聲波與噴霧對于飛灰顆粒團(tuán)聚的影響

張瑞翔，王鵬，伍婷婷，劉建忠，周俊虎

（1浙江大學(xué)能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310027；2神華國華（北京）電力研究院有限公司，北京100025）

近幾年國家對于能源消耗以及環(huán)境保護(hù)的重視日漸提高，中國的能源結(jié)構(gòu)也在不斷改善，能源消費(fèi)增速逐漸放緩，但是中國仍舊是全球最大的能源消費(fèi)國。其中2017 年，中國煤炭產(chǎn)量增長了3.6%[1]。燃燒煤炭不僅產(chǎn)生溫室氣體二氧化碳，同時(shí)也產(chǎn)生大量的粉塵。由于中國的燃煤電廠眾多，所以每年能夠產(chǎn)生大量的粉塵。這些粉塵是導(dǎo)致部分地區(qū)霧霾的重要原因。其中PM2.5為目前大家最為熟知的顆粒污染源，由于粒徑小，比表面積大，容易吸附較多的有毒物質(zhì)。由于呼吸道難以阻攔該粒徑下的顆粒，攜帶著吸附物質(zhì)的PM2.5能夠進(jìn)入人體，對人體造成較大的影響[2-3]。電廠中傳統(tǒng)除塵裝置如電除塵器對于PM2.5的脫除效率較低，電除塵效率隨著粒徑的增大而增大。所以將飛灰顆粒進(jìn)行預(yù)處理以增大其粒徑來提高電除塵脫除效果具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

目前已有的預(yù)處理技術(shù)包括聲波團(tuán)聚[4]、電團(tuán)聚[5]、化學(xué)團(tuán)聚[6]、磁團(tuán)聚[7]等。其中聲波團(tuán)聚的原理是利用高強(qiáng)聲波對氣溶膠進(jìn)行作用，使得顆粒物發(fā)生碰撞團(tuán)聚。

聲波團(tuán)聚技術(shù)源于1931年P(guān)atterson 和Cawood[8]在實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)氧化鎂氣溶膠顆粒在駐波管中團(tuán)聚的現(xiàn)象。此后，聲波團(tuán)聚得到了各國科學(xué)家的廣泛研究。1987年Reethof等[9]發(fā)現(xiàn)在150～160dB和2000～3000Hz 范圍內(nèi)的聲波能夠有較好的聚集效果。2000 年，Riera-Franko de Sarabia 等[10]發(fā)現(xiàn)在10kHz和20kHz 的高頻聲波下，加入體積分?jǐn)?shù)為6%的水蒸氣，能使柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣顆粒減少量由25%增加至56%。2015 年，Zhou 等[11]在1400Hz 和148dB的條件下，聲波團(tuán)聚將布袋除塵的顆粒質(zhì)量去除效率可以從91.29%提高到99.19%，并且ESP 的顆粒質(zhì)量去除效率可以從89.05%提高到99.28%。2016年，康豫博等[12]以超聲波作為聲波團(tuán)聚的聲源，對燃燒產(chǎn)生的顆粒物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)聲波團(tuán)聚效率隨著初始顆粒物濃度峰值下的粒徑的增大而增強(qiáng)。2017年，沈國清等[13]從微觀受力角度來探究顆粒團(tuán)聚和破碎效果，發(fā)現(xiàn)團(tuán)聚體臨界粒徑隨著聲壓級的增大而減小，且在120dB的聲場條件下，雙峰分布顆粒團(tuán)聚存在的最佳頻率范圍為1800～2300Hz。2017年，張光學(xué)等[14]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在噴霧下，存在聲波團(tuán)聚的最佳頻率1400Hz。2018 年，趙云等[15]基于氣流聲源（高頻旋笛）和突變截面駐波管建立了160dB以上燃煤煙氣聲波團(tuán)聚實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明700Hz和1.4kHz為團(tuán)聚最佳頻率，PM2.5的團(tuán)聚效率能達(dá)到99%。

綜上可知，聲波能夠顯著提高顆粒物的團(tuán)聚效果，進(jìn)而提升電除塵器對顆粒物的去除效果。本文在實(shí)驗(yàn)室中研究了頻率對于聲波團(tuán)聚的影響，同時(shí)也研究了噴霧對于聲波團(tuán)聚的增強(qiáng)效果以及分析了噴霧增強(qiáng)團(tuán)聚的機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。給料系統(tǒng)中的顆粒物源自河北某電廠飛灰。實(shí)驗(yàn)裝置主要由聲波團(tuán)聚室、給料系統(tǒng)、噴霧系統(tǒng)、聲源系統(tǒng)、顆粒采樣與測量系統(tǒng)和風(fēng)系統(tǒng)等組成。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

整個(gè)試驗(yàn)的流程為：給料系統(tǒng)與送風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣溶膠顆粒被輸送到團(tuán)聚室內(nèi)。在團(tuán)聚室內(nèi)，聲波對顆粒物進(jìn)行輻射作用。經(jīng)過聲波處理后的煙氣，經(jīng)團(tuán)聚室底部進(jìn)入取樣段，進(jìn)行取樣分析。取樣分析采用TSI3 330光學(xué)顆粒物粒徑譜儀。

團(tuán)聚室的高度為1.5m，直徑為100mm，實(shí)驗(yàn)中煙氣流速約為0.33m/s。

聲源系統(tǒng)由信號發(fā)生器（JDS6 600），功率放大器（GA4-600），YF513-1 壓縮式驅(qū)動(dòng)器，高音保護(hù)器和號角組成。

給料系統(tǒng)主要由螺旋給料機(jī)和風(fēng)粉混合器組成，其中飛灰來源于某燃煤電廠靜電除塵器灰斗獲得的飛灰顆粒。使用BT-9300ST 型激光粒度分布儀對飛灰粒度分布進(jìn)行測試分析，其結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯霰敬问褂玫娘w灰顆粒相對較粗，有約67.5%體積分?jǐn)?shù)的顆粒集中于10～100μm。

噴霧系統(tǒng)中，采用超聲波霧化器來產(chǎn)生噴霧顆粒。其原理是：儀器中的水在超聲波作用下振蕩產(chǎn)生5μm 左右的小水滴，再通過氣流將水霧噴入團(tuán)聚室內(nèi)。

圖2 飛灰粒度分布

氣溶膠采樣與測量系統(tǒng)主要由采樣槍、沉降室、稀釋系統(tǒng)以及TSI3 330光學(xué)顆粒物粒徑譜儀組成。氣溶膠顆粒通過采樣槍進(jìn)入沉降室后，大顆粒將沉降于沉降室底部，小顆粒進(jìn)入稀釋系統(tǒng)，在經(jīng)過一定的空氣稀釋后由TSI3 330光學(xué)顆粒物粒徑譜儀對顆粒物的粒徑分布進(jìn)行測試。

TSI 的測試原理為：顆粒物煙氣直接進(jìn)入TSI3 330的測量區(qū)域，在光學(xué)室內(nèi)，氣溶膠經(jīng)過激光束，產(chǎn)生脈沖，該脈沖的強(qiáng)度用來計(jì)算顆粒物的數(shù)量和粒徑。3330 型OPS 測量的粒徑范圍在0.3～10μm，并將0.3～10μm 的顆粒分成16 級，具體參數(shù)見表1。檢測完粒徑后，顆粒物通過光室收集到一張37mm的過濾膜，以便將來的質(zhì)量分析和化學(xué)或顯微鏡分析。同時(shí)為了減少噴霧顆粒對于TSI測試結(jié)果影響，在噴霧實(shí)驗(yàn)中對取樣段進(jìn)行高溫加熱，以減少噴霧顆粒。

表1 TSI3330光學(xué)顆粒物粒徑譜儀各級顆粒粒徑范圍

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同頻率下的聲波團(tuán)聚效果

圖3是在不同聲壓級下頻率對于燃煤飛灰細(xì)顆粒的粒徑分布的影響。在不同聲壓級（SPL=149 dB、141dB）和頻率為1000Hz、1200Hz、1400Hz、1600Hz、1800Hz和2000Hz時(shí)，對飛灰細(xì)顆粒進(jìn)行聲波團(tuán)聚測試。該實(shí)驗(yàn)下，飛灰細(xì)顆粒在團(tuán)聚室內(nèi)停留時(shí)間為4.6s，給粉量約為5g/min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，收集到的初始顆粒粒徑分布呈單峰狀態(tài)，峰值位于顆粒粒徑0.897～1.117μm 處，顆粒主要集中于PM2.5?？梢钥吹皆谑┘恿瞬煌l率不同聲壓級的正弦聲波后，顆粒的粒徑分布發(fā)生了顯著的變化，這也驗(yàn)證了聲波對于顆粒的團(tuán)聚效果。

圖3 頻率對燃煤飛灰細(xì)顆粒粒徑分布的影響

為了更明確地表現(xiàn)不同頻率下聲波團(tuán)聚的效果大小，使用團(tuán)聚效率來衡量聲波團(tuán)聚的效果。團(tuán)聚效率η的定義如式(1)。

式中，N為經(jīng)過聲波處理后的顆粒物個(gè)數(shù)濃度，m-3；N0為無聲波下的顆粒物個(gè)數(shù)濃度，m-3。

圖4 為不同頻率下的團(tuán)聚效率。從圖4 可得，在聲壓級為133dB時(shí)，由于聲壓級較低，團(tuán)聚效果較差。此外，可以發(fā)現(xiàn)在1400Hz時(shí)團(tuán)聚效果最好，1600Hz 次之。聲壓級為141dB時(shí)，團(tuán)聚效果增強(qiáng)，而最佳團(tuán)聚頻率仍為1400Hz，1600Hz 次之。當(dāng)聲壓級為149dB 時(shí)，依舊是在1400Hz 時(shí)候產(chǎn)生最大的團(tuán)聚效果。所以在實(shí)驗(yàn)頻率段中，1400Hz 為其最佳頻率。同時(shí)可以看到隨著聲壓的增大，團(tuán)聚效率增大。

圖4 不同頻率下的團(tuán)聚效率

2.2 噴霧對聲波團(tuán)聚的影響

2.2.1 噴霧對飛灰粒徑分布的影響

為了考察噴霧增濕對于聲波團(tuán)聚的作用，對比了有無噴霧下的燃煤飛灰粒徑分布變化，其結(jié)果如圖5 所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)聲波的聲壓級分別為141dB 和149dB，圖中的Cw為單位體積的氣溶膠中噴霧的質(zhì)量，其他實(shí)驗(yàn)條件為聲波頻率1400Hz，停留時(shí)間約4.6s。

由圖5可見，無聲波時(shí)，噴霧對飛灰的粒徑分布有一定影響，但是影響較小。當(dāng)團(tuán)聚室內(nèi)加入約15g/m3的噴霧時(shí)，0.3～0.579μm的顆粒數(shù)目比無噴霧情況下有一定增加，其他粒徑的數(shù)目相對減少。通過分析認(rèn)為在取樣段加熱后，噴霧顆粒尚未蒸發(fā)完全，導(dǎo)致至少仍有一定量的0.3～0.579μm 的噴霧小顆粒存在。

2.2.2 噴霧對飛灰團(tuán)聚效率的影響

為了進(jìn)一步量化噴霧對聲波團(tuán)聚的優(yōu)化效果，使用無聲波、無噴霧下的飛灰細(xì)顆粒濃度作為初始濃度，來計(jì)算團(tuán)聚效率。圖6為有無噴霧下燃煤飛灰團(tuán)聚效率對比，實(shí)驗(yàn)在聲波頻率為1400Hz，停留時(shí)間為4.6s的條件下進(jìn)行。

圖5 噴霧對粒徑分布的影響

圖6 噴霧對聲波團(tuán)聚效率的影響

由圖6可見，噴霧增濕能夠顯著提高聲波團(tuán)聚的效果。在加入噴霧（Cw=15g/m3）后，聲波團(tuán)聚的效率分別提升至59.7%與67.3%左右。同時(shí)也可以看出即使聲壓級低，但在加入一定量的噴霧后，也能得到比高聲壓級還要強(qiáng)的團(tuán)聚效果。

2.2.3 噴霧促進(jìn)聲波團(tuán)聚的機(jī)理分析

聲場中的顆粒將隨著介質(zhì)（空氣）的振動(dòng)而振動(dòng)。一般顆粒物的振幅小于空氣的振幅。這是因?yàn)轭w粒的慣性較大。顆粒的振幅與氣體介質(zhì)振幅之比被稱為[16]挾帶系數(shù)μp，其定義如式(2)所示。

式中，μp為挾帶系數(shù)，量綱為1；Ap為顆粒的振幅，m；Ag氣體介質(zhì)振幅，m。

由于顆粒表面流體的滑移速度[17]較小，其雷諾數(shù)[18]Re＜1，所以顆粒在聲場中運(yùn)動(dòng)處于stokes 區(qū)域。此時(shí)挾帶系數(shù)μp計(jì)算式[16]如式(3)，弛豫時(shí)間如式(4)。

式中，f為聲波頻率，Hz；τd為顆粒的弛豫時(shí)間，s；ρp和ρg分別為顆粒物密度與氣體介質(zhì)密度，kg/m3；v是氣體介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)，m2/s；d為顆粒粒徑，m。

圖7為飛灰顆粒與噴霧顆粒在聲場中的挾帶系數(shù)。可以看到顆粒粒徑越大，挾帶系數(shù)越小，顆粒越難以被氣體介質(zhì)攜帶運(yùn)動(dòng)，即越趨于靜止。不同粒徑的顆粒的挾帶系數(shù)不同，振動(dòng)幅度不同，于是形成了顆粒間的相對運(yùn)動(dòng)。相對運(yùn)動(dòng)最終造成顆粒間的碰撞進(jìn)而發(fā)生團(tuán)聚。在1000～2000Hz 聲波頻率段，可以看到在5μm 的噴霧顆粒與2.5μm 的飛灰顆粒間的相對挾帶系數(shù)μd,p遠(yuǎn)大于2.5μm 與1μm的飛灰顆粒間的相對挾帶系數(shù)μd,d。所以加入了噴霧后，加強(qiáng)了細(xì)顆粒間的相對運(yùn)動(dòng)，有利于碰撞的發(fā)生。同時(shí)噴霧的加入增加了細(xì)顆粒濃度，增大了細(xì)顆粒碰撞概率。此外，噴霧還可以改變?nèi)济猴w灰細(xì)顆粒的表面特性，使顆粒的表面黏性增大，導(dǎo)致碰撞后形成的團(tuán)聚體更加穩(wěn)定，不易破碎，由此提高了團(tuán)聚效果。

圖7 飛灰顆粒與噴霧顆粒在聲場中的挾帶系數(shù)

圖8為飛灰顆粒在有無噴霧下團(tuán)聚體的SEM照片對比，左邊為沒有噴霧下聲波團(tuán)聚后形成的團(tuán)聚體的SEM 照片，右邊為加入噴霧后形成的團(tuán)聚體的SEM 照片?？梢钥吹皆诩尤雵婌F后，形成的團(tuán)聚體相對于無噴霧情況下更大，互相黏結(jié)的顆粒數(shù)更多。這也證明了噴霧對于提高聲波團(tuán)聚有明顯的效果。

圖8 飛灰顆粒在有無噴霧下的SEM照片對比

3 結(jié)論

（1）細(xì)顆粒聲波團(tuán)聚效果對頻率變化較為敏感。在本文研究條件下，聲波團(tuán)聚的最佳頻率為1400Hz，在149dB 聲壓級下能達(dá)到約52%的團(tuán)聚效率。在偏離最佳頻率后，團(tuán)聚效率迅速下降。在最佳頻率下，不論是低聲壓級還是高聲壓級，顆粒物都能達(dá)到很好的團(tuán)聚效果。

（2）噴霧顆粒的加入能夠強(qiáng)化聲波團(tuán)聚效果，團(tuán)聚效率有了極為明顯的提升。141dB的聲波聯(lián)合較小噴霧（Cw=8.5g/m3）也能達(dá)到50%以上的團(tuán)聚效率。在141dB和149dB的聲壓級下，聲波聯(lián)合噴霧（Cw=15g/m3）的團(tuán)聚效率分別達(dá)到了約60%與67%。這主要是因?yàn)閲婌F顆粒的加入增大了顆粒間的相對挾帶系數(shù)，加強(qiáng)了顆粒間的相對運(yùn)動(dòng)。同時(shí)噴霧顆粒增大了顆粒濃度，增大了細(xì)顆粒碰撞概率。

（3）從SEM 照片可以看出，加入噴霧后形成的團(tuán)聚體有著更為緊密的結(jié)構(gòu)，黏結(jié)的顆粒數(shù)目更多，可以證明噴霧對于聲波團(tuán)聚的強(qiáng)化效果。