燃煤飞灰气溶胶声波团聚的理论和实验研究

大气中的颗粒物污染不仅影响气候,而且对人类健康造成严重危害,已经引起国际社会的广泛关注,其中毒性最大的是PM2.5。为此,各国均制定了严格的空气质量标准对其进行限制。然而,目前工业生产中常见的除尘器,如静电除尘器、旋风分离器等,虽然整体除尘效率很高,但对细颗粒的捕集效率很低,因此大量PM25颗粒在工业生产中被排入大气。 声波团聚是一种气溶胶预处理技术,在烟气进入除尘器前,运用高强声场进行辐射处理,在数秒的时间内,烟气中的颗粒之间发生团聚,使烟气的颗粒数目减少,平均粒径增大,能够在后续的除尘器中获得更好的除尘效率,从而达到控制细颗粒排放的目的。 然而至今为止,对声波团聚技术的研究仍存在不足：声波团聚中各个操作参数对团聚的影响情况尚未完全了解,尤其是最佳团聚频率的确定,仍存在争议；对声波团聚机理的研究还不够深入,特别是同向作用团聚机理、再填充机理和声波尾流效应等；对声波团聚过程的数值模拟研究不足,已有的研究中,采用的理论模型过于简化,而数值求解的方法效率偏低,精度差。 针对以上问题,本文主要从实验、团聚机理和数值模拟这几个方面展开研究工作。 首先,搭建实验台架,采用燃煤飞灰作为试验气溶胶,研究各操作参数对声波团聚的影响,其中声源包括低频和高频两套。实验结果表明,声波频率对团聚效果影响很大,低频时团聚效果比高频时好得多。对于给定粒径分布的燃煤飞灰气溶胶,存在唯一的最佳团聚频率,偏离该频率将使团聚效果急剧降低。在本文实验条件下,燃煤飞灰的最佳团聚频率为1400～1700 Hz,在147 dB时,声波团聚使气溶胶的颗粒数目浓度降低70%以上。本文还发现一个重要规律,气溶胶的最佳团聚频率随声压级的增大而逐渐降低,这是国际上的首次试验发现。另外,实验结果还表明,随着声压级的增大、气溶胶初始浓度的增大或停留时间的增加,声波团聚效果增强。 接着,对声波团聚中存在争议和尚未研究清楚的几个机理进行理论研究。在对同向团聚作用机理的研究中发现,颗粒之间的碰撞效率在团聚中起到重要作用。以往的研究者为了简化计算,将碰撞效率设为1,这对PM25颗粒是不合理的。本文将碰撞效率纳入同向团聚作用模型,使之更准确。同时,对声波尾流效应进行深入研究,建立数值模型计算声场中的颗粒在该效应下的运动轨迹。计算结果表明,在声波尾流效应的作用下,颗粒之间吸引力很强,一般能在很短的时间内发生碰撞团聚。将数值计算结果与文献中的高速摄影实验结果进行比较,发现两者非常符合。根据研究结果,本文提出将声波团聚作为同向团聚作用的再填充机理和单分散相气溶胶的主要团聚机理。 然后,在对声波团聚机理展开理论研究的基础上,建立声波团聚数值模型,并采用改进的分组算法对其进行求解。为了验证数值模拟的正确性,将本文实验结果与计算结果进行比较,发现两者符合得很好。这表明该数值模型能够准确预测气溶胶的声波团聚效果。同时,通过数值模拟研究了各操作参数对团聚的影响,与实验得到的规律基本一致。 最后,为克服数值模拟中计算量大、计算耗时的缺点,将最新发展起来的积分近似矩量法应用于声波团聚的数值模拟中。结果表明,该算法精确度比分组算法更高,而计算时间大大缩短,适合应用于声波团聚的数值模拟。