聲波團聚-除塵在線試驗裝置的開發與應用

解建坤，儲昊，夏瑞芳，舒中平

(南京常榮聲學股份有限公司，南京 210000)

聲波團聚-除塵在線試驗裝置的開發與應用

解建坤，儲昊，夏瑞芳，舒中平

(南京常榮聲學股份有限公司，南京 210000)

為解決燃煤電廠現有除塵設備對于微米/亞微米級細顆粒物脫除效率低的難題，以聲波團聚理論和基于流場轉換的多相分離技術為基礎，研制開發聲波團聚-除塵在線試驗裝置。采用電廠脫硫煙氣進行了聲波團聚-除塵的初步試驗研究，分析聲波團聚對PM10的粒徑分布與除霧器出口總塵質量濃度的影響，為聲波團聚再除塵的工業應用提供試驗依據。

燃煤電廠；聲波團聚；除塵；脫硫煙氣

0 引言

燃煤電廠排放的煙塵是大氣中可吸入顆粒物的主要來源。可吸入顆粒物尤其是細顆粒物(PM2.5)，其粒徑小、顆粒數濃度大、易富集其他有害物質，嚴重危害人類健康[1]。對于煙塵中粒徑較大的飛灰顆粒，電除塵器、袋式除塵器等高效除塵裝置可達到99%以上的除塵效率，但對于微米/亞微米級(粒徑小于10 μm)的煙塵顆粒，現有除塵裝置的捕獲效率低[2-3]，除塵效果差，仍有大量超細顆粒物排放到大氣中，構成大氣氣溶膠的主要部分。大氣環境中可吸入顆粒物是引發城市大氣酸雨、光化學煙霧和空氣能見度低的重要因素，其對人體的危害已引起各國科學家的高度重視。

聲波團聚是清除細顆粒物的一種有效方法，在高強聲波作用下，細顆粒在短時間內碰撞、團聚長大，顆粒將從小尺寸向大尺寸演變，平均粒徑增大，顆粒數濃度降低，通過常規除塵設備即可實現高效清除，進而可實現超低排放。

聲波團聚的過程較為復雜，涉及的作用機制包括同向團聚機制、聲波尾流效應、聲致湍流作用、共輻射壓作用等[4]。自20世紀70年代以來，眾多學者對聲波團聚進行了深入的試驗研究，并在聲波團聚機制及理論模型的建立方面得出很多有益結論，但在一些關鍵性問題上還沒有得出一致結論[5]。

本文以聲波團聚理論和基于流場轉換的多相分離技術為基礎，開發聲波團聚-除塵在線試驗裝置。通過在某電廠脫硫凈煙道的試驗研究，分析聲波作用頻率、聲壓強度、聲波作用時間等參數對再除塵效率的影響，為聲波團聚再除塵的工業運用提供試驗依據。

1 試驗裝置開發

聲波團聚-除塵在線試驗裝置主要由煙氣供給系統、聲波團聚裝置、除霧器(基于流場轉換的多相分離裝置)、收集裝置以及煙塵檢測系統等組成，試驗裝置系統如圖1所示。

煙氣供給系統由變頻風機及相應的連接配管等組成。試驗時，變頻風機通過配套接管直接抽取煙道中的煙氣，配合流量計使試驗裝置中產生與煙道相同的煙氣流速。

聲波團聚裝置由聲源和團聚室組成(團聚室上部安裝2個6.35 mm的聲傳感器，實時監測團聚室內聲壓強度及分布)。聲源由2個電聲揚聲器(型號為KTD-250)和2個高頻哈德曼哨(10 000/12 000 Hz)組成，各聲源可單獨工作并可實現不同類型的組合。聲源組合可在團聚室內產生200～20 000 Hz的高強聲場且頻率可調，可保證團聚室內達到150 dB以上相對均勻的高強度作用聲場[6]。團聚室設計隔聲量為30 dB以上，1 000 Hz時團聚室內聲場分布如圖2所示。

團聚室出口連接除霧器，該除霧器是基于流場轉換的多相分離裝置，通過螺旋離心分離，文丘里增壓、提速，均流擾動，實現三級分離，氣固(液)分離效率高，壓力損失小，并可避免顆粒的二次夾帶[7]。除霧器內多相流場如圖3所示，不同粒徑、流速下的分離效率及壓損如圖4所示。

在流場作用下，顆粒經除霧器多級分離，初步從氣相中分離出來，從圖3中多相流場的顆粒運動軌跡可明顯看出，除霧器出口的顆粒數濃度較入口有明顯降低。

圖1 聲波團聚除塵在線試驗裝置

圖2 試驗裝置內聲場分布

圖3 除霧器內顆粒運行軌跡

圖4 不同粒徑、不同工況下除霧器分離效率及壓損

圖4為除霧器內不同粒徑的顆粒在不同煙氣流速下的分離效率與壓力損失曲線，PM10在10 m/s以上煙氣流速條件下的分離效率達到46%以上，而在最高18 m/s煙氣流速下，除霧器的壓力損失不高于149 Pa。因此，該除霧器可應用于電廠煙氣排放系統的除塵裝置之后，在低阻力條件下實現PM10的二次脫除，進而實現超低排放。

除霧器底部設有固(液)收集裝置，并配有水沖洗設備。試驗裝置前后端設有煙氣測量口，采用JH-60E型自動煙塵煙氣測試儀對聲波團聚、分離前后的粒徑、煙塵質量濃度、SO2質量濃度等進行測量。

當煙氣氣溶膠顆粒數濃度很低時，顆粒之間距離較大，需要更長的碰撞團聚時間，因此，團聚室前端設置種子顆粒噴霧裝置，增加種子霧顆粒，以減小顆粒間距，提高團聚效果[8]。試驗裝置均采用防腐材料，以滿足現場試驗的要求。

2 試驗應用研究

聲波團聚除塵在線試驗研究依托某電廠300 MW機組脫硫系統進行。該電廠二級脫硫塔(海水塔)出口SO2排放質量濃度小于22 mg/m3(標態、干基、6%O2)，滿足火電廠大氣污染物特別排放限值要求，但煙塵排放質量濃度為8 mg/m3(標態)，尚未達到超低排放標準要求。

試驗時，從二級脫硫塔出口凈煙道引出脫硫煙氣到聲波團聚-除塵在線試驗裝置中，配合流量計并調節風機變頻器，使在線試驗裝置中產生與原凈煙道相同的煙氣流速(8～14 m/s)。

2.1聲波團聚對PM10的影響

在保證團聚室內聲壓強度(150 dB)的條件下，調節聲源組合和發聲頻率，并對除霧器前測點的PM10粒徑分布進行測量，測量結果如圖5所示。

測試結果表明： PM10顆粒數濃度在1 600 Hz聲波作用下降低15%～25%，特別是峰值粒徑，顆粒數濃度有明顯降低，顆粒物總體呈團聚長大趨勢。

圖5 不同聲波組合下PM10粒徑分布

進一步調節聲波到最佳作用頻率，顆粒物將達到最佳團聚效果[9]，以便后續除塵設備的高效脫除，并為聲波團聚除塵的工業應用提供聲波參數依據。

2.2聲波團聚對總塵質量濃度的影響

分別在無聲波運行、運行聲波、同時運行聲波和噴霧裝置3種試驗條件下(試驗裝置內煙氣狀況基本一致)，對除霧器進、出口煙塵質量濃度進行測量，測試結果見表1。

表1 總塵質量濃度測試結果

無聲波裝置運行時，除霧器進、出口粉塵質量濃度平均值分別為8.63，5.67 mg/m3，除霧器本身的脫除效率約為35%；運行聲波裝置，除霧器出口總塵質量濃度降到4.13 mg/m3，除塵效率增加到52%以上；同時運行聲波和噴霧裝置，除霧器出口總塵質量濃度降到3.42 mg/m3，總塵脫除效率達到60%以上。本次試驗條件下，聲波團聚除塵在線試驗裝置的再除塵效率達60%以上，可實現該電廠煙塵的超低排放。

3 結論

本文以聲波團聚和基于流場轉換的多相分離為基礎，研制開發可應用于現場試驗測試的聲波團聚-除塵在線試驗裝置。采用電廠脫硫煙氣進行了聲波團聚-除塵的試驗研究，分析聲波團聚對顆粒物粒徑分布及總塵質量濃度的影響，為聲波團聚、再除塵的工業應用提供試驗依據。

(1)聲波團聚-除塵在線試驗裝置滿足電廠脫硫煙氣的使用環境，聲波頻率200～20 000 Hz可調，并可保證團聚室內足夠的聲壓強度，可利用現場煙氣進行同煙氣流速條件下的聲波團聚-除塵試驗測試。

(2)通過電廠的初步試驗研究，聲波作用下，PM10顆粒數濃度有較為明顯的降低，顆粒物有團聚長大的趨勢，調節聲波作用頻率，可達到最佳團聚效果。除霧器前、后煙塵質量濃度的測量結果表明，在該套裝置的協同作用下，脫硫系統再除塵效率達到60%以上。

(3)根據聲波團聚-除塵在線試驗裝置的作用機制，該裝置同樣可進行電廠去除“濕煙羽”的試驗研究，為電廠除濕、去白、節水等工業應用提供試驗依據。

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[3]HOFFMANN T L.Environmental implications of acoustic aerosol agglomeration[J].Ultrasonics，2000，38(1-8):353-357.

[4]張光學，劉建忠，周俊虎，等，燃煤飛灰低頻下聲波團聚的試驗研究[J].化工學報，2009，60(4):1001-1006.

[5]TIWARY R，RETHOF G.Numerical simulation of acoustic agglomeration and experimental verification[J].Journal of vibration & acoustics，1987，109(2)：185-191.

[6]GALLEGO-JUAREZ J A，SARABIA R F D， RODRIGUEZ-CORRAL G，et al.Application of acoustic agglomeration to reduce fine particle emissions from coal combustion plants[J].Environmental science & technology，1999，33(21)：3843-3849.

[7]張榮初，王敬福，解建坤，等.一種基于流場轉換的分離裝置： 201620702883.5[P].2016-12-21.

[8]張光學，張麗麗，劉建忠.PM2.5顆粒聲波團聚控制技術[M].北京：科學出版社，2015：49-56.

[9]王曉國.濕法脫硫后煙氣細顆粒物的聲波團聚[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2014：23-26.

(本文責編：劉芳)

2017-07-09；

:2017-09-01

X 513

：A

：1674-1951(2017)09-0013-03

解建坤(1983—)，男，山東臨沂人，工程師，工學碩士，從事聲學理論與應用方面的研究(E-mail:xjk0908@163.com)。儲昊(1989—)，男，江蘇南京人，工程師，從事電廠超低排放、聲波吹灰方面的研究(E-mail:chuhaocc@foxmail.com)。