液滴在燃煤細(xì)顆粒表面凝結(jié)的長大動力學(xué)特性

徐俊超 于 燕 張 軍 鐘 輝

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

液滴在燃煤細(xì)顆粒表面凝結(jié)的長大動力學(xué)特性

徐俊超 于 燕 張 軍 鐘 輝

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

為了研究液滴在燃煤細(xì)顆粒表面的長大動力學(xué)特性,實(shí)驗(yàn)測量了水在不同燃煤細(xì)顆粒表面的接觸角θ,考慮液滴在燃煤細(xì)顆粒表面長大的2種作用機(jī)制:細(xì)顆粒表面水汽的直接擴(kuò)散凝結(jié)和顆粒表面吸附水?dāng)U散凝結(jié),對燃煤細(xì)顆粒表面單液滴的長大動力學(xué)進(jìn)行了研究.數(shù)值討論了燃煤細(xì)顆粒粒徑、蒸汽過飽和度、蒸汽溫度、液滴半徑和顆粒表面潤濕性對單液滴在燃煤細(xì)顆粒表面長大速率的影響.結(jié)果表明:當(dāng)顆粒粒徑小于0.5 μm時,液滴的長大速率隨著燃煤細(xì)顆粒的增大迅速增大,當(dāng)粒徑大于0.5 μm時,長大速率隨著粒徑的增大緩慢增長;液滴的長大速率隨著過飽和度上升呈指數(shù)倍增長,但是隨著蒸汽溫度的上升而呈現(xiàn)下降的趨勢;液滴的長大速率開始隨著液滴半徑的增大而急劇下降,長大到某一半徑后下降的趨勢變緩;當(dāng)0≤cosθ≤0.8時,長大速率隨著潤濕角余弦值的增大而平緩地增大,當(dāng)0.8≤cosθ≤1時,長大速率會隨著潤濕角余弦值的增大而急劇增大.

液滴;燃煤細(xì)顆粒;長大;動力學(xué)

燃煤細(xì)顆粒是我國大氣顆粒物的主要來源之一[1-2],如何高效脫除燃煤產(chǎn)生的細(xì)顆粒物成為我國當(dāng)前環(huán)境和能源領(lǐng)域重要的研究任務(wù).目前處理方法主要是通過對燃煤產(chǎn)生的細(xì)顆粒物進(jìn)行團(tuán)聚長大,預(yù)處理后再結(jié)合傳統(tǒng)除塵設(shè)備來進(jìn)行脫除.預(yù)處理的方式主要有聲波團(tuán)聚[3]、化學(xué)團(tuán)聚[4]、電聚并[5]和水汽相變[6]等.水汽相變促進(jìn)細(xì)顆粒物長大是一項(xiàng)非常具有應(yīng)用前景的細(xì)顆粒物脫除預(yù)處理技術(shù)[7-8],其作用原理是:利用過飽和水汽在細(xì)顆粒物表面凝結(jié),促進(jìn)細(xì)顆粒物長大成較大尺寸的液滴.

液滴在細(xì)顆粒表面的凝結(jié)是一個非?？焖俚倪^程[9],目前,通過實(shí)驗(yàn)還不能觀測到其完整的長大過程,因此通過數(shù)值研究水汽在燃煤細(xì)顆粒表面長大的動力學(xué)過程是當(dāng)前重要的研究手段.凡鳳仙等[10]對水汽在燃煤PM2.5表面異質(zhì)核化特性進(jìn)行了研究,數(shù)值預(yù)測了顆粒核化的臨界自由能、臨界晶核半徑、成核速率和臨界過飽和度.顏金培等[11]通過電鏡觀測形貌發(fā)現(xiàn)燃煤細(xì)顆粒具有分形特征,計算了燃煤顆粒的分維數(shù)后采用Fletcher異質(zhì)成核模型對水汽在燃煤細(xì)顆粒表面的異質(zhì)核化過程進(jìn)行了數(shù)值研究,結(jié)果表明燃煤細(xì)顆粒表面的不規(guī)則結(jié)構(gòu)可以降低水汽在燃煤細(xì)顆粒表面的成核壁壘.然而經(jīng)典的異質(zhì)核化理論的成核速率表達(dá)式中包含動能系數(shù)這一不確定的值,因此給計算結(jié)果帶來誤差[12].Kulmala[13]通過討論液滴的傳熱傳質(zhì)過程,并考慮了Kelvin效應(yīng)建立了過渡區(qū)和連續(xù)區(qū)單液滴增長的速率公式,而Williams[14]則指出該公式只適用于過飽和度小于1.2的情況.Fuchs[15]和Heidenreich[16]也通過討論液滴與顆粒之間的傳熱傳質(zhì)過程研究了水-空氣系統(tǒng)液滴的長大情況,對液滴的長大速率進(jìn)行了數(shù)值研究,但研究中并沒有考慮顆粒表面的性質(zhì)對液滴長大的影響,從而不能有效地預(yù)測燃煤細(xì)顆粒表面的液滴長大速率.

本文基于蒸汽直接擴(kuò)散凝結(jié)和顆粒表面吸附水?dāng)U散凝結(jié)2種機(jī)制研究了單液滴在燃煤細(xì)顆粒表面的長大動力學(xué)特性,一方面避免了使用經(jīng)典異質(zhì)核化理論計算過程中不確定的動能系數(shù);另一方面考慮了燃煤顆粒的表面潤濕性能,對液滴在燃煤細(xì)顆粒表面的長大速率進(jìn)行了計算.

1 水汽在燃煤細(xì)顆粒表面的長大模型

通常水汽在細(xì)顆粒表面異質(zhì)核化凝結(jié)可以分為2個步驟:① 水汽在細(xì)顆粒表面形成晶胚(核化);② 水汽在晶胚表面繼續(xù)長大,這個過程可以看作是一個均相凝結(jié)的過程(見圖1).本文研究核化過程中液滴在細(xì)顆粒表面長大速率, 做如下假設(shè):① 水汽在顆粒表面凝結(jié)形成的液滴為球冠狀;② 核化形成的液滴與液滴之間沒有相互作用;③ 液滴尺寸大于臨界半徑,這是因?yàn)橹挥挟?dāng)液滴尺寸大于臨界直徑時,液滴才能進(jìn)一步長大,而液滴小于臨界直徑時,液滴會蒸發(fā)消失.

(a) 成核

(b) 長大

液滴在顆粒表面長大機(jī)制為:細(xì)顆粒表面水蒸氣分子的直接擴(kuò)散凝結(jié)和顆粒表面吸附水的擴(kuò)散凝結(jié)[17].如圖2所示,顆粒長大可以同時通過蒸汽向其表面擴(kuò)散凝結(jié)至液滴以及顆粒吸附水從顆粒內(nèi)部擴(kuò)散至液滴,液滴表面的水分子也會通過這2種機(jī)制向外蒸發(fā).圖中,α為蒸汽直接擴(kuò)散角,β為顆粒吸附水的表面擴(kuò)散角,Cg和Eg分別為凝結(jié)系數(shù)和蒸發(fā)系數(shù),R為燃煤顆粒的半徑,rg為液滴的半徑,θg為液滴與顆粒的接觸角,ψg為液滴與顆粒接觸線與液滴中心夾角的一半,Φg為液滴與顆粒接觸線與顆粒中心夾角的一半,g為液滴內(nèi)含有的分子數(shù).

圖2 單液滴在顆粒表面凝結(jié)機(jī)制示意圖

類比同相凝結(jié)分子動力學(xué)示意圖[18],得到非均相凝結(jié)分子動力學(xué)示意圖,如圖3所示.圖中,fg為單位顆粒表面積上形成的液滴數(shù)量,因此fg的變化速率為

(1)

圖3 非均相凝結(jié)分子動力學(xué)示意圖

設(shè)Ve(rg)為含有g(shù)個水分子液滴的體積,Vwm為一個水分子的體積,則

Ve(rg)=gVwm

(2)

利用幾何知識可知

(3)

(4)

(5)

Cg=Cg(α)+Cg(β)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中,kB為玻爾茲曼常數(shù);pv為蒸汽的壓力;mwm為一個水分子的質(zhì)量;T為蒸汽的溫度;δ為一個水分子的平均跳躍距離;n1為液滴表面水分子的濃度;v為表面水分子的振動頻率;ΔGdiff為每摩爾水分子的表面擴(kuò)散能;Lcvs為三相接觸線的長度;Scv為蒸汽與液滴接觸面的面積;ΔGdes為每摩爾水分子的吸附能.

蒸汽在液滴表面蒸發(fā)和凝結(jié)達(dá)到平衡是一個動態(tài)的平衡過程,即

(10)

(11)

因此

(12)

式中,上標(biāo)eq表示平衡狀態(tài).蒸發(fā)系數(shù)僅與液體性質(zhì)有關(guān),與氣體的狀態(tài)無關(guān),所以在非平衡態(tài)時也可以用來計算蒸發(fā)系數(shù),即

(13)

根據(jù)模型,可推導(dǎo)出水汽在顆粒表面凝結(jié)的成核速率方程為

(14)

式中,σ為表面張力.

2 結(jié)果與討論

利用Matlab編程分析水汽在燃煤細(xì)顆粒表面長大的動力學(xué)特性,計算過程所采用的參數(shù)見表1.為了驗(yàn)證模型的正確性,計算了液滴半徑隨時間的變化關(guān)系,并與Kulmala模型計算結(jié)果進(jìn)行了對比(見圖4).由圖可以看出,模型的計算結(jié)果與Kulmala計算結(jié)果相近.

表1 數(shù)值計算參數(shù)

圖4 液滴半徑隨時間的變化

2.1 顆粒粒徑的影響

圖5給出了液滴長大速率隨著顆粒半徑的變化規(guī)律.由圖可看出,隨著顆粒粒徑的增大,液滴在顆粒表面的長大速率也在增大.這是因?yàn)轭w粒越大,蒸汽分子向顆粒表面碰撞的機(jī)率也越大,導(dǎo)致蒸汽的直接凝結(jié)效應(yīng)增強(qiáng);另一方面顆粒的粒徑越大,顆粒的表面積也越大,其表面吸附水的擴(kuò)散凝結(jié)效應(yīng)也大.當(dāng)顆粒粒徑R<0.5 μm時,隨著顆粒粒徑的增大,液滴長大速率急劇增大,當(dāng)顆粒粒徑R>0.5 μm時,液滴長大速率則呈平緩增長趨勢.

圖5 液滴長大速率與顆粒半徑的關(guān)系(T=293.15 K)

顆粒表面液滴暴露在蒸汽相的表面積為

(15)

液滴與氣相和固相接觸的三相接觸線周長為

Lcv(rg)=2πrgsinψg

(16)

圖6給出了液滴表面積與其三相接觸線周長的比值Scv/Lcv與顆粒半徑R的關(guān)系.由圖可以看出,當(dāng)R<0.5 μm時,隨著顆粒半徑的增大,Scv/Lcv急劇下降;當(dāng)R>0.5 μm時,Scv/Lcv下降的趨勢趨于緩慢,這一幾何因素導(dǎo)致了液滴長大速率隨著顆粒半徑增加呈現(xiàn)先劇烈增大然后緩慢上升的變化.對比圖5和圖6可以看出,液滴長大速率隨著粒徑的變化、表面積與接觸線的周長之比隨著粒徑的變化均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系.這一結(jié)論與Fletcher的異質(zhì)核化理論中顆粒粒徑對臨界自由能的影響結(jié)果相似,當(dāng)顆粒粒徑較小時,隨著顆粒粒徑的增加液滴成核的臨界自由能急劇下降,當(dāng)顆粒粒徑較大時,臨界自由能隨著顆粒粒徑的變化趨于平穩(wěn)[24].

圖6 Scv/Lcv與顆粒半徑的關(guān)系

2.2 過飽和度的影響

圖7為液滴在燃煤細(xì)顆粒表面長大速率與顆粒周圍過飽和環(huán)境之間的關(guān)系圖.當(dāng)過飽和度S>1時,蒸汽在顆粒表面開始凝結(jié);當(dāng)過飽和度S<1時,液滴發(fā)生蒸發(fā).液滴長大形成新的界面,該過程表面能增加,是一個耗能的過程[25].過飽和是促進(jìn)液滴在細(xì)顆粒表面凝結(jié)長大的最重要影響因素,是蒸汽凝結(jié)成液滴的驅(qū)動力.從圖7中可以看出,生長速率與過飽和度呈指數(shù)型增長.當(dāng)過飽和度較小時,顆粒表面液滴的增長速率較為緩慢,隨著過飽和度的增大,顆粒表面液滴的增長速率快速增加.

圖7 液滴長大速率與顆粒過飽和度的關(guān)系(R=0.01 μm,T=293.15 K,mg=0.765)

2.3 蒸汽溫度的影響

蒸汽在顆粒表面凝結(jié)成液滴,水分子的狀態(tài)由氣相變?yōu)橐合?這過程中會釋放出潛熱,而蒸汽溫度的上升會阻礙液滴向周圍釋放熱量.圖8為燃煤細(xì)顆粒表面液滴長大速率與蒸汽溫度之間關(guān)系圖.可以看出,液滴的長大速率隨著蒸汽溫度的上升而呈現(xiàn)下降的趨勢,這是因?yàn)檎羝蛉济侯w粒表面凝結(jié)是一個由氣相向液相轉(zhuǎn)變的過程,因此顆粒表面上蒸汽凝結(jié)成液滴會向顆粒周圍釋放熱量,提高了液滴的溫度,然后液滴會向外釋放熱量.而蒸汽溫度的上升阻礙了液滴向外界傳熱,因此液滴的長大速率會隨著蒸汽溫度的上升而降低.

2.4 液滴粒徑的影響

圖9描述了液滴長大速率隨著液滴粒徑的變化,液滴的長大速率開始隨著液滴半徑的增大而急劇下降,隨著液滴粒徑的增大,到某一半徑后長大速率下降的趨勢變緩.這是因?yàn)殡S著液滴粒徑的增大,相同粒徑的液滴增大需要更多的蒸汽凝結(jié),而蒸汽分子的凝結(jié)速率并沒有變化,因此液滴的長大速率會隨著液滴粒徑的增大而減小.

圖9 液滴長大速率與液滴粒徑的關(guān)系 (R=1 μm,S=1.5,mg=0.765)

2.5 燃煤細(xì)顆粒表面液滴長大速率的影響

由于不同燃煤電廠使用的煤種不同,其物理化學(xué)性質(zhì)的不同會影響液體在其表面的潤濕性,而潤濕性能是影響液滴在顆粒表面長大的一個重要因素.因此通過實(shí)驗(yàn)測量了不同電廠燃煤飛灰的接觸角來考察潤濕性對液滴長大動力學(xué)的影響.表2列出了不同燃煤電廠飛灰顆粒的潤濕角θ及電廠飛灰的成分,可以看出,大部分燃煤電廠的飛灰顆粒的潤濕角都在40°左右,只有開遠(yuǎn)電廠的飛灰顆粒的潤濕角是21.1°,這是因?yàn)楦鶕?jù)燃煤飛灰顆粒的化學(xué)成分分析,開遠(yuǎn)電廠燃煤飛灰顆粒中含有較高的SO3和CaO，而這2種化學(xué)組分潤濕性較好,因而開遠(yuǎn)電廠燃煤飛灰顆粒的潤濕性能較好.根據(jù)燃煤飛灰顆粒不同的潤濕角大小,由經(jīng)典異質(zhì)成核理論[24]計算了臨界晶胚的半徑rc,為保證液滴能夠長大,長大速率計算時設(shè)液滴半徑r為2rc,模擬飛灰顆粒表面液滴的長大速率如圖10所示.可以看出,隨著潤濕角減小,液滴的長大速率呈上升趨勢,開遠(yuǎn)電廠的飛灰顆粒表面液滴的長大速率要遠(yuǎn)大于其他幾種燃煤電廠飛灰顆粒表面液滴的長大速率,長大速率可以達(dá)到9 m/s.圖11是液滴長大速率與顆粒潤濕角余弦值之間的關(guān)系,可以看出,當(dāng)0≤cosθ≤0.8時,長大速率隨著潤濕角余弦值的增大而平緩地增大;當(dāng)0.8≤cosθ≤1時,長大速率會隨著潤濕角余弦值的增大而急劇增大,這就是開遠(yuǎn)電廠飛灰顆粒表面液滴長大速率遠(yuǎn)大于其他電廠飛灰顆粒表面液滴長大速率的原因.而大部分燃煤飛灰顆粒的潤濕角余弦值小于0.8,因此采用潤濕劑來降低燃煤細(xì)顆粒表面接觸角具有重要的作用.文獻(xiàn)[26]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明了添加潤濕劑可以大幅提高水汽在燃煤細(xì)顆粒表面的長大效果.

表2 不同電廠飛灰顆粒的潤濕角及其化學(xué)組分表

圖10 不同燃煤電廠飛灰顆粒表面液滴的長大速率 (S=1.5,R=1 μm,r=5.32 nm,T=293.15 K)

圖11 長大速率與潤濕角的關(guān)系(S=1.5,R=1 μm,r=5.32 nm,T=293.15 K)

3 結(jié)論

1) 當(dāng)燃煤顆粒粒徑較小時(R<0.5 μm),長大速率隨著顆粒粒徑的增大劇烈增大,當(dāng)燃煤粒徑進(jìn)一步增大時,液滴長大速率增長緩慢;液滴長大速率隨著粒徑的變化、表面積與接觸線的周長之比隨著粒徑的變化均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系.

2) 液滴的長大速率隨著過飽和度的增加而增加.

3) 蒸汽溫度的升高會降低液滴的長大速率.

4) 隨著液滴粒徑的增大,液滴的長大速率會下降.

5) 燃煤細(xì)顆粒表面的潤濕性對液滴的長大速率作用明顯,尤其是當(dāng)0.8≤cosθ≤1時,長大速率隨著潤濕角余弦值的增大而急劇增大.

References)

[1]Wu S, Deng F, Wei H, et al. Association of cardiopulmonary health effects with source-appointed Ambient fine particulate in Beijing, China: A combined analysis from the healthy volunteer natural relocation (HVNR) study[J].EnvironmentalScience&Technology, 2014, 48(6): 3438-3448. DOI:10.1021/es404778w.

[2]Song Y, Zhang Y H, Xie S D, et al. Source apportionment of PM2.5 in Beijing by positive matrix factorization[J].AtmosphericEnvironment, 2006, 40(8): 1526-1537. DOI: 10.1016/j.atmosenv.2005.10.039.

[3]袁竹林,李偉力,魏星,等.聲波對懸浮PM2.5作用的數(shù)值研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2005,25(8):121-125. DOI:10.3321/j.issn:0258-8013.2005.08.022. Yuan Zhulin, Li Weili, Wei Xing, et al. Study of the sound wave effect on the PM2.5suspended in the air by numerical method [J].ProceedingsoftheCSEE, 2005, 25(8): 121-125. DOI:10.3321/j.issn:0258-8013.2005.08.022.(in Chinese)

[4]劉勇,趙汶,劉瑞,等.化學(xué)團(tuán)聚促進(jìn)電除塵脫除PM2.5的實(shí)驗(yàn)研究[J].化工學(xué)報,2014,65(9):3609-3616. DOI: 10.3969/j.issn.0438-1157.2014.09.041. Liu Yong, Zhao Wen, Liu Rui, et al. Improving removal of PM2.5by electrostatic precipitator with chemical agglomeration [J].CIESCJorunal, 2014, 65(9): 3609-3616. DOI: 10.3969/j.issn.0438-1157.2014.09.041. (in Chinese)

[5]Ji J, Hwang J, Bae G, et al. Particle charging and agglomeration in DC and AC electric fields[J].JournalofElectrostatics, 2004, 61(1): 57-68. DOI: 10.1016/j.elstat.2003.12.003.

[6]徐俊超,張軍,周璐璐,等.蒸汽凝結(jié)促進(jìn)PM2.5長大的研究現(xiàn)狀[J].現(xiàn)代化工,2014,34(3):20-24. Xu Junchao, Zhang Jun, Zhou Lulu, et al. Prospect in vapor condensation for PM2.5 abatement [J].ModernChemicalIndustry, 2014, 34(3): 20-24. (in Chinese)

[7]Yoshida T, Kousaka Y, Okuyama K. Growth of aerosol particles by condensation[J].Industrial&EngineeringChemistryFundamentals, 1976, 15(1): 37-41. DOI:10.1021/i160057a007.

[8]Heidenreich S, Vogt U, Büttner H, et al. A novel process to separate submicron particles from gases—A cascade of packed columns[J].ChemicalEngineeringScience, 2000, 55(15): 2895-2905. DOI:10.1016/s0009-2509(99)00554-0.

[9]Fan Y, Qin F, Luo X, et al. A modified expression for the steady-state heterogeneous nucleation rate[J].JournalofAerosolScience, 2015, 87: 17-27. DOI: 10.1016/j.jaerosci.2015.05.001.

[10]凡鳳仙,楊林軍,袁竹林,等.水汽在燃煤PM2.5表面異質(zhì)核化特性數(shù)值預(yù)測[J].化工學(xué)報,2007,58(10):2561-2566. DOI:10.3321/j.issn:0438-1157.2007.10.025. Fan Fengxian, Yang Linjun, Yuan Zhulin, et al. Numerical prediction of water vapor nucleation behavior on PM2.5from coal combustion[J].CIESCJorunal, 2007, 58(10): 2561-2566. DOI:10.3321/j.issn:0438-1157.2007.10.025.(in Chinese)

[11]顏金培,楊林軍,凡鳳仙,等.基于分形理論的水汽在燃煤細(xì)顆粒表面異質(zhì)核化數(shù)值研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2009,29(11):50-56. Yan Jinpei, Yang Linjun, Fan Fengxian, et al. Numerical analysis of water vapor nucleation on fine particles from coal combustion based on fractal model[J].ProceedingsoftheCSEE, 2009, 29(11): 50-56. (in Chinese)

[12]凡鳳仙,楊林軍,袁竹林,等.水汽在細(xì)微顆粒表面異質(zhì)核化數(shù)值分析[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2007,37(5):833-838. DOI:10.3321/j.issn:1001-0505.2007.05.019. Fan Fengxian, Yang Linjun, Yuan Zhulin, et al. Numerical analysis of water vapor nucleation on fine particles[J].JournalofSoutheastUniversity(NaturalScienceEdition), 2007, 37(5): 833-838. DOI:10.3321/j.issn:1001-0505.2007.05.019.(in Chinese)

[13]Kulmala M. Condensational growth and evaporation in the transition regime[J].AerosolScienceandTechnology, 1993, 19(3): 381-388. DOI: 10.1080/02786829308959645.

[14]Williams M M R. Growth rates of liquid drops for large saturation ratios[J].JournalofAerosolScience, 1995, 26(3): 477-487. DOI:10.1016/0021-8502(94)00124-h.

[15]Fuchs N A.Evaporationanddropletgrowthingaseousmedia[M]. London, UK: Pergamonpress, 1959: 759.

[16]Heidenreich S. Condensational droplet growth in the continuum regime—A critical review for the system air-water[J].JournalofAerosolScience, 1994, 25(1): 49-59.

[17]Lee Y L, Chou W S, Chen L H. The adsorption and nucleation of water vapor on an insoluble spherical solid particle[J].SurfaceScience, 1998, 414(3): 363-373. DOI:10.1016/s0039-6028(98)00441-5.

[18]Kalikmanov V I.Nucleationtheory[M/OL]. Springer Netherlands, 2013: 316. http://www.springer.com/cn/book/9789048136421?wt_mc=ThirdParty.SpringerLink.3.EPR653.About_eBook.

[19]Holten V, van Dongen M E H. Comparison between solutions of the general dynamic equation and the kinetic equation for nucleation and droplet growth[J].TheJournalofChemicalPhysics, 2009, 130(1): 14102. DOI: 10.1063/1.3054634

[20]Kozǐisěk Z, Demo P. Influence of vapor depletion on nucleation rate[J].TheJournalofChemicalPhysics, 2007, 126(18): 184510. DOI: 10.1063/1.2731780.

[21]Pruppacher H R, Klett J D, Wang P K. Microphysics of clouds and precipitation[J].AerosolScienceandTechnology, 1998, 28(4): 381-382. DOI:10.1080/02786829808965531.

[22]Seki J, Hasegawa H. The heterogeneous condensation of interstellar ice grains[J].AstrophysicsandSpaceScience, 1983, 94(1): 177-189. DOI:10.1007/bf00651770.

[23]Laaksonen A, Vesala T, Kulmala M, et al. Commentary on cloud modelling and the mass accommodation coefficient of water[J].AtmosphericChemistryandPhysics, 2005, 5(2): 461-464. DOI: 1680-7324/acp/2005-5-461.

[24]Fletcher N H. Size effect in hetergeneous nucleation[J].TheJournalofChemicalPhysics, 1958, 29(3): 572-576. DOI:10.1063/1.1744540.

[25]滕新榮.表面物理化學(xué)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009:234.

[26]Xu J, Zhang J, Yu Y, et al. Characteristics of vapor condensation on coal-fired fine particles[J].Energy&Fuels, 2016, 30(3): 1822-1828. DOI: 10.1021/acs.energyfuels.5b02200.

Kinetics study of droplet growth on surface of coal-fired fine particles

Xu Junchao Yu Yan Zhang Jun Zhong Hui

(Key Laboratory of Energy Thermal Conversion Control of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China)

To study the kinetics of the droplet growth on coal fired fine particle surface, the contact angle of water on coal fired fine particles was experimentally measured. Both the surface vapor direct diffusion condensation and the particle surface adsorption water diffusion condensation mechanisms were considered, the kinetics of the single droplet growth on coal fired fine particle surface was studied. The effects on single droplet growth rate were studied: radius of coal fired fine particles, the vapor supersaturation, vapor temperature, droplet radius, and surface wettability. The results show that when the particle radius is more than 0.5 μm, the droplet growth rate dramatically increases with the increase of the particle radius, when the particle radius is bigger than 0.5 μm, it increases slowly with the increase of the particle radius; the droplet growth rate exponentially increases with the increase of the supersaturation while it decreases with the the vapor temperature; the droplet growth rates sharply decreases with the increase of the droplet radius, but it becomes slowly with the increase of the droplet radius larger than a certain value; when 0≤cosθ≤0.8, the droplet growth rate slowly increases with the increase of the cosine of contact angle, when 0.8≤cosθ≤1, the droplet growth rate rapidly increases with the increase of the cosine of the contact angle.

droplet; coal fired fine particles; growth; kinetics

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.03.016

2016-10-06. 作者簡介: 徐俊超(1990—)，男，博士生；張軍(聯(lián)系人)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，junzhang@seu.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51576043)、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項(xiàng)目(2013CB228504)、江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃資助項(xiàng)目(KYLX16_0202)、東南大學(xué)優(yōu)秀博士學(xué)位論文培育基金資助項(xiàng)目(YBJJ1607).

徐俊超,于燕,張軍,等.液滴在燃煤細(xì)顆粒表面凝結(jié)的長大動力學(xué)特性[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2017,47(3):506-512.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.03.016.

TK16

A

1001-0505(2017)03-0506-07