聲波團(tuán)聚-除塵在線試驗(yàn)裝置的開發(fā)與應(yīng)用

解建坤，儲(chǔ)昊，夏瑞芳，舒中平

(南京常榮聲學(xué)股份有限公司，南京 210000)

聲波團(tuán)聚-除塵在線試驗(yàn)裝置的開發(fā)與應(yīng)用

解建坤，儲(chǔ)昊，夏瑞芳，舒中平

(南京常榮聲學(xué)股份有限公司，南京 210000)

為解決燃煤電廠現(xiàn)有除塵設(shè)備對(duì)于微米/亞微米級(jí)細(xì)顆粒物脫除效率低的難題，以聲波團(tuán)聚理論和基于流場(chǎng)轉(zhuǎn)換的多相分離技術(shù)為基礎(chǔ)，研制開發(fā)聲波團(tuán)聚-除塵在線試驗(yàn)裝置。采用電廠脫硫煙氣進(jìn)行了聲波團(tuán)聚-除塵的初步試驗(yàn)研究，分析聲波團(tuán)聚對(duì)PM10的粒徑分布與除霧器出口總塵質(zhì)量濃度的影響，為聲波團(tuán)聚再除塵的工業(yè)應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)。

燃煤電廠；聲波團(tuán)聚；除塵；脫硫煙氣

0 引言

燃煤電廠排放的煙塵是大氣中可吸入顆粒物的主要來源?？晌腩w粒物尤其是細(xì)顆粒物(PM2.5)，其粒徑小、顆粒數(shù)濃度大、易富集其他有害物質(zhì)，嚴(yán)重危害人類健康[1]。對(duì)于煙塵中粒徑較大的飛灰顆粒，電除塵器、袋式除塵器等高效除塵裝置可達(dá)到99%以上的除塵效率，但對(duì)于微米/亞微米級(jí)(粒徑小于10 μm)的煙塵顆粒，現(xiàn)有除塵裝置的捕獲效率低[2-3]，除塵效果差，仍有大量超細(xì)顆粒物排放到大氣中，構(gòu)成大氣氣溶膠的主要部分。大氣環(huán)境中可吸入顆粒物是引發(fā)城市大氣酸雨、光化學(xué)煙霧和空氣能見度低的重要因素，其對(duì)人體的危害已引起各國(guó)科學(xué)家的高度重視。

聲波團(tuán)聚是清除細(xì)顆粒物的一種有效方法，在高強(qiáng)聲波作用下，細(xì)顆粒在短時(shí)間內(nèi)碰撞、團(tuán)聚長(zhǎng)大，顆粒將從小尺寸向大尺寸演變，平均粒徑增大，顆粒數(shù)濃度降低，通過常規(guī)除塵設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)高效清除，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)超低排放。

聲波團(tuán)聚的過程較為復(fù)雜，涉及的作用機(jī)制包括同向團(tuán)聚機(jī)制、聲波尾流效應(yīng)、聲致湍流作用、共輻射壓作用等[4]。自20世紀(jì)70年代以來，眾多學(xué)者對(duì)聲波團(tuán)聚進(jìn)行了深入的試驗(yàn)研究，并在聲波團(tuán)聚機(jī)制及理論模型的建立方面得出很多有益結(jié)論，但在一些關(guān)鍵性問題上還沒有得出一致結(jié)論[5]。

本文以聲波團(tuán)聚理論和基于流場(chǎng)轉(zhuǎn)換的多相分離技術(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)聲波團(tuán)聚-除塵在線試驗(yàn)裝置。通過在某電廠脫硫凈煙道的試驗(yàn)研究，分析聲波作用頻率、聲壓強(qiáng)度、聲波作用時(shí)間等參數(shù)對(duì)再除塵效率的影響，為聲波團(tuán)聚再除塵的工業(yè)運(yùn)用提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置開發(fā)

聲波團(tuán)聚-除塵在線試驗(yàn)裝置主要由煙氣供給系統(tǒng)、聲波團(tuán)聚裝置、除霧器(基于流場(chǎng)轉(zhuǎn)換的多相分離裝置)、收集裝置以及煙塵檢測(cè)系統(tǒng)等組成，試驗(yàn)裝置系統(tǒng)如圖1所示。

煙氣供給系統(tǒng)由變頻風(fēng)機(jī)及相應(yīng)的連接配管等組成。試驗(yàn)時(shí)，變頻風(fēng)機(jī)通過配套接管直接抽取煙道中的煙氣，配合流量計(jì)使試驗(yàn)裝置中產(chǎn)生與煙道相同的煙氣流速。

聲波團(tuán)聚裝置由聲源和團(tuán)聚室組成(團(tuán)聚室上部安裝2個(gè)6.35 mm的聲傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)團(tuán)聚室內(nèi)聲壓強(qiáng)度及分布)。聲源由2個(gè)電聲揚(yáng)聲器(型號(hào)為KTD-250)和2個(gè)高頻哈德曼哨(10 000/12 000 Hz)組成，各聲源可單獨(dú)工作并可實(shí)現(xiàn)不同類型的組合。聲源組合可在團(tuán)聚室內(nèi)產(chǎn)生200～20 000 Hz的高強(qiáng)聲場(chǎng)且頻率可調(diào)，可保證團(tuán)聚室內(nèi)達(dá)到150 dB以上相對(duì)均勻的高強(qiáng)度作用聲場(chǎng)[6]。團(tuán)聚室設(shè)計(jì)隔聲量為30 dB以上，1 000 Hz時(shí)團(tuán)聚室內(nèi)聲場(chǎng)分布如圖2所示。

團(tuán)聚室出口連接除霧器，該除霧器是基于流場(chǎng)轉(zhuǎn)換的多相分離裝置，通過螺旋離心分離，文丘里增壓、提速，均流擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)三級(jí)分離，氣固(液)分離效率高，壓力損失小，并可避免顆粒的二次夾帶[7]。除霧器內(nèi)多相流場(chǎng)如圖3所示，不同粒徑、流速下的分離效率及壓損如圖4所示。

在流場(chǎng)作用下，顆粒經(jīng)除霧器多級(jí)分離，初步從氣相中分離出來，從圖3中多相流場(chǎng)的顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡可明顯看出，除霧器出口的顆粒數(shù)濃度較入口有明顯降低。

圖1 聲波團(tuán)聚除塵在線試驗(yàn)裝置

圖2 試驗(yàn)裝置內(nèi)聲場(chǎng)分布

圖3 除霧器內(nèi)顆粒運(yùn)行軌跡

圖4 不同粒徑、不同工況下除霧器分離效率及壓損

圖4為除霧器內(nèi)不同粒徑的顆粒在不同煙氣流速下的分離效率與壓力損失曲線，PM10在10 m/s以上煙氣流速條件下的分離效率達(dá)到46%以上，而在最高18 m/s煙氣流速下，除霧器的壓力損失不高于149 Pa。因此，該除霧器可應(yīng)用于電廠煙氣排放系統(tǒng)的除塵裝置之后，在低阻力條件下實(shí)現(xiàn)PM10的二次脫除，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超低排放。

除霧器底部設(shè)有固(液)收集裝置，并配有水沖洗設(shè)備。試驗(yàn)裝置前后端設(shè)有煙氣測(cè)量口，采用JH-60E型自動(dòng)煙塵煙氣測(cè)試儀對(duì)聲波團(tuán)聚、分離前后的粒徑、煙塵質(zhì)量濃度、SO2質(zhì)量濃度等進(jìn)行測(cè)量。

當(dāng)煙氣氣溶膠顆粒數(shù)濃度很低時(shí)，顆粒之間距離較大，需要更長(zhǎng)的碰撞團(tuán)聚時(shí)間，因此，團(tuán)聚室前端設(shè)置種子顆粒噴霧裝置，增加種子霧顆粒，以減小顆粒間距，提高團(tuán)聚效果[8]。試驗(yàn)裝置均采用防腐材料，以滿足現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的要求。

2 試驗(yàn)應(yīng)用研究

聲波團(tuán)聚除塵在線試驗(yàn)研究依托某電廠300 MW機(jī)組脫硫系統(tǒng)進(jìn)行。該電廠二級(jí)脫硫塔(海水塔)出口SO2排放質(zhì)量濃度小于22 mg/m3(標(biāo)態(tài)、干基、6%O2)，滿足火電廠大氣污染物特別排放限值要求，但煙塵排放質(zhì)量濃度為8 mg/m3(標(biāo)態(tài))，尚未達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

試驗(yàn)時(shí)，從二級(jí)脫硫塔出口凈煙道引出脫硫煙氣到聲波團(tuán)聚-除塵在線試驗(yàn)裝置中，配合流量計(jì)并調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)變頻器，使在線試驗(yàn)裝置中產(chǎn)生與原凈煙道相同的煙氣流速(8～14 m/s)。

2.1聲波團(tuán)聚對(duì)PM10的影響

在保證團(tuán)聚室內(nèi)聲壓強(qiáng)度(150 dB)的條件下，調(diào)節(jié)聲源組合和發(fā)聲頻率，并對(duì)除霧器前測(cè)點(diǎn)的PM10粒徑分布進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖5所示。

測(cè)試結(jié)果表明： PM10顆粒數(shù)濃度在1 600 Hz聲波作用下降低15%～25%，特別是峰值粒徑，顆粒數(shù)濃度有明顯降低，顆粒物總體呈團(tuán)聚長(zhǎng)大趨勢(shì)。

圖5 不同聲波組合下PM10粒徑分布

進(jìn)一步調(diào)節(jié)聲波到最佳作用頻率，顆粒物將達(dá)到最佳團(tuán)聚效果[9]，以便后續(xù)除塵設(shè)備的高效脫除，并為聲波團(tuán)聚除塵的工業(yè)應(yīng)用提供聲波參數(shù)依據(jù)。

2.2聲波團(tuán)聚對(duì)總塵質(zhì)量濃度的影響

分別在無聲波運(yùn)行、運(yùn)行聲波、同時(shí)運(yùn)行聲波和噴霧裝置3種試驗(yàn)條件下(試驗(yàn)裝置內(nèi)煙氣狀況基本一致)，對(duì)除霧器進(jìn)、出口煙塵質(zhì)量濃度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 總塵質(zhì)量濃度測(cè)試結(jié)果

無聲波裝置運(yùn)行時(shí)，除霧器進(jìn)、出口粉塵質(zhì)量濃度平均值分別為8.63，5.67 mg/m3，除霧器本身的脫除效率約為35%；運(yùn)行聲波裝置，除霧器出口總塵質(zhì)量濃度降到4.13 mg/m3，除塵效率增加到52%以上；同時(shí)運(yùn)行聲波和噴霧裝置，除霧器出口總塵質(zhì)量濃度降到3.42 mg/m3，總塵脫除效率達(dá)到60%以上。本次試驗(yàn)條件下，聲波團(tuán)聚除塵在線試驗(yàn)裝置的再除塵效率達(dá)60%以上，可實(shí)現(xiàn)該電廠煙塵的超低排放。

3 結(jié)論

本文以聲波團(tuán)聚和基于流場(chǎng)轉(zhuǎn)換的多相分離為基礎(chǔ)，研制開發(fā)可應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試的聲波團(tuán)聚-除塵在線試驗(yàn)裝置。采用電廠脫硫煙氣進(jìn)行了聲波團(tuán)聚-除塵的試驗(yàn)研究，分析聲波團(tuán)聚對(duì)顆粒物粒徑分布及總塵質(zhì)量濃度的影響，為聲波團(tuán)聚、再除塵的工業(yè)應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)。

(1)聲波團(tuán)聚-除塵在線試驗(yàn)裝置滿足電廠脫硫煙氣的使用環(huán)境，聲波頻率200～20 000 Hz可調(diào)，并可保證團(tuán)聚室內(nèi)足夠的聲壓強(qiáng)度，可利用現(xiàn)場(chǎng)煙氣進(jìn)行同煙氣流速條件下的聲波團(tuán)聚-除塵試驗(yàn)測(cè)試。

(2)通過電廠的初步試驗(yàn)研究，聲波作用下，PM10顆粒數(shù)濃度有較為明顯的降低，顆粒物有團(tuán)聚長(zhǎng)大的趨勢(shì)，調(diào)節(jié)聲波作用頻率，可達(dá)到最佳團(tuán)聚效果。除霧器前、后煙塵質(zhì)量濃度的測(cè)量結(jié)果表明，在該套裝置的協(xié)同作用下，脫硫系統(tǒng)再除塵效率達(dá)到60%以上。

(3)根據(jù)聲波團(tuán)聚-除塵在線試驗(yàn)裝置的作用機(jī)制，該裝置同樣可進(jìn)行電廠去除“濕煙羽”的試驗(yàn)研究，為電廠除濕、去白、節(jié)水等工業(yè)應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)。

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(本文責(zé)編：劉芳)

2017-07-09；

:2017-09-01

X 513

：A

：1674-1951(2017)09-0013-03

解建坤(1983—)，男，山東臨沂人，工程師，工學(xué)碩士，從事聲學(xué)理論與應(yīng)用方面的研究(E-mail:xjk0908@163.com)。儲(chǔ)昊(1989—)，男，江蘇南京人，工程師，從事電廠超低排放、聲波吹灰方面的研究(E-mail:chuhaocc@foxmail.com)。