鐘雲(yún)濠,吳昂鍵,顧海林,池作和,陳 彤,張光學,*

(1. 浙江大學 能源高效清潔利用全國重點實驗室, 浙江 杭州 310027; 2. 中國計量大學 能源工程研究所, 浙江 杭州 310018)

0 引 言

近年來,隨著我國重工業(yè)的大力發(fā)展,國內大量的土壤遭受了嚴重的污染。數(shù)據(jù)表明[1],截至2021年,我國約有34%的土壤存在輕度污染的情況,約48%的土壤存在重度污染的情況,因污染嚴重而導致無法使用占23%。為解決愈發(fā)嚴重的土壤污染問題,我國已有的污染土壤處理技術包括熱脫附技術、氣相抽提技術、氧化/還原技術、土壤淋洗技術、生物修復技術[2]等。其中熱脫附技術已在我國形成了較為成熟的產業(yè)鏈,其通過直接或間接加熱的方式,將土壤中的污染物加熱至一定溫度,使其蒸發(fā)成氣態(tài)與土壤分離,再通過尾氣處理系統(tǒng)將尾氣處理后達標排放,實現(xiàn)土壤修復[3]。土壤經熱脫附裝置處理后,溫度在300～500 ℃之間,通常在出料口安裝降溫除塵裝置,來將土壤溫度進冷卻至80 ℃左右,在實際過程中,粒徑較小的土壤顆粒會被蒸發(fā)的水蒸氣攜帶,從出料口溢出形成煙霧,從而對周圍環(huán)境造成污染。因此,對熱脫附裝置出料口溢出的小顆粒土壤進行沉降和收集十分重要。

聲波團聚(Acoustic agglomeration)是指在含塵氣體上施加高強度聲場,使氣溶膠之間發(fā)生相對運動,直至碰撞和團聚合并的技術。聲波團聚可以使顆粒的數(shù)目濃度大幅減少,目前已被應用于多個場合的除塵和消煙。雷巖巖等[4]在燒結機尾設計并安裝的聲波團聚耦合旋流除塵裝置,可以將燒結機尾的顆粒物排放濃度降低77%左右。南京某公司[5]研發(fā)的復合聲波團聚高效除塵技術,通過聲波團聚將煙氣中細顆粒物的粒徑增大,然后通過多相物質分離工藝實現(xiàn)大顆粒物的脫除,目前該技術已用于脫硫塔的改造,可將煙囪凈煙氣的粉塵排放濃度降低至5 mg/Nm3以下,達到粉塵超低排放標準。

國內外針對聲波團聚的研究主要有除塵領域應用和團聚機理研究兩方面。在除塵領域應用方面,張光學等[6]發(fā)現(xiàn)聲波團聚存在最佳聲頻,并通過實驗測得燃煤飛灰的最佳聲頻在1 400～1 700 Hz之間。DONG Z[7]等將聲波團聚實驗裝置分別和靜電除塵器和布袋除塵器連接,發(fā)現(xiàn)在1 400 Hz、148 dB的聲場下,可以使靜電除塵器的除塵效率從89.05%提升至99.28%,使布袋除塵器的除塵效率從91.29%提升至99.19%。GUOQING S等[8]使用三種不同粒徑分布的煤粉灰進行聲波團聚,發(fā)現(xiàn)對于粒徑分布較為集中的單峰顆粒,團聚效率隨聲壓級增大而增大,對于粒徑分布范圍較大的雙峰顆粒,在115 dB和120 dB時存在最佳聲壓級,團聚效率分別為25%和55%。陶威等[9]將噴霧應用到聲波團聚中,發(fā)現(xiàn)聲頻為900 Hz時,在1.2 L/h的噴霧流量下,150 dB聲波的團聚效率由無噴霧時的29.75%上升到了60.63%,從而降低聲波團聚的能耗。趙天昊等[10]基于聲波團聚和噴霧,設計了一個破碎機除塵裝置,并應用于柴油機尾氣的凈化處理,發(fā)現(xiàn)在水蒸氣含量為6%、聲頻為21 kHz的條件下,團聚效率比沒有水蒸氣時高30%。曹志勇等[11]將聲波團聚技術應用于消除火災煙霧,發(fā)現(xiàn)在1 000 Hz、140 dB的聲場下,煙霧的透光率在20 s內從22%提高到了90%,最佳聲頻在1 000～2 000 Hz之間。

在聲波團聚的機理研究方面,Temkin等[12]通過實驗總結了不可壓縮粘性流體的顆粒挾帶系數(shù)。Dong等[13]發(fā)現(xiàn)顆粒重力對于聲波中粒子的碰撞效率有著顯著影響。Dianov等[14]提出聲波尾流效應,主要內容為:聲場中的顆粒沿運動方向的流場前后不對稱,在顆粒尾部存在低壓區(qū)域,如果其他顆粒出現(xiàn)在顆粒尾部,其受到的阻力減小,會加速向該顆粒靠近,半個周期后,顆粒運動方向反向,角色互換但仍然相互靠近,經過幾個周期后,兩個顆粒有可能碰撞團聚。張光學等[15]構建了一種新的聲波尾流模型,對模型進行了邊界條件的理論分析和CFD模擬,計算了兩個粒子在水平聲場中的運動軌跡,發(fā)現(xiàn)該模型與Dianov的模型相比更加準確。

本文研究了聲頻、聲壓級、噴霧濃度等關鍵因素對除塵效果的影響,研究成果有助于揭示噴霧協(xié)同聲波除塵的微觀機理,并為噴霧聯(lián)合聲波除塵技術的研究提供數(shù)據(jù)參考。

1 實驗方法

1.1 實驗裝置和除塵效率的計算

實驗裝置如圖1所示,各裝置的型號和生產廠家信息見表1。

表1 裝置種類、型號和生產廠家

圖1 研究聲波團聚除塵關鍵影響因素的實驗裝置Fig. 1 Experimental setup for studying the key parameters of acoustic agglomeration dust removal

奧突斯小型空氣壓縮機向匯分7991粉塵發(fā)生器內泵入壓縮空氣,使粉塵從發(fā)生器出口噴出,經管道進入到團聚室內。團聚室為一個內徑120 mm、高220 mm的圓筒,頂部放置聲源喇叭,BNB銣磁聲源喇叭連接RMX 2450 MY-2100功率放大器和VICTOR2015H信號發(fā)生器。噴頭位于團聚室底部,最大流量為300 mL/h,孔徑為0.5 mm,噴霧粒徑約在1～3 μm左右。信號發(fā)生器用于控制聲波的頻率,音頻功率放大器用于控制聲壓級大小,AWA5661-3聲級計用于測量團聚室的聲壓級,量程為30～160 dB。使用激光發(fā)射器和SANWA LP10激光功率計,通過測量團聚室的透光率,計算團聚室的氣溶膠濃度,來定量描述聲波團聚的除塵效率,發(fā)射器發(fā)射的激光穿過團聚室中心位置,入射到激光功率計上,激光功率計的測量范圍為0.1 μW～40.40 mW,激光功率計和團聚室透光率的關系如下式:

(1)

式(1)中,T為團聚室透光率,I為激光功率計的實時示數(shù),I0為沒有粉塵和噴霧時激光功率計的示數(shù)。

Manoucheri等[16]提出了透光率和氣溶膠體積分數(shù)之間的關系式:

(2)

式(2)中:Vt和V0分別為聲波作用時間為t時的氣溶膠體積分數(shù)和初始時氣溶膠體積分數(shù),%;Tt和T0分別為團聚室t時刻的透光率和初始透光率。

根據(jù)上式,定義聲波團聚前后氣溶膠濃度的改變率為除塵效率η,如下式所示:

(3)

式(3)中:η為t時刻聲波團聚的除塵效率,%;η值越大,說明在0～t時間內粉塵濃度的降低程度越大,除塵效果越好。

1.2 粉塵樣品的粒徑分布

實驗使用的粉塵取自國內某熱脫附裝置出料口的砂質壤土,取得的壤土經88 μm篩網(wǎng)過濾,得到實驗使用的粉塵樣品,使用Beckman Coulter LS13320激光粒度儀測量粉塵樣品的粒徑分布,測量結果如圖2所示。由測量結果可知,約90.7%顆粒的粒徑在1 μm以內。使用電子天平和量筒測得粉塵的密度,約為1.9 g/cm3。

圖2 粉塵的粒徑分布Fig. 2 Particle size distribution of soil dust

2 實驗結果與分析

2.1 聲頻對除塵效果的影響

圖3顯示了在粉塵濃度為600 mg·m-3、聲壓級為145 dB的條件下,改變聲頻后粉塵的透光率隨聲波作用時間的變化。

圖3 不同聲頻下,粉塵的透光率隨團聚時間的變化Fig. 3 Changes of light transmittance of soil dust with agglomeration time at different acoustic frequencies

由圖可知,沒有聲波作用時,團聚室的透光率變化緩慢,60 s內僅僅提升至0.38。施加聲波后,透光率在初期迅速增大,1 400 Hz時,透光率在30 s內從0.38增加至0.82。隨著聲波團聚的進行,透光率的增大速率逐漸減緩,這是因為初始時粉塵濃度大,顆粒之間的距離較小,發(fā)生碰撞和團聚的時間較短,沉降速度快,所以透光率變化大;隨著團聚過程的進行,粉塵的濃度逐漸降低,顆粒間距變大,發(fā)生碰撞和團聚的時間增加,沉降速度變慢,所以透光率變化緩慢。

圖4顯示了t=60 s粉塵的除塵效率η和聲頻的變化關系。由圖可知,除塵效率η隨著聲頻的增加先增加后減小,說明聲波團聚存在著最佳聲頻。由擬合曲線可知,1 400 Hz時除塵效率達到最大,為84%,說明粉塵的最佳聲頻在1 400 Hz左右。從團聚室頂部發(fā)出的聲波經底部反射后形成反射波,反射波和入射波疊加會形成駐波,駐波會帶動顆粒的振動,由于不同顆粒的粒徑存在差異,使得它們的質量和慣性不同,導致不同粒徑顆粒在聲場中的振幅不同。另外,駐波振幅最大的點稱為波腹,振幅最小的點稱為波節(jié),而聲頻的變化會改變波腹和波節(jié)的位置,使得不同聲頻下聲場中的顆粒振幅有所不同。隨著聲頻增大,顆粒的振幅會逐漸越小直至為0,且顆粒粒徑越大,振幅下降的幅值越大。當聲頻太小時,大顆粒和小顆粒在聲場中的振幅相近,使得二者的相對運動速度低,使得團聚的速度和效果差;當聲頻太大時,大顆粒和小顆粒均保持靜止或者振幅很小,二者的相對運動速度低,導致團聚效果較差[17]。因此在中間存在著一個最佳頻率,使得小顆粒和大顆粒的振幅差值最大,相對運動速度最大,即為最佳聲頻,最佳聲頻下顆粒團聚的速度最快,除塵效率最高。

圖4 t=60 s的除塵效率隨聲頻的變化Fig. 4 Changes of dust removal efficiency at t=60 s with acoustic frequency

2.2 聲壓級對除塵效果的影響

聲輻射壓力是聲波入射到一個障礙物上,對其產生的前向平均壓力。聲輻射壓力作用下的顆粒會進行從波腹到波節(jié)的定向運動[18]。聲輻射壓力的大小與聲能量密度成正比。聲壓級的大小反映了聲強的大小,而聲強和聲能量密度存在一定的正相關。調節(jié)功放的輸入功率,使用聲級計測得團聚室內的聲壓級分別為145 dB、150 dB和153 dB,圖5(a)顯示了在粉塵濃度為600 mg·m-3、聲頻為1 800 Hz的條件下,改變聲壓級后粉塵的透光率隨聲波作用時間的變化。由圖可知,隨著聲壓級增大,透光率的增加速度都逐漸增大。t=11 s,粉塵的透光率分別為0.53(145 dB)、0.68(150 dB)和0.72(153 dB)。t=60 s的除塵效率和聲壓級的關系如圖5(b)所示,由圖可知,隨著聲壓級增大,除塵效率逐漸增大,153 dB時達79%,與145 dB相比提高了38%。推測是聲壓級的增大使得聲能量密度增大,導致聲輻射壓力增大,使得顆粒的定向運動速度加快,從而促進顆粒間的碰撞和團聚。

圖5 聲壓級對除塵效率的影響Fig. 5 Effect of sound pressure level on dust removal efficiency

2.3 粉塵初始濃度對除塵效果的影響

圖6(a)顯示了在聲頻為1 800 Hz、聲壓級為145 dB的條件下,改變粉塵初始濃度后的透光率隨聲波作用時間的變化。由圖可知,粉塵的初始濃度越大,0 s時的透光率越小,分別為0.46(400 mg/m3)、0.31(600 mg/m3)和0.22(800 mg/m3),原因是粉塵初始濃度越大,顆粒分布越密集,對激光的漫反射越強,導致入射到激光功率計上的激光存在著能量損失,所以透光率較小。在團聚后期,三組濃度的透光率大小和變化基本相同,60 s時達到了0.66、0.66和0.65,原因是團聚后期粉塵濃度很小,顆粒間距很大,聲波作用下的顆粒相對運動很慢,已經難以在較短的時間內發(fā)生碰撞和團聚,此時透光率的變化主要依賴于粉塵的自然沉降,所以變化速度慢。

圖6 粉塵初始濃度對除塵效果的影響Fig. 6 Effect of initial dust concentration on dust removal efficiency

圖6(b)顯示了不同粉塵初始濃度下的除塵效率隨時間的變化關系。由圖可知,粉塵的初始濃度越大,前期的除塵速率越大,初始濃度為800 mg/m3時,11 s內除塵效率從0增大至63%;當初始濃度從400 mg/m3升高至800 mg/m3時,60 s 時的除塵效率從46%提高到了72%。推測是較大的粉塵初始濃度使得粉塵顆粒的間距縮小,發(fā)生碰撞團聚和沉降的速度提高。

2.4 聲波團聚對顆粒微觀結構的影響

粉塵在聲波團聚前和團聚后的SEM表征如圖7所示。

圖7 粉塵團聚前和團聚后的SEM圖Fig. 7 SEM images of soil dust before and after acoustic agglomeration

由圖可知,團聚前的土壤顆粒主要呈圓球狀,顆粒直徑在25～60 μm不等。團聚后可以觀察到形狀不規(guī)則的塊狀物,最大長度在400 μm 左右,約為粉塵最大粒徑的5倍,推測可能是土壤顆粒在聲場中存在被碾碎的情況,然后被碾碎的不規(guī)則顆粒在范德華力等微觀力的作用下團聚在一起,形成尺寸遠大于未團聚顆粒的塊狀物。

2.5 噴霧對除塵效果的影響

已有的研究表明,噴霧液滴可以作為聲波團聚的團聚核[11],使粒徑小的土壤顆粒黏附在粒徑大的液滴上,提高團聚效果,噴霧液滴和土壤顆粒之間的液橋力遠大于土壤顆粒和土壤顆粒之間的范德華力[7],也是噴霧能夠提高團聚效果的原因之一。圖8(a)顯示了在聲頻為1 800 Hz,聲壓級為145 dB,粉塵濃度為600 mg·m-3的條件下,改變噴霧濃度后的透光率隨著聲波作用時間的變化。

圖8 噴霧初始濃度對除塵效率的影響Fig. 8 Effect of initial spray concentration on dust removal efficiency

由圖可知,噴霧濃度越大,初始時的透光率越小,原因是初始時噴霧濃度越大,對激光的阻擋越強,透光率越小。在團聚前期,噴霧濃度越大,透光率變化越快。團聚后期,各噴霧濃度的透光率相近,60 s時分別為0.72、0.72、0.71和0.71,大于無噴霧時的0.66,說明噴霧可以降低顆粒物的濃度,提高聲波團聚的效果。噴霧液滴對聲波團聚的促進作用較為復雜,涉及到同向作用機理、聲尾流效應、聲輻射力等機理[17],本實驗所用噴霧的平均粒徑約在50 μm左右,大于粉塵的平均粒徑,根據(jù)同向作用機理,噴霧的慣性比粉塵大,運動速度更慢,導致兩者的相對運動速度增大;另外,駐波聲場中的聲輻射力大小會隨著液體球粒徑的變化而呈現(xiàn)出一系列波峰和波谷,且駐波場能夠使液滴向波節(jié)處靠近[18],使得團聚室內不同位置液滴的速度大小和方向不同。噴霧濃度越大,粉塵能更快地和附近的噴霧發(fā)生碰撞和團聚,從而提高團聚效果。圖8(b)顯示了除塵效率和噴霧的關系曲線,隨著噴霧濃度增大,除塵效率也顯著增大,當噴霧濃度為2.0 L·m-3時,除塵效率為92%,比沒有噴霧時的除塵效率提高了44%,說明聲波團聚在氣溶膠濃度較高的場合效果更好。

粉塵濃度為600 mg·m-3,噴霧濃度為1.0 L·m-3,聲壓級為145 dB的條件下,有噴霧和無噴霧時t=60 s的除塵效率隨聲頻的變化關系如圖9所示。

圖9 有噴霧時,t=60 s時的除塵效率隨聲頻的變化關系Fig. 9 Relationship between dust removal efficiency at t=60 s and audio frequency with spray

由圖9可知,施加噴霧時各組聲頻的透光率均高于沒有噴霧式各組聲頻的透光率,說明噴霧可以促進土壤顆粒的聲波團聚,提高除塵效果。有噴霧時,透光率隨著聲頻增加先增加后減小,存在最佳聲頻,根據(jù)曲線擬合結果可知,最佳聲頻在1 400 Hz左右,此時的除塵效率達98%。根據(jù)同向作用機理,聲場中不同粒徑氣溶膠的夾帶系數(shù)不同,相同聲頻下粒徑越大的顆粒夾帶系數(shù)越小,使得不同粒徑顆粒之間存在著相對運動,但當聲頻太大或太小時,不同粒徑的夾帶系數(shù)均會趨向于1.0或0.0,所以對于粒徑分布特定的氣溶膠,存在著相對運動速度最大的聲頻,為該氣溶膠的最佳聲頻。有噴霧和無噴霧除塵的最佳聲頻均在1 400 Hz左右,推測是由于噴霧的粒徑分布情況與粉塵類似,使得夾帶系數(shù)的變化趨勢與粉塵相近,使得噴霧和粉塵在1 400 Hz達到最大相對運動速度。

3 結 論

本文研究了聲波團聚聯(lián)合噴霧對熱脫附粉塵的除塵效果,探究了聲頻、聲壓級、粉塵初始濃度、噴霧流量等關鍵因素對聲波團聚效果的影響。得到的結論如下:

(1)團聚室的除塵效率隨著聲頻的增加先增后減,最佳聲頻為1 400 Hz,再施加1.0 L·m-3的噴霧后,能在60 s內使團聚室內氣溶膠的體積分數(shù)減少98%;隨著聲壓級增大,除塵效率逐漸增大;

(2)粉塵在經過聲波處理后,會被碾碎并團聚;

(3)噴霧能夠顯著提高除塵效率,對于最佳聲頻的影響不大,且噴霧濃度對除塵效率的最終大小影響不大;

(4)粉塵和噴霧的初始濃度越大,團聚前期的除塵速率和最后的除塵效率越大,說明聲波團聚對高濃度氣溶膠的使用效果更好。