張光學(xué)，朱穎杰，周濤濤，王進(jìn)卿，徐鴻，池作和

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噴霧對(duì)促進(jìn)細(xì)顆粒物聲波團(tuán)聚的影響

張光學(xué)，朱穎杰，周濤濤，王進(jìn)卿，徐鴻，池作和

（中國(guó)計(jì)量大學(xué)能源工程研究所，浙江杭州 310018）

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

氣溶膠；噴霧；聲波；團(tuán)聚；粒度分布

引 言

大氣中的細(xì)顆粒物，尤其是PM2.5（空氣動(dòng)力學(xué)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(zhì)，對(duì)人體健康和環(huán)境危害很大，已經(jīng)成為我國(guó)各地大氣的首要污染物[1-2]。燃煤等工業(yè)過程是大氣細(xì)顆粒物的主要來源[3]。目前廣泛使用的靜電除塵器等常規(guī)除塵設(shè)備，雖能達(dá)到97%～99%總除塵效率，但對(duì)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(lǐng)域的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)。

聲波團(tuán)聚是其中一項(xiàng)有潛力的除塵預(yù)處理技術(shù)[5-6]，其原理是利用高強(qiáng)聲波對(duì)含塵煙氣進(jìn)行處理，使顆粒之間發(fā)生碰撞、團(tuán)聚，形成更大的團(tuán)聚體顆粒。處理后煙氣中的顆粒數(shù)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(shù)秒內(nèi)使PM2.5濃度降低70%以上[8-9]，如果將該技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)煙氣預(yù)處理，則可使常規(guī)除塵器對(duì)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(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者已對(duì)聲波團(tuán)聚技術(shù)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(tuán)聚機(jī)理。實(shí)驗(yàn)表明，聲波團(tuán)聚的最佳頻率與氣溶膠粒徑有關(guān)，粒徑越小，所需的聲波頻率越高。對(duì)于燃煤煙氣等微米及亞微米級(jí)顆粒物，1～3 kHz比較合適[8, 12-13]；對(duì)于內(nèi)燃機(jī)排氣等納米級(jí)顆粒物，10～30 kHz的高頻聲波則更有效[14-15]。在機(jī)理研究方面，普遍認(rèn)為同向團(tuán)聚機(jī)理對(duì)多分散相氣溶膠最重要[16-17]，即粒徑不同的顆粒在聲場(chǎng)中被夾帶程度不同導(dǎo)致的碰撞團(tuán)聚。而流體力學(xué)機(jī)理[18]主要在單分散相氣溶膠中起作用，指的是顆粒在聲場(chǎng)中由于其周圍流場(chǎng)不對(duì)稱，對(duì)附近其他顆粒產(chǎn)生吸引或排斥，引起相對(duì)運(yùn)動(dòng)而團(tuán)聚。

盡管聲波團(tuán)聚技術(shù)已在實(shí)驗(yàn)室獲得成功，但是為了能在數(shù)秒時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生可觀的團(tuán)聚效果，一般需要150 dB以上聲壓級(jí)[6]，能耗很大，且?guī)碓肼曃廴締栴}，這是制約該技術(shù)進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用的重要因素之一。為了能在中等強(qiáng)度聲場(chǎng)中進(jìn)行有效的顆粒團(tuán)聚，部分研究者提出采用蒸汽和噴霧等外加條件協(xié)助促進(jìn)團(tuán)聚的方法[19-20]。Sarabia等[15]較早地研究了添加蒸汽對(duì)柴油機(jī)排氣聲波團(tuán)聚的影響，發(fā)現(xiàn)在21 kHz時(shí)，6%水蒸氣能夠提高約30%的團(tuán)聚效率。陳厚濤等[21]在燃煤煙氣中添加霧化水滴，發(fā)現(xiàn)能有效提高聲波對(duì)PM2.5顆粒的清除效率，增幅達(dá)20%左右。楊振楠等[22]發(fā)現(xiàn)提高氣體相對(duì)濕度能一定程度上促進(jìn)聲波團(tuán)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(rùn)濕劑液滴對(duì)改善聲波團(tuán)聚的影響，發(fā)現(xiàn)過飽和度超過1.0后，團(tuán)聚迅速增強(qiáng)，能夠在130 dB時(shí)達(dá)到70%的脫除效率；添加潤(rùn)濕劑亦可有效提高聲波團(tuán)聚效率，提高的幅度大致與顆粒潤(rùn)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(tuán)聚效率，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)能夠改善布袋除塵器運(yùn)行條件。

綜上，噴霧增濕提高聲波團(tuán)聚效果的方法已得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該措施能大幅降低團(tuán)聚過程的運(yùn)行能耗，為工業(yè)應(yīng)用提供了一個(gè)可行的發(fā)展方向。然而，相關(guān)的研究剛起步，液氣比和停留時(shí)間等參數(shù)的影響仍未得到深入了解，尤其是聲波頻率對(duì)噴霧聯(lián)合聲波團(tuán)聚效率的影響尚未見報(bào)道，而這方面研究對(duì)推動(dòng)該技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用具有重要意義。

本文以燃煤煙氣為對(duì)象，通過實(shí)驗(yàn)研究了聲功率、頻率、液氣比和停留時(shí)間等對(duì)噴霧情況下的聲波團(tuán)聚效率的影響，并分析了噴霧改善聲波團(tuán)聚的作用機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

圖1是聲波團(tuán)聚實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。燃煤飛灰經(jīng)過篩分和烘干處理，通過定量粉末給料機(jī)（瑞士Lambda 公司，5812-L型）送入風(fēng)粉混合器，與空氣混合，形成模擬煙氣，然后經(jīng)過分離器預(yù)處理，去除部分過大顆粒，最終形成穩(wěn)定氣溶膠進(jìn)入團(tuán)聚室。模擬煙氣體積流量為7.1～14.1 m3·h-1，進(jìn)入團(tuán)聚室的顆粒物初始濃度約為2 g·m-3。團(tuán)聚室由有機(jī)玻璃制成，呈圓筒狀，內(nèi)徑100 mm，高1.5 m，豎直放置。聲源系統(tǒng)位于團(tuán)聚室頂端，由信號(hào)發(fā)生器、音頻功率放大器、壓縮式驅(qū)動(dòng)器及號(hào)角組成。團(tuán)聚室上部還布置了壓力霧化噴嘴（東莞捷原，SU1型），噴射方向?yàn)樨Q直向下，霧化角度為60°，介質(zhì)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(shí)驗(yàn)中，用液氣比指標(biāo)來衡量噴霧量，定義為噴霧液氣比與氣溶膠的質(zhì)量流量之比。

實(shí)驗(yàn)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(jí)可達(dá)130～150 dB，且在團(tuán)聚室中幾乎不發(fā)生衰減。在團(tuán)聚室尾部采用撞擊式采樣器（常州普森電子廠，F(xiàn)A-3型）進(jìn)行氣溶膠粒徑分布測(cè)量。該儀器共有9級(jí)，每一級(jí)都由帶細(xì)小噴口的孔板及集塵盤組成，參數(shù)見表1。當(dāng)氣溶膠進(jìn)入采樣器后，由于孔板上的噴口直徑逐級(jí)縮小，氣流速度逐級(jí)增大，不同大小的顆粒因慣性差異，分別被相應(yīng)的集塵盤截獲。最末級(jí)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(jí)粒徑參數(shù)

用團(tuán)聚效率來評(píng)價(jià)團(tuán)聚效果，定義為

式中，0和分別為氣溶膠團(tuán)聚前后的顆粒數(shù)目濃度，cm-3。

2 結(jié)果與討論

2.1 聲功率的影響

圖2為聲場(chǎng)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(tuán)聚室的停留時(shí)間為5.3 s、噴霧液氣比為0.07。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，初始?xì)馊苣z粒徑基本上呈雙峰分布，峰值大致出現(xiàn)在1.5 μm和5 μm處。在聲波作用下，氣溶膠顆粒數(shù)目濃度大幅降低，團(tuán)聚效果顯著。添加噴霧后，團(tuán)聚效果進(jìn)一步增強(qiáng)，僅5.0 W的噴霧聲波聯(lián)合團(tuán)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(shí)的氣溶膠團(tuán)聚效率，為液氣比，其中聲波頻率為1400 Hz、氣溶膠在團(tuán)聚室的停留時(shí)間為5.3 s，為0時(shí)表示無聲波僅噴霧。由圖可見，無論是否存在噴霧，團(tuán)聚效率均隨著聲功率增加而提高，這是因?yàn)槁暪β试礁?，團(tuán)聚室內(nèi)氣溶膠介質(zhì)振幅越大，使細(xì)顆粒的振動(dòng)增強(qiáng)，促進(jìn)了顆粒的碰撞及團(tuán)聚。在各液氣比下，加入聲波總是能夠進(jìn)一步提高噴霧作用下的團(tuán)聚效率。當(dāng)聲功率相同時(shí)，噴霧能夠顯著提高團(tuán)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(duì)夾帶系數(shù)的增加，能夠有效提高團(tuán)聚效果。

2.2 聲波頻率的影響

純聲波團(tuán)聚時(shí)，實(shí)驗(yàn)已發(fā)現(xiàn)其存在最佳頻率[8,13]，高于或低于該頻率都會(huì)導(dǎo)致團(tuán)聚效率降低。而添加噴霧時(shí)，聲波頻率對(duì)團(tuán)聚效果的影響尚不清楚。圖4為不同頻率下的聲波團(tuán)聚效率變化情況，其中聲功率為12.5 W、停留時(shí)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，純聲波作用下，最佳團(tuán)聚頻率為1400 Hz；添加噴霧后，聲波團(tuán)聚同樣存在最佳團(tuán)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(shù)有關(guān)，在本文實(shí)驗(yàn)條件下該值為1400 Hz。這表明，噴霧前后的主要控制機(jī)理均為同向團(tuán)聚機(jī)理，因?yàn)樵摍C(jī)理的團(tuán)聚核函數(shù)對(duì)頻率變化比較敏感[27]。另外，聲波對(duì)PM2.5顆粒的去除效率略高于氣溶膠總團(tuán)聚效率。

2.3 液氣比的影響

圖5為液氣比對(duì)團(tuán)聚效率的影響，停留時(shí)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(tuán)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(shí)，這種增長(zhǎng)趨勢(shì)更明顯。然而，當(dāng)液氣比超過0.10時(shí)，團(tuán)聚效率增加的趨勢(shì)逐漸減緩，進(jìn)一步增加液氣比并不能有效提高聲波團(tuán)聚效率。

2.4 停留時(shí)間的影響

停留時(shí)間是聲波團(tuán)聚技術(shù)的一個(gè)重要的參數(shù)，過長(zhǎng)的停留時(shí)間將使團(tuán)聚室體積過大，且聲波衰減顯著，使工業(yè)應(yīng)用困難。圖6是停留時(shí)間（）對(duì)團(tuán)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無噴霧時(shí)，隨停留時(shí)間的延長(zhǎng)，團(tuán)聚效率基本上呈線性增加；存在噴霧時(shí)，當(dāng)停留時(shí)間達(dá)到4.2 s時(shí)，團(tuán)聚效率已接近最大值，進(jìn)一步延長(zhǎng)停留時(shí)間并不能提高團(tuán)聚效率。因此，通過噴霧提高聲波團(tuán)聚效率的方法，還可以降低團(tuán)聚室體積，有利于推動(dòng)該技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用。

2.5 噴霧促進(jìn)聲波團(tuán)聚的機(jī)理分析

在聲場(chǎng)中，氣溶膠中的顆粒物會(huì)隨著氣體介質(zhì)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(zhì)，兩者的比值定義為夾帶系數(shù)[28]

式中，p和g分別為顆粒和氣體振動(dòng)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(shí)間，s。

顆粒粒徑越大，慣性越大，夾帶系數(shù)越小，在聲場(chǎng)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(shù)不同，振幅也不同，產(chǎn)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)，發(fā)生碰撞而團(tuán)聚，這就是同向團(tuán)聚機(jī)理[16, 29]。

霧化液滴粒徑大于氣溶膠細(xì)顆粒，因此夾帶系數(shù)低于細(xì)顆粒，不同頻率下兩者的夾帶系數(shù)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(xì)顆粒取2 μm與5 μm為代表）。由圖可見，液滴與顆粒間的相對(duì)夾帶系數(shù)（d,p）大于顆粒之間的相對(duì)夾帶系數(shù)（d,d）。噴霧前，僅靠細(xì)顆粒之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的團(tuán)聚，由于d,d較小，團(tuán)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(duì)運(yùn)動(dòng)程度增強(qiáng)，團(tuán)聚效果能夠得到增強(qiáng)。此時(shí)，霧化液滴起到了“種子顆粒”的作用[30]，成為氣溶膠中團(tuán)聚核，有效地與周圍的細(xì)顆粒發(fā)生碰撞，提高了團(tuán)聚效率。

3 結(jié) 論

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

（2）添加噴霧后，聲波團(tuán)聚效率大幅增加，提升幅度為25%～40%，僅5 W時(shí)團(tuán)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(tuán)聚工藝的能耗。

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

（4）當(dāng)液氣比較低時(shí)，聲波團(tuán)聚效率隨液氣比的增加而明顯增大，而當(dāng)液氣比達(dá)到0.10以上時(shí)，團(tuán)聚效率趨于穩(wěn)定。

（5）添加噴霧時(shí)，聲波團(tuán)聚效率隨停留時(shí)間的增加而提高，但當(dāng)達(dá)到4.2 s時(shí)基本達(dá)到最大值，表明通過噴霧可以降低團(tuán)聚室體積，對(duì)該技術(shù)的工業(yè)推廣有利。

符 號(hào) 說 明

d——顆粒粒徑，m P——聲功率，W t——停留時(shí)間，s η——團(tuán)聚效率 λ——液氣比 μd,d——顆粒間相對(duì)夾帶系數(shù) μd,p——液滴與顆粒間相對(duì)夾帶系數(shù) μg——?dú)怏w介質(zhì)動(dòng)力黏度，Pa·s ρp——顆粒密度，kg·m-3 τp——顆粒弛豫時(shí)間，s 下角標(biāo) d——液滴 g——?dú)怏w介質(zhì) p——顆粒 0——團(tuán)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51408574）；浙江省“儀器科學(xué)與技術(shù)”重中之重學(xué)科人才培育計(jì)劃項(xiàng)目；浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（LY13E060007）。

2016-11-09收到初稿，2016-11-30收到修改稿。

聯(lián)系人及第一作者：張光學(xué)（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).