基于聲凝并的PM2.5脫除技術(shù)研究進(jìn)展（Ⅱ）：聲凝并與其他機(jī)制聯(lián)合作用

凡鳳仙+張斯宏+白鵬博+胡曉紅

摘 要： 聲凝并機(jī)理單獨(dú)作用對(duì)于粒徑細(xì)微的PM2.5脫除效率有限，并且提高顆粒聲凝并脫除效率需要以高能耗為代價(jià).為經(jīng)濟(jì)、高效地控制PM2.5的排放，聲凝并與其他機(jī)制聯(lián)合作用下PM2.5脫除技術(shù)得到發(fā)展.介紹了聲凝并與其他機(jī)制（如電場(chǎng)、外加顆粒、蒸汽、湍流射流、離心力）聯(lián)合作用下PM2.5凝并脫除技術(shù)的理論依據(jù)、研究現(xiàn)狀、存在的問(wèn)題.基于此，指出今后對(duì)基于聲凝并的聯(lián)合作用下PM2.5脫除技術(shù)的研究重點(diǎn)和方向.

關(guān)鍵詞： PM2.5； 聲凝并； 聯(lián)合作用； 顆粒脫除

中圖分類(lèi)號(hào)： TX 513 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract： The removal efficiency of PM2.5 is limited under the single mechanism of acoustic agglomeration.Moreover，high energy consumption is necessary to improve the particle removal efficiency.To control the emission of PM2.5 economically and efficiently，the techniques of combined effects of acoustic agglomeration with other mechanisms for PM2.5 removal have been developed.The theoretical foundations，research status，and the existing problems of PM2.5 removal under the combined effects of acoustic agglomeration and other mechanisms，such as electric field，seed particles，water vapor，turbulent jet flow and centrifugal force are introduced.Based on this，the emphases and direction of future research on acoustic agglomerationbased PM2.5 removal techniques combined with other effects are proposed.

Keywords： PM2.5； acoustic agglomeration； combined effect； particle removal

PM2.5嚴(yán)重影響大氣環(huán)境，是我國(guó)大中城市頻繁出現(xiàn)霧霾天氣的主要原因，給居民生活、生產(chǎn)和身體健康帶來(lái)威脅[1-2].對(duì)PM2.5的排放進(jìn)行控制勢(shì)在必行[3]，燃燒源PM2.5脫除技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[4-10].聲凝并脫除技術(shù)是一種重要的PM2.5排放控制措施.然而，聲凝并機(jī)制單獨(dú)作用對(duì)于粒徑細(xì)微的PM2.5脫除效率有限，并且對(duì)于特定粒徑分布的PM2.5，要提高聲凝并效果，最直接的方法是改變聲場(chǎng)條件，如提高聲壓級(jí)、延長(zhǎng)停留時(shí)間和調(diào)節(jié)頻率[11].需要注意的是，提高聲壓級(jí)將使得能耗快速增加，延長(zhǎng)聲場(chǎng)作用時(shí)間對(duì)聲凝并的作用效果有限，聲場(chǎng)頻率的調(diào)節(jié)范圍受到聲源條件的限制[12-16].為了在低能耗下有效提高聲凝并效果，一些學(xué)者開(kāi)展了聲凝并與其他機(jī)制聯(lián)合作用下PM2.5脫除技術(shù)的研究，先后發(fā)展出聲場(chǎng)與電場(chǎng)[17-18]、聲場(chǎng)與外加顆粒[19-23]、聲場(chǎng)與蒸汽[24-28]、聲場(chǎng)與湍流射流[29-30]以及聲場(chǎng)與離心力[31]聯(lián)合作用下PM2.5凝并脫除技術(shù).本文將對(duì)聯(lián)合作用下PM2.5脫除技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行全面總結(jié)，指出這些技術(shù)存在的問(wèn)題，進(jìn)而對(duì)今后聲凝并與其他機(jī)制聯(lián)合作用下PM2.5脫除技術(shù)的研究重點(diǎn)和方向進(jìn)行展望.

1 聲凝并與其他機(jī)制聯(lián)合作用下PM2.5脫除技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 聲場(chǎng)與電場(chǎng)聯(lián)合作用

圖1給出了管式凝并室內(nèi)聲場(chǎng)與電場(chǎng)聯(lián)合作用下顆粒凝并示意圖，電暈極置于管中心，聲場(chǎng)沿管軸線方向傳播.未施加電場(chǎng)時(shí)，隨著聲凝并的進(jìn)行和顆粒團(tuán)聚體的形成，顆粒數(shù)目濃度降低，顆粒間距增大，顆粒間相互作用減弱.引入電場(chǎng)后，顆粒在電場(chǎng)力的作用下向集塵極運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步發(fā)生凝并；同時(shí)，顆粒聲凝并而形成的團(tuán)聚體表面積更大，更易于荷電，飽和荷電量也更大，更有利于在電場(chǎng)力作用下向集塵極運(yùn)動(dòng)而被捕集.

1992年，Magill等[17]利用21 kHz的駐波聲場(chǎng)與60 kV的電場(chǎng)聯(lián)合作用對(duì)數(shù)目濃度峰值粒徑為0.8 μm的甘油氣溶膠進(jìn)行凝并實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，聯(lián)合作用下顆粒數(shù)目濃度由2.5×105 cm-3降至1.6×104 cm-3；而聲場(chǎng)單獨(dú)作用時(shí)，僅降至1.6×105 cm-3.2015年，Chen等[18]利用聲壓級(jí)為130～148 dB、頻率為0.8～2.4 kHz的行波聲場(chǎng)與8～12 kV的電場(chǎng)聯(lián)合作用脫除燃煤PM2.5，結(jié)果表明，聲壓級(jí)為130 dB、頻率為0.8 kHz、電壓為12 kV時(shí)，PM2.5脫除效率可達(dá)90%；在電壓一定時(shí)，存在使PM2.5脫除效率最大的最佳聲壓級(jí)和頻率，并且隨著電壓的增加，最佳聲壓級(jí)下降，最佳頻率上升；延長(zhǎng)停留時(shí)間有利于聯(lián)合作用下PM2.5的脫除，但當(dāng)PM2.5初始顆粒數(shù)目濃度高時(shí)，停留時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng).

靜電除塵器因除塵效率高、適應(yīng)范圍廣、使用方便、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)，在電力行業(yè)除塵領(lǐng)域占據(jù)主流地位，然而在PM2.5排放控制上靜電除塵器面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn).對(duì)聲場(chǎng)與電場(chǎng)的聯(lián)合作用下PM2.5凝并脫除技術(shù)進(jìn)行研究，深層次解析聲場(chǎng)和電場(chǎng)的耦合機(jī)制，探求聲場(chǎng)和電場(chǎng)的參數(shù)配置對(duì)能耗和PM2.5凝并脫除效率的影響，對(duì)于燃燒源PM2.5的低成本、高效脫除具有重要意義.endprint

1.2 聲場(chǎng)與外加顆粒聯(lián)合作用

顆粒在聲場(chǎng)中的夾帶運(yùn)動(dòng)是聲凝并發(fā)生的重要基礎(chǔ)和前提，粒徑小、慣性小的顆粒被完全夾帶，而粒徑大、慣性大的顆粒幾乎不被夾帶，不同粒徑的顆粒間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而發(fā)生碰撞凝并.基于這一原理，若添加粒徑較大的顆粒，則有望起到增強(qiáng)顆粒碰撞幾率，進(jìn)而提高顆粒凝并效果的作用.

1993年，Hoffmann等[19]為實(shí)現(xiàn)高溫?zé)煔庵屑?xì)顆粒與SO2的協(xié)同脫除，使用聲壓級(jí)為160 dB、頻率為44 Hz的聲場(chǎng)對(duì)噴有石灰石顆粒（平均粒徑為88 μm）的高溫?zé)煔猓煖貫?50 ℃，含飛灰平均粒徑為5 μm）進(jìn)行預(yù)處理，發(fā)現(xiàn)添加石灰石顆粒能夠提高飛灰的聲凝并效果.2007年，趙兵等[20]采用粒徑為15 μm、密度為1 100 kg·m-3的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）顆粒作為外加顆粒進(jìn)行了燃煤PM2.5聲凝并脫除實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)聯(lián)合作用下PM2.5顆粒數(shù)目脫除效率最高達(dá)到82%，比聲場(chǎng)單獨(dú)作用時(shí)提高了12%.2009年，陳厚濤等[21]進(jìn)行了駐波聲場(chǎng)與霧化水滴（平均粒徑為22.1 μm、數(shù)目濃度約為2×104 cm-3）聯(lián)合作用下燃煤PM2.5聲凝并實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在聲壓級(jí)為158.5 dB時(shí)，顆粒數(shù)目脫除效率可達(dá)68.1%，比聲場(chǎng)單獨(dú)作用時(shí)提高了21%.2011年，Wang等[22]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)添加石灰石顆粒（體積平均粒徑為144.926 μm）后，在行波聲場(chǎng)（聲壓級(jí)為145 dB、頻率為1.4 kHz）中燃煤飛灰（取自靜電除塵器，數(shù)目濃度峰值粒徑為2 μm）的顆粒數(shù)目脫除效率為51.58%，比聲場(chǎng)單獨(dú)作用時(shí)提高了17.21%，且外加顆粒的作用效果與添加量有關(guān).2014年，顏金培等[23]對(duì)2 kHz的駐波聲場(chǎng)和潤(rùn)濕劑溶液滴（粒徑約為20 μm、數(shù)目濃度約為2×103 cm-3）聯(lián)合作用下燃煤PM2.5的凝并脫除進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，當(dāng)聲壓級(jí)為130 dB時(shí)，聲場(chǎng)與溶液滴聯(lián)合作用下PM2.5的脫除效率比聲場(chǎng)單獨(dú)作用時(shí)提高了20%以上.

添加粒徑較大的顆粒能夠增強(qiáng)聲凝并效果，但是不同類(lèi)型的顆粒作用效果不同，同一類(lèi)型顆粒的作用效果受到粒徑和添加量的影響.表1對(duì)已有研究中外加顆粒的類(lèi)型和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié).

1.3 聲場(chǎng)與蒸汽聯(lián)合作用

在蒸汽含量高的含濕氣氛中，顆粒之間存在液橋力.作為短程作用力，液橋力的數(shù)量級(jí)遠(yuǎn)大于范德華力和靜電力，是顆粒發(fā)生碰撞后凝并形成顆粒團(tuán)聚體的原因.在液橋力作用下，顆粒團(tuán)聚體更加結(jié)實(shí)，不易破碎，而且團(tuán)聚體之間還能繼續(xù)相互架橋形成更大的團(tuán)聚體[32].液橋力作用下顆粒的凝并過(guò)程如圖2所示.此外，當(dāng)蒸汽含量達(dá)到飽和含濕量時(shí)，通過(guò)降低煙氣溫度，促使蒸汽在顆粒表面發(fā)生異質(zhì)核化凝結(jié)，能夠使PM2.5在數(shù)秒時(shí)間內(nèi)成長(zhǎng)為粒徑較大的含塵液滴，起到增大顆粒粒徑的作用[33-39]，從而提高聲凝并效果.圖3為蒸汽在顆粒表面的凝結(jié)過(guò)程.基于以上兩方面原因，聲場(chǎng)與蒸汽聯(lián)合作用脫除PM2.5的研究受到關(guān)注.

2000年，de Sarabia等[24]采用聲壓級(jí)為150 dB、頻率為20 kHz的駐波聲場(chǎng)控制柴油機(jī)尾氣中的亞微米顆粒（0.02～0.7 μm），發(fā)現(xiàn)增濕后亞微米顆粒的脫除效率提高，在聲波頻率分別為10 kHz和20 kHz條件下，6%的相對(duì)濕度就能使顆粒排放量降低分別降低8%和56%.2011年，楊振楠等[25]對(duì)燃煤飛灰在駐波聲場(chǎng)（聲壓級(jí)為120 dB、頻率為1 416 Hz）中的凝并脫除進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)相對(duì)濕度為20%～60%時(shí)，顆粒的質(zhì)量脫除效率隨相對(duì)濕度的增加先增大后減小；當(dāng)相對(duì)濕度為42%時(shí)，質(zhì)量脫除效率最高，為28%.2014年，賈肖寧等[40]提出利用聲場(chǎng)與汽車(chē)水箱中多余蒸汽聯(lián)合作用脫除汽車(chē)尾氣中的顆粒的設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合已有文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)該設(shè)計(jì)方案的作用效果進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)計(jì)結(jié)果為該方案對(duì)汽車(chē)尾氣中PM2.5的清除效率可達(dá)50%以上.2015年，馬德剛等[41]的實(shí)驗(yàn)研究也表明，聲場(chǎng)與蒸汽聯(lián)合作用能夠有效提高燃煤PM2.5的凝并脫除效率，在蒸汽含量達(dá)到飽和的條件下，聲壓級(jí)為134 dB時(shí)PM2.5的質(zhì)量脫除效率可達(dá)40%以上.但是，楊振楠等[25]與馬德剛等[41]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均顯示，蒸汽的添加量存在最佳值，當(dāng)超過(guò)最佳值時(shí)，顆粒的質(zhì)量脫除效率反而下降.楊振楠等[25]認(rèn)為這是由于添加蒸汽達(dá)到一定量時(shí)，顆粒間已相互緊貼，無(wú)法再繼續(xù)靠近，此時(shí)如果繼續(xù)添加蒸汽，液橋力的作用效果不變，范德華力則表現(xiàn)為斥力，從而顆粒團(tuán)聚體易發(fā)生破碎.在聲場(chǎng)與過(guò)飽和蒸汽聯(lián)合作用方面，顏金培等[26-28]的研究發(fā)現(xiàn)，150 dB的聲場(chǎng)單獨(dú)作用下，PM2.5的分級(jí)脫除效率為10%～23%；與蒸汽聯(lián)合作用下，飽和度為1.2時(shí)，由于蒸汽在PM2.5表面發(fā)生蒸汽相變凝結(jié)，形成粒徑較大的含塵液滴，促進(jìn)了聲凝并的進(jìn)行，PM2.5分級(jí)脫除效率達(dá)到53%～80%.可見(jiàn)，聲場(chǎng)與過(guò)飽和蒸汽聯(lián)合作用下PM2.5的脫除效果遠(yuǎn)優(yōu)于聲場(chǎng)與未飽和蒸汽聯(lián)合作用的效果.

目前，我國(guó)燃煤鍋爐普遍安裝有濕法脫硫系統(tǒng).由于濕法脫硫裝置出口煙氣為接近飽和狀態(tài)的高濕煙氣，給利用聲場(chǎng)與蒸汽相變聯(lián)合作用預(yù)處理技術(shù)脫除PM2.5創(chuàng)造了有利條件.因此，聲場(chǎng)與蒸汽相變聯(lián)合作用脫除PM2.5具有良好的應(yīng)用前景.然而，聲場(chǎng)和蒸汽相變之間的耦合機(jī)制還未完全明確，且缺乏在熱態(tài)條件下的研究.

1.4 聲場(chǎng)與湍流射流聯(lián)合作用

在聲凝并室內(nèi)引入湍流后，流場(chǎng)的擾動(dòng)程度得到加強(qiáng)，進(jìn)一步促進(jìn)顆粒間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而提高顆粒間的碰撞和凝并的幾率.圖4給出了聲場(chǎng)與湍流射流聯(lián)合作用下顆粒凝并示意圖.

Sun等[29]對(duì)駐波聲場(chǎng)（聲壓級(jí)為100～130 dB、頻率為0.28～3.5 kHz）和氣體射流（射流速度為14～28 m·s-1、射流角度為40°～140°）聯(lián)合作用下燃煤飛灰的凝并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果顯示，顆粒質(zhì)量脫除效率隨射流速度及射流角度的增加均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，射流速度為22.5 m·s-1、射流角度為90°時(shí)脫除效率最高；與聲波單獨(dú)作用時(shí)相比，聯(lián)合作用下顆粒脫除效率可提高4%～20%.Guo等[30]對(duì)駐波聲場(chǎng)和氣固射流聯(lián)合作用下燃煤飛灰的凝并脫除進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，與氣體射流相比，氣固射流除在聲凝并室中引入湍流外，還噴入了固體顆粒，可進(jìn)一步提高顆粒凝并效果，結(jié)果顯示，聯(lián)合作用下質(zhì)量脫除效率可達(dá)到45.4%.endprint

聲場(chǎng)與湍流射流的聯(lián)合作用雖然能提高脫除效果，脫除效率相對(duì)較低，而且由于湍流自身的復(fù)雜性，難以建立完整的理論模型解釋?zhuān)瑢⑾拗坡晥?chǎng)與湍流射流聯(lián)合作用在工程實(shí)際中的應(yīng)用.

1.5 聲場(chǎng)與離心力聯(lián)合作用

圖5給出了聲場(chǎng)與離心力聯(lián)合作用下顆粒凝并示意圖.聲凝并后形成的顆粒團(tuán)聚體在旋風(fēng)除塵器的離心力作用下，被拋向器壁而與氣流分離，再沿壁面落至錐底的排灰口.聲凝并后顆粒的粒徑變大，而離心力對(duì)大顆粒的作用效果明顯，基于這一原理，兩者的聯(lián)合作用可提高顆粒的脫除效果.

2014年，Vekteris等[31]在旋風(fēng)除塵器內(nèi)施加聲場(chǎng)（130～170 dB），研究了聲場(chǎng)與離心力聯(lián)合作用下石英砂顆粒（<20 μm）脫除情況，結(jié)果顯示，聯(lián)合作用下顆粒脫除效率可達(dá)到97.5%.考慮到旋風(fēng)除塵器目前主要用于工業(yè)爐窯煙氣除塵、工廠通風(fēng)除塵、工業(yè)氣力輸送系統(tǒng)氣固兩相分離與物料回收等，在這些場(chǎng)合采用聲場(chǎng)和離心力聯(lián)合作用可以提高除塵效率和物料分離回收率，但是在燃燒源PM2.5排放控制上的應(yīng)用價(jià)值不大.

2 結(jié) 論

為了尋求低成本、高效的PM2.5脫除技術(shù)，近年來(lái)一些學(xué)者在基于聲凝并的PM2.5脫除技術(shù)上開(kāi)展了廣泛的工作，提出了聲場(chǎng)與電場(chǎng)、聲場(chǎng)與外加顆粒、聲場(chǎng)與蒸汽、聲場(chǎng)與湍流射流、聲場(chǎng)與離心力聯(lián)合作用下PM2.5凝并脫除技術(shù)，但相關(guān)研究均處于起步階段.對(duì)比顯示，這些聯(lián)合作用技術(shù)中聲場(chǎng)與電場(chǎng)、聲場(chǎng)與外加顆粒、聲場(chǎng)與過(guò)飽和蒸汽聯(lián)合作用具有較好的應(yīng)用潛力，建議對(duì)這些技術(shù)開(kāi)展系統(tǒng)深入的研究，以揭示PM2.5在聯(lián)合作用下運(yùn)動(dòng)、相互作用、碰撞直至發(fā)生凝并過(guò)程中的細(xì)節(jié)信息，挖掘聯(lián)合作用下PM2.5凝并的深層次機(jī)理，借助計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究，提出聯(lián)合作用下PM2.5凝并脫除效果優(yōu)化的具體技術(shù)措施，從而為切合實(shí)際的低成本、高效的燃燒源PM2.5脫除技術(shù)的開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù).

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