声波与喷雾对于飞灰颗粒团聚的影响

张瑞翔，王鹏，伍婷婷，刘建忠，周俊虎

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

近几年国家对于能源消耗以及环境保护的重视日渐提高，中国的能源结构也在不断改善，能源消费增速逐渐放缓，但是中国仍旧是全球最大的能源消费国。其中2017 年，中国煤炭产量增长了3.6%[1]。燃烧煤炭不仅产生温室气体二氧化碳，同时也产生大量的粉尘。由于中国的燃煤电厂众多，所以每年能够产生大量的粉尘。这些粉尘是导致部分地区雾霾的重要原因。其中PM2.5为目前大家最为熟知的颗粒污染源，由于粒径小，比表面积大，容易吸附较多的有毒物质。由于呼吸道难以阻拦该粒径下的颗粒，携带着吸附物质的PM2.5能够进入人体，对人体造成较大的影响[2-3]。电厂中传统除尘装置如电除尘器对于PM2.5的脱除效率较低，电除尘效率随着粒径的增大而增大。所以将飞灰颗粒进行预处理以增大其粒径来提高电除尘脱除效果具有一定的现实意义。

目前已有的预处理技术包括声波团聚[4]、电团聚[5]、化学团聚[6]、磁团聚[7]等。其中声波团聚的原理是利用高强声波对气溶胶进行作用，使得颗粒物发生碰撞团聚。

声波团聚技术源于1931年Patterson 和Cawood[8]在实验室发现氧化镁气溶胶颗粒在驻波管中团聚的现象。此后，声波团聚得到了各国科学家的广泛研究。1987年Reethof等[9]发现在150～160dB和2000～3000Hz 范围内的声波能够有较好的聚集效果。2000 年，Riera-Franko de Sarabia 等[10]发现在10kHz和20kHz 的高频声波下，加入体积分数为6%的水蒸气，能使柴油发动机尾气颗粒减少量由25%增加至56%。2015 年，Zhou 等[11]在1400Hz 和148dB的条件下，声波团聚将布袋除尘的颗粒质量去除效率可以从91.29%提高到99.19%，并且ESP 的颗粒质量去除效率可以从89.05%提高到99.28%。2016年，康豫博等[12]以超声波作为声波团聚的声源，对燃烧产生的颗粒物进行实验，发现声波团聚效率随着初始颗粒物浓度峰值下的粒径的增大而增强。2017年，沈国清等[13]从微观受力角度来探究颗粒团聚和破碎效果，发现团聚体临界粒径随着声压级的增大而减小，且在120dB的声场条件下，双峰分布颗粒团聚存在的最佳频率范围为1800～2300Hz。2017年，张光学等[14]通过实验发现在喷雾下，存在声波团聚的最佳频率1400Hz。2018 年，赵云等[15]基于气流声源（高频旋笛）和突变截面驻波管建立了160dB以上燃煤烟气声波团聚实验系统，实验结果表明700Hz和1.4kHz为团聚最佳频率，PM2.5的团聚效率能达到99%。

综上可知，声波能够显著提高颗粒物的团聚效果，进而提升电除尘器对颗粒物的去除效果。本文在实验室中研究了频率对于声波团聚的影响，同时也研究了喷雾对于声波团聚的增强效果以及分析了喷雾增强团聚的机理。

1 实验材料和方法

实验装置如图1所示。给料系统中的颗粒物源自河北某电厂飞灰。实验装置主要由声波团聚室、给料系统、喷雾系统、声源系统、颗粒采样与测量系统和风系统等组成。

图1 实验装置

整个试验的流程为：给料系统与送风机产生的气溶胶颗粒被输送到团聚室内。在团聚室内，声波对颗粒物进行辐射作用。经过声波处理后的烟气，经团聚室底部进入取样段，进行取样分析。取样分析采用TSI3 330光学颗粒物粒径谱仪。

团聚室的高度为1.5m，直径为100mm，实验中烟气流速约为0.33m/s。

声源系统由信号发生器（JDS6 600），功率放大器（GA4-600），YF513-1 压缩式驱动器，高音保护器和号角组成。

给料系统主要由螺旋给料机和风粉混合器组成，其中飞灰来源于某燃煤电厂静电除尘器灰斗获得的飞灰颗粒。使用BT-9300ST 型激光粒度分布仪对飞灰粒度分布进行测试分析，其结果如图2所示。可以看出本次使用的飞灰颗粒相对较粗，有约67.5%体积分数的颗粒集中于10～100μm。

喷雾系统中，采用超声波雾化器来产生喷雾颗粒。其原理是：仪器中的水在超声波作用下振荡产生5μm 左右的小水滴，再通过气流将水雾喷入团聚室内。

图2 飞灰粒度分布

气溶胶采样与测量系统主要由采样枪、沉降室、稀释系统以及TSI3 330光学颗粒物粒径谱仪组成。气溶胶颗粒通过采样枪进入沉降室后，大颗粒将沉降于沉降室底部，小颗粒进入稀释系统，在经过一定的空气稀释后由TSI3 330光学颗粒物粒径谱仪对颗粒物的粒径分布进行测试。

TSI 的测试原理为：颗粒物烟气直接进入TSI3 330的测量区域，在光学室内，气溶胶经过激光束，产生脉冲，该脉冲的强度用来计算颗粒物的数量和粒径。3330 型OPS 测量的粒径范围在0.3～10μm，并将0.3～10μm 的颗粒分成16 级，具体参数见表1。检测完粒径后，颗粒物通过光室收集到一张37mm的过滤膜，以便将来的质量分析和化学或显微镜分析。同时为了减少喷雾颗粒对于TSI测试结果影响，在喷雾实验中对取样段进行高温加热，以减少喷雾颗粒。

表1 TSI3330光学颗粒物粒径谱仪各级颗粒粒径范围

2 实验结果与讨论

2.1 不同频率下的声波团聚效果

图3是在不同声压级下频率对于燃煤飞灰细颗粒的粒径分布的影响。在不同声压级（SPL=149 dB、141dB）和频率为1000Hz、1200Hz、1400Hz、1600Hz、1800Hz和2000Hz时，对飞灰细颗粒进行声波团聚测试。该实验下，飞灰细颗粒在团聚室内停留时间为4.6s，给粉量约为5g/min。实验结果表明，收集到的初始颗粒粒径分布呈单峰状态，峰值位于颗粒粒径0.897～1.117μm 处，颗粒主要集中于PM2.5。可以看到在施加了不同频率不同声压级的正弦声波后，颗粒的粒径分布发生了显著的变化，这也验证了声波对于颗粒的团聚效果。

图3 频率对燃煤飞灰细颗粒粒径分布的影响

为了更明确地表现不同频率下声波团聚的效果大小，使用团聚效率来衡量声波团聚的效果。团聚效率η的定义如式(1)。

式中，N为经过声波处理后的颗粒物个数浓度，m-3；N0为无声波下的颗粒物个数浓度，m-3。

图4 为不同频率下的团聚效率。从图4 可得，在声压级为133dB时，由于声压级较低，团聚效果较差。此外，可以发现在1400Hz时团聚效果最好，1600Hz 次之。声压级为141dB时，团聚效果增强，而最佳团聚频率仍为1400Hz，1600Hz 次之。当声压级为149dB 时，依旧是在1400Hz 时候产生最大的团聚效果。所以在实验频率段中，1400Hz 为其最佳频率。同时可以看到随着声压的增大，团聚效率增大。

图4 不同频率下的团聚效率

2.2 喷雾对声波团聚的影响

2.2.1 喷雾对飞灰粒径分布的影响

为了考察喷雾增湿对于声波团聚的作用，对比了有无喷雾下的燃煤飞灰粒径分布变化，其结果如图5 所示。实验时声波的声压级分别为141dB 和149dB，图中的Cw为单位体积的气溶胶中喷雾的质量，其他实验条件为声波频率1400Hz，停留时间约4.6s。

由图5可见，无声波时，喷雾对飞灰的粒径分布有一定影响，但是影响较小。当团聚室内加入约15g/m3的喷雾时，0.3～0.579μm的颗粒数目比无喷雾情况下有一定增加，其他粒径的数目相对减少。通过分析认为在取样段加热后，喷雾颗粒尚未蒸发完全，导致至少仍有一定量的0.3～0.579μm 的喷雾小颗粒存在。

2.2.2 喷雾对飞灰团聚效率的影响

为了进一步量化喷雾对声波团聚的优化效果，使用无声波、无喷雾下的飞灰细颗粒浓度作为初始浓度，来计算团聚效率。图6为有无喷雾下燃煤飞灰团聚效率对比，实验在声波频率为1400Hz，停留时间为4.6s的条件下进行。

图5 喷雾对粒径分布的影响

图6 喷雾对声波团聚效率的影响

由图6可见，喷雾增湿能够显著提高声波团聚的效果。在加入喷雾（Cw=15g/m3）后，声波团聚的效率分别提升至59.7%与67.3%左右。同时也可以看出即使声压级低，但在加入一定量的喷雾后，也能得到比高声压级还要强的团聚效果。

2.2.3 喷雾促进声波团聚的机理分析

声场中的颗粒将随着介质（空气）的振动而振动。一般颗粒物的振幅小于空气的振幅。这是因为颗粒的惯性较大。颗粒的振幅与气体介质振幅之比被称为[16]挟带系数μp，其定义如式(2)所示。

式中，μp为挟带系数，量纲为1；Ap为颗粒的振幅，m；Ag气体介质振幅，m。

由于颗粒表面流体的滑移速度[17]较小，其雷诺数[18]Re＜1，所以颗粒在声场中运动处于stokes 区域。此时挟带系数μp计算式[16]如式(3)，弛豫时间如式(4)。

式中，f为声波频率，Hz；τd为颗粒的弛豫时间，s；ρp和ρg分别为颗粒物密度与气体介质密度，kg/m3；v是气体介质的运动黏性系数，m2/s；d为颗粒粒径，m。

图7为飞灰颗粒与喷雾颗粒在声场中的挟带系数。可以看到颗粒粒径越大，挟带系数越小，颗粒越难以被气体介质携带运动，即越趋于静止。不同粒径的颗粒的挟带系数不同，振动幅度不同，于是形成了颗粒间的相对运动。相对运动最终造成颗粒间的碰撞进而发生团聚。在1000～2000Hz 声波频率段，可以看到在5μm 的喷雾颗粒与2.5μm 的飞灰颗粒间的相对挟带系数μd,p远大于2.5μm 与1μm的飞灰颗粒间的相对挟带系数μd,d。所以加入了喷雾后，加强了细颗粒间的相对运动，有利于碰撞的发生。同时喷雾的加入增加了细颗粒浓度，增大了细颗粒碰撞概率。此外，喷雾还可以改变燃煤飞灰细颗粒的表面特性，使颗粒的表面黏性增大，导致碰撞后形成的团聚体更加稳定，不易破碎，由此提高了团聚效果。

图7 飞灰颗粒与喷雾颗粒在声场中的挟带系数

图8为飞灰颗粒在有无喷雾下团聚体的SEM照片对比，左边为没有喷雾下声波团聚后形成的团聚体的SEM 照片，右边为加入喷雾后形成的团聚体的SEM 照片。可以看到在加入喷雾后，形成的团聚体相对于无喷雾情况下更大，互相黏结的颗粒数更多。这也证明了喷雾对于提高声波团聚有明显的效果。

图8 飞灰颗粒在有无喷雾下的SEM照片对比

3 结论

（1）细颗粒声波团聚效果对频率变化较为敏感。在本文研究条件下，声波团聚的最佳频率为1400Hz，在149dB 声压级下能达到约52%的团聚效率。在偏离最佳频率后，团聚效率迅速下降。在最佳频率下，不论是低声压级还是高声压级，颗粒物都能达到很好的团聚效果。

（2）喷雾颗粒的加入能够强化声波团聚效果，团聚效率有了极为明显的提升。141dB的声波联合较小喷雾（Cw=8.5g/m3）也能达到50%以上的团聚效率。在141dB和149dB的声压级下，声波联合喷雾（Cw=15g/m3）的团聚效率分别达到了约60%与67%。这主要是因为喷雾颗粒的加入增大了颗粒间的相对挟带系数，加强了颗粒间的相对运动。同时喷雾颗粒增大了颗粒浓度，增大了细颗粒碰撞概率。

（3）从SEM 照片可以看出，加入喷雾后形成的团聚体有着更为紧密的结构，黏结的颗粒数目更多，可以证明喷雾对于声波团聚的强化效果。