聲波與噴霧對于飛灰顆粒團聚的影響

張瑞翔，王鵬，伍婷婷，劉建忠，周俊虎

（1浙江大學能源清潔利用國家重點實驗室，浙江杭州310027；2神華國華（北京）電力研究院有限公司，北京100025）

近幾年國家對于能源消耗以及環境保護的重視日漸提高，中國的能源結構也在不斷改善，能源消費增速逐漸放緩，但是中國仍舊是全球最大的能源消費國。其中2017 年，中國煤炭產量增長了3.6%[1]。燃燒煤炭不僅產生溫室氣體二氧化碳，同時也產生大量的粉塵。由于中國的燃煤電廠眾多，所以每年能夠產生大量的粉塵。這些粉塵是導致部分地區霧霾的重要原因。其中PM2.5為目前大家最為熟知的顆粒污染源，由于粒徑小，比表面積大，容易吸附較多的有毒物質。由于呼吸道難以阻攔該粒徑下的顆粒，攜帶著吸附物質的PM2.5能夠進入人體，對人體造成較大的影響[2-3]。電廠中傳統除塵裝置如電除塵器對于PM2.5的脫除效率較低，電除塵效率隨著粒徑的增大而增大。所以將飛灰顆粒進行預處理以增大其粒徑來提高電除塵脫除效果具有一定的現實意義。

目前已有的預處理技術包括聲波團聚[4]、電團聚[5]、化學團聚[6]、磁團聚[7]等。其中聲波團聚的原理是利用高強聲波對氣溶膠進行作用，使得顆粒物發生碰撞團聚。

聲波團聚技術源于1931年Patterson 和Cawood[8]在實驗室發現氧化鎂氣溶膠顆粒在駐波管中團聚的現象。此后，聲波團聚得到了各國科學家的廣泛研究。1987年Reethof等[9]發現在150～160dB和2000～3000Hz 范圍內的聲波能夠有較好的聚集效果。2000 年，Riera-Franko de Sarabia 等[10]發現在10kHz和20kHz 的高頻聲波下，加入體積分數為6%的水蒸氣，能使柴油發動機尾氣顆粒減少量由25%增加至56%。2015 年，Zhou 等[11]在1400Hz 和148dB的條件下，聲波團聚將布袋除塵的顆粒質量去除效率可以從91.29%提高到99.19%，并且ESP 的顆粒質量去除效率可以從89.05%提高到99.28%。2016年，康豫博等[12]以超聲波作為聲波團聚的聲源，對燃燒產生的顆粒物進行實驗，發現聲波團聚效率隨著初始顆粒物濃度峰值下的粒徑的增大而增強。2017年，沈國清等[13]從微觀受力角度來探究顆粒團聚和破碎效果，發現團聚體臨界粒徑隨著聲壓級的增大而減小，且在120dB的聲場條件下，雙峰分布顆粒團聚存在的最佳頻率范圍為1800～2300Hz。2017年，張光學等[14]通過實驗發現在噴霧下，存在聲波團聚的最佳頻率1400Hz。2018 年，趙云等[15]基于氣流聲源（高頻旋笛）和突變截面駐波管建立了160dB以上燃煤煙氣聲波團聚實驗系統，實驗結果表明700Hz和1.4kHz為團聚最佳頻率，PM2.5的團聚效率能達到99%。

綜上可知，聲波能夠顯著提高顆粒物的團聚效果，進而提升電除塵器對顆粒物的去除效果。本文在實驗室中研究了頻率對于聲波團聚的影響，同時也研究了噴霧對于聲波團聚的增強效果以及分析了噴霧增強團聚的機理。

1 實驗材料和方法

實驗裝置如圖1所示。給料系統中的顆粒物源自河北某電廠飛灰。實驗裝置主要由聲波團聚室、給料系統、噴霧系統、聲源系統、顆粒采樣與測量系統和風系統等組成。

圖1 實驗裝置

整個試驗的流程為：給料系統與送風機產生的氣溶膠顆粒被輸送到團聚室內。在團聚室內，聲波對顆粒物進行輻射作用。經過聲波處理后的煙氣，經團聚室底部進入取樣段，進行取樣分析。取樣分析采用TSI3 330光學顆粒物粒徑譜儀。

團聚室的高度為1.5m，直徑為100mm，實驗中煙氣流速約為0.33m/s。

聲源系統由信號發生器（JDS6 600），功率放大器（GA4-600），YF513-1 壓縮式驅動器，高音保護器和號角組成。

給料系統主要由螺旋給料機和風粉混合器組成，其中飛灰來源于某燃煤電廠靜電除塵器灰斗獲得的飛灰顆粒。使用BT-9300ST 型激光粒度分布儀對飛灰粒度分布進行測試分析，其結果如圖2所示。可以看出本次使用的飛灰顆粒相對較粗，有約67.5%體積分數的顆粒集中于10～100μm。

噴霧系統中，采用超聲波霧化器來產生噴霧顆粒。其原理是：儀器中的水在超聲波作用下振蕩產生5μm 左右的小水滴，再通過氣流將水霧噴入團聚室內。

圖2 飛灰粒度分布

氣溶膠采樣與測量系統主要由采樣槍、沉降室、稀釋系統以及TSI3 330光學顆粒物粒徑譜儀組成。氣溶膠顆粒通過采樣槍進入沉降室后，大顆粒將沉降于沉降室底部，小顆粒進入稀釋系統，在經過一定的空氣稀釋后由TSI3 330光學顆粒物粒徑譜儀對顆粒物的粒徑分布進行測試。

TSI 的測試原理為：顆粒物煙氣直接進入TSI3 330的測量區域，在光學室內，氣溶膠經過激光束，產生脈沖，該脈沖的強度用來計算顆粒物的數量和粒徑。3330 型OPS 測量的粒徑范圍在0.3～10μm，并將0.3～10μm 的顆粒分成16 級，具體參數見表1。檢測完粒徑后，顆粒物通過光室收集到一張37mm的過濾膜，以便將來的質量分析和化學或顯微鏡分析。同時為了減少噴霧顆粒對于TSI測試結果影響，在噴霧實驗中對取樣段進行高溫加熱，以減少噴霧顆粒。

表1 TSI3330光學顆粒物粒徑譜儀各級顆粒粒徑范圍

2 實驗結果與討論

2.1 不同頻率下的聲波團聚效果

圖3是在不同聲壓級下頻率對于燃煤飛灰細顆粒的粒徑分布的影響。在不同聲壓級（SPL=149 dB、141dB）和頻率為1000Hz、1200Hz、1400Hz、1600Hz、1800Hz和2000Hz時，對飛灰細顆粒進行聲波團聚測試。該實驗下，飛灰細顆粒在團聚室內停留時間為4.6s，給粉量約為5g/min。實驗結果表明，收集到的初始顆粒粒徑分布呈單峰狀態，峰值位于顆粒粒徑0.897～1.117μm 處，顆粒主要集中于PM2.5。可以看到在施加了不同頻率不同聲壓級的正弦聲波后，顆粒的粒徑分布發生了顯著的變化，這也驗證了聲波對于顆粒的團聚效果。

圖3 頻率對燃煤飛灰細顆粒粒徑分布的影響

為了更明確地表現不同頻率下聲波團聚的效果大小，使用團聚效率來衡量聲波團聚的效果。團聚效率η的定義如式(1)。

式中，N為經過聲波處理后的顆粒物個數濃度，m-3；N0為無聲波下的顆粒物個數濃度，m-3。

圖4 為不同頻率下的團聚效率。從圖4 可得，在聲壓級為133dB時，由于聲壓級較低，團聚效果較差。此外，可以發現在1400Hz時團聚效果最好，1600Hz 次之。聲壓級為141dB時，團聚效果增強，而最佳團聚頻率仍為1400Hz，1600Hz 次之。當聲壓級為149dB 時，依舊是在1400Hz 時候產生最大的團聚效果。所以在實驗頻率段中，1400Hz 為其最佳頻率。同時可以看到隨著聲壓的增大，團聚效率增大。

圖4 不同頻率下的團聚效率

2.2 噴霧對聲波團聚的影響

2.2.1 噴霧對飛灰粒徑分布的影響

為了考察噴霧增濕對于聲波團聚的作用，對比了有無噴霧下的燃煤飛灰粒徑分布變化，其結果如圖5 所示。實驗時聲波的聲壓級分別為141dB 和149dB，圖中的Cw為單位體積的氣溶膠中噴霧的質量，其他實驗條件為聲波頻率1400Hz，停留時間約4.6s。

由圖5可見，無聲波時，噴霧對飛灰的粒徑分布有一定影響，但是影響較小。當團聚室內加入約15g/m3的噴霧時，0.3～0.579μm的顆粒數目比無噴霧情況下有一定增加，其他粒徑的數目相對減少。通過分析認為在取樣段加熱后，噴霧顆粒尚未蒸發完全，導致至少仍有一定量的0.3～0.579μm 的噴霧小顆粒存在。

2.2.2 噴霧對飛灰團聚效率的影響

為了進一步量化噴霧對聲波團聚的優化效果，使用無聲波、無噴霧下的飛灰細顆粒濃度作為初始濃度，來計算團聚效率。圖6為有無噴霧下燃煤飛灰團聚效率對比，實驗在聲波頻率為1400Hz，停留時間為4.6s的條件下進行。

圖5 噴霧對粒徑分布的影響

圖6 噴霧對聲波團聚效率的影響

由圖6可見，噴霧增濕能夠顯著提高聲波團聚的效果。在加入噴霧（Cw=15g/m3）后，聲波團聚的效率分別提升至59.7%與67.3%左右。同時也可以看出即使聲壓級低，但在加入一定量的噴霧后，也能得到比高聲壓級還要強的團聚效果。

2.2.3 噴霧促進聲波團聚的機理分析

聲場中的顆粒將隨著介質（空氣）的振動而振動。一般顆粒物的振幅小于空氣的振幅。這是因為顆粒的慣性較大。顆粒的振幅與氣體介質振幅之比被稱為[16]挾帶系數μp，其定義如式(2)所示。

式中，μp為挾帶系數，量綱為1；Ap為顆粒的振幅，m；Ag氣體介質振幅，m。

由于顆粒表面流體的滑移速度[17]較小，其雷諾數[18]Re＜1，所以顆粒在聲場中運動處于stokes 區域。此時挾帶系數μp計算式[16]如式(3)，弛豫時間如式(4)。

式中，f為聲波頻率，Hz；τd為顆粒的弛豫時間，s；ρp和ρg分別為顆粒物密度與氣體介質密度，kg/m3；v是氣體介質的運動黏性系數，m2/s；d為顆粒粒徑，m。

圖7為飛灰顆粒與噴霧顆粒在聲場中的挾帶系數。可以看到顆粒粒徑越大，挾帶系數越小，顆粒越難以被氣體介質攜帶運動，即越趨于靜止。不同粒徑的顆粒的挾帶系數不同，振動幅度不同，于是形成了顆粒間的相對運動。相對運動最終造成顆粒間的碰撞進而發生團聚。在1000～2000Hz 聲波頻率段，可以看到在5μm 的噴霧顆粒與2.5μm 的飛灰顆粒間的相對挾帶系數μd,p遠大于2.5μm 與1μm的飛灰顆粒間的相對挾帶系數μd,d。所以加入了噴霧后，加強了細顆粒間的相對運動，有利于碰撞的發生。同時噴霧的加入增加了細顆粒濃度，增大了細顆粒碰撞概率。此外，噴霧還可以改變燃煤飛灰細顆粒的表面特性，使顆粒的表面黏性增大，導致碰撞后形成的團聚體更加穩定，不易破碎，由此提高了團聚效果。

圖7 飛灰顆粒與噴霧顆粒在聲場中的挾帶系數

圖8為飛灰顆粒在有無噴霧下團聚體的SEM照片對比，左邊為沒有噴霧下聲波團聚后形成的團聚體的SEM 照片，右邊為加入噴霧后形成的團聚體的SEM 照片。可以看到在加入噴霧后，形成的團聚體相對于無噴霧情況下更大，互相黏結的顆粒數更多。這也證明了噴霧對于提高聲波團聚有明顯的效果。

圖8 飛灰顆粒在有無噴霧下的SEM照片對比

3 結論

（1）細顆粒聲波團聚效果對頻率變化較為敏感。在本文研究條件下，聲波團聚的最佳頻率為1400Hz，在149dB 聲壓級下能達到約52%的團聚效率。在偏離最佳頻率后，團聚效率迅速下降。在最佳頻率下，不論是低聲壓級還是高聲壓級，顆粒物都能達到很好的團聚效果。

（2）噴霧顆粒的加入能夠強化聲波團聚效果，團聚效率有了極為明顯的提升。141dB的聲波聯合較小噴霧（Cw=8.5g/m3）也能達到50%以上的團聚效率。在141dB和149dB的聲壓級下，聲波聯合噴霧（Cw=15g/m3）的團聚效率分別達到了約60%與67%。這主要是因為噴霧顆粒的加入增大了顆粒間的相對挾帶系數，加強了顆粒間的相對運動。同時噴霧顆粒增大了顆粒濃度，增大了細顆粒碰撞概率。

（3）從SEM 照片可以看出，加入噴霧后形成的團聚體有著更為緊密的結構，黏結的顆粒數目更多，可以證明噴霧對于聲波團聚的強化效果。