噴霧對促進細顆粒物聲波團聚的影響

張光學，朱穎杰，周濤濤，王進卿，徐鴻，池作和

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噴霧對促進細顆粒物聲波團聚的影響

張光學，朱穎杰，周濤濤，王進卿，徐鴻，池作和

（中國計量大學能源工程研究所，浙江杭州 310018）

以燃煤煙氣為對象，實驗研究了各參數對噴霧促進聲波團聚的影響。結果表明，添加噴霧后，聲波團聚效率提高了25%～40%。無論有無噴霧，聲波團聚均存在相同的最佳頻率，為1400 Hz左右。較低液氣比時，團聚效率隨液氣比的增加而明顯增大，但超過0.10后，團聚效率趨于穩定。添加噴霧時，團聚效率隨停留時間的增加而提高，但達到4.2 s時基本達到最大值。分析了噴霧提高團聚效率的機理，在噴霧作用下，顆粒之間形成比范德華力更強的液橋力，增大了有效碰撞系數；同時，霧化液滴的加入為氣溶膠團聚提供了種子顆粒，周圍的細顆粒易與之發生碰撞團聚，使團聚效率提高。研究表明，噴霧方法可以大幅降低聲波團聚工藝的操作能耗。

氣溶膠；噴霧；聲波；團聚；粒度分布

引 言

大氣中的細顆粒物，尤其是PM2.5（空氣動力學粒徑小于2.5 μm的顆粒）具有極大比表面積，易富集有害物質，對人體健康和環境危害很大，已經成為我國各地大氣的首要污染物[1-2]。燃煤等工業過程是大氣細顆粒物的主要來源[3]。目前廣泛使用的靜電除塵器等常規除塵設備，雖能達到97%～99%總除塵效率，但對PM2.5的脫除率卻很低，僅為70%～90%[4]。因此，提高除塵器的PM2.5捕集效率成了顆粒物污染控制領域的研究重點和難點。

聲波團聚是其中一項有潛力的除塵預處理技術[5-6]，其原理是利用高強聲波對含塵煙氣進行處理，使顆粒之間發生碰撞、團聚，形成更大的團聚體顆粒。處理后煙氣中的顆粒數量減少、平均粒徑增大，更易被除塵器捕集[7]。在合適的條件下，聲波能在數秒內使PM2.5濃度降低70%以上[8-9]，如果將該技術應用于工業煙氣預處理，則可使常規除塵器對PM2.5的捕集效率由80%左右提高到約97%，從而大幅消減PM2.5的排放。

國內外眾多學者已對聲波團聚技術展開了廣泛的研究[10-11]，基本掌握了最佳操作條件，并逐步揭示了團聚機理。實驗表明，聲波團聚的最佳頻率與氣溶膠粒徑有關，粒徑越小，所需的聲波頻率越高。對于燃煤煙氣等微米及亞微米級顆粒物，1～3 kHz比較合適[8, 12-13]；對于內燃機排氣等納米級顆粒物，10～30 kHz的高頻聲波則更有效[14-15]。在機理研究方面，普遍認為同向團聚機理對多分散相氣溶膠最重要[16-17]，即粒徑不同的顆粒在聲場中被夾帶程度不同導致的碰撞團聚。而流體力學機理[18]主要在單分散相氣溶膠中起作用，指的是顆粒在聲場中由于其周圍流場不對稱，對附近其他顆粒產生吸引或排斥，引起相對運動而團聚。

盡管聲波團聚技術已在實驗室獲得成功，但是為了能在數秒時間內產生可觀的團聚效果，一般需要150 dB以上聲壓級[6]，能耗很大，且帶來噪聲污染問題，這是制約該技術進入工業應用的重要因素之一。為了能在中等強度聲場中進行有效的顆粒團聚，部分研究者提出采用蒸汽和噴霧等外加條件協助促進團聚的方法[19-20]。Sarabia等[15]較早地研究了添加蒸汽對柴油機排氣聲波團聚的影響，發現在21 kHz時，6%水蒸氣能夠提高約30%的團聚效率。陳厚濤等[21]在燃煤煙氣中添加霧化水滴，發現能有效提高聲波對PM2.5顆粒的清除效率，增幅達20%左右。楊振楠等[22]發現提高氣體相對濕度能一定程度上促進聲波團聚效率，原因是顆粒之間液橋黏附力增加了。顏金培等[23-25]研究了蒸汽和潤濕劑液滴對改善聲波團聚的影響，發現過飽和度超過1.0后，團聚迅速增強，能夠在130 dB時達到70%的脫除效率；添加潤濕劑亦可有效提高聲波團聚效率，提高的幅度大致與顆粒潤濕性能的改善值呈正比。馬德剛等[26]通過霧化加濕的方法提高燃煤煙氣的PM2.5聲波團聚效率，發現該技術能夠改善布袋除塵器運行條件。

綜上，噴霧增濕提高聲波團聚效果的方法已得到實驗驗證，該措施能大幅降低團聚過程的運行能耗，為工業應用提供了一個可行的發展方向。然而，相關的研究剛起步，液氣比和停留時間等參數的影響仍未得到深入了解，尤其是聲波頻率對噴霧聯合聲波團聚效率的影響尚未見報道，而這方面研究對推動該技術的工業應用具有重要意義。

本文以燃煤煙氣為對象，通過實驗研究了聲功率、頻率、液氣比和停留時間等對噴霧情況下的聲波團聚效率的影響，并分析了噴霧改善聲波團聚的作用機理。

1 實驗裝置及方法

圖1是聲波團聚實驗系統。燃煤飛灰經過篩分和烘干處理，通過定量粉末給料機（瑞士Lambda 公司，5812-L型）送入風粉混合器，與空氣混合，形成模擬煙氣，然后經過分離器預處理，去除部分過大顆粒，最終形成穩定氣溶膠進入團聚室。模擬煙氣體積流量為7.1～14.1 m3·h-1，進入團聚室的顆粒物初始濃度約為2 g·m-3。團聚室由有機玻璃制成，呈圓筒狀，內徑100 mm，高1.5 m，豎直放置。聲源系統位于團聚室頂端，由信號發生器、音頻功率放大器、壓縮式驅動器及號角組成。團聚室上部還布置了壓力霧化噴嘴（東莞捷原，SU1型），噴射方向為豎直向下，霧化角度為60°，介質為純水，霧化壓力為0.12～0.15 MPa，噴霧平均粒徑為25 μm，流量為0.5～5 L·h-1。在實驗中，用液氣比指標來衡量噴霧量，定義為噴霧液氣比與氣溶膠的質量流量之比。

實驗采用低頻聲源，頻率范圍為800～2000 Hz，正弦波，功率為0～20 W。聲源聲壓級可達130～150 dB，且在團聚室中幾乎不發生衰減。在團聚室尾部采用撞擊式采樣器（常州普森電子廠，FA-3型）進行氣溶膠粒徑分布測量。該儀器共有9級，每一級都由帶細小噴口的孔板及集塵盤組成，參數見表1。當氣溶膠進入采樣器后，由于孔板上的噴口直徑逐級縮小，氣流速度逐級增大，不同大小的顆粒因慣性差異，分別被相應的集塵盤截獲。最末級是濾膜，用于收集未被捕集的亞微米顆粒。

表1 FA-3采樣器各級粒徑參數

用團聚效率來評價團聚效果，定義為

式中，0和分別為氣溶膠團聚前后的顆粒數目濃度，cm-3。

2 結果與討論

2.1 聲功率的影響

圖2為聲場和噴霧作用下的氣溶膠粒徑分布變化，其中聲波頻率為1400 Hz、氣溶膠在團聚室的停留時間為5.3 s、噴霧液氣比為0.07。實驗結果表明，初始氣溶膠粒徑基本上呈雙峰分布，峰值大致出現在1.5 μm和5 μm處。在聲波作用下，氣溶膠顆粒數目濃度大幅降低，團聚效果顯著。添加噴霧后，團聚效果進一步增強，僅5.0 W的噴霧聲波聯合團聚效果已超過了13.8 W的純聲波作用。另外，與僅噴霧工況相比，聲波與噴霧的耦合作用使氣溶膠濃度更低，尤其是PM2.5顆粒物明顯降低。

圖3為不同聲功率（）時的氣溶膠團聚效率，為液氣比，其中聲波頻率為1400 Hz、氣溶膠在團聚室的停留時間為5.3 s，為0時表示無聲波僅噴霧。由圖可見，無論是否存在噴霧，團聚效率均隨著聲功率增加而提高，這是因為聲功率越高，團聚室內氣溶膠介質振幅越大，使細顆粒的振動增強，促進了顆粒的碰撞及團聚。在各液氣比下，加入聲波總是能夠進一步提高噴霧作用下的團聚效率。當聲功率相同時，噴霧能夠顯著提高團聚效率，提升幅度為25%～40%。這表明在噴霧作用下，顆粒之間液橋力作用及液滴與顆粒之間相對夾帶系數的增加，能夠有效提高團聚效果。

2.2 聲波頻率的影響

純聲波團聚時，實驗已發現其存在最佳頻率[8,13]，高于或低于該頻率都會導致團聚效率降低。而添加噴霧時，聲波頻率對團聚效果的影響尚不清楚。圖4為不同頻率下的聲波團聚效率變化情況，其中聲功率為12.5 W、停留時間為5.3 s、液氣比為0.09。圖中TP和PM2.5分別表示總氣溶膠顆粒（total particle）和PM2.5顆粒。實驗發現，純聲波作用下，最佳團聚頻率為1400 Hz；添加噴霧后，聲波團聚同樣存在最佳團聚頻率，且與噴霧前的最佳頻率相同。最佳頻率與氣溶膠粒徑分布等參數有關，在本文實驗條件下該值為1400 Hz。這表明，噴霧前后的主要控制機理均為同向團聚機理，因為該機理的團聚核函數對頻率變化比較敏感[27]。另外，聲波對PM2.5顆粒的去除效率略高于氣溶膠總團聚效率。

2.3 液氣比的影響

圖5為液氣比對團聚效率的影響，停留時間為5.3 s、聲波頻率為1400 Hz，其中液氣比為0表示無噴霧。由圖可見，在不同的聲功率下，團聚效率均隨著液氣比的增加而增加；尤其在較低的液氣比時，這種增長趨勢更明顯。然而，當液氣比超過0.10時，團聚效率增加的趨勢逐漸減緩，進一步增加液氣比并不能有效提高聲波團聚效率。

2.4 停留時間的影響

停留時間是聲波團聚技術的一個重要的參數，過長的停留時間將使團聚室體積過大，且聲波衰減顯著，使工業應用困難。圖6是停留時間（）對團聚效率的影響（頻率為1400 Hz、聲功率為12.5 W、液氣比為0.07）。實驗結果表明，無噴霧時，隨停留時間的延長，團聚效率基本上呈線性增加；存在噴霧時，當停留時間達到4.2 s時，團聚效率已接近最大值，進一步延長停留時間并不能提高團聚效率。因此，通過噴霧提高聲波團聚效率的方法，還可以降低團聚室體積，有利于推動該技術的工業應用。

2.5 噴霧促進聲波團聚的機理分析

在聲場中，氣溶膠中的顆粒物會隨著氣體介質的振蕩而振蕩。但由于顆粒的慣性，振蕩的幅度一般低于氣體介質，兩者的比值定義為夾帶系數[28]

式中，p和g分別為顆粒和氣體振動速度的幅值，m·s-1；=2π為角頻率；為聲波頻率，Hz；p=p2/18g，為顆粒弛豫時間，s。

顆粒粒徑越大，慣性越大，夾帶系數越小，在聲場中趨向于靜止；粒徑越小，越容易被夾帶，隨聲波一起振蕩。這樣，不同粒徑的顆粒夾帶系數不同，振幅也不同，產生了相對運動，發生碰撞而團聚，這就是同向團聚機理[16, 29]。

霧化液滴粒徑大于氣溶膠細顆粒，因此夾帶系數低于細顆粒，不同頻率下兩者的夾帶系數如圖7所示（顆粒和液滴的密度分別為2500、1000 kg·m-3，液滴粒徑25 μm，細顆粒取2 μm與5 μm為代表）。由圖可見，液滴與顆粒間的相對夾帶系數（d,p）大于顆粒之間的相對夾帶系數（d,d）。噴霧前，僅靠細顆粒之間的相對運動引起的團聚，由于d,d較小，團聚較弱；噴霧后由于霧化液滴的加入，氣溶膠顆粒之間的相對運動程度增強，團聚效果能夠得到增強。此時，霧化液滴起到了“種子顆粒”的作用[30]，成為氣溶膠中團聚核，有效地與周圍的細顆粒發生碰撞，提高了團聚效率。

3 結 論

（1）噴霧促進聲波團聚效率的機理主要是：在噴霧的作用下，顆粒之間形成較強的液橋力，使有效碰撞系數提高；霧化液滴作為種子顆粒，使氣溶膠顆粒之間的相對夾帶系數增大，團聚效果得到增強。

（2）添加噴霧后，聲波團聚效率大幅增加，提升幅度為25%～40%，僅5 W時團聚效率就超過了13.8 W的純聲波作用。因此，通過噴霧可以降低聲波團聚工藝的能耗。

（3）純聲波作用時，聲波團聚存在最佳頻率；添加噴霧后，仍存在最佳團聚頻率，且與噴霧前相同，在本文實驗條件下該值為1400 Hz。

（4）當液氣比較低時，聲波團聚效率隨液氣比的增加而明顯增大，而當液氣比達到0.10以上時，團聚效率趨于穩定。

（5）添加噴霧時，聲波團聚效率隨停留時間的增加而提高，但當達到4.2 s時基本達到最大值，表明通過噴霧可以降低團聚室體積，對該技術的工業推廣有利。

符 號 說 明

d——顆粒粒徑，m P——聲功率，W t——停留時間，s η——團聚效率 λ——液氣比 μd,d——顆粒間相對夾帶系數 μd,p——液滴與顆粒間相對夾帶系數 μg——氣體介質動力黏度，Pa·s ρp——顆粒密度，kg·m-3 τp——顆粒弛豫時間，s 下角標 d——液滴 g——氣體介質 p——顆粒 0——團聚前

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Improve acoustic agglomeration of fine particles by droplet spray

ZHANG Guangxue, ZHU Yingjie, ZHOU Taotao, WANG Jinqing, XU Hong, CHI Zuohe

(Institute of Energy Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, Zhejiang, China)

Acoustic agglomeration is a potential pretreatment technology for efficient reduction of particulate matter emission in flue gas. However, high energy consumption restricts its commercial application. To improve acoustic agglomeration efficiency, droplet spray was added to aerosol. The influences of operating parameters on agglomeration efficiency were studied to explore compounding effect of acoustic field and droplet spray. The results showed that acoustic agglomeration efficiency was increased by 25% to 40% with addition of droplet spray. Whether the droplet spray existed or not, similar influence of sound frequency on agglomeration was observed with optimum frequency at 1400 Hz. The agglomeration efficiency rose with the increase of sound power, liquid-gas ratio or aerosol residence time, which reached to maximum when liquid-gas ratio was over 0.10 or aerosol residence time exceeded 4.2 s. Two main mechanisms were proposed for the improvement of agglomeration efficiency with presence of droplet spray. One was that droplet spray created liquid bridge forces between particles, which were much stronger than van der Waals forces, and increased collision efficiency greatly. The other was that liquid droplets acted as particle seeds for agglomeration, which had significantly different entrainment factors compared to surrounding small particles. Consequently, relative movement among aerosol particles was enhanced so agglomeration efficiency was promoted. The results suggest that energy consumption of acoustic agglomeration process can be reduced dramatically with addition of droplet spray.

aerosol; spray; acoustic; agglomeration; particle size distribution

10.11949/j.issn.0438-1157.20161586

X 513

A

0438—1157（2017）03—0864—06

國家自然科學基金項目（51408574）；浙江省“儀器科學與技術”重中之重學科人才培育計劃項目；浙江省自然科學基金項目（LY13E060007）。

2016-11-09收到初稿，2016-11-30收到修改稿。

聯系人及第一作者：張光學（1982—），男，博士，副教授。

2016-11-09.

ZHANG Guangxue, zhangguangxue@cjlu.edu.cn

supported by the National Natural Science Foundation of China(51408574).