物化性质对细颗粒长大过程影响的研究现状

周璐璐，张 军，徐俊超，杨林军，袁竹林

(东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，江苏 南京 210096)

0 引言

传统除尘技术主要包括静电除尘器、布袋除尘器及湿法脱硫除尘等［1］，它们均能有效去除粗模态的颗粒，但对细颗粒的脱除效率较低。我国大多数电厂均采用电除尘器，对于全效率为99%的电除尘器，大约有1%的飞灰颗粒排入大气，其中大部分是粒径小于2.5μm 的细颗粒，数量达到90%以上。细颗粒进入大气后对人体健康和大气环境危害极大［2］，因此，控制燃烧源细颗粒的排放迫在眉睫。

颗粒长大促进技术是目前研究的有效脱除细颗粒技术之一，主要包括声波团聚、电凝并、磁凝并、热凝并、湍流边界层凝并、光凝并、化学团聚以及水汽相变技术等。不管是增加声场、磁场、电场还是在过饱和水汽场，针对的主体都是飞灰颗粒。因此，飞灰颗粒的物化性质对除尘效率起着关键的作用，研究其是怎样影响颗粒长大的，对实现细颗粒被高效率的脱除起着指导的作用。本文综述了飞灰颗粒物化性质对声磁团聚、波团聚、电聚并、化学团聚以及水汽相变技术脱除细颗粒性能的影响。

1 磁团聚长大技术

磁团聚［3］是指含有磁性或弱磁性的颗粒物除了受流场中的重力、曳力、阻力外还受到磁场中的磁力，在这些力的共同作用下，颗粒之间产生相对运动，从而增加颗粒之间的有效碰撞，对于微米级的颗粒来说，碰撞的结果更趋向于聚并长大，即磁团聚。磁团聚除尘技术，是将磁团聚运用到除尘过程中，在磁团聚的原理作用下，飞灰中细颗粒团聚成大颗粒，然后被传统除尘技术脱除。磁团聚除尘技术的关键在于飞灰中含有磁性或弱磁性的部分，飞灰中的磁性物质对磁团聚除尘效果起着重要的作用。

研究表明［3］，烟尘在磁场中收到的磁力与比磁化率有关，烟尘的比磁化率与磁场强度、本身形状和粒度无关，而只与矿物组成有关。燃煤飞灰的铁磁特性主要由于其中含有γ－Fe2O3和Fe3O4等，γ－Fe2O3和Fe3O4都是典型的铁磁性物质。吴新等［4］探究燃烧温度和燃烧气氛对含铁物相相对含量的影响规律，发现煤种、温度和燃烧气氛对燃煤飞灰中含铁物相的种类没有影响，而对含铁物相中铁的相对含量有一定的影响。因此，对于磁团聚技术颗粒的矿物组成有着重要的作用，不同矿物组成可能在磁场中所受的磁力不尽相同，其中含铁物的典型磁性物质的存在对磁团聚影响更明显，因为其影响着磁化率。而含铁量受着各种因素的影响。

2 声波团聚长大技术

声波团聚技术作用原理是利用高强声波对气溶胶进行处理，促进颗粒间的相对运动，并增加它们之间的碰撞概率，而且一旦颗粒发生碰撞，便有可能粘附形成较大一级的团聚物［5］，细颗粒从而在声波作用下聚并成大颗粒。声波团聚除尘技术就是利用这样的原理使飞灰中的细颗粒碰撞聚并变大，再用传统除尘技术进行脱除。

孙德帅等［6］在中等强度驻波声场中，对燃煤可吸入颗粒物进行团聚清除试验研究，结果表明对于粒径小1.1 μm 与4.7 到10 μm 之间的颗粒，声波团聚除尘效率高于1.1 到4.7 μm 之间颗粒。张光学［7］在对燃煤飞气溶胶声波团聚和理论的试验中，用包括了同向团聚作用机理、碰撞效率及布朗团聚机理等理论模型进行计算，计算出当小颗粒的粒径大于2.5 μm，碰撞效率基本保持较高值，当小颗粒的粒径小于2.5 μm 时，碰撞效率急剧降低。

综上所述，颗粒粒径影响声波团聚过程，但其影响的机制和规律，尚待进一步研究。

3 电凝并长大技术

电凝并是指在静电力作用下的热凝并过程，具体来说就是热扩散作用使颗粒相互靠近到静电力足以起作用的距离，然后在静电力的作用下得到凝并。目前，多数研究把电凝并技术与电除尘器相结合，利用电凝并技术使细颗粒长大，再采用静电除尘器脱除长大后的颗粒。研究的电凝并类型主要概括为:异极性荷电粉尘的库仑凝并;同极性荷电粉尘在交变电场中的凝并;异极性荷电粉尘在交变电场中的凝并;异极性荷电粉尘在直流电场中的凝并［8］。异极性荷电粉尘在交变电场中的凝并被认为有很好的前景，是主要的发展方向。电凝并效果取决于颗粒浓度、粒径、电荷的分布及外电场强弱等因素［9］。目前关于飞灰颗粒粒径对电凝并除尘性能的影响已有一定研究［10－12］。

赵爽等［13－14］进行了电凝并脱除可吸入颗粒物的试验研究，结果发现0.5 至1.0 μm 粒径段的颗粒的凝并效率远远大于相同工况下其他粒径颗粒。此外，从分形生长的角度来看，粉尘粒度组成对电凝并除尘效率也有一定的影响。罗果萍等［15］应用分形生长理论建立了亚微米粒子电凝并过程的分形生长数学模型，对亚微米尘粒电凝并进行了分形研究。研究发现，随着粉尘粒度组成的变化，分形维数也将发生改变。分维数越大，凝并体结构越不规则，向空间扩展生长的能力越强，尘粒越容易聚集凝并，除尘效率越高。

从上述研究可以看出，颗粒粒径作为飞灰的特性之一是影响电凝并过程的，但具体机制及规律需要继续探讨。其次，飞灰组分会影响到电荷分布，而电荷分布是影响电凝并过程的重要因素，研究飞灰组分对电凝并过程的影响有重要意义，但有关这方面的研究还未见报到。

4 化学团聚长大技术

化学团聚技术指的是通过加入某种化学团聚剂，促使细颗粒团聚长大成大颗粒的技术。化学团聚除尘是指在除尘设备前使用吸附剂利用物理吸附和化学反应相结合的机理来使细颗粒团聚长大，从而可以被传统除尘设备脱除的技术。

刘加勋等［16］基于快速聚沉理论建立了燃煤颗粒物化学团聚模型，对该模型进行不同参数对团聚效果影响的研究，发现在相同雾化质量的条件下，随着飞灰颗粒直径的增加，团聚率提高。化学团聚过程中，飞灰颗粒与团聚剂接触时，如果飞灰颗粒的润湿性不够好，颗粒将停留在液滴表面阻碍与其他飞灰颗粒的接触，并且有可能被气流重新带走，降低团聚剂团聚效果。李海龙等人［17］研究三种润湿剂溶液中的润湿性能，这些表面活性剂的适量添加均可以提高飞灰颗粒的润湿性。

化学团聚除尘技术作为去除细颗粒的一种有效方式，不仅可以有效地去除细颗粒，而且还可以同时除去多种污染物。

5 水汽相变长大技术

水汽相变长大技术，通过水汽在细颗粒表面发生异相凝结长大，使颗粒变大，促进常规除尘器对其除尘，以达到细颗粒被脱除的效果。水汽相变技术以微粒表面为依托开始凝结发生相变，微粒起到凝结核的作用［18］，其表面的物理、化学特性对核化性能及此后的凝结生长具有决定性作用。

Yoshida 等［19］研究发现即使颗粒不是亲水性的也可以在过饱和蒸汽中很快长大。陈进等［20］选取矿物烧结厂、电厂和煅烧粘土厂飞灰以及SiO2粉末，对这四种颗粒进行了相变凝结的试验，发现润湿性越好，粒径越大的颗粒脱除效率也越高。Heidenreich［21］等进行了利用蒸汽异相凝结作用脱除亚微米级微粒的试验和理论研究，理论分析了初始粒径分布对细颗粒核化凝结长大过程的影响，小粒径的颗粒长大速率比率比大粒径的快，导致在很短的时间内颗粒粒径的单峰分布在凝结后的粒径分布变窄。孙露娟等［22］利用水汽相变原理在填料洗涤塔内进行了燃煤、燃油超细颗粒凝结长大以及脱除的试验研究，发现燃煤和燃油产生的超细颗粒的形貌和组分具有较大的差别，燃煤超细颗粒物主要成分是硅铝矿物质，燃油超细颗粒物主要为含炭物质，燃煤细颗粒的平均粒径小于燃油细颗粒，填料洗涤塔对燃煤细颗粒的洗涤脱除效果优于燃油细颗粒。张霞等［23］对应用蒸汽相变原理作为脱除燃烧源PM2.5预调节措施的效果进行了试验研究，发现不同燃烧源产生的PM2.5，其相变凝结脱除效率不同。

颗粒越大、润湿性好的颗粒在水汽中越易长大被脱除，且不同粒径的颗粒，在水汽中长大速率不一样，导致颗粒粒径分布在水汽中长大后发生变化，粒径分布单峰变窄［24］。此外，颗粒的化学组分和表面特征也影响颗粒的长大。

6 结语

细颗粒对人类健康和环境危害巨大，因此，控制燃烧源细颗粒的排放十分重要。颗粒长大技术可以通过外场使细颗粒长大，为脱除细颗粒提供了一条有效的途径。飞灰物化特性影响细颗粒长大过程，比如颗粒粒径，整体粒径分布，颗粒化学组分，表面特征等等。然而目前的研究多集中于怎样提高脱除细颗粒效率，研究清楚颗粒长大技术的的机制，这更有利于这项技术的积极发展及应用。

［1］王 鹏.燃煤电厂可吸入颗粒物排放及控制研究［D］.杭州:浙江大学，2008.

［2］董雪玲.大气可吸入颗粒物对环境和人体健康的危害［J］.资源·产业，2004，6(5):50－53.

［3］韩 松，赵长遂，吴 新，等.燃煤飞灰中可吸入颗粒物在磁场中聚并收尘试验研究［J］.锅炉技术，2006，37(S1):12－15.

［4］吴 新，卓文钦，赵长遂.燃煤飞灰中铁磁性物质及其形成机制［J］.燃烧科学与技术，2010，16(5):422－429.

［5］陈厚涛，赵 兵，徐 进，等.燃煤飞灰超细颗粒物声波团聚清除的试验研究［J］.中国电机工程学报，2007，27(35):28－32.

［6］孙德帅，郭庆杰.可吸入颗粒物声场团聚试验研究［J］.化学工程，2010，38(4):81－84.

［7］张光学.燃煤飞灰气溶胶声波团聚的理论和试验研究［D］.杭州:浙江大学，2010.

［8］向晓东，陈旺生，幸福堂，等.交变电场中电凝并收尘理论与试验研究［J］.环境科学学报，2000，20(2):187－191.

［9］陈旺生，向晓东，陆继东.偶极荷电静电凝并除尘器收尘机理及性能研究［J］.环境工程学报，2008，2(7)，973－976.

［10］冯 涛，魏家红.电凝并装置收集亚微米粉尘的试验研究［J］.黄河水利职业技术学院学报，2011，23(3):49－54.

［11］向晓东，陈旺生，幸福堂，等.交变电场中电凝并收尘理论与试验研究［J］.环境科学学报，2000，20(2):187－191.

［12］Laitinen J Hautanen，J Keskinen，et al.Polar charged aerosol agglomeration with alternating electric field in laminar gas flow［J］.Electrostatics，1996，(38):303－315.

［13］赵 爽.电凝并脱除可吸入颗粒物的试验研究［D］.杭州:浙江大学，2006.

［14］赵 爽，骆仲泱，王 鹏，等.燃煤锅炉烟气中小颗粒的电凝并脱除［J］.能源工程，2006，(3):34－39.

［15］罗果萍，郭卓团，张学锋.亚微米尘粒电凝并的分形研究［J］.中国稀土学报，2004，22(8):142－147.

［16］刘加勋，高继慧，高建民，等.基于快速聚沉理论的燃煤颗粒物化学团聚模型［J］.煤炭学报，2009，34(10):1388－1393.

［17］李海龙，张军营，赵永椿，等.火力发电厂燃煤飞灰润湿性能［J］.化工学报，2009，60(3):744－749.

［18］杨林军，颜金培，沈湘林.蒸汽相变促进燃烧源PM2.5凝并长大的研究现状及展望［J］.现代化工，2005，25(11):22－26.

［19］Yoshida T，Kousaka Y，Okuyama K.Growth of aerosol particles by condensation［J］.Industrial and Engineering Chemistry Research Fundamentals，1976，15(1):37－41.

［20］Chen C C，Shu H K，Yang Y K.Nucleation－assisted process for the removal of fine aerosol particles［J］.Ind Eng Chem Res，1993，32(7):1509－1519.

［21］Heidenreich S，Ebert F.Condensational droplet growth as a preconditioning technique for the separation of submicron particles from gases［J］.Chem Eng Process，1995，(3):235－244.

［22］孙露娟，杨林军，张 霞，等.洗涤塔脱除燃烧源超细颗粒的试验研究［J］.化工学报，2008，59(6):1508－1514.

［23］张 霞，杨林军，孙露娟，等.应用蒸汽相变机理脱除燃烧源PM2.5试验研究［J］.东南大学学报(自然科学版)，2008，38(1):80－85.

［24］凡凤仙，张明俊.蒸汽相变凝结对PM2.5粒径分布的影响［J］.煤炭学报，2013，38(4):694－699.