燃煤飛灰氣溶膠聲波團(tuán)聚的理論和實驗研究.pdf

1、大氣中的顆粒物污染不僅影響氣候，而且對人類健康造成嚴(yán)重危害，已經(jīng)引起國際社會的廣泛關(guān)注，其中毒性最大的是PM2.5。為此，各國均制定了嚴(yán)格的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行限制。然而，目前工業(yè)生產(chǎn)中常見的除塵器，如靜電除塵器、旋風(fēng)分離器等，雖然整體除塵效率很高，但對細(xì)顆粒的捕集效率很低，因此大量PM2.5顆粒在工業(yè)生產(chǎn)中被排入大氣。聲波團(tuán)聚是一種氣溶膠預(yù)處理技術(shù)，在煙氣進(jìn)入除塵器前，運用高強聲場進(jìn)行輻射處理，在數(shù)秒的時間內(nèi)，煙氣中的顆粒之間發(fā)生團(tuán)聚

2、，使煙氣的顆粒數(shù)目減少，平均粒徑增大，能夠在后續(xù)的除塵器中獲得更好的除塵效率，從而達(dá)到控制細(xì)顆粒排放的目的。然而至今為止，對聲波團(tuán)聚技術(shù)的研究仍存在不足：聲波團(tuán)聚中各個操作參數(shù)對團(tuán)聚的影響情況尚未完全了解，尤其是最佳團(tuán)聚頻率的確定，仍存在爭議；對聲波團(tuán)聚機理的研究還不夠深入，特別是同向作用團(tuán)聚機理、再填充機理和聲波尾流效應(yīng)等；對聲波團(tuán)聚過程的數(shù)值模擬研究不足，已有的研究中，采用的理論模型過于簡化，而數(shù)值求解的方法效率偏低，精度差。本文主

3、要從實驗、團(tuán)聚機理和數(shù)值模擬這幾個方面展開研究工作。主要內(nèi)容包括：
　　 ⑴搭建實驗臺架，采用燃煤飛灰作為試驗氣溶膠，研究各操作參數(shù)對聲波團(tuán)聚的影響，其中聲源包括低頻和高頻兩套。實驗結(jié)果表明，聲波頻率對團(tuán)聚效果影響很大，低頻時團(tuán)聚效果比高頻時好得多。對于給定粒徑分布的燃煤飛灰氣溶膠，存在唯一的最佳團(tuán)聚頻率，偏離該頻率將使團(tuán)聚效果急劇降低。在本文實驗條件下，燃煤飛灰的最佳團(tuán)聚頻率為1400～1700 Hz，在147 dB時，聲波團(tuán)

4、聚使氣溶膠的顆粒數(shù)目濃度降低70％以上。本文還發(fā)現(xiàn)一個重要規(guī)律，氣溶膠的最佳團(tuán)聚頻率隨聲壓級的增大而逐漸降低，這是國際上的首次試驗發(fā)現(xiàn)。另外，實驗結(jié)果還表明，隨著聲壓級的增大、氣溶膠初始濃度的增大或停留時間的增加，聲波團(tuán)聚效果增強。
　　 ⑵對聲波團(tuán)聚中存在爭議和尚未研究清楚的幾個機理進(jìn)行理論研究。在對同向團(tuán)聚作用機理的研究中發(fā)現(xiàn)，顆粒之間的碰撞效率在團(tuán)聚中起到重要作用。以往的研究者為了簡化計算，將碰撞效率設(shè)為1，這對PM2.5

5、顆粒是不合理的。本文將碰撞效率納入同向團(tuán)聚作用模型，使之更準(zhǔn)確。同時，對聲波尾流效應(yīng)進(jìn)行深入研究，建立數(shù)值模型計算聲場中的顆粒在該效應(yīng)下的運動軌跡。計算結(jié)果表明，在聲波尾流效應(yīng)的作用下，顆粒之間吸引力很強，一般能在很短的時間內(nèi)發(fā)生碰撞團(tuán)聚。將數(shù)值計算結(jié)果與文獻(xiàn)中的高速攝影實驗結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩者非常符合。根據(jù)研究結(jié)果，本文提出將聲波團(tuán)聚作為同向團(tuán)聚作用的再填充機理和單分散相氣溶膠的主要團(tuán)聚機理。
　　 ⑶在對聲波團(tuán)聚機理展開理

6、論研究的基礎(chǔ)上，建立聲波團(tuán)聚數(shù)值模型，并采用改進(jìn)的分組算法對其進(jìn)行求解。為了驗證數(shù)值模擬的正確性，將本文實驗結(jié)果與計算結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩者符合得很好。這表明該數(shù)值模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測氣溶膠的聲波團(tuán)聚效果。同時，通過數(shù)值模擬研究了各操作參數(shù)對團(tuán)聚的影響，與實驗得到的規(guī)律基本一致。
　　 ⑷為克服數(shù)值模擬中計算量大、計算耗時的缺點，將最新發(fā)展起來的積分近似矩量法應(yīng)用于聲波團(tuán)聚的數(shù)值模擬中。結(jié)果表明，該算法精確度比分組算法更高，而計算時