種子顆粒聯(lián)合聲波凝并微細(xì)顆粒的研究*

劉定平 羅偉樂

(1.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院∥廣東省能源高效清潔利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室∥廣東省能源高效低污染轉(zhuǎn)化工程技術(shù)研究中心, 廣東 廣州510640)

種子顆粒聯(lián)合聲波凝并微細(xì)顆粒的研究*

劉定平 羅偉樂

(1.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院∥廣東省能源高效清潔利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室∥廣東省能源高效低污染轉(zhuǎn)化工程技術(shù)研究中心, 廣東 廣州510640)

為了研究種子顆粒聯(lián)合聲波凝并微細(xì)顆粒的效率,將顆粒群平衡模型與歐拉多相流模型進(jìn)行耦合,通過用戶自定義函數(shù)引入聲波凝并核函數(shù),采用數(shù)值仿真,在顆粒粒徑及流速一定的情況下,分別研究了聲頻、聲壓級(jí)、停留時(shí)間和初始粉塵濃度對(duì)種子顆粒聯(lián)合聲波凝并效率的影響.仿真結(jié)果表明：微細(xì)顆粒總凝并效率受聲頻的影響較大,存在一個(gè)最佳凝并聲頻,且高頻聲波有利于小顆粒的凝并,低頻聲波則有利于大顆粒的凝并;聲壓級(jí)越大,微細(xì)顆粒振動(dòng)幅度越大,凝并效率越高;延長(zhǎng)停留時(shí)間有利于提高微細(xì)顆粒間的碰撞機(jī)率,促進(jìn)凝并的發(fā)生;初始粉塵濃度的增加能有效地提高微細(xì)顆粒的總凝并效率,且最高凝并效率處在初始峰值粒徑附近.上述仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致.

微細(xì)顆粒；凝并；種子顆粒；聲波

微細(xì)顆粒難以從煙氣中高效地脫除,且脫除成本很高[1].但由于凈化空氣的需要以及微細(xì)顆粒往往攜帶著重金屬或其他有毒成分[2- 3],微細(xì)顆粒的脫除顯得極其重要.煤炭和重油燃燒后通過常規(guī)除塵器排放的顆粒粒徑分布主要集中在幾納米到幾微米之間[4- 6].然而,常規(guī)除塵器對(duì)于微細(xì)顆粒(特別是粒徑在0.1～2 μm)的脫除效率很低[6],使微細(xì)顆粒先通過物理或化學(xué)的方法凝并成大顆粒,再用常規(guī)除塵/除霧器高效地脫除是一種極有發(fā)展前景的微細(xì)顆粒脫除措施.

聲波凝并是目前粉塵治理的研究熱點(diǎn)[7- 9].其主要原理是利用高強(qiáng)度的聲場(chǎng),使得流場(chǎng)中不同粒徑的顆粒間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而發(fā)生碰撞凝并[10].聲波凝并存在多種不同的機(jī)理,包括同向凝并、共散射效應(yīng)、共輻射壓效應(yīng)、聲致湍流作用和聲波尾流效應(yīng)等[3,11- 16].其中同向凝并是最早提出的機(jī)理,也被認(rèn)為是聲波凝并中最重要的機(jī)理[3,11,14- 15].相關(guān)研究表明[14- 15]:對(duì)于燃煤飛灰等微米級(jí)多分散顆粒物,同向凝并核函數(shù)的凝并系數(shù)要遠(yuǎn)高于其他機(jī)理的聲波凝并.因此,對(duì)同向凝并機(jī)理進(jìn)行理論分析和數(shù)值仿真,預(yù)測(cè)其作用下微細(xì)顆粒的凝并效果具有重要意義.

文中采用顆粒群平衡模型(PBM),并將PBM與歐拉多相流模型進(jìn)行耦合,通過用戶自定義函數(shù)(UDF)引入同向凝并核函數(shù),進(jìn)行種子顆粒聯(lián)合聲波凝并微細(xì)顆粒的數(shù)值仿真,研究了聲頻、聲壓級(jí)、停留時(shí)間和初始粉塵濃度對(duì)微細(xì)顆粒凝并效率的影響,擬為種子顆粒聯(lián)合聲波凝并微細(xì)顆粒的試驗(yàn)研究提供指導(dǎo).

1 物理模型

為了研究微細(xì)顆粒的凝并效率,基于前期研究,設(shè)計(jì)如圖1所示的聲波凝并器.凝并器由長(zhǎng)600 mm、管徑100 mm的圓柱形組成,含塵煙氣由左側(cè)進(jìn)口進(jìn)入凝并室,經(jīng)聲波凝并后的含塵煙氣從右端出口流出.

圖1 聲波凝并器Fig.1 Acoustic coagulation device

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 波函數(shù)

聲波在流體中傳播使得流體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生振動(dòng),即流體質(zhì)點(diǎn)被聲波所挾帶,由于流體質(zhì)點(diǎn)在聲波凝并室中的位置不同,聲波傳遞到流體質(zhì)點(diǎn)的時(shí)間也不相同,導(dǎo)致不同流體質(zhì)點(diǎn)間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng).聲波作用下流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程為

(1)

式中:A為振幅,m;ω為角速度,rad/s;t為時(shí)間,s;x為流體質(zhì)點(diǎn)沿水平方向的位置,m;c為聲波在流體介質(zhì)中的傳播速度,在此取340 m/s.

式(1)對(duì)時(shí)間t求二階導(dǎo)數(shù)(二階偏導(dǎo)數(shù)),即可得到流體質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的加速度方程:

(2)

2.2 顆粒凝并機(jī)理

為了探索凝并器中顆粒粒徑分布隨時(shí)間的變化,引入了顆粒群平衡模型(PBM).根據(jù)設(shè)計(jì)的凝并器,建立顆粒群平衡方程(PBE)為[17]

(3)

式中:n(V,t)表示顆粒體積為V、在t時(shí)刻的顆粒數(shù)濃度,m-3;up為顆粒相速度,m/s;β(V,V′)為體積分別為V和V′ 的兩種顆粒的凝并核函數(shù).公式右側(cè)第一項(xiàng)表示因凝并生成體積為V的顆粒而導(dǎo)致n(V,t)的增加量,第2項(xiàng)表示因凝并生成體積更大的顆粒而導(dǎo)致n(V,t)的減少量.

當(dāng)聲波作用于流體時(shí),流體質(zhì)點(diǎn)跟隨聲波做有規(guī)律的振動(dòng),流體中的顆粒也隨之發(fā)生振動(dòng),形成聲波挾帶.顆粒與流體質(zhì)點(diǎn)的振幅之比為挾帶系數(shù)μp[9]:

(4)

(5)

式中:ρp為顆粒的密度,kg/m3;dp為顆粒直徑,m;μ為流體動(dòng)力黏度,kg/(m·s).

同向凝并中,聲波所挾帶的顆粒由于粒徑不同、慣性不同,導(dǎo)致大小顆粒間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)而發(fā)生碰撞凝并[16].Mednikov[12]最早提出了理想氣體同向凝并核函數(shù)的計(jì)算公式.文獻(xiàn)[13]和[14]分別在Mednikov的理論的基礎(chǔ)上利用同向凝并核函數(shù)對(duì)氣溶膠進(jìn)行了仿真計(jì)算,與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果一致,證明上述數(shù)學(xué)模型用于微細(xì)顆粒聲波凝并研究是可行的.

根據(jù)前述研究,同向凝并核函數(shù)(單位為m3/s)可表達(dá)為[14]

(6)

研究表明[19],該計(jì)算可將凝并器中的煙氣簡(jiǎn)化為氣固兩相流,采用歐拉多相流模型計(jì)算氣相和顆粒相的運(yùn)動(dòng)狀況,湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε,采用PBM模型計(jì)算顆粒的凝并,通過UDF寫入同向凝并核函數(shù),將PBM同歐拉多相流模型耦合求解.

對(duì)PBE方程采用均一離散法求解,顆粒初始粒徑分布如表1所示,顆粒按粒徑大小分成9個(gè)區(qū)間,總體積分?jǐn)?shù)取3.035×10-6,種子顆粒平均粒徑取25.6 μm.在此氣相采用不可壓縮的空氣代替,來流速度取0.35 m/s,空氣密度為1.225 kg/m3,空氣動(dòng)力黏度為1.789×10-5kg/(m·s),顆粒密度取2 100 kg/m3,顆粒動(dòng)力黏度取1.72×10-5kg/(m·s)進(jìn)行算例仿真.由于顆粒質(zhì)量很小,忽略重力對(duì)顆粒的影響.計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)取0.000 1 s.

表1 各尺度顆粒的體積分?jǐn)?shù)Table 1 Volume fractions of differently sized particles

3 模型計(jì)算與分析

將同向凝并核函數(shù)編寫為UDF后導(dǎo)入PBM,進(jìn)行種子顆粒聯(lián)合聲波凝并微細(xì)顆粒的效率計(jì)算.由于種子顆粒所占的體積分?jǐn)?shù)只有0.008 1,且粒徑較大,所以種子顆粒對(duì)初始粒徑分布影響較小,因此加入種子顆粒對(duì)微細(xì)顆粒初始粒徑分布的影響可忽略不計(jì)[9].

圖2為不同時(shí)刻出口各粒徑區(qū)間微細(xì)顆粒數(shù)濃度的變化曲線,其中聲頻取1.2 kHz、聲壓級(jí)取148 dB.由圖2可知,隨著時(shí)間的推移,出口處顆粒的粒徑分布發(fā)生明顯變化,峰值段的微細(xì)顆粒數(shù)濃度不斷減少.當(dāng)t=2.7 s后,微細(xì)顆粒的粒徑分布趨向穩(wěn)定,峰值段的微細(xì)顆粒數(shù)濃度由初始時(shí)的4.33×1010m-3減少到1.89×1010m-3以下.

圖2 不同時(shí)刻出口各粒徑區(qū)間微細(xì)顆粒數(shù)濃度變化曲線

Fig.2 Changing curves of outlet concentration of differently-sized fine particles at different moments

為了便于描述凝并效率,在粒徑分布趨于穩(wěn)定時(shí),取凝并器出口各粒徑區(qū)間微細(xì)顆粒的數(shù)濃度來表征凝并效率.其中η、ηi分別表示微細(xì)顆粒的總凝并效率和第i個(gè)粒徑區(qū)間微細(xì)顆粒的凝并效率,其定義分別為[20]

式中:n0、n、n0i、ni分別表示煙氣在初始狀態(tài)時(shí)微細(xì)顆?？偟臄?shù)濃度、種子顆粒聯(lián)合聲波凝并作用后微細(xì)顆?？偟臄?shù)濃度、初始狀態(tài)時(shí)第i個(gè)粒徑區(qū)間微細(xì)顆粒的數(shù)濃度以及種子顆粒聯(lián)合聲波凝并作用后第i個(gè)粒徑區(qū)間微細(xì)顆粒的數(shù)濃度.

3.1 來流速度變化對(duì)凝并效率的影響

在其他因素一定時(shí),先進(jìn)行來流速度(u)對(duì)聯(lián)合凝并效果的敏感性分析.圖3為不同來流速度下各粒徑區(qū)間微細(xì)顆粒數(shù)濃度的變化曲線,其中聲壓級(jí)取148 dB，聲頻為1.2 kHz，停留時(shí)間為0.343 s.

由圖3分析可知,當(dāng)來流速度由0.35 m/s提高到0.70、1.05、1.40、1.75 m/s時(shí),η從15.81%降低到14.53%、13.67%、12.97%、12.41%.結(jié)果表明,微細(xì)顆粒的總凝并效率隨著來流速度的增大有所減少,且總凝并效率逐漸趨于穩(wěn)定.因此,來流速度變化對(duì)微細(xì)顆粒凝并效率的影響可看作基本一致.

圖3 不同來流速度下各粒徑區(qū)間微細(xì)顆粒數(shù)濃度變化曲線Fig.3 Changing curves of concentration of differently-sized fine particles at different flow velocities

3.2 來流速度一定時(shí)加入聲波的流場(chǎng)圖

將波函數(shù)(式(2))編寫UDF,通過動(dòng)量方程源項(xiàng)的形式引入模型中,并且只考慮聲波沿水平方向的傳遞,時(shí)間步長(zhǎng)取0.000 1 s,每個(gè)步長(zhǎng)迭代計(jì)算20次,對(duì)氣相進(jìn)行單獨(dú)求解,得到t=1.8 s時(shí)聲波凝并器流場(chǎng)的速度分布，如圖4(a)所示,此處聲頻取1.2 kHz,聲壓級(jí)取148 dB.圖4(b)為t=1.8 s、未添加聲波時(shí)凝并器流場(chǎng)的速度(v)分布.

圖4 t=1.8 s時(shí)凝并器內(nèi)流場(chǎng)的速度分布

Fig.4 Velocity profiles of flow field in the coagulation device whent=1.8 s

從圖4(a)可見,在聲波凝并器中產(chǎn)生了不同尺度的速度旋渦,低速旋渦在完全脫落之前又有高速旋渦在生成,小旋渦在完全脫落之前又有大旋渦在生成,低速旋渦與高速旋渦之間以及小旋渦與大旋渦之間交替變化,流體質(zhì)點(diǎn)在通過聲波凝并器的過程中速度波動(dòng)非常劇烈.從圖4(b)可見,未加聲波時(shí),凝并器內(nèi)的速度場(chǎng)幾乎沒有變化,僅在管壁處由于黏性流體的無滑移作用而導(dǎo)致速度場(chǎng)產(chǎn)生些許的不同.

由此可見,聲波能有效地產(chǎn)生不同尺度的速度旋渦,為微細(xì)顆粒的碰撞凝并創(chuàng)造有利條件.

3.3 種子顆粒對(duì)聲波凝并的敏感性分析

為了簡(jiǎn)化研究,在此可忽略種子顆粒重力的影響.盡管隨著粒徑的不斷增大,大粒徑的種子顆粒在凝并室內(nèi)很快沉降到底部,縮短了與微細(xì)顆粒的碰撞時(shí)間,凝并效果變差.文中添加的種子顆粒粒徑仍處于微米級(jí),停留時(shí)間只有1.714 s,顆粒還沒沉降到底部就已經(jīng)到達(dá)凝并器的出口,因此忽略種子顆粒重力對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果沒有影響.

另外,在保證一定的種子顆粒聯(lián)合聲波凝并作用時(shí)間下,若采用較大來流速度進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,相應(yīng)物理模型的尺寸就需要設(shè)計(jì)得很大,為了優(yōu)化計(jì)算模型,兼顧計(jì)算效率和精度,可選取來流速度為0.35 m/s、相應(yīng)的微細(xì)顆粒停留時(shí)間為1.714 s進(jìn)行計(jì)算.

3.3.1 添加種子顆粒對(duì)凝并效率的影響

根據(jù)上述模型,在來流速度一定時(shí),進(jìn)行添加種子顆粒對(duì)凝并效率的影響研究,種子顆粒添加前后各粒徑區(qū)間微細(xì)顆粒數(shù)濃度的變化曲線如圖5所示.

圖5 種子顆粒添加前后各粒徑區(qū)間微細(xì)顆粒數(shù)濃度變化曲線

Fig.5 Changing curves of concentration of differently-sized fine particles before and after the addition of seed particles

由圖5可知：在其他條件不變的情況下,單獨(dú)添加聲波,微細(xì)顆粒總的數(shù)濃度明顯低于未添加聲波時(shí);種子顆粒聯(lián)合聲波凝并作用后,微細(xì)顆?？偟臄?shù)濃度進(jìn)一步降低,由單獨(dú)添加聲波時(shí)的8.46×1010m-3減小到6.73×1010m-3.結(jié)果表明,大粒徑的種子顆?？梢云鸩蹲胶说淖饔?微細(xì)顆粒與其發(fā)生碰撞則很容易凝并成粒徑更大的顆粒.因此，在凝并室中加入少量種子顆粒能有效地提高微細(xì)顆粒的總凝并效率.

上述仿真計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[9]中聲壓級(jí)為145 dB時(shí),加入3 g/min石灰種子使聲波的總凝并效率增加了17.21%的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致.

3.3.2 種子顆粒粒徑對(duì)凝并效率的影響

在來流速度一定條件下，選取聲頻1.2 kHz、聲壓級(jí)148 dB,進(jìn)行不同粒徑的種子顆粒作用下各粒徑區(qū)間微細(xì)顆粒數(shù)濃度的變化計(jì)算,其變化曲線如圖6所示.

圖6 不同粒徑的種子顆粒作用下各粒徑區(qū)間微細(xì)顆粒數(shù)濃度變化曲線

Fig.6 Changing curves of concentration of differently-sized fine particles at different sized seed particles

由圖6分析可知,微細(xì)顆粒的凝并效率受種子顆粒粒徑的影響較小,各粒徑區(qū)間微細(xì)顆粒的凝并效率幾乎沒有發(fā)生變化.這是由于在本條件下,粒徑在16.1 μm以上的挾帶系數(shù)(見式(4))均趨于0,種子顆粒幾乎靜止不動(dòng).此時(shí),種子顆粒的捕捉效率主要受粒徑和數(shù)量的影響,當(dāng)其體積分?jǐn)?shù)保持不變時(shí),粒徑增大,一方面種子顆粒充當(dāng)收集核的體積增大,與其發(fā)生碰撞的微細(xì)顆粒更容易被黏附在其表面;另一方面導(dǎo)致種子顆粒數(shù)濃度相應(yīng)地減少,微細(xì)顆粒與其發(fā)生碰撞的機(jī)率也相應(yīng)地降低,正反兩方面的作用相互抵消,微細(xì)顆粒的凝并效率保持不變.

3.4 種子顆粒作用下相關(guān)因素對(duì)聲波凝并的影響

為了進(jìn)一步探索種子顆粒作用下影響凝并效率的因素,分別從聲頻、聲壓級(jí)、停留時(shí)間以及初始粉塵濃度展開研究.

3.4.1 聲頻對(duì)凝并效率的影響

在其他參數(shù)一定時(shí),仿真計(jì)算得到不同聲頻作用下微細(xì)顆粒凝并效率的變化曲線,如圖7所示.其中聲壓級(jí)取148 dB,負(fù)號(hào)表示微細(xì)顆粒數(shù)目的增加.

圖7 不同聲頻作用下微細(xì)顆粒凝并效率的變化曲線

Fig.7 Changing curves of coagulation efficiency of fine particles at different frequencies

由圖7(a)可知：微細(xì)顆粒的總凝并效率受聲頻的影響較大.當(dāng)顆粒初始粒徑分布一定、聲頻過高時(shí)，不同粒徑顆粒的挾帶系數(shù)(見式(4))均趨于0,顆粒幾乎靜止,不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),凝并效果較差;當(dāng)聲頻過低時(shí)不同粒徑顆粒的挾帶系數(shù)均趨向于1,顆粒也不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng).在此范圍內(nèi)存在一個(gè)最佳的凝并聲頻.此計(jì)算條件下最佳凝并聲頻在2.4 kHz附近.

由此可見,在一定條件下,存在最佳的凝并聲頻使得不同粒徑顆粒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)最大,其凝并效果最好.

上述仿真結(jié)果與文獻(xiàn)[9]中在最佳聲頻為1.6 kHz的條件下,當(dāng)聲頻從1.0 kHz升高到1.6 kHz和1.8 kHz時(shí),η由20.07%變?yōu)?5.26%和27.46%的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致.

從圖7(b)分析可知,聲頻越高,越有利于小顆粒的凝并,而大顆粒的凝并效果則越差.聲頻從1.0 kHz升高到1.4、2.0、3.0、5.0、10.0 kHz時(shí),微細(xì)顆粒的最佳凝并粒徑由1.6 μm最終降低到1.0 μm,而η3從42.73%減少到40.68%、36.25%、29.39%、20.34%、10.72%.其原因可能是:當(dāng)聲頻較高時(shí),粒徑較大的微細(xì)顆粒的挾帶系數(shù)很小,在流場(chǎng)中幾乎靜止不動(dòng),粒徑較小的微細(xì)顆粒的挾帶系數(shù)較大,易于被聲波挾帶運(yùn)動(dòng),因此小顆粒容易黏附在大顆粒表面,促使其凝并的發(fā)生;而聲頻較低時(shí),粒徑范圍內(nèi)的微細(xì)顆粒挾帶系數(shù)都較大,特別對(duì)于粒徑較小的微細(xì)顆粒,其挾帶系數(shù)更是趨于1,唯有種子顆粒挾帶系數(shù)較小,因此種子顆粒充當(dāng)捕捉核的作用,捕捉微細(xì)顆粒,粒徑較大的微細(xì)顆粒易于與種子顆粒碰撞而發(fā)生凝并,而粒徑較小的微細(xì)顆粒在凝并過程中容易繞流種子顆粒,凝并效果不好.

上述結(jié)果與文獻(xiàn)[14]中1.6 kHz的聲頻能使粒徑在0.10～6.3 μm范圍內(nèi)的顆粒發(fā)生凝并、文獻(xiàn)[21]中20 kHz的聲頻能使粒徑在10～487 nm范圍內(nèi)的顆粒發(fā)生凝并的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致.

3.4.2 聲壓級(jí)對(duì)凝并效率的影響

在其他參數(shù)一定時(shí),仿真計(jì)算得到不同聲壓級(jí)下各粒徑區(qū)間微細(xì)顆粒數(shù)濃度的變化曲線,如圖8所示.在此聲頻取1.2 kHz開展計(jì)算.

由圖8中可知,聲壓級(jí)越大,凝并效果越好.當(dāng)聲壓級(jí)從144 dB提高到146、148、150 dB時(shí),η從39.83%增加到46.51%、53.61%、60.89%.這是由于聲壓級(jí)越大,流體質(zhì)點(diǎn)的振幅越大,顆粒跟隨流體振動(dòng)得越強(qiáng)烈,顆粒間越容易發(fā)生碰撞凝并.

圖8 不同聲壓級(jí)下各粒徑區(qū)間微細(xì)顆粒數(shù)濃度變化曲線

Fig.8 Changing curves of concentration of differently-sized fine particles at different sound pressure levels

上述結(jié)果與文獻(xiàn)[9]中聲頻為1.4 kHz，聲壓級(jí)從146 dB提高到148、150 dB時(shí),η從27.52%增加到55.95%、65.71%的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致.

3.4.3 停留時(shí)間對(duì)凝并效率的影響

在其他參數(shù)一定時(shí),仿真計(jì)算得到不同停留時(shí)間情況下各粒徑區(qū)間微細(xì)顆粒數(shù)濃度的變化曲線,如圖9所示.在此聲頻取1.2 kHz、聲壓級(jí)取148 dB.

圖9 不同停留時(shí)間下各粒徑區(qū)間微細(xì)顆粒數(shù)濃度變化曲線

Fig.9 Changing curves of concentration of differently-sized fine particles at different residence time

由圖9可知,隨著停留時(shí)間的延長(zhǎng),微細(xì)顆粒凝并效果越好.當(dāng)停留時(shí)間由0.343 s延長(zhǎng)到0.430、0.571、0.857、1.714 s時(shí),η從15.81%提高到19.39%、24.66%、33.86%、53.61%.結(jié)果表明,微細(xì)顆粒在凝并器內(nèi)停留的時(shí)間越長(zhǎng),顆粒間碰撞的機(jī)率越大,凝并效果越好.

上述結(jié)果與文獻(xiàn)[9]中聲頻為1.4 kHz，聲壓級(jí)為148 dB,停留時(shí)間從3.5 s延長(zhǎng)到4.5、5.5 s時(shí),η從41.74%增加到48.70%、50.31%的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致.

3.4.4 初始粉塵濃度對(duì)凝并效率的影響

為了比較不同初始粉塵濃度對(duì)微細(xì)顆粒凝并效率的影響,分別選取顆粒相總體積分?jǐn)?shù)為1.517×10-6、3.035×10-6、6.070×10-6、9.105×10-6、12.140×10-6進(jìn)行了計(jì)算,此時(shí)初始粉塵濃度分別為7.253×1010、1.451×1011、2.901×1011、4.352×1011、5.802×1011m-3,其中聲頻取1.2 kHz、聲壓級(jí)取148 dB,仿真結(jié)果如圖10所示.在此凝并后顆粒的粉塵濃度分別為4.820×1010、6.730×1010、7.303×1010、6.675×1010、5.933×1010m-3.

圖10 不同初始粉塵濃度下各粒徑區(qū)間微細(xì)顆粒數(shù)濃度百分比變化曲線

Fig.10 Changing curves of concentration percentage of diffe-rently-sized fine particles at different initial dust concentrations

由圖10分析可知,隨著初始粉塵濃度的增加,微細(xì)顆粒的總數(shù)濃度百分比不斷減少,峰值段微細(xì)顆粒的數(shù)濃度百分比減少幅度最大.當(dāng)初始粉塵濃度由7.253×1010m-3提高到5.802×1011m-3時(shí),η從33.54%提高到89.78%,且最高凝并效率在初始峰值段Bin- 4取得,相應(yīng)的η4分別為35.68%、94.74%.這是由于隨著初始粉塵濃度的提高,聲波凝并室中會(huì)有更多的顆粒相互碰撞,且初始峰值段粒徑顆粒的數(shù)量最多,因此凝并效率最高.

上述結(jié)果與文獻(xiàn)[21]中初始峰值粒徑為184.3 nm、粒徑分布為10～487 nm、顆粒初始粉塵濃度從1.97×105cm-3提高到3.58×105cm-3時(shí),累積凝并效率從57.9%上升到72.5%、顆粒粒徑在184.3 nm附近凝并效率最高的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致.

4 結(jié)論

(1)聲頻的變化對(duì)微細(xì)顆粒的凝并效率影響較大,在其他條件不變的情況下存在一個(gè)最佳凝并聲頻,文中假設(shè)條件下的最佳聲頻在2.4 kHz附近.高頻聲波有利于小顆粒的凝并,低頻聲波則有利于大顆粒的凝并.

(2)聲壓級(jí)越大,微細(xì)顆粒振幅越大,凝并效率越高.當(dāng)聲壓級(jí)從144 dB提高到150 dB時(shí),η從39.83%增加到60.89%.

(3)延長(zhǎng)停留時(shí)間有利于提高微細(xì)顆粒間的碰撞機(jī)率,促進(jìn)凝并的發(fā)生.當(dāng)停留時(shí)間由0.343 s延長(zhǎng)到1.714 s時(shí),η從15.81%提高到53.61%.

(4)初始粉塵濃度的增加能有效地提高微細(xì)顆?？偰⑿?當(dāng)顆粒初始數(shù)濃度由7.253×1010m-3提高到5.802×1011m-3時(shí),η從33.54%提高到89.78%,且最高凝并效率處在初始峰值粒徑附近.

[1] 吳夏雯,陸茵.不同過濾介質(zhì)對(duì)PM2.5過濾性能與效果 [J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2016,10(4):1933- 1938. WU Xia-wen,LU Yin.Filtration performance of different filter mediums used as air filter material against PM2.5[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering,2016,10(4):1933- 1938.

[2] CURTIS L,REA W,SIMITH-WILLIS P,et al. Adverse health effects of outdoor air pollutants [J].Environment International,2006,32(6):815- 830.

[3] 張光學(xué),劉建忠,王潔,等.聲波團(tuán)聚中尾流效應(yīng)的理論研究 [J].高校化學(xué)工程學(xué)報(bào),2013,27(2):199- 204. ZHANG Guang-xue,LIU Jian-zhong,WANG Jie,et al.Theoretical study of acoustic wake effect in acoustic agglomeration [J].Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities,2013,27(2):199- 204.

[4] BISWAS S,VERMA V,SCHAUER J J,et al.Chemical speciation of PM emissions from heavy-duty diesel vehicles equipped with diesel particulate filter(DPF)and selective catalytic reduction(SCR)retrofits [J].Atmospheric Environment,2009,43(11):1917- 1925.

[5] MARICQ M M.On the electrical charge of motor vehicle exhaust particles [J].Journal of Aerosol Science,2006,37(7):858- 874.

[6] TAMMARO M.Hetergeneous condensation of submicron particles in a growth tube [J].Chemical Engineering Science,2012,74(9):124- 134.

[7] ZHOU D,LUO Z,JIANG J,et al.Experimental study on improving the efficiency of dust removers by using acoustic agglomeration as pretreatment [J].Powder Technology,2016,289:52- 59.

[8] YAN J,CHEN L,LI Z.Removal of fine particles from coal combustion in the combined effect of acoustic agglomeration and seed droplets with wetting agent [J].Fuel,2016,165:316- 323.

[9] 王潔,張光學(xué),劉建忠,等.種子顆粒對(duì)聲波團(tuán)聚效率的影響 [J].化工學(xué)報(bào),2011,62(2):355- 361. WANG Jie,ZHANG Guang-xue,LIU Jian-zhong,et al.Effect of seed particles on acoustic agglomeration efficiency [J].CIESC Journal,2011,62(2):355- 361.

[10] SHENG C,SHEN X.Simulation of acoustic agglomeration processes of poly-disperse solid particles [J].Aerosol Science and Technology,2007,41(1):1- 13.

[11] 張光學(xué),劉建忠,王潔,等.基于改進(jìn)區(qū)域算法的聲波團(tuán)聚數(shù)值模擬 [J].燃燒科學(xué)與技術(shù),2012,18(1):44- 49. ZHANG Guang-xue,LIU Jian-zhong,WANG Jie,et al.Numerical simulation of acoustic agglomeration by improved sectional algorithm [J].Journal of Combustion Science and Technology,2012,18(1):44- 49.

[12] MEDNIKOV E P.Acoustic coagulation and precipitation of aerosols [M].New York:Consultants Bureau,1965.

[13] TIWARY R,REETHOF G.Numerical simulation of acoustic agglomeration and experimental verification [J].Journal of Vibration,Acoustics,Stress,and Reliability in Design,1987,109(2):185- 191.

[14] 王潔.聲波團(tuán)聚及聯(lián)合其他方法脫除燃煤飛灰細(xì)顆粒的研究 [D].杭州:浙江大學(xué),2012:53- 68,111- 114,129- 135.

[15] 楊坤,徐鴻,張光學(xué).燃煤細(xì)微顆粒物聲波團(tuán)聚的機(jī)理研究 [J].中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào),2014,25(4):372- 379. YANG Kun,XU Hong,ZHANG Guang-xue.Research of acoustic agglomeration mechanism on fine particles emitted from coal fired plants [J].Journal of China University of Metrology,2014,25(4):372- 379.

[17] GENG J,PARK H,SAJO E.Simulation of aerosol coagulation and deposition under multiple flow regimes with arbitrary computational precision [J].Aerosol Science and Technology,2013,47(5):530- 542.

[18] DONG S,LIPKENS B,CAMERON T M.The effects of orthokinetic collision,acoustic wake,and gravity on acoustic agglomeration of polydisperse aerosols [J].Journal of Aerosol Science,2006,37(4):540- 553.

[19] 劉含笑,姚宇平,酈建國(guó).凝聚器二維單擾流柱流場(chǎng)中顆粒凝并模擬 [J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào),2015,35(4):292- 297. LIU Han-xiao,YAO Yu-ping,LI jian-guo.Coagulating simulation of particles in flow field of coagulator 2D single turbulence column [J].Journal of Power Engineering,2015,35(4):292- 297.

[20] 顏金培,陳立奇,楊林軍.燃煤細(xì)顆粒在過飽和氛圍下聲波團(tuán)聚脫除的實(shí)驗(yàn)研究 [J].化工學(xué)報(bào),2014,65(8):3243- 3249. YAN Jin-pei,CHEN Li-qi,YANG Lin-jun.Agglomeration removal of fine particles at super-saturation steam by using acoustic wave [J].CIESC Journal,2014,65(8):3243- 3249.

[21] 康豫博,朱益佳,藺鋒,等.超細(xì)顆粒物超聲波團(tuán)聚的影響因素 [J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2016,50(4):551- 556. KANG Yu-bo,ZHU Yi-jia,LIN Feng,et al.Influencing factors of acoustic agglomeration of ultrafine particles [J].Journal of Shanghai Jiao Tong University,2016,50(4):551- 556.

Investigation into Coagulation of Fine Particles by Combination of Seed Particles with Acoustic Wave

LIU Ding-ping LUO Wei-le

(1. School of Electric Power, South China University of Technology∥Guangdong Province Key Laboratory of Energy Efficient and Clean Utilization∥Guangdong Province Engineering Research Center of High Efficient and Low Pollution Energy Conversion, Guangzhou 510640, Guangdong, China)

In order to reveal the coagulation efficiency of fine particles by the combination of seed particles with acoustic wave, a numerical simulation is performed by coupling the population balance model and the Eulerian multiphase model and by introducing the acoustic coagulation kernel function via some user-defined functions. From the simulation at constant particle size and flow velocity, the coagulation efficiency varying with acoustic frequency, sound pressure level, residence time and initial dust concentration is investigated. The results indicate that (1) the total coagulation efficiency of fine particles is greatly influenced by the acoustic frequency; (2) there is an optimum acoustic frequency for coagulation; (3) high acoustic frequency is conducive to the coagulation of small particles, while low acoustic frequency is favorable for the coagulation of large particles; (4) higher sound pressure level may result in greater vibration amplitude and higher coagulation efficiency of fine particles; (5) longer residence time benefits the collision between fine particles and thus promotes the coagulation; and (6) the increase of the initial dust concentration effectively improves the total coagulation efficiency of fine particles, and the maximum coagulation efficiency is near the initial peak diameter. All these above-mentioned conclusions are consistent with the experimental ones.

fine particles; coagulation; seed particles; acoustic wave

2016- 08- 19

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51676072)

* Foundation item: Supported by the National Natural Science Foundation of China(51676072)

劉定平(1965-)，男，博士，副教授，主要從事節(jié)能環(huán)保研究.E-mail：liudingping@126.com

1000- 565X(2017)06- 0131- 08

X 513

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.06.020