘器很难在每个电厂都保持很高的除尘效率1 1 6 1 。 旋风分离器主要是运用了切向进风或在高速旋转叶片中颗粒受到的离心力加以脱除。当气流的 切向速度增加时，分离颗粒的效率增高。旋风分离器还有结构简单、运行成本低、维护方便适用面 宽等优点但是由于依靠惯性分离机理分离颗粒物，因此不适用于粒径较小的可吸入颗粒物 2 e l 。 袋式除尘器的优点在于除尘效率高，能满足严格摊放的标准。运行也比较稳定，受颗粒性质的 影响程度比较轻。目前国内袋式除尘器主要应用于水泥、煤炭和相关气力输送行业等。近几十年来， 随着袋式除尘器的滤料和技术的发展，袋式除尘器的应用逐步增加四i 。但是袋式除尘器阻力降较大， 滤料抗腐蚀性较差，维护成本也较高，因此大多在一些发达国家使用。美国、澳大利亚等国将袋式 除尘器用于降低粉尘散发量，效果很不错脚l ，但我国采用的并不多。另外，将静电除尘器和旋风分 离器或者袋式除尘器结合起来的复合式除尘器、静电增强过滤除尘器等运用都受到极大关注【”l 。 现有的传统除尘技术目前已经发展的较为成熟。年代中期以后，2 0 0 m w 以上的机组几乎全 部配备了电除尘器至2 0 年底，我国已有1 0 8 0 个火电机组配备了电除尘器，约占总容量的9 0 【2 1 事实上，静电除尘器和袋式除尘器的除尘效率已经达到9 9 9 以上1 9 1 ”，旋风分离技术在高温 下清除大尺寸颗粒物( 粒径大于l o z m ) 的脱除效率通常也可以达到9 9 9 1 6 1 ，但是现有的除尘技术 对可吸入颗粒物的脱除效率非常不理想，特别是对于粒径小于5 z m 的颗粒物脱除效率则很低 6 1 ，如 旋风分离器对小于5 # m 细颗粒的分离效率只有3 0 4 0 ，对p m 2 5 的脱除效率仅有3 左右 虽然袋式除尘器和陶瓷过滤器等对小颗粒物的脱除效率稍高，但是由于其操作和维修消费过商，而 且当烟气的压降增加后脱除效率也会降低，因此采用不多。对于静电除尘器而言，粒径很小的飞灰 颗粒不能包含通过碰撞吸收所需要的动能，也不具备迁徙到除尘器表面所需要的高扩散速度，因此 静电除尘器的除尘效率也很低。其实从静电除尘器的捕集效率公式就可以看出，颗粒的粒径越小， 所携带的电荷量也就越少，更不容易被静电除尘器捕集到。对燃煤电站而言，按照颗粒物的数量来 算，可吸入颗粒物可以达到飞灰总数的9 0 以上。正是这些不容易被捕获的细微颗粒物，所富集的 有害成分和危害性却远远高于租颗粒物l 捌。 现在看来，由于烟气中的可吸入颗粒物的几何尺寸太小，传统方法和设备难以去除，所以必须 在捧放的烟气进入传统除尘设备之前对其进行适当预处理在预处理阶段，烟气中的可吸入颗粒由 于物理或化学作用团聚成为儿何尺寸较大的颗粒，这样一来便有利于传统除尘设备将其去除。因此， 3 东南大学硕士学位论文 探究可吸入颗粒物在外加条件下团聚长大的机理，借此机理寻求高效脱除可吸入颗粒的方法，并减 少颗粒物向大气中的捧放量是一项重要任务，已经受到了各国的密切关注 1 2 2 外加条件下可吸入颗粒物的脱除 要提高对可吸入颗粒物的控制水平。降低其捧放量，除了改善除尘设备的配置以外，还可以从 可吸入颗粒物本身入手通过外加力场作用使得颗粒物团聚是脱除颗粒物的中心思想。团聚技术使 分散的可吸入颗粒物通过物理或者化学作用相互接触而结合成较大颗粒。由于可吸入颗粒是结构和 性质都非常复杂的微细粒子，因此在运动过程中会受到各种力场的作用，也经历着一系列复杂的物 理变化和化学变化。单个颗粒之间、颗粒与周围气体之间都在不断发生相互作用。从基础研究角度 看，可吸入颗粒物受到的最有意义的外加力场有静电力、声场力、热泳力、磁场力等1 ”肛】。基于这 些外加力场，目前将颗粒物在预处理阶段团聚脱除的外界作用包含：电场作用、声场作用、温度场 作用、磁场作用、湍流边界层作用、光学作用和化学作用等。以下简略介绍了可吸入颗粒物在几种 常见的外加条件下的脱除机理。 1 电场作用 外加电场作用可以增加可吸入颗粒物的荷电能力，促进细颗粒物的电泳现象，由此增加了较小 的颗粒物到达较大颗粒物表面的数量，从而增强颗粒物的团聚【1 6 1 1 “外加电场作用主要包括四种电 团聚类型：异性荷电粉尘的库仑团聚、异性荷电粉尘在恒电场中的团聚、同性荷电粉尘在交变电场 中的团聚以及异性荷电粉尘在交变电场中的团聚【1 9 2 0 1 。 上世纪6 0 年代初，f u c k s 提出了带电粒子碰撞频率的计算方法。舳年代末，w f l l i a m s 和l o y a l k a 运用场论方法进一步完善了电团聚方程式。9 0 年代后，电团聚研究有了突破性的进展。1 9 9 5 年， w a t a n b e 研制出了收集亚微米烟尘的电团聚除尘器，并采用同极性荷电颗粒在交变电场中的团聚方 法，在三区式( 预荷电区、团聚区和收尘区) 电团聚除尘装置中进行电团聚除尘实验。结果表明， 除尘效率在5 h z 时最佳，对粒径为m 0 6 娜l 铷n 的飞灰颗粒的脱除效率从常规电除尘器的9 5 增 加到9 8 i l 町川l o f t i e r 对异电荷亚微米颗粒在交变电场中的团聚进行了系统的理论分析，建立了 数学模型计算颗粒在库仑力、电场力，粘性阻力和热扩散作用下的碰撞频率，对此还进行了实验研 究【“ 到目前为止，外加电场作用的研究主要在于提高颗粒团聚速度，使颗粒迅速靠近并团聚，从而 提高电团聚速率，有利于颗粒的捕集i ”。利用电团聚脱除的效率很高，但是电团聚也有缺点，当除 尘电极板捕捉的颗粒累计达到一定数量后，脱除效率就会降低，加上使用外加电场作用脱除颗粒的 一次性投资相当高，因此工业运用上有所限制i 叫硼砷 2 声场作用 有关声波团聚的研究起步非常早。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颗粒的碰撞速率，一旦发生碰撞， 颗粒就很可能会粘在一起形成较大的团聚物。在声波团聚的作用下，颗粒的团聚速度非常快1 2 】瞵】。 关于声团聚的实验研究进行的非常多，实验室内的声波除尘装置通常由声波发生器、声团聚箱 和分离器组成，含尘气流在团聚箱内的停留时问一般不超过1 0 秒。m i c h a e l 等人最早对声团聚的冷 态操作参数进行了系统研究，考察了声强、频率、声波辐射时间和可吸入颗粒物浓度对团聚的影响。 g r o g u s s 通过实验认为可吸入颗粒物团聚的最佳参数为1 5 5 1 6 5 d b ，频率为2 5 0 0 h z ，停留时问为 4 s ，t r w a r y 也报道了在声压级为1 6 0 r i b ，频率2 0 0 0 3 0 0 0 h z 的声场中，颗粒粒径可由0 2 # m 团聚 增加到2 q u m 。他认为团聚的晟佳参数为1 5 0 1 6 0 r i b ，频率1 0 0 0 2 0 0 0 1 - i z ，停留时间为4 s ，这两 者的结论基本一致，实验证实声团聚的方法非常有效i 圳。但是，由于实验条件和参数以及方法的复 杂性和多样性，声团聚的相关机理和其它一些问题仍然没有得到解决，而且至今未制造出实用的声 波除尘器1 2 ”。 声波团聚的优势在于其适用于几乎所有粒径的颗粒，也不受颗粒带电或颗粒温度的限制，可以 用于腐蚀性、高温高压的气体，同时卢波团聚的投资花费也非常小，对于新系统而言经济性很好 4 第一章绪论 3 温度场作用 在外加温度场作用下可吸入颗粒物团聚的相关研究已经较为成熟。研究结果表明，在没有外力 作用的条件下，可吸入颗粒物在温度较高的环境中会产生明显的成核和团聚现象网。通常，各类燃 烧烟气的温度和浓度都很高，因此对于粒径相差较大的颗粒，热团聚的效果较为明显p o i 尽管如此。 高温使得气同分离的机理并不明确，这一点对于提高颗粒在高温环境中的团聚脱除有一定影响【“。 还有实验表明，在温度场中，细颗粒会因为热泳力和湍流扩散的共同作用，向冷壁面运动并产 生沉积。此时气同两相流的速度、密度分布等会影响颗粒的浓度分布以及颗粒的沉降及团聚特性。 但是，随着温度的升高，颗粒受到的粘性阻力也越大，会对捕集效率有一定影响。同时，热团 聚的过程相当缓慢，例如对于常温下单分散性的球形颗粒，当其数目浓度从1 0 s c m - j 降至1 0 c m - 3 时， 颗粒的体积增加2 2 倍忽略重力沉降和边壁效应，根据经典的热团聚方程计算，团聚时间需要9 小时以上f ”1 2 0 1 1 2 s 1 显然，这一点对于热团聚在工业中的实际应用增加了难度。 4 磁场作用 强磁性颗粒经过磁场作用( 磁选或预磁) 后，由于其剩磁的相互作用而产生了磁团聚【2 1 外加 磁场的运用相当广泛而且历史久远，2 0 世纪年代就开始了外加磁场用于除尘的研究，至今，磁 力除尘方法已经成功应用于收集磁性粉尘1 1 j 由于可吸入颗粒中含有一定量的磁性物质，特别是燃 煤可吸入颗粒物中含有f e ；3 0 4 、a - f e 2 0 3 和3 , - f e 2 0 ，等铁氧化物，而f e ；3 0 4 和r - f e 2 0 3 易于磁化，具有 较高的饱和磁化强度，因此使用磁分离技术也是很值得研究的方向。颗粒物被磁化后形成磁偶极子， 可以与强磁性磁种在偶极子力和外磁场力等作用下发生碰撞团聚，从而使颗粒长大l “。 实际应用表明，磁介质容尘量可以达到磁介质本身质量的6 倍，可以说捕集亚微米颗粒的效率 非常高1 2 0 1 。但是到目前为止，外加磁场作用除尘的研究相对其它方法而言较少，颗粒在高梯度磁场 中的受力分析和流场模型都没有统一的认识。目前已有一些基于磁场中可吸入颗粒物的受力分析模 型。对颗粒轨迹和捕捉效率进行模拟的实验和理论研究。相对而言，根据磁团聚的机理脱除可吸入 颗粒物是比较节能的方法，而且安全稳定，因此也有很好的前景闭。 以上这些外加作用都会促使颗粒物碰撞并且粘结在一起形成大颗粒，但是目前对于这些团聚作 用的研究大多在国外进行，在声场作用下颗粒物的团聚是其中最具研究前景的方法之_ _ 1 6 1 1 2 6 1 1 3 声波团聚的国内外研究发展 1 8 6 6 年，k u n d t 首次发现驻波声场中的灰尘颗粒会在声波节点处聚集，由此引出在声场中汇集 颗粒的研究1 8 8 6 年w d l a i mo s t w l d 根据该现象提出了颗粒在声波作用下聚集的设想。1 8 9 1 年， g s m i g 第一次定量描述了一个质地坚硬的球形颗粒在理想不可压缩流体和声场作用下的夹带运动， 提出了声场夹带颗粒的理论，并推导了相应公式1 2 s 1 1 2 9 1 ，这一理论成为今后声波团聚机理研究的基础。 1 9 3 1 年，p a t t e r s o n 和c a w o o d 首次