细颗粒长大特性的直接测量

徐俊超　张　军　于　燕　孟　强　杨林军　袁竹林　尹艳山

(1东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，南京　210096)(2长沙理工大学能源高效清洁利用湖南省高校重点实验室，长沙　410114)



细颗粒长大特性的直接测量

徐俊超1张军1于燕1孟强1杨林军1袁竹林1尹艳山2

(1东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，南京210096)
(2长沙理工大学能源高效清洁利用湖南省高校重点实验室，长沙410114)

摘要:为了研究燃烧源产生细颗粒在过饱和条件下的长大特性，设计了基于冷气流与热水接触形成过饱和环境的生长管来促进细颗粒的长大．利用热风保温的方式防止测量窗口水汽的凝结，从而实现了直接测量细颗粒长大后的液滴粒径分布．利用实验系统研究了热水温度、初始颗粒浓度、气体流量对细颗粒长大特性的影响．实验结果表明:热水温度的上升对细颗粒的长大影响非常明显;而细颗粒的初始浓度增加则不利于细颗粒的长大;气体流量的增大在一定范围内对细颗粒的长大影响较小，而流量大于4 L /min时，则影响较大．在最优的实验条件下，平均粒径为0．197 μm的细颗粒长大为5．411 μm．

关键词:细颗粒;过饱和水汽;凝结长大;长大特性

引用本文:徐俊超，张军，于燕，等．细颗粒长大特性的直接测量［J］．东南大学学报(自然科学版)，2016，46(1) : 70－75．DOI: 10．3969/j．issn．1001－0505．2016．01．012．

传统除尘设备对于亚微米细颗粒物的脱除效率极低，尤其是对粒径处于0．1～1．0 μm的细颗粒物，这一粒径段称为“格林菲尔德区(Greenfield gap)”［1］．通过预处理使细颗粒物在进入除尘设备前聚并长大是提高其脱除效率的有效手段，目前主要的聚并长大方法有蒸汽凝结、声聚并、电聚并和化学团聚［2－5］．自20世纪就开始了利用蒸汽凝结长大作为细颗粒物脱除预调节措施的研究［3－7］，其促进细颗粒长大的机理是:在过饱和水汽条件下，蒸汽以细颗粒物为核心在细颗粒物的表面凝结，并通过进一步的凝结使细颗粒物长大，同时在扩散和热泳作用下细颗粒物发生迁移运动，颗粒物之间相互碰撞聚并长大．该方法简便、易行，颗粒长大效果明显，显示出了良好的应用前景［8－9］．

颗粒物在水汽环境中的长大特性与技术工艺参数的选择密切相关．Chen等［10－11］通过蒸汽云室研究了细颗粒物在蒸汽过饱和条件下的长大，通过UCPC(超细颗粒凝结计数器)测量云室入口和出口的颗粒物浓度并研究了颗粒的脱除效果，发现水汽相变可以提高细颗粒物的脱除效率．张霞等［12］设计了一套应用蒸汽相变来脱除细颗粒物的除尘系统，通过ELPI(静电低压撞击器)测量相变室入口和出口的细颗粒物浓度来计算细颗粒物的脱除效率，并研究了相变室壁面性能、过饱和参数、颗粒物化性质对脱除效率的影响．在这些研究中，由于测量方法的限制，不能对长大后的含尘液滴粒径进行直接测量，因而无法了解细颗粒在过饱和水汽条件下的长大特性．Tu［13］将电动天平技术与热扩散云室相结合进行了实验，采用光散射技术在线测试了甘油液滴在亚饱和条件下的吸湿生长及蒸发特性．Hogrefe等［14］也采用电动天平技术将单个光滑玻璃质的颗粒悬浮于热扩散云室中进行了异质成核特性研究．由于电动天平(为保证颗粒能够稳定悬浮)要求颗粒粒径大于10 μm，因此不能用电动天平来研究燃烧源产生的细颗粒的长大特性．Tammaro等［15］采用TSI3340型激光测量仪构建了乙烯燃烧产生的细颗粒物水汽凝结长大实验系统，实现了对液滴粒径的测量，因此能更好用于细颗粒物凝结长大特性的研究，然而TSI3340测量仪是采用抽气采样的方法来进行液滴粒径分布的测量，这种测量方法是将已经凝结长大的液滴抽取到测量仪器内部进行测量，从而会造成已经凝结在颗粒表面的部分液滴又重新蒸发的问题．为此，本文采用激光粒度仪构建了一套能直接测量细颗粒物长大后液滴粒径分布的实验系统，并利用该系统对燃烧源产生的细颗粒物长大特性进行了直接测量的研究．

1　实验

1．1实验系统

实验系统主要包括细颗粒生长系统、细颗粒测量系统和细颗粒发生系统三大部分，如图1所示．

图1　细颗粒核化凝结长大实验系统

细颗粒生长系统的设备包括生长管、热水恒温槽和低温恒温槽．生长管为长400 mm、半径15 mm的圆柱形玻璃管．生长管中的过饱和场由热水与饱和冷气流相接触的方式构建，其中，热水温度及流量通过热水恒温槽和流量计来调节，热水通过生长管上部和下部切向连接的细玻璃管引入和引出，以保证热水沿着管壁旋转向下流动，充分润湿生长管的圆周，形成水幕;冷却温度为载气的露点温度．

细颗粒测量系统由激光粒度仪、数据采集系统和测量窗口构成．激光粒度仪型号为DP－02型，测量范围为0．05～1 500 μm．激光粒度仪的工作原理是基于米氏散射理论，即当激光光束遇到颗粒阻挡时，一部分光将产生散射现象，散射角θ的大小与颗粒的大小有关．颗粒越大，产生的散射光的θ角就越小;颗粒越小，产生的散射光的θ角就越大．而散射光的强度代表该粒径颗粒的数量．通过测量不同角度上的散射光的强度，就能够获得样品的粒度分布．为保证激光不发生偏振，激光粒度仪测量窗口采用专用的光学玻璃制作．为避免水汽在测量窗口上凝结，在窗口上装有加热装置，以保证测量窗口的温度与生长管中热水温度一致．测量窗口在紧靠生长管出口的位置上，这样防止凝结在颗粒表面的液滴蒸发而造成实验测量误差．

本文研究中的细颗粒通过燃烧香烟来产生，这是因为这种产生细颗粒的方式简便，且能满足研究所需的颗粒尺寸．图2为利用激光粒度仪对香烟产生的颗粒粒径分布的测量结果．由图可以看出，颗粒的粒径主要在亚微米级范围，平均直径为0．197 μm．

图2　细颗粒物初始粒径分布

1．2实验过程及条件

本文采用直接测量方法研究细颗粒物在不同过饱和度、颗粒物初始浓度和烟气流量下的长大规律．

实验时首先采用ELPI对燃烧室内生成的细颗粒物的初始颗粒浓度进行测量．为避免水汽自身均相凝结形成的雾滴对测量结果造成影响，在测量长大后颗粒粒径分布前打开热水循环系统取测量背景，这样测得的实验结果中就不会包含水汽自身凝结的液滴粒径分布．

实验过程中通过调节热水温度来控制水汽过饱和度．由于过饱和状态是一个非平衡状态，因此无法通过温湿度仪等来测量．本文通过建立传热传质平衡方程对生长管内过饱和分布进行了计算(具体计算方法见文献［16］)，图3给出了生长管中心线上过饱和度场的计算结果．可以看出，在其他条件一定的情况下，水温与过饱和度存在很好的正相关关系．实验条件见表1．

图3　生长管中心线过饱和度

2　结果与讨论

2．1热水温度的影响

图4给出了不同热水温度下细颗粒物长大后的粒径分布．由图可见，所有温度下细颗粒物的粒径分布都向大粒径段方向移动，说明该实验系统可以实现细颗粒物的核化凝结长大．

表1　实验条件

图4　热水温度对颗粒长大的影响

由图4可见，热水温度对颗粒长大后的粒径分布影响明显，热水温度的上升有利于细颗粒的长大．热水温度为30℃时颗粒有所长大，但主要还处于亚微米级范围内;当热水温度升至40℃时，亚微米颗粒的数量大幅减少，颗粒主要分布在1～4 μm范围;当热水温度升至50℃时，颗粒长大更为明显，并在9 μm左右出现了一个颗粒粒径分布峰．通过对温度为30，40，50℃时长大后的颗粒平均直径进行计算，得到颗粒长大的最终平均直径分别为0．276，2．005和5．411 μm，而颗粒原始的平均直径为0．197 μm，因此热水温度的增加能够明显地促进细颗粒的长大．

温度对细颗粒长大的影响表现在对颗粒核化的临界直径和颗粒核化速率的影响．

根据开尔文方程，颗粒核化的临界直径与过饱和度有如下关系［17］:

式中，Rc为颗粒临界直径;σ，Mw，ρl分别为凝结液体的表面张力、摩尔分子质量和液体的密度; Rv为通用气体常数; T为气相的绝对温度; S为过饱和度，S = p /p0，p为蒸汽的实际压力，p0为饱和蒸汽分压．由于液体表面张力的作用使得液滴表面的蒸汽平衡分压比平板表面的分压大［15］，因此颗粒的直径越小，蒸汽向颗粒表面凝结所需要的实际蒸汽压力越大，即所需过饱和度越大．在本实验过饱和场构成方式中，水温的升高使过饱和度增加(见图3)，从而使颗粒的临界直径减小．此外，水温的增加也使气相的温度升高，从式(1)可知这也有利于颗粒临界直径的减小．

液滴的成核速率公式［17］为

式中，J为成核速率; K为动力学常数;ΔG*为临界吉布斯自由能; k为玻尔兹曼常数．由式(2)可知，成核速率J与温度T成指数关系，因此温度上升极大地促进了水汽在颗粒表面的核化速率，增大了颗粒的最终直径．

为进一步分析颗粒的长大特征，定义颗粒的分级长大效率为

式中，Ni0为颗粒长大前粒径小于等于i的累积数量浓度百分数; Nig为颗粒长大后粒径小于等于i的累积数量浓度百分数．

图5　不同热水温度下颗粒的分级长大效率

图5为不同热水温度下颗粒在过饱和条件下生长的分级长大效率．从图中可以看出，热水温度的提高使小粒径段(小于2 μm)的长大效率有了较大幅度的提高，对大颗粒粒径的长大也有一定的促进作用;但是大粒径段细颗粒的分级长大效率反而降低了，这是因为小粒径段细颗粒的粒径长大到了大粒径范围，大粒径段内的颗粒数量增加．热水温度为40℃时的分级长大效率在1．5 μm左右开始下降，并且在2～3 μm粒径段分级长大效率要低于30℃时的分级长大效率，而在3～8 μm粒径段分级长大效率又超过了30℃时的分级长大效率，这是由于热水温度为40℃时1 μm以下的颗粒核化凝结长大的数量要远大于热水温度30℃时的情况．而热水温度为50℃时，颗粒的分级长大效率急剧增大，这是由于过饱和度与热水温度成指数关系［18］造成的(30，40和50℃热水温度下，管内对应的平均过饱和度分别为1．020 2，1．093 8和1．207 8)．

2．2烟气初始颗粒浓度的影响

从图6中可以看出，随着初始颗粒浓度的增大，细颗粒在水汽过饱和条件下核化凝结长大效果会变差．这是因为细颗粒数量浓度增大时，颗粒与颗粒之间会发生水汽“争夺”，这会造成2种现象:①小粒径段细颗粒能够成核的数量减少;②由于水汽竞争，被激活成核的小粒径段细颗粒没有足够的水汽向其表面扩散凝结，使得大粒径颗粒数量减少．由初始颗粒浓度从2．26×107cm－3增大到9．07×107cm－3时颗粒长大后的粒径分布曲线(见图6)可见，颗粒之间由于水汽竞争引起小粒径段的数量浓度增加，而对于大粒径段，由于细颗粒无法获得足够的水汽在其表面凝结，因此数量浓度减小．初始颗粒浓度为2．26×107，3．01×107，4．54× 107，9．07×107cm－3时细颗粒长大后的平均直径分别为1．785，0．651，0．337和0．297 μm，可以看出平均直径也是随着烟气中初始颗粒浓度的增大而减小．

图6　烟气初始颗粒浓度对细颗粒长大的影响

图7为不同烟气初始颗粒浓度下细颗粒的分级长大效率．可以看出，随着初始颗粒浓度的增大，分级长大效率呈减小的趋势，初始颗粒浓度的增加不仅会降低小粒径段颗粒的长大效率，同时也会降低大粒径段细颗粒的长大效率．这也说明颗粒浓度增加会引起水汽竞争，一方面减少了小粒径细颗粒成为凝结核，另一方面水汽竞争使得激活的小粒径细颗粒在水汽条件不足的情况下无法进一步长大至大粒径．

图7　不同烟气初始颗粒浓度下颗粒的分级长大效率

2．3烟气流量的影响

由图8中可以看出，烟气流量从1 L /min上升到4 L /min时，小粒径段细颗粒数量浓度增多，大粒径细颗粒数量浓度减少．烟气流量为1，2，3，4 L /min时颗粒最终长大直径分别为0．474，0．337，0．302，0．205 μm，颗粒直径逐渐减小．随烟气流量增加，细颗粒在过饱和水汽条件下的长大效果变差，这是因为烟气流量的增大实质上提高了烟气的流速，减小了烟气在水汽过饱和条件下的停留时间．但是与温度和初始颗粒浓度的影响相比，烟气流量的变化对细颗粒在水汽过饱和条件下长大效果的影响程度较小，尤其是对大粒径段颗粒数量浓度的分布的影响更小，这是因为细颗粒在过饱和水汽条件下成核长大是在非常短的时间内完成的，停留时间的缩短对颗粒长大的减弱作用并不明显．

图8　烟气流量对细颗粒长大的影响

分析不同烟气流量下细颗粒的分级长大效率(见图9)可以看出，当烟气流量增加到4 L /min时，流量的继续增大对于小粒径颗粒的长大效率有明显的影响．这是因为当烟气流量为4 L /min时，烟气的流速达到了37．4 cm /s，而生长管的长度只有400 mm，颗粒在过饱和条件下的停留时间只有1 s左右，尽管文献［19］表明，颗粒长大的时间只需50 ms左右，但是由图3可以看出，在生长管中的过饱和度并不是在烟气入口处就达到最大值，最大值发生在烟气流动方向的后半程，占原始颗粒大部分的小粒径段颗粒的激活是在生长管后半段发生的，因此流量较高时颗粒从激活到长大的时间要小于1 s．同时随流量增大，颗粒在管内的停留时间缩短，颗粒表面凝结消耗的蒸汽不能及时得到补充，阻碍了核化后细颗粒的进一步长大，从而对颗粒的长大效果造成了较大的影响．由图9还可以看到，当烟气流量为4 L /min时，颗粒的长大效率急剧下降，这是2个方面原因造成的:①核化后的细颗粒不能充分长大;②低于1 μm的细颗粒核化长大后的粒径达到了1～2 μm粒径段，使得2 μm粒径段左右的长大效率很低．这一结果表明，在应用水汽相变作为除尘预处理技术时须保证细颗粒在水汽过饱和条件下有足够的停留时间，需要重点结合预处理段中的过饱和场来设置设备的长度．

图9　不同烟气流量下颗粒的分级长大效率

3　结论

1)过饱和水汽能够促进细颗粒物的长大，在所研究的实验条件下，香烟燃烧源产生的细颗粒物平均直径从0．197 μm可长大到5．411 μm．

2)热水温度上升对于小粒径(小于2 μm)颗粒长大的促进作用非常明显，并且有助于整体粒径的长大，热水温度为30，40和50℃的条件下，颗粒长大的最终平均直径分别为0．276，2．005和5．411 μm．

3)烟气中初始颗粒数量浓度的增大，引起了颗粒之间的水汽竞争，一方面水汽竞争会减少小粒径颗粒的核化，另一方面水汽竞争会影响核化后颗粒的凝结长大，从而导致颗粒的最终长大直径减小．

4)流量增大，细颗粒在过饱和水汽条件下的长大效果变差，但是其影响程度较轻，当流量增加到4 L /min时，细颗粒的长大效果很差．

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Direct measurement of fine particles growth characteristics

Xu Junchao1Zhang Jun1Yu Yan1Meng Qiang1Yang Linjun1Yuan Zhulin1Yin Yanshan2
(1Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education，Southeast University，Nanjing 210096，China)
(2Key Laboratory of Efficient and Clean Energy Utilization of Hunan Province，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410114，China)

Abstract:To study the growth characteristics of combustion emission fine particles under supersaturation condition，a growth tube in which the supersaturation was formed by cooled gas flow meeting with hot water was designed to facilitate fine particle enlargement．The droplet size distribution after particle enlargement was measured directly by preventing vapor from condensing on measurement window with a hot airflow．The influences of hot water temperature，initial number concentration and gas flow on fine particle growth characteristics were studied by the experimental apparatus．The results show that the increase of water temperature highly improves the performance of fine particle enlargement，and the higher concentration of initial particles disfavors the fine particle enlargement．The increase of gas flow slightly affects the fine particle enlargement within a certain range．However，when the gas flow increases to 4 L /min，it has a significant influence on particle growth．Under the optimal experiment condition，the mean diameter of the fine particle with an initial mean size of 0．197 μm can be enlarged to 5．411 μm．

Key words:fine particle; supersaturation water vapor; condensation and growth;growth characteristics

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51576043)、国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2013CB228504)、能源高效清洁利用湖南省高校重点实验室开放基金资助项目(2015NGQ003)．

收稿日期:2015-08-20．

作者简介:徐俊超(1990—)，男，博士生;张军(联系人)，男，博士，教授，博士生导师，junzhang@ seu．edu．cn．

DOI:10．3969/j．issn．1001－0505．2016．01．012

中图分类号:TK16

文献标志码:A

文章编号:1001－0505(2016) 01-0070-06