声波团聚及联合其他方法脱除燃煤飞灰细颗粒的研究
目前，悬浮细颗粒物特别是PM2.5已经成为我国各大城市主要的大气污染物，严重危害人体健康和大气环境，国际和国内越来越重视颗粒物控制问题，对PM2.5的排放浓度标准也越来越严格。传统的除尘技术虽然具有较高的总除尘效率，但是对细颗粒的除尘效率较低。利用团聚技术将细颗粒团聚粒径较大的颗粒，然后通过传统除尘设备就可以降低细颗粒的排放浓度，是一种有效的预处理方法。 声波团聚利用高能量密度的声场，促进颗粒在短时间内相互碰撞团聚，显著降低颗粒数目浓度降低，被认为是最具发展前景的团聚预处理方法之一，但该技术尚未完全发展成熟。研究开发基本处于实验室阶段，对各操作参数的影响情况缺乏全面的了解，而且团聚效率不高，一般低于50％。在理论研究方面尚未完全建立完整的团聚体系，计算模型过于简化。鉴于此，本文展开了相关实验和理论的研究。 在实验研究方面，设计和搭建了具有良好拓展性能的声波团聚实验台，燃煤飞灰和空气混合模拟燃煤电厂排放的含尘气溶胶，研究了以声波团聚为基础，同时联合其他方法的团聚效果。 首先对比研究了高低频声源对燃煤飞灰细颗粒的团聚效果。实验结果表明，20 kHz的高频声源团聚效率不高，约为10％，而且只能团聚粒径小于0.25μm的颗粒，且团聚后的颗粒仍处于PM2.5的范围。低频声源的团聚效果明显优于高频声源，团聚效率可达70％。利用正交试验研究了多因素、多水平的声波团聚过程，根据极差分析结果表明，频率是影响团聚效率最重要的参数，停留时间的影响较小。根据研究结果获得最佳操作参数为频率1400 Hz，声压级150 dB，停留时间4 s。 其次研究了声波联合石灰种子颗粒的团聚过程。实验结果表明，添加种子颗粒能使团聚效率最大增幅达20％。分别采用单一因素分析和正交试验设计研究声波联合种子颗粒团聚过程中各因素对团聚效率的影响，研究结果表明，最佳操作参数为频率1400 Hz，声压级150 dB，停留时间4 s，种子颗粒添加质量百分比30％，且粒径不宜过大。引入种子颗粒可拓宽声波团聚的“频率窗口”，在较低的声压级下发挥较好的团聚效果，降低了声波团聚的能耗。 然后研究了声波联合喷雾的团聚过程。实验结果表明，喷雾使声波团聚效率最高增幅达70％。喷雾同样可以拓展声波团聚的“频率窗口”，降低声波团聚能耗。同时在雾化溶液中加入SDS和Triton X-100两类表面活性剂，改善了燃煤飞灰细颗粒的润湿性，使团聚效率进一步提高，最大提高可达20％。其中SDS对环境无毒害而且更经济，因此工业应用中选择SDS作为润湿剂更合适。 在数值模拟方面，同时考虑了同向团聚、流体力学作用、声波尾流效应和布朗团聚四个机理，分别建立了相应的团聚模型。计算了各机理的声波团聚核函数，研究了包括频率、声压级、颗粒粒径、颗粒间距、温度等因素对团聚核函数和团聚过程的影响。对于低频声源团聚燃煤飞灰细颗粒，当其他条件均一致时，同向团聚核函数的值要远大于其他几种机理的团聚核函数值，即同向团聚是燃煤飞灰细颗粒声波团聚最主要的机理。 模拟结果表明低频声波团聚中存在最佳频率约为1500 Hz，与实验结果非常接近。声压级越高，气溶胶初始浓度越高，颗粒的几何平均偏差越大，停留时间越长，团聚效率越高。温度升高，声波团聚效率略有上升，说明高温环境中声波可有效地团聚细颗粒。
燃煤飞灰;PM2.5排放浓度;声波团聚;种子颗粒;喷雾润湿剂;高温环境
浙江大学
博士
工程热物理
刘建忠;周俊虎;岑可法
2012
中文
X701.2
205
2012-12-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）