物化性質(zhì)對(duì)細(xì)顆粒長(zhǎng)大過(guò)程影響的研究現(xiàn)狀

周璐璐，張 軍，徐俊超，楊林軍，袁竹林

(東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過(guò)程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096)

0 引言

傳統(tǒng)除塵技術(shù)主要包括靜電除塵器、布袋除塵器及濕法脫硫除塵等［1］，它們均能有效去除粗模態(tài)的顆粒，但對(duì)細(xì)顆粒的脫除效率較低。我國(guó)大多數(shù)電廠均采用電除塵器，對(duì)于全效率為99%的電除塵器，大約有1%的飛灰顆粒排入大氣，其中大部分是粒徑小于2.5μm 的細(xì)顆粒，數(shù)量達(dá)到90%以上。細(xì)顆粒進(jìn)入大氣后對(duì)人體健康和大氣環(huán)境危害極大［2］，因此，控制燃燒源細(xì)顆粒的排放迫在眉睫。

顆粒長(zhǎng)大促進(jìn)技術(shù)是目前研究的有效脫除細(xì)顆粒技術(shù)之一，主要包括聲波團(tuán)聚、電凝并、磁凝并、熱凝并、湍流邊界層凝并、光凝并、化學(xué)團(tuán)聚以及水汽相變技術(shù)等。不管是增加聲場(chǎng)、磁場(chǎng)、電場(chǎng)還是在過(guò)飽和水汽場(chǎng)，針對(duì)的主體都是飛灰顆粒。因此，飛灰顆粒的物化性質(zhì)對(duì)除塵效率起著關(guān)鍵的作用，研究其是怎樣影響顆粒長(zhǎng)大的，對(duì)實(shí)現(xiàn)細(xì)顆粒被高效率的脫除起著指導(dǎo)的作用。本文綜述了飛灰顆粒物化性質(zhì)對(duì)聲磁團(tuán)聚、波團(tuán)聚、電聚并、化學(xué)團(tuán)聚以及水汽相變技術(shù)脫除細(xì)顆粒性能的影響。

1 磁團(tuán)聚長(zhǎng)大技術(shù)

磁團(tuán)聚［3］是指含有磁性或弱磁性的顆粒物除了受流場(chǎng)中的重力、曳力、阻力外還受到磁場(chǎng)中的磁力，在這些力的共同作用下，顆粒之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而增加顆粒之間的有效碰撞，對(duì)于微米級(jí)的顆粒來(lái)說(shuō)，碰撞的結(jié)果更趨向于聚并長(zhǎng)大，即磁團(tuán)聚。磁團(tuán)聚除塵技術(shù)，是將磁團(tuán)聚運(yùn)用到除塵過(guò)程中，在磁團(tuán)聚的原理作用下，飛灰中細(xì)顆粒團(tuán)聚成大顆粒，然后被傳統(tǒng)除塵技術(shù)脫除。磁團(tuán)聚除塵技術(shù)的關(guān)鍵在于飛灰中含有磁性或弱磁性的部分，飛灰中的磁性物質(zhì)對(duì)磁團(tuán)聚除塵效果起著重要的作用。

研究表明［3］，煙塵在磁場(chǎng)中收到的磁力與比磁化率有關(guān)，煙塵的比磁化率與磁場(chǎng)強(qiáng)度、本身形狀和粒度無(wú)關(guān)，而只與礦物組成有關(guān)。燃煤飛灰的鐵磁特性主要由于其中含有γ－Fe2O3和Fe3O4等，γ－Fe2O3和Fe3O4都是典型的鐵磁性物質(zhì)。吳新等［4］探究燃燒溫度和燃燒氣氛對(duì)含鐵物相相對(duì)含量的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)煤種、溫度和燃燒氣氛對(duì)燃煤飛灰中含鐵物相的種類(lèi)沒(méi)有影響，而對(duì)含鐵物相中鐵的相對(duì)含量有一定的影響。因此，對(duì)于磁團(tuán)聚技術(shù)顆粒的礦物組成有著重要的作用，不同礦物組成可能在磁場(chǎng)中所受的磁力不盡相同，其中含鐵物的典型磁性物質(zhì)的存在對(duì)磁團(tuán)聚影響更明顯，因?yàn)槠溆绊懼呕?。而含鐵量受著各種因素的影響。

2 聲波團(tuán)聚長(zhǎng)大技術(shù)

聲波團(tuán)聚技術(shù)作用原理是利用高強(qiáng)聲波對(duì)氣溶膠進(jìn)行處理，促進(jìn)顆粒間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并增加它們之間的碰撞概率，而且一旦顆粒發(fā)生碰撞，便有可能粘附形成較大一級(jí)的團(tuán)聚物［5］，細(xì)顆粒從而在聲波作用下聚并成大顆粒。聲波團(tuán)聚除塵技術(shù)就是利用這樣的原理使飛灰中的細(xì)顆粒碰撞聚并變大，再用傳統(tǒng)除塵技術(shù)進(jìn)行脫除。

孫德帥等［6］在中等強(qiáng)度駐波聲場(chǎng)中，對(duì)燃煤可吸入顆粒物進(jìn)行團(tuán)聚清除試驗(yàn)研究，結(jié)果表明對(duì)于粒徑小1.1 μm 與4.7 到10 μm 之間的顆粒，聲波團(tuán)聚除塵效率高于1.1 到4.7 μm 之間顆粒。張光學(xué)［7］在對(duì)燃煤飛氣溶膠聲波團(tuán)聚和理論的試驗(yàn)中，用包括了同向團(tuán)聚作用機(jī)理、碰撞效率及布朗團(tuán)聚機(jī)理等理論模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出當(dāng)小顆粒的粒徑大于2.5 μm，碰撞效率基本保持較高值，當(dāng)小顆粒的粒徑小于2.5 μm 時(shí)，碰撞效率急劇降低。

綜上所述，顆粒粒徑影響聲波團(tuán)聚過(guò)程，但其影響的機(jī)制和規(guī)律，尚待進(jìn)一步研究。

3 電凝并長(zhǎng)大技術(shù)

電凝并是指在靜電力作用下的熱凝并過(guò)程，具體來(lái)說(shuō)就是熱擴(kuò)散作用使顆粒相互靠近到靜電力足以起作用的距離，然后在靜電力的作用下得到凝并。目前，多數(shù)研究把電凝并技術(shù)與電除塵器相結(jié)合，利用電凝并技術(shù)使細(xì)顆粒長(zhǎng)大，再采用靜電除塵器脫除長(zhǎng)大后的顆粒。研究的電凝并類(lèi)型主要概括為:異極性荷電粉塵的庫(kù)侖凝并;同極性荷電粉塵在交變電場(chǎng)中的凝并;異極性荷電粉塵在交變電場(chǎng)中的凝并;異極性荷電粉塵在直流電場(chǎng)中的凝并［8］。異極性荷電粉塵在交變電場(chǎng)中的凝并被認(rèn)為有很好的前景，是主要的發(fā)展方向。電凝并效果取決于顆粒濃度、粒徑、電荷的分布及外電場(chǎng)強(qiáng)弱等因素［9］。目前關(guān)于飛灰顆粒粒徑對(duì)電凝并除塵性能的影響已有一定研究［10－12］。

趙爽等［13－14］進(jìn)行了電凝并脫除可吸入顆粒物的試驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)0.5 至1.0 μm 粒徑段的顆粒的凝并效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于相同工況下其他粒徑顆粒。此外，從分形生長(zhǎng)的角度來(lái)看，粉塵粒度組成對(duì)電凝并除塵效率也有一定的影響。羅果萍等［15］應(yīng)用分形生長(zhǎng)理論建立了亞微米粒子電凝并過(guò)程的分形生長(zhǎng)數(shù)學(xué)模型，對(duì)亞微米塵粒電凝并進(jìn)行了分形研究。研究發(fā)現(xiàn)，隨著粉塵粒度組成的變化，分形維數(shù)也將發(fā)生改變。分維數(shù)越大，凝并體結(jié)構(gòu)越不規(guī)則，向空間擴(kuò)展生長(zhǎng)的能力越強(qiáng)，塵粒越容易聚集凝并，除塵效率越高。

從上述研究可以看出，顆粒粒徑作為飛灰的特性之一是影響電凝并過(guò)程的，但具體機(jī)制及規(guī)律需要繼續(xù)探討。其次，飛灰組分會(huì)影響到電荷分布，而電荷分布是影響電凝并過(guò)程的重要因素，研究飛灰組分對(duì)電凝并過(guò)程的影響有重要意義，但有關(guān)這方面的研究還未見(jiàn)報(bào)到。

4 化學(xué)團(tuán)聚長(zhǎng)大技術(shù)

化學(xué)團(tuán)聚技術(shù)指的是通過(guò)加入某種化學(xué)團(tuán)聚劑，促使細(xì)顆粒團(tuán)聚長(zhǎng)大成大顆粒的技術(shù)。化學(xué)團(tuán)聚除塵是指在除塵設(shè)備前使用吸附劑利用物理吸附和化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合的機(jī)理來(lái)使細(xì)顆粒團(tuán)聚長(zhǎng)大，從而可以被傳統(tǒng)除塵設(shè)備脫除的技術(shù)。

劉加勛等［16］基于快速聚沉理論建立了燃煤顆粒物化學(xué)團(tuán)聚模型，對(duì)該模型進(jìn)行不同參數(shù)對(duì)團(tuán)聚效果影響的研究，發(fā)現(xiàn)在相同霧化質(zhì)量的條件下，隨著飛灰顆粒直徑的增加，團(tuán)聚率提高。化學(xué)團(tuán)聚過(guò)程中，飛灰顆粒與團(tuán)聚劑接觸時(shí)，如果飛灰顆粒的潤(rùn)濕性不夠好，顆粒將停留在液滴表面阻礙與其他飛灰顆粒的接觸，并且有可能被氣流重新帶走，降低團(tuán)聚劑團(tuán)聚效果。李海龍等人［17］研究三種潤(rùn)濕劑溶液中的潤(rùn)濕性能，這些表面活性劑的適量添加均可以提高飛灰顆粒的潤(rùn)濕性。

化學(xué)團(tuán)聚除塵技術(shù)作為去除細(xì)顆粒的一種有效方式，不僅可以有效地去除細(xì)顆粒，而且還可以同時(shí)除去多種污染物。

5 水汽相變長(zhǎng)大技術(shù)

水汽相變長(zhǎng)大技術(shù)，通過(guò)水汽在細(xì)顆粒表面發(fā)生異相凝結(jié)長(zhǎng)大，使顆粒變大，促進(jìn)常規(guī)除塵器對(duì)其除塵，以達(dá)到細(xì)顆粒被脫除的效果。水汽相變技術(shù)以微粒表面為依托開(kāi)始凝結(jié)發(fā)生相變，微粒起到凝結(jié)核的作用［18］，其表面的物理、化學(xué)特性對(duì)核化性能及此后的凝結(jié)生長(zhǎng)具有決定性作用。

Yoshida 等［19］研究發(fā)現(xiàn)即使顆粒不是親水性的也可以在過(guò)飽和蒸汽中很快長(zhǎng)大。陳進(jìn)等［20］選取礦物燒結(jié)廠、電廠和煅燒粘土廠飛灰以及SiO2粉末，對(duì)這四種顆粒進(jìn)行了相變凝結(jié)的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)潤(rùn)濕性越好，粒徑越大的顆粒脫除效率也越高。Heidenreich［21］等進(jìn)行了利用蒸汽異相凝結(jié)作用脫除亞微米級(jí)微粒的試驗(yàn)和理論研究，理論分析了初始粒徑分布對(duì)細(xì)顆粒核化凝結(jié)長(zhǎng)大過(guò)程的影響，小粒徑的顆粒長(zhǎng)大速率比率比大粒徑的快，導(dǎo)致在很短的時(shí)間內(nèi)顆粒粒徑的單峰分布在凝結(jié)后的粒徑分布變窄。孫露娟等［22］利用水汽相變?cè)碓谔盍舷礈焖?nèi)進(jìn)行了燃煤、燃油超細(xì)顆粒凝結(jié)長(zhǎng)大以及脫除的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)燃煤和燃油產(chǎn)生的超細(xì)顆粒的形貌和組分具有較大的差別，燃煤超細(xì)顆粒物主要成分是硅鋁礦物質(zhì)，燃油超細(xì)顆粒物主要為含炭物質(zhì)，燃煤細(xì)顆粒的平均粒徑小于燃油細(xì)顆粒，填料洗滌塔對(duì)燃煤細(xì)顆粒的洗滌脫除效果優(yōu)于燃油細(xì)顆粒。張霞等［23］對(duì)應(yīng)用蒸汽相變?cè)碜鳛槊摮紵碢M2.5預(yù)調(diào)節(jié)措施的效果進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)不同燃燒源產(chǎn)生的PM2.5，其相變凝結(jié)脫除效率不同。

顆粒越大、潤(rùn)濕性好的顆粒在水汽中越易長(zhǎng)大被脫除，且不同粒徑的顆粒，在水汽中長(zhǎng)大速率不一樣，導(dǎo)致顆粒粒徑分布在水汽中長(zhǎng)大后發(fā)生變化，粒徑分布單峰變窄［24］。此外，顆粒的化學(xué)組分和表面特征也影響顆粒的長(zhǎng)大。

6 結(jié)語(yǔ)

細(xì)顆粒對(duì)人類(lèi)健康和環(huán)境危害巨大，因此，控制燃燒源細(xì)顆粒的排放十分重要。顆粒長(zhǎng)大技術(shù)可以通過(guò)外場(chǎng)使細(xì)顆粒長(zhǎng)大，為脫除細(xì)顆粒提供了一條有效的途徑。飛灰物化特性影響細(xì)顆粒長(zhǎng)大過(guò)程，比如顆粒粒徑，整體粒徑分布，顆?；瘜W(xué)組分，表面特征等等。然而目前的研究多集中于怎樣提高脫除細(xì)顆粒效率，研究清楚顆粒長(zhǎng)大技術(shù)的的機(jī)制，這更有利于這項(xiàng)技術(shù)的積極發(fā)展及應(yīng)用。

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