燃煤电站大流量烟气下飞灰细颗粒声波团聚实验研究

黄 军，王 鹏，张瑞翔，刘建忠



燃煤电站大流量烟气下飞灰细颗粒声波团聚实验研究

黄 军1，王 鹏1，张瑞翔2，刘建忠2

（1.神华国华（北京）电力研究院有限公司，北京 100025； 2.浙江大学能源清洁利用国家重点实验室，浙江 杭州 310027）

以某燃煤电厂烟气流量20 000 m3/h（标况下）的中试实验平台为对象，采用在烟道两侧布置声波发生器并联合喷雾增湿，对不同频率和声压级的声波细颗粒团聚效果进行了测试研究。测试结果表明：声波频率和声压级对团聚效果有较大影响，在声波频率为1 400~ 1 700 Hz时，烟气中PM2.5颗粒能获得较好的团聚效果；随着声压级（或者功率）的增大，团聚效率提高，特别是声压级大于140 dB后，团聚效果明显增大；声波联合喷雾增湿能进一步促进烟气中细颗粒团聚，提升电除尘器对于PM2.5或者PM1颗粒的脱除效果。该结论对提高大型燃煤电厂锅炉烟气中飞灰细颗粒团聚效果和除尘效率有重要的指导意义。

大流量；烟气；声波团聚；喷雾增湿；飞灰；PM2.5；声压级；除尘效率

随着我国经济的迅速发展，能源消耗速度也不断加速，与全球一次能源消费结构不同，我国煤炭消耗在一次能源中占比达到60%。2017年中国煤炭产量增长了3.6%，煤炭仍是中国能源消费中的主要燃料，其占比为 60.4%[1]。煤炭燃烧产生的大量颗粒物，对环境以及人体健康危害很大。燃煤排烟中大多数为PM10颗粒，其中粒径大于2.5mｍ的颗粒能够被人体鼻腔所阻挡，但是PM2.5能够进入人体呼吸系统甚至肺泡，严重影响人体健康。虽然电厂现广泛应用的电除尘装置能够达到99%以上的颗粒脱除效率，但对PM2.5的脱除效率相对较低，一般仅有70%~90%[2]。众多测试结果表明，大多数燃煤电厂排放的颗粒物中PM2.5占总颗粒物的50%以上[3]。因此，如何高效脱除燃煤烟气中细颗粒飞灰已成为国内外关注的热点，而采取颗粒团聚预处理技术是控制细颗粒物的有效途径。在已有的团聚技术中，声波团聚技术被认为是最有前景的细颗粒脱除技术之一，可提高除尘设备的捕捉效率，减少PM2.5的颗粒数量。

1931年首先由Patterson 和Cawood[4]开始了声波团聚技术的实验研究，发现氧化镁气溶胶颗粒在驻波管中团聚的现象。1982年Gerhard[5]发现在150~160 dB和2 000~3 000 Hz范围内的声波有较好的声波聚集结果。1993 年Hoffmann 等人[6]采用低频（44 Hz）、高声强（160 dB）的声波，研究了针对燃煤飞灰的声波团聚联合CaCO3大颗粒技术，以增强对飞灰的团聚效果。1996年J.J. Rodríguez- Maroto等[7]使用频率10、20 kHz的声波进行声波团聚实验，发现团聚后颗粒数浓度减少了40％，质量浓度减少37％。2009年张光学等[8]以飞灰作为低频声波团聚的实验对象，发现在高声压级下的最佳频率为1 400 Hz。2016年Zhou D等[9]采用声波团聚联合静电除尘器和袋式过滤器脱除细颗粒，发现当组合系统在1 400 Hz和148 dB条件下，袋式过滤器的颗粒质量浓度去除效率可以从91.29％提高到99.19％，并且静电除尘器的颗粒去除效率可以从89.05％提高到99.28％。2016年Zhou D等[10]利用高速摄影观察声场中颗粒物的运动，得到了声场中的粒子运动轨迹，同时结合数值计算对声波团聚机理进行研究。2016年康豫博等[11]使用超声波作为声源，发现频率20 kHz的声波对粒径10～487 nm的颗粒具有团聚作用。2016年Zu K等[12]将声波团聚的改良模型与实验相结合对声波团聚影响因素进行研究。2017年张光学等[13]采用声波联合喷雾团聚系统，发现加入喷雾后声波团聚效率能够提升25%~40%，且最佳频率始终为1 400 Hz。

综上可知，声波团聚能够提高细颗粒脱除效率，但是目前所做的声波团聚研究都是局限于实验室条件下，且是小流量的空气或模拟烟气，至今未见在大型燃煤电厂锅炉烟气中进行声波团聚测试研究的报道。本文利用某燃煤电厂流量为20 000 m3/h（标况下）的烟气净化中试实验平台，测试并研究了不同声波频率和声压级下的团聚效果以及声波联合喷雾对烟气飞灰细颗粒的团聚效果，并对优化后的低低温静电除尘优化效果进行了实验。

1 实验设备与方法

该电厂锅炉尾部已建烟气净化旁路中试实验平台，烟气流量为20 000 m3/h，烟道（1 462 mm× 1 515 mm）自省煤器后经脱硝系统选择性催化还原（SCR）催化剂，进入声波团聚测试段。图1为测试段声波发生器安装位置、喷雾增湿位置和细颗粒采样孔位置等。烟气中颗粒通过声波发生器产生的声场后发生团聚，在烟气冷却器后布置细颗粒采样孔，测试声波团聚效果。

图1 声波发生器安装与颗粒采样点位置(mm)

图2和图3分别为8台声波发生器在烟道上的布置方式和发生器实物照片。声波发生器分别在烟道两侧对冲布置。已有研究报道认为，一般声波发生器布置时其发射方向都是与烟气流动方向相同即同向布置，这样能提高团聚效果。但实际锅炉尾部烟道很难找到能进行同向布置的空间和位置，而采取烟道侧边垂直布置的方式即声波传播方向与烟气流动方向垂直，很容易实现。因此，该中试平台在设计和实验中特意采用垂直布置方式，以考察这种声波布置方式的团聚效果。

图2 8台声波发生器布置方式

图3 声波发生器实物照片

声波发生器发射系统如图4所示，由信号发生器（JDS6600）、功率放大器（GA4-600）、声波发生器（HG10044XT）、高音保护器和号角组成。

图4 声波发射系统示意

实验使用自制的细颗粒预处理与测量系统，对烟道内颗粒进行粒径分布测量，该系统如图5所示。

图5 颗粒预处理与测量系统示意

细颗粒预处理与测量系统主要由采样枪、旋风分离器、稀释装置、TSI3330光学颗粒物粒径谱仪、抽气泵等组成。颗粒通过采样装置进入沉降室过滤掉大颗粒，然后通过大流量稀释装置进入旋风分离器进一步分离，最终得到的细颗粒由TSI3330光学颗粒物粒径谱仪进行测试。

TSI3330光学颗粒物粒径谱仪采用单粒子计数技术，最先进的120°光收集光学系统和精致的电子处理装置，能够提供快速精确的颗粒数浓度和粒径分布检测，从而获得精确、高质的数据。该仪器能够检测粒径0.3~10mm的颗粒，并将0.3~10mm颗粒分成16级，具体参数见表1。

表1 TSI3330光学颗粒物粒径谱仪各级颗粒粒径范围

Tab.1 The particle size range of each channel of the TSI 3330 optical particle size spectrometer mm

2 结果与分析

2.1 不同声波频率下团聚效果

实验采用4台声波发生器（1号、2号、3号、4号），分别在频率为1 400、1 500、1 600、1 700、1 800、1 900、2 000 Hz时，对烟气颗粒进行声波团聚实验。声波经过号角后产生的声压级均为142 dB，实验期间标况烟气流量为20 000~22 000 m3/h，声波团聚前的烟气温度为290~310 ℃（图1温度测孔1），细颗粒采集点烟温为150~160 ℃（图1温度测孔2）。图6为不同频率声波作用下烟气颗粒粒径分布。由图6可见，无声波时，经过沉降室和旋风分离器大颗粒被捕集后，采集到的烟气颗粒主要为PM2.5细颗粒，粒径大于2.5mm的颗粒数量远小于细颗粒数。颗粒数占比最大的颗粒粒径为第3级，即0.465~0.579mm。

图6 不同声波频率下颗粒粒径分布

Mednikov[14]研究显示：在声波频率过低的情况下，气溶胶颗粒的夹带系数接近于1，即受气体挟带作用而振动的颗粒振幅相同，此时颗粒基本保持相对静止，也就无法发生团聚；如果声波频率过高，那么几乎所有颗粒的夹带系数均接近0，即颗粒不受气体振动的影响而是保持静止，同样也使得颗粒间处于相对静止状态，无法经历碰撞而团聚。所以，推断存在最佳声波频率，使得声波团聚效果相对较高。图7为颗粒PM2.5和PM1在不同频率下的团聚效率。团聚效率定义为

图7 不同声波频率下PM2.5和PM1团聚效率

由图7可见：在声波的作用下，烟气颗粒主要为PM1，所以PM2.5和PM1在不同声波频率下的团聚效率基本相同；在声波频率为1 400~2 000 Hz范围内，声波频率和团聚效果没有明显的线性关系；在声波频率1 400、1 700 Hz下，细颗粒PM2.5和PM1的团聚效率最高，在25%以上；声波频率1 500、1 600 Hz下，细颗粒PM2.5和PM1的团聚效率次之，在20%~22%之间；声波频率从1 800 Hz开始增加后，团聚效率有明显下降，至2 000 Hz时团聚效率降至10%以下，下降幅度较为明显。实验结果表明，频率1 400~1 700 Hz的声波团聚效果较好。

2.2 不同声波声压级下的团聚效果

为了探讨声波发生器声压级及声功率对团聚效果的影响。在声波频率1 400 Hz条件下对烟气颗粒进行声波团聚实验。通过改变4台声波发生器 （1号—4号）的声功率改变声源产生的声压级。声波发生器产生的声压级与功率的对应关系见表2。

表2 声波发生器不同功率下声压级

Tab.2 The sound pressure levels at different powers of the sound wave generator

图8为声波发生器不同声压级下的颗粒粒径分布。由图8可见：随着声压级的增大，各级颗粒数浓度，特别是细颗粒数浓度明显下降，说明团聚效果增强；粒径小于0.374mm的细颗粒随声压级增大团聚效果增强的幅度小于粒径0.374~0.879mm的颗粒，说明低频声波对粒径小于0.374mm颗粒的团聚效果较差。

图8 声波发生器不同声压级下颗粒粒径分布

图9为团聚效率与声波发生器声压级和功率的关系。由图9可见：团聚效率与声波发生器功率基本成线性关系，团聚效率随声波发生器功率的增大而提高；团聚效率与声波发生器声压级不存在线性关系，但成明显正相关，特别是声压级大于140 dB后，团聚效果明显提高，在142 dB声压级下，团聚效率能达到25%左右。

图9 团聚效率与声波发生器声压级、功率关系

2.3 喷雾联合声波的团聚效果

为增强团聚效果，在声波发生器安装位置的上游利用离心泵结合机械雾化喷嘴进行喷水雾化（图1）。喷水流量为80 L/h，喷雾压力为0.6~0.7 MPa，4台声波的频率为1 400 Hz，声压级（SPL）为142 dB。图10为无声波和喷雾、单独声波、单独喷雾、声波联合喷雾4种情况下烟气颗粒的团聚效果。

图10 4种预处理情况下团聚效果

根据图10计算得到团聚效率，结果发现，在声波联合喷雾作用下，PM2.5和PM1团聚效率能够达到31.0%和30.6%，比单独声波团聚提升了约 18.8% 和 18.1%。喷雾增湿[15-16]促进了烟气颗粒的声波团聚效果，这是因为雾化液滴与颗粒间的相对夹带系数大于颗粒之间的相对夹带系数，喷雾后烟气加入了许多小水珠，增加了气溶胶浓度，使得气溶胶颗粒之间的相对运动程度增强，颗粒碰撞几率随之上升，团聚效率因此提高。另外，喷雾产生的液滴可作为“种子颗粒”[17]，在团聚过程中充当团聚核的作用，有效地与周围的细颗粒发生碰撞，且喷雾后形成的团聚体更加稳定，不易破碎。

2.4 喷雾联合声波对除尘效果的影响

无声波和喷雾、单独声波、声波联合喷雾3种情况下，低低温静电除尘器后不同粒径的颗粒数浓度（测试工况同2.3节）如图11所示。由图11计算可得：安装声波发生器后，除尘器烟气PM2.5颗粒数浓度从1 666个/cm3降到1 453个/cm3，PM1颗粒数浓度从1 592个/cm3降到1 395个/cm3，除尘效率分别提升了12.8%和12.4%；进行声波联合喷雾预处理后，除尘器后PM2.5颗粒数浓度从1 666个/cm3降到1 232个/cm3，除尘效率升高了26.1%，PM1颗粒数浓度从1 592个/cm3降到1 163个/cm3，除尘效率升高26.9%；粒径0.300~0.374mm的细颗粒在加入喷雾后，除尘效果明显改善。这是因为喷雾促进了细颗粒团聚，团聚的大颗粒易通过电除尘器脱除。

图11 3种情况下低低温静电除尘器后不同粒径颗粒数浓度

烟气中细颗粒在声波和喷雾区域团聚后要经过几十米长的烟道后再进入除尘器，中间还要流经二级烟气冷却器等，因此，在流动过程中团聚体大颗粒会碰到烟道中的各种管束（如二级烟气冷却器热交换管等）、烟道内壁面，以及局部烟气湍流的冲击等，导致团聚体重新破碎成小颗粒，使团聚效果下降。因此，在实际工业应用中，声波团聚室应该布置在除尘器入口附近。此外，本实验得到的声波团聚效率不高，主要是因为声波发射方向与烟气流动方向相垂直，导致烟气中的颗粒物在声场中停留时间较短所致。

3 结 论

1）声波团聚可促进烟气中细颗粒的脱除。声波团聚效果受声波频率影响较大，存在一个最佳频率范围。本文实验结果显示，当声波频率为1 400~ 1 700 Hz时，PM2.5和PM1的团聚效率在20%以上，最高为26%。

2）声波的声压级和功率对声波团聚也有较大影响。团聚效率与声压级和功率基本成正比关系；声压级大于140 dB后，团聚效率加速提高。工业应用中，为达到较好的团聚效果，声波声压级应超过150 dB。

3）喷雾能加强声波对于细颗粒的团聚作用，且形成的团聚体更加稳定。在喷雾增湿联合声波作用下，PM2.5和PM1的团聚效率能够达到31.0%和30.6%，比单独声波团聚以及单独喷雾团聚分别提升了约10%和20%。

4）在实际工业应用中，声波团聚室应布置在除尘器入口附近。此外，声波发射方向应与烟气流动方向相同。

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Experimental study on acoustic agglomeration of fine fly ash particles in flue gas with large flow in coal-fired power plant

HUANG Jun1, WANG Peng1, ZHANG Ruixiang2, LIU Jianzhong2

(1. Shenhua Guohua (Beijing) Electric Power Research Institute Co., Ltd., Beijing 100025, China; 2 State Key Laboratory of Clean Energy Utilization, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

Taking the pilot test platform of a coal-fired power plant with flue gas flow of 20 000 m3/h at standard temperature and pressure as research object, the sound wave generators were installed at both sides of the flue duct, and combining with spray humidification, the authors tested the effects of frequencies and sound pressure level on acoustic agglomeration of fine particles in fly ash. The results show that, the acoustic frequency and sound pressure level have a great influence on the agglomeration. When the acoustic wave frequency was 1 400~ 1 700 Hz, a better agglomeration effect of PM2.5in the flue gas could be obtained. As the sound pressure level (or power) increased, the agglomeration efficiency increased. Especially, this increase became significant when the intensity of sound was higher than 140 dB. The acoustic wave combined with spray humidification could further promote the agglomeration effect of fine particles in flue gas and enhance the removal effect of electrostatic precipitator on PM2.5and PM1. The research results have important guiding significance for improving the agglomeration of fly ash fine particles and increasing dust removal efficiency.

large flow, flue gas, acoustic agglomeration, spray humidification, fly ash, PM2.5, sound pressure level, dust removal efficiency

National Key Research and Development Program (2018YFB0604203)

X701

A

10.19666/j.rlfd.201901007

黄军, 王鹏, 张瑞翔, 等. 燃煤电站大流量烟气下飞灰细颗粒声波团聚实验研究[J]. 热力发电, 2019, 48(6): 90-95. HUANG Jun, WANG Peng, ZHANG Ruixiang, et al. Experimental study on acoustic agglomeration of fine fly ash particles in flue gas with large flow in coal-fired power plant[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(6): 90-95.

2019-01-29

国家重点研发计划项目(2018YFB0604203)

黄军(1982—)，男，博士，高级工程师，主要研究方向为清洁煤燃烧及节能技术，huangjun0522@126.com。

（责任编辑 杨嘉蕾）