雙峰分布顆粒物的聲團(tuán)聚實(shí)驗(yàn)研究

沈國(guó)清，何春龍，黃曉宇，張世平，安連鎖

(1. 華北電力大學(xué)國(guó)家火力發(fā)電工程技術(shù)研究中心，北京 102206；2. 華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206)

0 引 言

可吸入顆粒物(PM10)是指粒徑小于10 μm的顆粒，細(xì)顆粒物(PM2.5)是指粒徑小于2.5 μm的顆粒，超細(xì)顆粒物(PM1)是指粒徑小于1 μm的顆粒。有研究表明，粒徑小于10 μm的可吸入顆粒物不但污染環(huán)境而且危害人體健康。美國(guó)環(huán)保局等相關(guān)機(jī)構(gòu)專門對(duì)細(xì)顆粒物(PM2.5)進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)PM2.5是危害人體健康最嚴(yán)重的主要污染物之一，會(huì)損壞人體呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)[1]。

工業(yè)生產(chǎn)特別是燃燒過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的顆粒物，并排放到大氣中。目前，常規(guī)的除塵設(shè)備有靜電除塵器、布袋除塵器和旋風(fēng)分離器等。這些設(shè)備對(duì)于粒徑大于 10 μm 的大顆粒物的脫除效率很高，比如在電廠中應(yīng)用最廣泛的靜電除塵器，其對(duì)粒徑大于10 μm的大顆粒脫除效率高達(dá)99%，但是對(duì)于 PM10、PM2.5這些可吸入顆粒物的脫除效率卻不高[2-4]。排放到大氣中的可吸入顆粒物質(zhì)量雖少但數(shù)目巨大。為了解決此問(wèn)題，學(xué)者對(duì)常規(guī)除塵流程進(jìn)行改進(jìn)，即對(duì)煙塵進(jìn)行預(yù)處理，使細(xì)顆粒物長(zhǎng)大，最后聯(lián)合后續(xù)常規(guī)除塵器進(jìn)行脫除[5]。聲波團(tuán)聚就是這樣一門技術(shù)，煙塵中的細(xì)顆粒物在高強(qiáng)度的聲場(chǎng)作用下發(fā)生碰撞，團(tuán)聚形成較大顆粒。因?yàn)槁晥?chǎng)的自身特性，在工程中運(yùn)用聲場(chǎng)有諸多優(yōu)點(diǎn)，比如結(jié)構(gòu)布置簡(jiǎn)單，不影響設(shè)備正常運(yùn)行，適應(yīng)各種惡劣條件等。因此利用聲波團(tuán)聚脫除細(xì)顆粒物被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ某龎m技術(shù)之一[5]。本研究不僅適用于大型燃煤電站鍋爐，而且對(duì)中小型燃煤工業(yè)鍋爐和供暖鍋爐具有同樣重要的指導(dǎo)價(jià)值和工程應(yīng)用意義。

自19世紀(jì)30年代以來(lái)，學(xué)者對(duì)聲波團(tuán)聚脫除細(xì)顆粒物做了大量的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬。目前在機(jī)理研究方面，主要有兩個(gè)理論：正向動(dòng)力團(tuán)聚機(jī)理和流體力學(xué)作用機(jī)理。正向動(dòng)力團(tuán)聚機(jī)理提出聲波挾帶理論，指出不同粒徑的顆粒，因其慣性作用，隨聲波振動(dòng)幅度不同，使得大小顆粒碰撞而產(chǎn)生團(tuán)聚效果[6-7]。流體力學(xué)作用機(jī)理分為共輻射壓作用、共散射作用和聲波尾流效應(yīng)[8]。

在實(shí)驗(yàn)研究方面，學(xué)者研究了聲場(chǎng)參數(shù)(頻率、聲壓級(jí))、顆粒停留時(shí)間和顆粒濃度等因素對(duì)聲波團(tuán)聚效果的影響[9-13]。Tiwary[9]等人采用1～5 kHz的聲波對(duì)0.1～20 μm的燃煤飛灰進(jìn)行聲波團(tuán)聚實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)其最佳頻率為 2 kHz；Hoffman[10]等人采用44 Hz和10 kHz的聲波對(duì)1～10 μm的燃煤飛灰進(jìn)行聲波團(tuán)聚實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)低頻聲波更有利于聲波團(tuán)聚；陳厚濤[11]等人采用1 000 Hz的聲波對(duì)柴油機(jī)尾氣中的超細(xì)顆粒物進(jìn)行聲波團(tuán)聚實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)研究了聲場(chǎng)強(qiáng)度、停留時(shí)間和顆粒數(shù)目濃度對(duì)細(xì)顆粒脫除效率的影響；Zhou D[12]等人將聲波團(tuán)聚與常規(guī)除塵器相結(jié)合，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明聲波團(tuán)聚能顯著提高除塵器的除塵效率；張光學(xué)[13]等人采用500～3 000 Hz的聲波對(duì)0～10 μm的燃煤飛灰進(jìn)行聲波團(tuán)聚實(shí)驗(yàn)，其最佳頻率為1 400～1 700 Hz。

雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)聲波團(tuán)聚課題做了大量的實(shí)驗(yàn)研究，但是實(shí)驗(yàn)對(duì)象多為10 μm以下，粒徑分布呈現(xiàn)單峰特征的顆粒(單峰分布顆粒)。然而聲波團(tuán)聚作為一門煙氣預(yù)處理技術(shù)，運(yùn)用在常規(guī)除塵器前的煙塵環(huán)境中。據(jù)資料顯示，在實(shí)際工程應(yīng)用中，煙塵中的顆粒物多為大小顆粒物共存，比如燃煤電廠產(chǎn)生的煙塵，其中顆粒物粒徑范圍大多在 0～200 μm，且粒徑分布呈現(xiàn)雙峰特征(雙峰分布顆粒)。因此，本文根據(jù)電廠實(shí)際情況，選擇粒徑范圍在0～200 μm 的大小顆粒共存的雙峰分布顆粒物作為實(shí)驗(yàn)樣品，搭建聲波團(tuán)聚實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究聲壓級(jí)和頻率對(duì)可吸入顆粒物脫除的影響，更具工程實(shí)用價(jià)值。同時(shí)本文從微觀尺度上探究聲波團(tuán)聚中的團(tuán)聚體受力情況，結(jié)合計(jì)算以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出聲波團(tuán)聚技術(shù)的適用環(huán)境：建議將聲波團(tuán)聚技術(shù)運(yùn)用在顆粒粒徑較小的環(huán)境，比如電廠電除塵器后的煙氣中、發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣處理等。

1 聲波團(tuán)聚中團(tuán)聚體受力分析

在聲波團(tuán)聚中，學(xué)者認(rèn)為在高強(qiáng)度的聲場(chǎng)中，大小顆粒隨聲波的振動(dòng)幅度不同而發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而發(fā)生碰撞。顆粒碰撞的結(jié)果有三種：團(tuán)聚、分離、破碎。

對(duì)于微米級(jí)的顆粒而言，以范德華力為主的粘附力占據(jù)主導(dǎo)地位[14]，所以微米級(jí)顆粒在聲場(chǎng)中碰撞后團(tuán)聚。但是本文研究對(duì)象是粒徑分布較廣的雙峰分布顆粒物，有必要從微觀層面對(duì)團(tuán)聚體進(jìn)行受力分析，判斷其碰撞結(jié)果。

根據(jù)顆粒間在團(tuán)聚過(guò)程中所起的不同作用，可分為兩種力[14]：促使團(tuán)聚體破碎的力Ff和促使顆粒團(tuán)聚的力Fa。聲波作用力Fsou、表觀重力Fg、碰撞力Fc、曳力Fd等是促使團(tuán)聚體破碎的力；范德華力Fvw、靜電力Fe、液體橋力FH等是促使顆粒團(tuán)聚的力。

1.1 團(tuán)聚體受力計(jì)算方法

在本文實(shí)驗(yàn)中，以干燥空氣作為流體介質(zhì)，只考慮范德華力作為其促使顆粒團(tuán)聚的力。團(tuán)聚體考慮成球體。根據(jù)文獻(xiàn)[14-17]，各力的計(jì)算方法如下：

式中：d是團(tuán)聚體直徑(m)；是聲壓幅值的算術(shù)平均值(Pa)。

式中：ρa(bǔ)是團(tuán)聚體密度(kg/m3)；ρf是流體密度(kg/m3)；d是團(tuán)聚體直徑(m)；g 是重力加速度(m/s2)。

曳力?

式中：ρf是流體密度(kg/m3)；d是團(tuán)聚體直徑(m)，V是流速(m/s)； 是空隙率。

式中：A是Hamaker常數(shù)(J)；δ是范德華力發(fā)生距離[計(jì)算時(shí)一般取(1.65～4)×10-10m]；d1和d2是兩顆粒直徑(m)。

1.2 計(jì) 算

上述作用力受各方面的影響，其中包括顆粒物性(顆粒尺寸、粒徑分布、密度、表面粗糙度等)，氣體介質(zhì)參數(shù)(氣體密度、溫度、粘性等)以及環(huán)境溫度、濕度等。其中顆粒尺寸是最顯著的影響因素。

本文通過(guò)計(jì)算，研究不同粒徑下的各作用力的變化規(guī)律，分析各力對(duì)團(tuán)聚體破碎、顆粒團(tuán)聚的作用以及最后形成的團(tuán)聚體的粒徑大小。

本文計(jì)算范圍為0.1～10 000 μm的粒徑各力相對(duì)大小，各計(jì)算參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[14-17]以及本文實(shí)驗(yàn)條件選擇，具體參數(shù)見表1。

表1 計(jì)算參數(shù)Table 1 Parameters for calculation

計(jì)算結(jié)果如圖1所示，粒徑在0～500 μm變化時(shí)，聲波作用力是導(dǎo)致團(tuán)聚體破碎最主要的力，可忽略重力、曳力的影響。在本文計(jì)算中，范德華力是保持團(tuán)聚體團(tuán)聚的唯一的力。定義臨界粒徑為dc，即團(tuán)聚力與破碎力相等時(shí)的團(tuán)聚體粒徑，也是在各作用力共同作用下的團(tuán)聚體最大粒徑。

圖1 各作用力隨團(tuán)聚體粒徑變化規(guī)律Fig.1 Variations of different acting forces with aggregate size

在135 dB的聲場(chǎng)條件下，dc為 54 μm。當(dāng)團(tuán)聚體粒徑小于54 μm時(shí)，范德華力大于聲波作用力，團(tuán)聚體碰撞后團(tuán)聚形成更大的團(tuán)聚體；當(dāng)團(tuán)聚體粒徑大于54 μm時(shí)，作用在團(tuán)聚體上的聲波作用力大于其范德華力，團(tuán)聚體碰撞后破碎。

聲波作用力受聲壓級(jí)的影響很大，表2計(jì)算了不同聲壓級(jí)下的臨界粒徑dc。隨著聲壓級(jí)的提高，聲波團(tuán)聚后形成的團(tuán)聚體的臨界粒徑減小。

表2 不同聲壓級(jí)下的臨界粒徑Table 2 Critical particle sizes at different sound pressure levels

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示，主要包括5個(gè)部分：給料系統(tǒng)、聲發(fā)射及測(cè)量系統(tǒng)、聲波團(tuán)聚室、采樣測(cè)量系統(tǒng)、尾氣處理系統(tǒng)。

圖2 聲波團(tuán)聚實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.2 Experimental system of acoustic agglomeration

給料系統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)、流量計(jì)和微量給料機(jī)組成。給料機(jī)采用東孚公司設(shè)計(jì)制造的 TWLP-15型微量給料機(jī)，其特點(diǎn)是微量給料，給料穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)中可以通過(guò)調(diào)節(jié)變頻箱控制給料速度，達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。

聲源及測(cè)量系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、MTC-300大功率音頻發(fā)生器以及 TD-300大功率音頭組成。計(jì)算機(jī)端通過(guò) SpectraLAB控制音頻發(fā)生器可以發(fā)出不同頻率的聲波，調(diào)節(jié)音頻發(fā)生器的音量旋鈕可以調(diào)整聲壓級(jí)。在聲波團(tuán)聚室上部和下部布置兩個(gè)聲信號(hào)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)聲傳感器將信號(hào)傳輸?shù)綆в胁杉ǖ挠?jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)量。

聲波團(tuán)聚室為圓柱形，尺寸：長(zhǎng)為1.5 m，直徑為0.1 m，壁厚為10 mm。聲波團(tuán)聚室上端為聲源，下端鏈接取樣池并設(shè)有尾氣處理系統(tǒng)。聲源信號(hào)為正弦波，在團(tuán)聚室內(nèi)形成中高強(qiáng)度的穩(wěn)定駐波場(chǎng)。經(jīng)測(cè)量，在0~10 000 Hz聲波條件下，管內(nèi)聲壓級(jí)沿管長(zhǎng)衰減不超過(guò)1%，可以忽略不計(jì)。

采樣測(cè)量系統(tǒng)由 Winner2000ZDE型激光粒度分析儀和取樣池組成。從取樣池提取實(shí)驗(yàn)后的顆粒，通過(guò)激光粒度分析儀測(cè)量其粒徑分布。

尾氣處理系統(tǒng)由除塵器和引風(fēng)機(jī)組成。實(shí)驗(yàn)后的氣溶膠中的顆粒物通過(guò)除塵器進(jìn)行處理。

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及參數(shù)

整個(gè)聲波團(tuán)聚實(shí)驗(yàn)過(guò)程為：通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)功率來(lái)控制空氣流量，由流量計(jì)進(jìn)行讀數(shù)；在聲波團(tuán)聚室上方有聲源發(fā)出聲波，在聲波團(tuán)聚室內(nèi)部形成穩(wěn)定的聲場(chǎng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件發(fā)出不同頻率的聲波；調(diào)節(jié)音頻發(fā)生器來(lái)控制聲壓級(jí)；啟動(dòng)給料機(jī)，實(shí)驗(yàn)樣品從微料給料機(jī)中均勻進(jìn)入管道，與空氣進(jìn)行混合，隨空氣進(jìn)入聲波團(tuán)聚室；大小顆粒在聲場(chǎng)的作用下碰撞從而發(fā)生團(tuán)聚，最后在取樣池進(jìn)行取樣測(cè)量，尾氣通過(guò)除塵器進(jìn)行處理。

聲波團(tuán)聚實(shí)驗(yàn)的參數(shù)很多，比如聲壓級(jí)、頻率、顆粒初始濃度、停留時(shí)間等。本實(shí)驗(yàn)只考察聲波頻率和聲壓級(jí)對(duì)團(tuán)聚的影響。實(shí)驗(yàn)范圍：聲波頻率范圍為500～3 500 Hz，聲壓級(jí)范圍為70～140 dB。通過(guò)控制變量法對(duì)其他參數(shù)進(jìn)行控制，顆粒初始濃度為20 g/m3，停留時(shí)間為3 s。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 顆粒的初始粒徑分布

在聲波團(tuán)聚實(shí)驗(yàn)中，首先要測(cè)量顆粒的初始粒徑分布，使用激光粒度分析儀進(jìn)行測(cè)量。在不加聲場(chǎng)的情況下，收集實(shí)驗(yàn)樣品顆粒進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量結(jié)果如圖 3所示，實(shí)驗(yàn)所用顆粒粒徑范圍為 0～200 μm，呈雙峰分布，兩個(gè)峰值分別在 25 μm 和80 μm，顆粒中位徑為 28.903 μm，粒徑小于 10 μm的顆粒占比24%，粒徑小于2.5 μm的顆粒占比10%。

圖3 初始粒徑分布Fig.3 Initial particle size distribution

式中：N0為聲波團(tuán)聚前可吸入顆粒物的體積分?jǐn)?shù)；N1為聲波團(tuán)聚后可吸入顆粒物的體積分?jǐn)?shù)。

3.2 聲波頻率對(duì)聲波團(tuán)聚的影響

根據(jù)聲波團(tuán)聚的同向團(tuán)聚理論，頻率過(guò)低，大小顆粒都隨聲波完全震蕩，沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，不發(fā)生碰撞；頻率過(guò)高，大小顆粒在聲場(chǎng)中靜止，也不發(fā)生碰撞。所以對(duì)于某一固定粒徑分布的顆粒群，理論上存在一個(gè)最佳頻率。學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)了最佳頻率的存在[13]，但是最佳頻率受顆粒的粒徑分布影響很大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果有所差異。學(xué)者多以10 μm以內(nèi)的顆粒作為研究對(duì)象，不符合工程實(shí)際。本文以0～200 μm 的大小顆粒共存的雙峰顆粒物作為研究對(duì)象。

本文聲波頻率實(shí)驗(yàn)范圍為500～3 500 Hz，其余參數(shù)保持不變，其中聲壓級(jí)控制在120 dB，顆粒初始濃度為20 g/m3，停留時(shí)間為3 s。

圖 4所示為不同頻率下可吸入顆粒物的團(tuán)聚效率。在實(shí)驗(yàn)范圍500～3 500 Hz內(nèi)，分析頻率對(duì)團(tuán)聚效率的影響：團(tuán)聚效率隨著頻率增加先增后減，存在一個(gè)最佳頻率，偏離最佳頻率，團(tuán)聚效果變差。在1 800 Hz時(shí)，PM10的團(tuán)聚效率最高達(dá)到29.7%；在2 300 Hz時(shí)，PM2.5的團(tuán)聚效率最高達(dá)到27%。

在可吸入顆粒物范圍(0～10 μm)考察聲波團(tuán)聚效果，PM2.5的最佳頻率高于PM10的最佳頻率。這種規(guī)律符合同向團(tuán)聚機(jī)理，頻率越大，對(duì)小顆粒的挾帶作用越大，團(tuán)聚效果越好。對(duì)于某一固定粒徑分布的顆粒群，研究其中某一粒徑段的團(tuán)聚效果，粒徑越小，最佳頻率越大。

圖4 不同頻率下的可吸入顆粒物團(tuán)聚效率Fig.4 Agglomeration efficiencies of inhalable particles at different frequencies

3.3 聲場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)聲波團(tuán)聚的影響

影響聲波團(tuán)聚效率的另一個(gè)很重要的參數(shù)是聲場(chǎng)強(qiáng)度，一般用聲壓級(jí)來(lái)衡量。本文在 70～140 dB的實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，研究了聲場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)聲波團(tuán)聚的影響。聲波頻率固定在1 300 Hz，顆粒初始濃度為20 g/m3，停留時(shí)間為3 s。

圖5所示為不同聲壓級(jí)下可吸入顆粒物的團(tuán)聚效率。PM2.5和PM10的團(tuán)聚效率隨頻率有著相同的變化趨勢(shì)：隨著聲壓級(jí)的升高，團(tuán)聚效率一直增大，當(dāng)達(dá)到120 dB時(shí)，PM2.5和PM10的團(tuán)聚效率達(dá)到最大，分別為 21.9%和24.8%；隨著聲壓級(jí)的繼續(xù)增大，團(tuán)聚效率反而減小，當(dāng)達(dá)到135 dB時(shí)，團(tuán)聚效率出現(xiàn)負(fù)值。

圖5 不同聲壓級(jí)下可吸入顆粒物的團(tuán)聚效率Fig.5 Agglomeration efficiencies of inhalable particles at different sound pressure levels

在聲波團(tuán)聚中，聲場(chǎng)只是增強(qiáng)了顆粒間的相互運(yùn)動(dòng)，增大了顆粒間的碰撞概率，顆粒碰撞后靠顆粒間的范德華力等粘性力團(tuán)聚。然而作用在團(tuán)聚體上的聲波作用力是使其破碎的力。以前的學(xué)者對(duì)于聲波團(tuán)聚實(shí)驗(yàn)采用的是10 μm以下的小顆粒，其顆粒間的范德華力等粘性力較大，一般不會(huì)發(fā)生破碎，并且聲壓級(jí)越大，團(tuán)聚效果越好。但是當(dāng)采用粒徑分布較廣的顆粒物進(jìn)行聲波團(tuán)聚實(shí)驗(yàn)，隨著聲壓級(jí)的升高，團(tuán)聚效果并非一直變好。

在第1節(jié)的理論計(jì)算中，120 dB時(shí)的團(tuán)聚體臨界粒徑為 287 μm，本文實(shí)驗(yàn)所用顆粒粒徑均小于287 μm，顆粒碰撞后團(tuán)聚；140 dB時(shí)的團(tuán)聚體臨界粒徑為30.5 μm，本文實(shí)驗(yàn)所用顆粒部分是大于30.5μm的大顆粒，在聲場(chǎng)中碰撞發(fā)生破碎。

圖6 120 dB與140 dB聲壓級(jí)下實(shí)驗(yàn)后的顆粒粒徑分布對(duì)比Fig.6 Experimental contrast between particle size distributions under the sound pressure levels of 120 dB and 140 dB

圖6是在1 300 Hz下，120 dB和140 dB實(shí)驗(yàn)后的顆粒粒徑分布的對(duì)比圖。120 dB時(shí)，10 μm以下的小顆粒相對(duì)于原始顆粒有明顯減小，在原始顆粒第二峰值粒徑80 μm附近，顆粒明顯增多，粒徑明顯增大，這是因?yàn)榇箢w粒作為團(tuán)聚核，小顆粒與其進(jìn)行碰撞團(tuán)聚，在減少了小顆粒的同時(shí)增多了大顆粒；但是在140 dB下，實(shí)驗(yàn)后的顆粒粒徑分布變成了單峰分布，原始顆粒的第二峰值粒徑附近的大顆粒明顯減少，這是因?yàn)槁晧杭?jí)過(guò)大，原始顆粒中的部分大顆粒自身結(jié)構(gòu)等因素，在過(guò)大聲壓級(jí)下發(fā)生破碎，10 μm以下的顆粒大量增加。

4 結(jié) 論

本文從微觀層面對(duì)團(tuán)聚體進(jìn)行受力分析，研究了顆粒在聲場(chǎng)條件下團(tuán)聚體的臨界粒徑。同時(shí)結(jié)合實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中形成的顆粒物粒徑分布情況，以雙峰分布可吸入顆粒物作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，實(shí)驗(yàn)研究了頻率和聲壓級(jí)對(duì)聲波團(tuán)聚的影響，結(jié)論如下：

(1) 通過(guò)理論計(jì)算，聲壓級(jí)越高，團(tuán)聚體的臨界粒徑越小；

(2) 在120 dB下，實(shí)驗(yàn)研究了頻率對(duì)聲波團(tuán)聚的影響。在實(shí)驗(yàn)范圍 500～3 500 Hz內(nèi)，雙峰分布可吸入顆粒物的聲波團(tuán)聚實(shí)驗(yàn)存在的最佳頻率范圍為1 800~2 300 Hz，團(tuán)聚效率達(dá)到25%～30%；

(3) 在1 300 Hz下，實(shí)驗(yàn)研究了聲壓級(jí)對(duì)聲波團(tuán)聚的影響。在實(shí)驗(yàn)范圍70~140 dB內(nèi)，雙峰分布可吸入顆粒物的團(tuán)聚效率先增后減。120 dB時(shí)PM2.5和PM10的團(tuán)聚效率達(dá)到最大，分別為21.9%和 24.8%。對(duì)于粒徑較大的顆粒，由于自身結(jié)構(gòu)等因素，在較大聲壓級(jí)下發(fā)生破碎。

由本文分析可知，將聲波團(tuán)聚技術(shù)應(yīng)用到燃煤電站煙氣中的可吸入顆粒物處理中，需要同時(shí)考慮聲場(chǎng)的破碎作用，建議將聲場(chǎng)布置在電除塵器尾部，在去除大顆粒后聯(lián)合使用電除塵方法脫除細(xì)顆粒物，或者將聲場(chǎng)布置在脫硫塔出口凈煙道上，聯(lián)合高效管式除霧器技術(shù)脫除細(xì)顆粒物。另外，建議將聲波團(tuán)聚技術(shù)運(yùn)用在顆粒粒徑較小的環(huán)境，比如發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣處理。為了將聲波團(tuán)聚技術(shù)運(yùn)用于工程實(shí)際，在以后的工作中，還需要對(duì)大顆粒在聲場(chǎng)中發(fā)生破碎的行為進(jìn)行更深入的研究。

[1]楊新興, 馮麗華, 尉鵬. 大氣顆粒物 PM2.5及其危害[J]. 前沿科學(xué),2012, 6(21): 22-31.

YANG Xinxing, FENG Lihua, WEI Peng. Atmospheric particulate PM2.5 and its harm[J]. Frontier Science, 2012, 6(21): 22-31.

[2]徐鴻, 宋凱, 雷小云, 等. 200 MW 機(jī)組電除塵器可吸入顆粒物排放控制試驗(yàn)研究[J]. 熱力發(fā)電, 2006, 35(10): 37-39.

XU Hong, SONG Kai, LEI Xiaoyun, et al. Experimental study on the control of inhalable particulate emissions from 200 MW unit electrostatic precipitator[J]. Thermal Power Generation, 2006,35(10): 37-39.

[3]劉建忠, 范海燕, 周俊虎, 等. 煤粉爐PM10/PM2.5排放規(guī)律的試驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2003, 23(1): 145-149.

LIU Jianzhong, FAN Haiyan, ZHOU Junhu, et al. Experimental studies on the emission of PM10and PM2.5from coal-fired boiler[J].Proceedings of the CSEE, 2003, 23(1): 145-149.

[4]孫超凡, 鄔思柯, 錢煒, 等. 大型電袋復(fù)合除塵器除塵效率的實(shí)驗(yàn)研究與優(yōu)化[J]. 動(dòng)力工程學(xué)報(bào), 2014, 34(7): 534-540.

SUN Chaofan, WU Sike, QIAN Wei, et al. Experimental study and improvement on dust removal efficiency of electrostatic-fabric integrated precipitators[J]. Journal of Power Engineering, 2014, 34(7):534-540..

[5]張光學(xué), 劉建忠, 周俊虎, 等. 氣溶膠微粒聲波團(tuán)聚技術(shù)的回顧與展望[J]. 熱力發(fā)電, 2007, 36(11): 7-11.

ZHANG Guangxue, LIU Jianzhong, ZHOU Junhu, et al. Review and prospect of acoustic wave agglomeration technology for aerosol fine particles[J]. Thermal Power Generation, 2007, 36(11): 7-11.

[6]Dong S, Lipkens B, Cameron T M. The effects of orthokinetic collision, acoustic wake, and gravity on acoustic agglomeration of polydisperse aerosols[J]. Journal of Aerosol Science, 2006, 37(4): 540-553.

[7]Markauskas D, Ka?ianauskas R, Maknickas A. Nμmerical particlebased analysis of the effects responsible for acoustic particle agglomeration[J]. Advanced Powder Technology, 2015, 26(3): 698-704.

[8]張光學(xué), 劉建忠, 王潔, 等. 聲波團(tuán)聚中尾流效應(yīng)的理論研究[J].高校化學(xué)工程學(xué)報(bào), 2013, 27(2): 199-204.

ZHANG Guangxue, LIU Jianzhong, WANG Jie, et al. Theoretical study of acoustic wake effect in acoustic agglomeration[J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities, 2013, 27(2): 199-204.

[9]Tiwary R. Acoustic agglomeration of micron and submicron fly-ash aerosols[D]. Pennsylvania: The Pennsylvania State University, 1989.

[10]Hoffmann T L. Environmental implications of acoustic aerosol agglomeration[J]. Ultrasonics, 2000, 38(1): 353-357.

[11]陳厚濤, 章汝心, 曹金祥, 等. 聲波團(tuán)聚脫除柴油機(jī)尾氣中超細(xì)顆粒物的試驗(yàn)研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào), 2009, 27(2): 160-165.

CHEN Houtao, ZHANG Ruxin, CAO Jinxiang, et al. Experimental study on acoustic agglomeration of ultrafine particles in diesel engine exhaust[J]. Transactions of CSICE, 2009, 27(2): 160-165.

[12]ZHOU D, LUO Z, JIANG J, et al. Experimental study on improving the efficiency of dust removers by using acoustic agglomeration as pretreatment[J]. Powder Technology, 2016, 289: 52-59.

[13]張光學(xué), 劉建忠, 周俊虎, 等. 燃煤飛灰低頻下聲波團(tuán)聚的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 化工學(xué)報(bào), 2009, 60(4): 1001-1006.

ZHANG Guangxue, LIU Jianzhong, ZHOU Junhu, et al. Acoustic agglomeration of coal-fired fly ash particlesin low frequency sound fields[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering, 2009,60(4): 1001-1006.

[14]蘇吉, 朱慶山. 聲場(chǎng)流化床中超細(xì)顆粒聚團(tuán)受力與尺寸[J]. 過(guò)程工程學(xué)報(bào), 2010, 10(3): 431-437.

SU Ji, ZHU Qingshan. Acting forces and agglomerate sizes of super fine particles in an acoustic fluidized bed[J]. The Chinese Journal of Process Engineering, 2010, 10(3): 431-437.

[15]Timoshenko S P, Goodier J N. Theory of Elasticity[M]. New York:McGraw-Hill, 1970, 75-77.

[16]Khan A R, Richardson J F. Pressure gradient and friction factor for sedimentation and fluidisation of uniform spheres in liquids[J].Chemical Engineering Science, 1990, 45(1): 255-265.

[17]Israelachvili J N. Intermolecular and surface forces[M]. San Diego:Academic Press, 2011.