外加條件作用下可吸入顆粒物長大機(jī)理研究.pdf

1、可吸入顆粒物給大氣環(huán)境和人體健康帶來嚴(yán)重危害，燃燒源的排放是可吸入顆粒物的重要來源。雖然現(xiàn)有的除塵技術(shù)已達(dá)到較高水平，但對(duì)于可吸入顆粒物的捕集效率仍很低。通過外加條件作用使可吸入顆粒物成長為較大顆粒后加以清除，已成為目前控制可吸入顆粒物排放的重要技術(shù)途徑。各種外加條件作用下燃燒源可吸入顆粒物的行為規(guī)律研究課題已于2002年被列為國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)的研究?jī)?nèi)容。 本文針對(duì)外加聲場(chǎng)和過飽和水汽場(chǎng)促進(jìn)可吸入顆粒物長大

2、機(jī)理中的關(guān)鍵性問題，對(duì)外加聲場(chǎng)作用下可吸入顆粒物的運(yùn)動(dòng)、匯聚、碰撞、聚并特性，與過飽和水汽場(chǎng)中可吸入顆粒物異質(zhì)核化特性，噴淋洗滌條件下水汽飽和度分布狀況，以及噴淋塔內(nèi)水汽相變脫除可吸入顆粒物的宏觀效果開展了深入系統(tǒng)的研究。 為充分掌握單個(gè)可吸入顆粒物在外加聲場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立了聲場(chǎng)作用下可吸入顆粒物動(dòng)力學(xué)模型，采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)外加聲場(chǎng)中單個(gè)懸浮可吸入顆粒物運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行研究。結(jié)果表明:聲波對(duì)懸浮可吸入顆粒物產(chǎn)生

3、粘性夾帶力和壓力梯度力作用，使可吸入顆粒物發(fā)生非線性運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡呈“S”型曲線?？晌腩w粒物在聲場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)與其沿聲波方向的初始位置密切相關(guān)，行波聲場(chǎng)中可吸入顆粒物存在于初始位置下游、上游和初始位置兩側(cè)振動(dòng)的不同運(yùn)動(dòng)方式；而駐波聲場(chǎng)中初始位置位于波節(jié)點(diǎn)的顆粒在聲場(chǎng)方向不發(fā)生運(yùn)動(dòng)，僅在重力方向發(fā)生自由沉降，其它位置的顆粒具有邊振動(dòng)邊向鄰近的波節(jié)點(diǎn)漂移的運(yùn)動(dòng)特性，使得顆粒運(yùn)動(dòng)區(qū)域近似為平行四邊形?？晌腩w粒物粒徑對(duì)其運(yùn)動(dòng)方式有重要影響，粒徑

4、較小的亞微米顆粒受聲波牽制，主要表現(xiàn)為左右振動(dòng)；粒徑較大的微米尺度顆粒由于慣性較大，振幅較小，漂移特性更為顯著。 為尋求外加聲場(chǎng)作用下大量可吸入顆粒物的行為規(guī)律，對(duì)懸浮可吸入顆粒物均勻分布的空間施加聲場(chǎng)，通過數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)駐波聲場(chǎng)對(duì)可吸入顆粒物產(chǎn)生顯著的匯聚作用，在一個(gè)波長范圍內(nèi)形成兩個(gè)數(shù)密度峰值；而行波聲場(chǎng)中可吸入顆粒物并無明顯匯聚現(xiàn)象。采用直接數(shù)值模擬蒙特卡羅方法的硬球模型和基于網(wǎng)格判斷碰撞的方法，對(duì)駐波聲場(chǎng)中可吸入顆粒物的碰

5、撞特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)：顆粒之間的碰撞率隨聲強(qiáng)的增加而單調(diào)增大，隨聲波頻率的增加先增大后減小，存在一個(gè)使碰撞率最大的最佳頻率值；提高顆粒濃度能在很大程度上提高碰撞率；顆粒粒徑是影響碰撞率的重要因素，顆粒數(shù)目濃度一定的情況下，隨粒徑的增加，顆粒之間的碰撞加劇。 為揭示可吸入顆粒物聲聚并長大及脫除特性，直接從顆粒動(dòng)力學(xué)角度研究可吸入顆粒物的聚并特性，采用多重蒙特卡羅方法對(duì)聚并的發(fā)生進(jìn)行判斷并對(duì)聚并事件進(jìn)行處理，建立了可吸入顆粒物聲聚并

6、理論模型。將數(shù)值計(jì)算得到的可吸入顆粒聲聚并結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，二者符合較好。利用數(shù)值模擬的優(yōu)勢(shì)，對(duì)不同條件下可吸入顆粒物聲聚并效果進(jìn)行全面系統(tǒng)的研究分析。提出了有效改進(jìn)可吸入顆粒物聲聚并效果的措施：采用高強(qiáng)度聲場(chǎng)、適當(dāng)延長聲波作用時(shí)間、添加無害的種子顆粒。 為探明過飽和水汽在不同燃燒源可吸入顆粒物表面的核化特性，依據(jù)燃煤可吸入顆粒物多為表面光滑的不可溶球形顆粒的特點(diǎn)，采用Fletcher經(jīng)典異質(zhì)核化理論對(duì)過飽和水汽在燃煤

7、可吸入顆粒物表面的核化特性進(jìn)行研究；結(jié)合垃圾焚燒顆粒的物化特征，建立了適于研究水汽在垃圾焚燒可吸入顆粒物表面核化特性的理論模型，探討了過飽和水汽在垃圾焚燒可吸入顆粒物表面的核化特性。對(duì)燃煤顆粒核化特性的研究結(jié)果表明：由于燃煤可吸入顆粒物的潤濕性較差，其成核臨界飽和度很高；通過添加合適的潤濕劑，可使水汽在較低過飽和度條件下發(fā)生異質(zhì)核化，為開發(fā)高效、低能耗燃煤可吸入顆粒物控制技術(shù)創(chuàng)造了有利條件；研究中所采用的5種潤濕劑JFC、SDBS、FS

8、-310、Silanolw22、SDS中，以SDS與Silanol，w22改善燃煤顆粒核化性能的效果最佳。通過對(duì)垃圾焚燒顆粒核化特性的研究，發(fā)現(xiàn)在可溶性鹽中各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變的情況下，可溶鹽總質(zhì)量對(duì)顆粒成核能力無影響；顆粒中可溶性鹽總量保持不變時(shí)，可溶性鹽的組分對(duì)顆粒核化性能有重要影響；隨表面粗糙程度的增加，顆粒成核臨界飽和度降低，成核能力增強(qiáng)。垃圾焚燒可吸入顆粒物中可溶性鹽成分與顆粒表面粗糙程度對(duì)水汽在顆粒表面的異質(zhì)核化特性起決定作用

9、。 為使可吸入顆粒物能夠在濕法脫硫噴淋塔內(nèi)通過蒸汽相變凝結(jié)作用長大，塔內(nèi)水汽飽和度必須超過顆粒粒徑所對(duì)應(yīng)的成核臨界飽和度。為此，建立了噴淋洗滌塔內(nèi)氣液兩相傳熱傳質(zhì)理論模型，對(duì)噴淋洗滌塔內(nèi)水汽飽和度進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，結(jié)合計(jì)算結(jié)果系統(tǒng)分析了多種影響因素對(duì)塔內(nèi)水汽飽和度分布的影響規(guī)律，獲得了通過改變操作參數(shù)在脫硫噴淋塔內(nèi)建立適宜過飽和水汽場(chǎng)的措施：提高塔進(jìn)口氣液溫差、在噴淋區(qū)上部添加適量水汽、提高塔進(jìn)口煙氣含濕量。研究結(jié)果表明，將濕法煙氣

10、脫硫和水汽相變脫除可吸入顆粒物工藝相結(jié)合的煙氣凈化技術(shù)是切實(shí)可行的。 利用濕式除塵理論、凝結(jié)增長動(dòng)力學(xué)理論與除霧器效率經(jīng)驗(yàn)公式，研究了常規(guī)噴淋條件下可吸入顆粒物脫除效率，過飽和水汽場(chǎng)中可吸入顆粒物凝結(jié)增長特性以及含塵液滴經(jīng)高效除霧器的脫除效率。在噴淋塔內(nèi)水汽相變脫除可吸入顆粒物宏觀效果實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，考察了操作參數(shù)對(duì)顆粒脫除效率的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，常規(guī)噴淋條件下可吸入顆粒物的脫除效率很低，而水汽相變則能夠使亞微米可吸入顆粒物在數(shù)十毫

11、秒時(shí)間內(nèi)粒徑迅速增加數(shù)倍至數(shù)十倍，從而提高顆粒的慣性捕集效率。水汽凝結(jié)增長最終達(dá)到的平衡液滴直徑與初始水汽飽和度及初始顆粒粒徑大小有關(guān)。噴淋塔內(nèi)水汽相變脫除燃煤可吸入顆粒物的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用提高噴淋塔進(jìn)口氣液溫差、增加進(jìn)口煙氣含濕量、在噴淋區(qū)上方注入水汽的技術(shù)措施均能夠顯著提高可吸入顆粒物的脫除效率；燃煤可吸入顆粒物脫除效率隨液氣比的增加而有所提高，在塔進(jìn)口添加一定量的水汽后，增大液氣比顆粒脫除效率則明顯提高。 本文的研究結(jié)果