沈國清，何春龍，黃曉宇，張世平，安連鎖

(1. 華北電力大學國家火力發(fā)電工程技術研究中心，北京 102206；2. 華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206)

0 引 言

可吸入顆粒物(PM10)是指粒徑小于10 μm的顆粒，細顆粒物(PM2.5)是指粒徑小于2.5 μm的顆粒，超細顆粒物(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。美國環(huán)保局等相關機構專門對細顆粒物(PM2.5)進行了研究，研究發(fā)現(xiàn)PM2.5是危害人體健康最嚴重的主要污染物之一，會損壞人體呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)[1]。

工業(yè)生產(chǎn)特別是燃燒過程會產(chǎn)生大量的顆粒物，并排放到大氣中。目前，常規(guī)的除塵設備有靜電除塵器、布袋除塵器和旋風分離器等。這些設備對于粒徑大于 10 μm 的大顆粒物的脫除效率很高，比如在電廠中應用最廣泛的靜電除塵器，其對粒徑大于10 μm的大顆粒脫除效率高達99%，但是對于 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量雖少但數(shù)目巨大。為了解決此問題，學者對常規(guī)除塵流程進行改進，即對煙塵進行預處理，使細顆粒物長大，最后聯(lián)合后續(xù)常規(guī)除塵器進行脫除[5]。聲波團聚就是這樣一門技術，煙塵中的細顆粒物在高強度的聲場作用下發(fā)生碰撞，團聚形成較大顆粒。因為聲場的自身特性，在工程中運用聲場有諸多優(yōu)點，比如結構布置簡單，不影響設備正常運行，適應各種惡劣條件等。因此利用聲波團聚脫除細顆粒物被認為是最具發(fā)展?jié)摿Φ某龎m技術之一[5]。本研究不僅適用于大型燃煤電站鍋爐，而且對中小型燃煤工業(yè)鍋爐和供暖鍋爐具有同樣重要的指導價值和工程應用意義。

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

在實驗研究方面，學者研究了聲場參數(shù)(頻率、聲壓級)、顆粒停留時間和顆粒濃度等因素對聲波團聚效果的影響[9-13]。Tiwary[9]等人采用1～5 kHz的聲波對0.1～20 μm的燃煤飛灰進行聲波團聚實驗，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1～10 μm的燃煤飛灰進行聲波團聚實驗，發(fā)現(xiàn)低頻聲波更有利于聲波團聚；陳厚濤[11]等人采用1 000 Hz的聲波對柴油機尾氣中的超細顆粒物進行聲波團聚實驗，系統(tǒng)研究了聲場強度、停留時間和顆粒數(shù)目濃度對細顆粒脫除效率的影響；Zhou D[12]等人將聲波團聚與常規(guī)除塵器相結合，實驗結果表明聲波團聚能顯著提高除塵器的除塵效率；張光學[13]等人采用500～3 000 Hz的聲波對0～10 μm的燃煤飛灰進行聲波團聚實驗，其最佳頻率為1 400～1 700 Hz。

雖然國內(nèi)外學者對聲波團聚課題做了大量的實驗研究，但是實驗對象多為10 μm以下，粒徑分布呈現(xiàn)單峰特征的顆粒(單峰分布顆粒)。然而聲波團聚作為一門煙氣預處理技術，運用在常規(guī)除塵器前的煙塵環(huán)境中。據(jù)資料顯示，在實際工程應用中，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驗樣品，搭建聲波團聚實驗臺，研究聲壓級和頻率對可吸入顆粒物脫除的影響，更具工程實用價值。同時本文從微觀尺度上探究聲波團聚中的團聚體受力情況，結合計算以及實驗結果提出聲波團聚技術的適用環(huán)境：建議將聲波團聚技術運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)動機尾氣處理等。

1 聲波團聚中團聚體受力分析

在聲波團聚中，學者認為在高強度的聲場中，大小顆粒隨聲波的振動幅度不同而發(fā)生相對運動，從而發(fā)生碰撞。顆粒碰撞的結果有三種：團聚、分離、破碎。

對于微米級的顆粒而言，以范德華力為主的粘附力占據(jù)主導地位[14]，所以微米級顆粒在聲場中碰撞后團聚。但是本文研究對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團聚體進行受力分析，判斷其碰撞結果。

根據(jù)顆粒間在團聚過程中所起的不同作用，可分為兩種力[14]：促使團聚體破碎的力Ff和促使顆粒團聚的力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等是促使顆粒團聚的力。

1.1 團聚體受力計算方法

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

式中：d是團聚體直徑(m)；是聲壓幅值的算術平均值(Pa)。

式中：ρa是團聚體密度(kg/m3)；ρf是流體密度(kg/m3)；d是團聚體直徑(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[計算時一般取(1.65～4)×10-10m]；d1和d2是兩顆粒直徑(m)。

1.2 計 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。

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

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

表1 計算參數(shù)Table 1 Parameters for calculation

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

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

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

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

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

2 實 驗

2.1 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)如圖2所示，主要包括5個部分：給料系統(tǒng)、聲發(fā)射及測量系統(tǒng)、聲波團聚室、采樣測量系統(tǒng)、尾氣處理系統(tǒng)。

圖2 聲波團聚實驗系統(tǒng)圖Fig.2 Experimental system of acoustic agglomeration

給料系統(tǒng)主要由風機、流量計和微量給料機組成。給料機采用東孚公司設計制造的 TWLP-15型微量給料機，其特點是微量給料，給料穩(wěn)定。實驗中可以通過調(diào)節(jié)變頻箱控制給料速度，達到實驗要求。

聲源及測量系統(tǒng)主要由計算機、MTC-300大功率音頻發(fā)生器以及 TD-300大功率音頭組成。計算機端通過 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。在聲波團聚室上部和下部布置兩個聲信號測點，通過聲傳感器將信號傳輸?shù)綆в胁杉ǖ挠嬎銠C進行測量。

聲波團聚室為圓柱形，尺寸：長為1.5 m，直徑為0.1 m，壁厚為10 mm。聲波團聚室上端為聲源，下端鏈接取樣池并設有尾氣處理系統(tǒng)。聲源信號為正弦波，在團聚室內(nèi)形成中高強度的穩(wěn)定駐波場。經(jīng)測量，在0~10 000 Hz聲波條件下，管內(nèi)聲壓級沿管長衰減不超過1%，可以忽略不計。

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

尾氣處理系統(tǒng)由除塵器和引風機組成。實驗后的氣溶膠中的顆粒物通過除塵器進行處理。

2.2 實驗過程及參數(shù)

整個聲波團聚實驗過程為：通過調(diào)節(jié)風機功率來控制空氣流量，由流量計進行讀數(shù)；在聲波團聚室上方有聲源發(fā)出聲波，在聲波團聚室內(nèi)部形成穩(wěn)定的聲場，通過計算機軟件發(fā)出不同頻率的聲波；調(diào)節(jié)音頻發(fā)生器來控制聲壓級；啟動給料機，實驗樣品從微料給料機中均勻進入管道，與空氣進行混合，隨空氣進入聲波團聚室；大小顆粒在聲場的作用下碰撞從而發(fā)生團聚，最后在取樣池進行取樣測量，尾氣通過除塵器進行處理。

聲波團聚實驗的參數(shù)很多，比如聲壓級、頻率、顆粒初始濃度、停留時間等。本實驗只考察聲波頻率和聲壓級對團聚的影響。實驗范圍：聲波頻率范圍為500～3 500 Hz，聲壓級范圍為70～140 dB。通過控制變量法對其他參數(shù)進行控制，顆粒初始濃度為20 g/m3，停留時間為3 s。

3 實驗結果與分析

3.1 顆粒的初始粒徑分布

在聲波團聚實驗中，首先要測量顆粒的初始粒徑分布，使用激光粒度分析儀進行測量。在不加聲場的情況下，收集實驗樣品顆粒進行測量。測量結果如圖 3所示，實驗所用顆粒粒徑范圍為 0～200 μm，呈雙峰分布，兩個峰值分別在 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為聲波團聚前可吸入顆粒物的體積分數(shù)；N1為聲波團聚后可吸入顆粒物的體積分數(shù)。

3.2 聲波頻率對聲波團聚的影響

根據(jù)聲波團聚的同向團聚理論，頻率過低，大小顆粒都隨聲波完全震蕩，沒有相對運動，不發(fā)生碰撞；頻率過高，大小顆粒在聲場中靜止，也不發(fā)生碰撞。所以對于某一固定粒徑分布的顆粒群，理論上存在一個最佳頻率。學者通過實驗也發(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，實驗結果有所差異。學者多以10 μm以內(nèi)的顆粒作為研究對象，不符合工程實際。本文以0～200 μm 的大小顆粒共存的雙峰顆粒物作為研究對象。

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

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

在可吸入顆粒物范圍(0～10 μm)考察聲波團聚效果，PM2.5的最佳頻率高于PM10的最佳頻率。這種規(guī)律符合同向團聚機理，頻率越大，對小顆粒的挾帶作用越大，團聚效果越好。對于某一固定粒徑分布的顆粒群，研究其中某一粒徑段的團聚效果，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聚效率Fig.4 Agglomeration efficiencies of inhalable particles at different frequencies

3.3 聲場強度對聲波團聚的影響

影響聲波團聚效率的另一個很重要的參數(shù)是聲場強度，一般用聲壓級來衡量。本文在 70～140 dB的實驗范圍內(nèi)，研究了聲場強度對聲波團聚的影響。聲波頻率固定在1 300 Hz，顆粒初始濃度為20 g/m3，停留時間為3 s。

圖5所示為不同聲壓級下可吸入顆粒物的團聚效率。PM2.5和PM10的團聚效率隨頻率有著相同的變化趨勢：隨著聲壓級的升高，團聚效率一直增大，當達到120 dB時，PM2.5和PM10的團聚效率達到最大，分別為 21.9%和24.8%；隨著聲壓級的繼續(xù)增大，團聚效率反而減小，當達到135 dB時，團聚效率出現(xiàn)負值。

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

在聲波團聚中，聲場只是增強了顆粒間的相互運動，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聚。然而作用在團聚體上的聲波作用力是使其破碎的力。以前的學者對于聲波團聚實驗采用的是10 μm以下的小顆粒，其顆粒間的范德華力等粘性力較大，一般不會發(fā)生破碎，并且聲壓級越大，團聚效果越好。但是當采用粒徑分布較廣的顆粒物進行聲波團聚實驗，隨著聲壓級的升高，團聚效果并非一直變好。

在第1節(jié)的理論計算中，120 dB時的團聚體臨界粒徑為 287 μm，本文實驗所用顆粒粒徑均小于287 μm，顆粒碰撞后團聚；140 dB時的團聚體臨界粒徑為30.5 μm，本文實驗所用顆粒部分是大于30.5μm的大顆粒，在聲場中碰撞發(fā)生破碎。

圖6 120 dB與140 dB聲壓級下實驗后的顆粒粒徑分布對比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實驗后的顆粒粒徑分布的對比圖。120 dB時，10 μm以下的小顆粒相對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，這是因為大顆粒作為團聚核，小顆粒與其進行碰撞團聚，在減少了小顆粒的同時增多了大顆粒；但是在140 dB下，實驗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，這是因為聲壓級過大，原始顆粒中的部分大顆粒自身結構等因素，在過大聲壓級下發(fā)生破碎，10 μm以下的顆粒大量增加。

4 結 論

本文從微觀層面對團聚體進行受力分析，研究了顆粒在聲場條件下團聚體的臨界粒徑。同時結合實際工業(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驗對象，實驗研究了頻率和聲壓級對聲波團聚的影響，結論如下：

(1) 通過理論計算，聲壓級越高，團聚體的臨界粒徑越?。?/p>

(2) 在120 dB下，實驗研究了頻率對聲波團聚的影響。在實驗范圍 500～3 500 Hz內(nèi)，雙峰分布可吸入顆粒物的聲波團聚實驗存在的最佳頻率范圍為1 800~2 300 Hz，團聚效率達到25%～30%；

(3) 在1 300 Hz下，實驗研究了聲壓級對聲波團聚的影響。在實驗范圍70~140 dB內(nèi)，雙峰分布可吸入顆粒物的團聚效率先增后減。120 dB時PM2.5和PM10的團聚效率達到最大，分別為21.9%和 24.8%。對于粒徑較大的顆粒，由于自身結構等因素，在較大聲壓級下發(fā)生破碎。

由本文分析可知，將聲波團聚技術應用到燃煤電站煙氣中的可吸入顆粒物處理中，需要同時考慮聲場的破碎作用，建議將聲場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顆粒物，或者將聲場布置在脫硫塔出口凈煙道上，聯(lián)合高效管式除霧器技術脫除細顆粒物。另外，建議將聲波團聚技術運用在顆粒粒徑較小的環(huán)境，比如發(fā)動機尾氣處理。為了將聲波團聚技術運用于工程實際，在以后的工作中，還需要對大顆粒在聲場中發(fā)生破碎的行為進行更深入的研究。

[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,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 機組電除塵器可吸入顆粒物排放控制試驗研究[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)律的試驗研究[J]. 中國電機工程學報, 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. 大型電袋復合除塵器除塵效率的實驗研究與優(yōu)化[J]. 動力工程學報, 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, 劉建忠, 周俊虎, 等. 氣溶膠微粒聲波團聚技術的回顧與展望[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, 劉建忠, 王潔, 等. 聲波團聚中尾流效應的理論研究[J].高?；瘜W工程學報, 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. 聲波團聚脫除柴油機尾氣中超細顆粒物的試驗研究[J]. 內(nèi)燃機學報, 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, 劉建忠, 周俊虎, 等. 燃煤飛灰低頻下聲波團聚的實驗研究[J]. 化工學報, 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. 聲場流化床中超細顆粒聚團受力與尺寸[J]. 過程工程學報, 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.