双峰分布颗粒物的声团聚实验研究

沈国清，何春龙，黄晓宇，张世平，安连锁

(1. 华北电力大学国家火力发电工程技术研究中心，北京 102206；2. 华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206)

0 引 言

可吸入颗粒物(PM10)是指粒径小于10 µm的颗粒，细颗粒物(PM2.5)是指粒径小于2.5 µm的颗粒，超细颗粒物(PM1)是指粒径小于1 µm的颗粒。有研究表明，粒径小于10 µm的可吸入颗粒物不但污染环境而且危害人体健康。美国环保局等相关机构专门对细颗粒物(PM2.5)进行了研究，研究发现PM2.5是危害人体健康最严重的主要污染物之一，会损坏人体呼吸系统和心血管系统[1]。

工业生产特别是燃烧过程会产生大量的颗粒物，并排放到大气中。目前，常规的除尘设备有静电除尘器、布袋除尘器和旋风分离器等。这些设备对于粒径大于 10 µm 的大颗粒物的脱除效率很高，比如在电厂中应用最广泛的静电除尘器，其对粒径大于10 µm的大颗粒脱除效率高达99%，但是对于 PM10、PM2.5这些可吸入颗粒物的脱除效率却不高[2-4]。排放到大气中的可吸入颗粒物质量虽少但数目巨大。为了解决此问题，学者对常规除尘流程进行改进，即对烟尘进行预处理，使细颗粒物长大，最后联合后续常规除尘器进行脱除[5]。声波团聚就是这样一门技术，烟尘中的细颗粒物在高强度的声场作用下发生碰撞，团聚形成较大颗粒。因为声场的自身特性，在工程中运用声场有诸多优点，比如结构布置简单，不影响设备正常运行，适应各种恶劣条件等。因此利用声波团聚脱除细颗粒物被认为是最具发展潜力的除尘技术之一[5]。本研究不仅适用于大型燃煤电站锅炉，而且对中小型燃煤工业锅炉和供暖锅炉具有同样重要的指导价值和工程应用意义。

自19世纪30年代以来，学者对声波团聚脱除细颗粒物做了大量的实验研究和数值模拟。目前在机理研究方面，主要有两个理论：正向动力团聚机理和流体力学作用机理。正向动力团聚机理提出声波挟带理论，指出不同粒径的颗粒，因其惯性作用，随声波振动幅度不同，使得大小颗粒碰撞而产生团聚效果[6-7]。流体力学作用机理分为共辐射压作用、共散射作用和声波尾流效应[8]。

在实验研究方面，学者研究了声场参数(频率、声压级)、颗粒停留时间和颗粒浓度等因素对声波团聚效果的影响[9-13]。Tiwary[9]等人采用1～5 kHz的声波对0.1～20 µm的燃煤飞灰进行声波团聚实验，研究发现其最佳频率为 2 kHz；Hoffman[10]等人采用44 Hz和10 kHz的声波对1～10 µm的燃煤飞灰进行声波团聚实验，发现低频声波更有利于声波团聚；陈厚涛[11]等人采用1 000 Hz的声波对柴油机尾气中的超细颗粒物进行声波团聚实验，系统研究了声场强度、停留时间和颗粒数目浓度对细颗粒脱除效率的影响；Zhou D[12]等人将声波团聚与常规除尘器相结合，实验结果表明声波团聚能显著提高除尘器的除尘效率；张光学[13]等人采用500～3 000 Hz的声波对0～10 µm的燃煤飞灰进行声波团聚实验，其最佳频率为1 400～1 700 Hz。

虽然国内外学者对声波团聚课题做了大量的实验研究，但是实验对象多为10 µm以下，粒径分布呈现单峰特征的颗粒(单峰分布颗粒)。然而声波团聚作为一门烟气预处理技术，运用在常规除尘器前的烟尘环境中。据资料显示，在实际工程应用中，烟尘中的颗粒物多为大小颗粒物共存，比如燃煤电厂产生的烟尘，其中颗粒物粒径范围大多在 0～200 µm，且粒径分布呈现双峰特征(双峰分布颗粒)。因此，本文根据电厂实际情况，选择粒径范围在0～200 µm 的大小颗粒共存的双峰分布颗粒物作为实验样品，搭建声波团聚实验台，研究声压级和频率对可吸入颗粒物脱除的影响，更具工程实用价值。同时本文从微观尺度上探究声波团聚中的团聚体受力情况，结合计算以及实验结果提出声波团聚技术的适用环境：建议将声波团聚技术运用在颗粒粒径较小的环境，比如电厂电除尘器后的烟气中、发动机尾气处理等。

1 声波团聚中团聚体受力分析

在声波团聚中，学者认为在高强度的声场中，大小颗粒随声波的振动幅度不同而发生相对运动，从而发生碰撞。颗粒碰撞的结果有三种：团聚、分离、破碎。

对于微米级的颗粒而言，以范德华力为主的粘附力占据主导地位[14]，所以微米级颗粒在声场中碰撞后团聚。但是本文研究对象是粒径分布较广的双峰分布颗粒物，有必要从微观层面对团聚体进行受力分析，判断其碰撞结果。

根据颗粒间在团聚过程中所起的不同作用，可分为两种力[14]：促使团聚体破碎的力Ff和促使颗粒团聚的力Fa。声波作用力Fsou、表观重力Fg、碰撞力Fc、曳力Fd等是促使团聚体破碎的力；范德华力Fvw、静电力Fe、液体桥力FH等是促使颗粒团聚的力。

1.1 团聚体受力计算方法

在本文实验中，以干燥空气作为流体介质，只考虑范德华力作为其促使颗粒团聚的力。团聚体考虑成球体。根据文献[14-17]，各力的计算方法如下：

式中：d是团聚体直径(m)；是声压幅值的算术平均值(Pa)。

式中：ρa是团聚体密度(kg/m3)；ρf是流体密度(kg/m3)；d是团聚体直径(m)；g 是重力加速度(m/s2)。

曳力?

式中：ρf是流体密度(kg/m3)；d是团聚体直径(m)，V是流速(m/s)； 是空隙率。

式中：A是Hamaker常数(J)；δ是范德华力发生距离[计算时一般取(1.65～4)×10-10m]；d1和d2是两颗粒直径(m)。

1.2 计 算

上述作用力受各方面的影响，其中包括颗粒物性(颗粒尺寸、粒径分布、密度、表面粗糙度等)，气体介质参数(气体密度、温度、粘性等)以及环境温度、湿度等。其中颗粒尺寸是最显著的影响因素。

本文通过计算，研究不同粒径下的各作用力的变化规律，分析各力对团聚体破碎、颗粒团聚的作用以及最后形成的团聚体的粒径大小。

本文计算范围为0.1～10 000 µm的粒径各力相对大小，各计算参数根据文献[14-17]以及本文实验条件选择，具体参数见表1。

表1 计算参数Table 1 Parameters for calculation

计算结果如图1所示，粒径在0～500 µm变化时，声波作用力是导致团聚体破碎最主要的力，可忽略重力、曳力的影响。在本文计算中，范德华力是保持团聚体团聚的唯一的力。定义临界粒径为dc，即团聚力与破碎力相等时的团聚体粒径，也是在各作用力共同作用下的团聚体最大粒径。

图1 各作用力随团聚体粒径变化规律Fig.1 Variations of different acting forces with aggregate size

在135 dB的声场条件下，dc为 54 µm。当团聚体粒径小于54 µm时，范德华力大于声波作用力，团聚体碰撞后团聚形成更大的团聚体；当团聚体粒径大于54 µm时，作用在团聚体上的声波作用力大于其范德华力，团聚体碰撞后破碎。

声波作用力受声压级的影响很大，表2计算了不同声压级下的临界粒径dc。随着声压级的提高，声波团聚后形成的团聚体的临界粒径减小。

表2 不同声压级下的临界粒径Table 2 Critical particle sizes at different sound pressure levels

2 实 验

2.1 实验系统

实验系统如图2所示，主要包括5个部分：给料系统、声发射及测量系统、声波团聚室、采样测量系统、尾气处理系统。

图2 声波团聚实验系统图Fig.2 Experimental system of acoustic agglomeration

给料系统主要由风机、流量计和微量给料机组成。给料机采用东孚公司设计制造的 TWLP-15型微量给料机，其特点是微量给料，给料稳定。实验中可以通过调节变频箱控制给料速度，达到实验要求。

声源及测量系统主要由计算机、MTC-300大功率音频发生器以及 TD-300大功率音头组成。计算机端通过 SpectraLAB控制音频发生器可以发出不同频率的声波，调节音频发生器的音量旋钮可以调整声压级。在声波团聚室上部和下部布置两个声信号测点，通过声传感器将信号传输到带有采集卡的计算机进行测量。

声波团聚室为圆柱形，尺寸：长为1.5 m，直径为0.1 m，壁厚为10 mm。声波团聚室上端为声源，下端链接取样池并设有尾气处理系统。声源信号为正弦波，在团聚室内形成中高强度的稳定驻波场。经测量，在0~10 000 Hz声波条件下，管内声压级沿管长衰减不超过1%，可以忽略不计。

采样测量系统由 Winner2000ZDE型激光粒度分析仪和取样池组成。从取样池提取实验后的颗粒，通过激光粒度分析仪测量其粒径分布。

尾气处理系统由除尘器和引风机组成。实验后的气溶胶中的颗粒物通过除尘器进行处理。

2.2 实验过程及参数

整个声波团聚实验过程为：通过调节风机功率来控制空气流量，由流量计进行读数；在声波团聚室上方有声源发出声波，在声波团聚室内部形成稳定的声场，通过计算机软件发出不同频率的声波；调节音频发生器来控制声压级；启动给料机，实验样品从微料给料机中均匀进入管道，与空气进行混合，随空气进入声波团聚室；大小颗粒在声场的作用下碰撞从而发生团聚，最后在取样池进行取样测量，尾气通过除尘器进行处理。

声波团聚实验的参数很多，比如声压级、频率、颗粒初始浓度、停留时间等。本实验只考察声波频率和声压级对团聚的影响。实验范围：声波频率范围为500～3 500 Hz，声压级范围为70～140 dB。通过控制变量法对其他参数进行控制，颗粒初始浓度为20 g/m3，停留时间为3 s。

3 实验结果与分析

3.1 颗粒的初始粒径分布

在声波团聚实验中，首先要测量颗粒的初始粒径分布，使用激光粒度分析仪进行测量。在不加声场的情况下，收集实验样品颗粒进行测量。测量结果如图 3所示，实验所用颗粒粒径范围为 0～200 µm，呈双峰分布，两个峰值分别在 25 µm 和80 µm，颗粒中位径为 28.903 µm，粒径小于 10 µm的颗粒占比24%，粒径小于2.5 µm的颗粒占比10%。

图3 初始粒径分布Fig.3 Initial particle size distribution

式中：N0为声波团聚前可吸入颗粒物的体积分数；N1为声波团聚后可吸入颗粒物的体积分数。

3.2 声波频率对声波团聚的影响

根据声波团聚的同向团聚理论，频率过低，大小颗粒都随声波完全震荡，没有相对运动，不发生碰撞；频率过高，大小颗粒在声场中静止，也不发生碰撞。所以对于某一固定粒径分布的颗粒群，理论上存在一个最佳频率。学者通过实验也发现了最佳频率的存在[13]，但是最佳频率受颗粒的粒径分布影响很大，实验结果有所差异。学者多以10 µm以内的颗粒作为研究对象，不符合工程实际。本文以0～200 µm 的大小颗粒共存的双峰颗粒物作为研究对象。

本文声波频率实验范围为500～3 500 Hz，其余参数保持不变，其中声压级控制在120 dB，颗粒初始浓度为20 g/m3，停留时间为3 s。

图 4所示为不同频率下可吸入颗粒物的团聚效率。在实验范围500～3 500 Hz内，分析频率对团聚效率的影响：团聚效率随着频率增加先增后减，存在一个最佳频率，偏离最佳频率，团聚效果变差。在1 800 Hz时，PM10的团聚效率最高达到29.7%；在2 300 Hz时，PM2.5的团聚效率最高达到27%。

在可吸入颗粒物范围(0～10 µm)考察声波团聚效果，PM2.5的最佳频率高于PM10的最佳频率。这种规律符合同向团聚机理，频率越大，对小颗粒的挟带作用越大，团聚效果越好。对于某一固定粒径分布的颗粒群，研究其中某一粒径段的团聚效果，粒径越小，最佳频率越大。

图4 不同频率下的可吸入颗粒物团聚效率Fig.4 Agglomeration efficiencies of inhalable particles at different frequencies

3.3 声场强度对声波团聚的影响

影响声波团聚效率的另一个很重要的参数是声场强度，一般用声压级来衡量。本文在 70～140 dB的实验范围内，研究了声场强度对声波团聚的影响。声波频率固定在1 300 Hz，颗粒初始浓度为20 g/m3，停留时间为3 s。

图5所示为不同声压级下可吸入颗粒物的团聚效率。PM2.5和PM10的团聚效率随频率有着相同的变化趋势：随着声压级的升高，团聚效率一直增大，当达到120 dB时，PM2.5和PM10的团聚效率达到最大，分别为 21.9%和24.8%；随着声压级的继续增大，团聚效率反而减小，当达到135 dB时，团聚效率出现负值。

图5 不同声压级下可吸入颗粒物的团聚效率Fig.5 Agglomeration efficiencies of inhalable particles at different sound pressure levels

在声波团聚中，声场只是增强了颗粒间的相互运动，增大了颗粒间的碰撞概率，颗粒碰撞后靠颗粒间的范德华力等粘性力团聚。然而作用在团聚体上的声波作用力是使其破碎的力。以前的学者对于声波团聚实验采用的是10 µm以下的小颗粒，其颗粒间的范德华力等粘性力较大，一般不会发生破碎，并且声压级越大，团聚效果越好。但是当采用粒径分布较广的颗粒物进行声波团聚实验，随着声压级的升高，团聚效果并非一直变好。

在第1节的理论计算中，120 dB时的团聚体临界粒径为 287 µm，本文实验所用颗粒粒径均小于287 µm，颗粒碰撞后团聚；140 dB时的团聚体临界粒径为30.5 µm，本文实验所用颗粒部分是大于30.5µm的大颗粒，在声场中碰撞发生破碎。

图6 120 dB与140 dB声压级下实验后的颗粒粒径分布对比Fig.6 Experimental contrast between particle size distributions under the sound pressure levels of 120 dB and 140 dB

图6是在1 300 Hz下，120 dB和140 dB实验后的颗粒粒径分布的对比图。120 dB时，10 µm以下的小颗粒相对于原始颗粒有明显减小，在原始颗粒第二峰值粒径80 µm附近，颗粒明显增多，粒径明显增大，这是因为大颗粒作为团聚核，小颗粒与其进行碰撞团聚，在减少了小颗粒的同时增多了大颗粒；但是在140 dB下，实验后的颗粒粒径分布变成了单峰分布，原始颗粒的第二峰值粒径附近的大颗粒明显减少，这是因为声压级过大，原始颗粒中的部分大颗粒自身结构等因素，在过大声压级下发生破碎，10 µm以下的颗粒大量增加。

4 结 论

本文从微观层面对团聚体进行受力分析，研究了颗粒在声场条件下团聚体的临界粒径。同时结合实际工业生产中形成的颗粒物粒径分布情况，以双峰分布可吸入颗粒物作为实验对象，实验研究了频率和声压级对声波团聚的影响，结论如下：

(1) 通过理论计算，声压级越高，团聚体的临界粒径越小；

(2) 在120 dB下，实验研究了频率对声波团聚的影响。在实验范围 500～3 500 Hz内，双峰分布可吸入颗粒物的声波团聚实验存在的最佳频率范围为1 800~2 300 Hz，团聚效率达到25%～30%；

(3) 在1 300 Hz下，实验研究了声压级对声波团聚的影响。在实验范围70~140 dB内，双峰分布可吸入颗粒物的团聚效率先增后减。120 dB时PM2.5和PM10的团聚效率达到最大，分别为21.9%和 24.8%。对于粒径较大的颗粒，由于自身结构等因素，在较大声压级下发生破碎。

由本文分析可知，将声波团聚技术应用到燃煤电站烟气中的可吸入颗粒物处理中，需要同时考虑声场的破碎作用，建议将声场布置在电除尘器尾部，在去除大颗粒后联合使用电除尘方法脱除细颗粒物，或者将声场布置在脱硫塔出口净烟道上，联合高效管式除雾器技术脱除细颗粒物。另外，建议将声波团聚技术运用在颗粒粒径较小的环境，比如发动机尾气处理。为了将声波团聚技术运用于工程实际，在以后的工作中，还需要对大颗粒在声场中发生破碎的行为进行更深入的研究。

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