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第 9 卷第 3 期 过 程 工 程 学 报 Vol.9 No.3 2009 年 6 月 The Chinese Journal of Process Engineering June 2009 收稿日期2008−11−06，修回日期2009−02−04 基金项目国家自然科学基金资助项目编号20676064；山东省泰山学者建设工程基金资助项目编号JS200510036；山东省中青年科学家科研奖励 基金资助项目编号2006BS08002 作者简介孙德帅1976−，女，山东省威海市人，博士，化学工程专业，E-mail luckysds；郭庆杰，通讯联系人，E-mail qj_guo. 气体射流作用下燃煤可吸入颗粒的团聚 孙德帅， 郭庆杰， 司崇殿 青岛科技大学化工学院，山东省清洁化工过程重点实验室，山东 青岛 266042 摘 要在可吸入颗粒团聚室中引入气体射流，使团聚室内形成局部湍流强化颗粒碰撞. 团聚过程中以撞击式采样器 和激光粒子计数器测量可吸入颗粒团聚前后质量与数量变化来评价颗粒的团聚效率. 研究结果表明，增大射流出口雷 诺数和增大射流与主气流的气速比均能提高可吸入颗粒的清除效率. 射流对不同粒径颗粒的清除效率不同，粒径较小 颗粒1.0 m的清除效率最高. 团聚室内气体相对湿度在 40∼50时，颗粒清除效率最高，团聚后颗粒质量中位径 由 2.83 m 增大到 5.03 m. 增大飞灰质量浓度，可吸入颗粒的质量清除效率与数量清除效率均降低. 关键词可吸入颗粒；团聚；射流；清除效率 中图分类号X513 文献标识码A 文章编号1009−606X200903−0437−04 1 前 言 可吸入颗粒物是指可通过鼻、 口进入人体呼吸道的 颗粒物总称，通常指粒径小于 10 m 的颗粒物. 煤炭等 化石燃料燃烧是可吸入颗粒物的主要排放源，也是可吸 入颗粒物的主要控制对象. 燃烧排放烟尘中较大飞灰颗 粒可被电除尘[1]、袋式除尘器[2]等高效除尘装置收集， 但传统的除尘设备对可吸入颗粒已没有明显作用[3]. 如 果能利用可吸入颗粒的团聚特性使其团聚，颗粒平均粒 径变大后容易被常规设备捕获清除. 湍流团聚现象在工业过程中广泛存在， 如气相反应 器中纳米颗粒的生成[4]、内燃机中烟尘颗粒的形成[5]及 液相反应器中晶核的产生[6]等. 自然界中高空云层中的 湍流强度很高， 是雨滴形成及凝结增大的主要驱动力[7]. 1956 年，Staffman 等[8]首次解决了粒径小于 Kolmgorov 特征尺度的颗粒在湍流中的团聚问题，得到了理想状态 下的气溶胶湍流团聚函数计算公式. 此后，众多研究者 对颗粒湍流团聚问题进行了理论[9,10]和数值模拟[11,12]研 究. 由于湍流流体与颗粒间的碰撞过程非常复杂，目前 对气溶胶湍流团聚的实验研究仍然很少[13]. 虽然研究 者对湍流团聚进行了大量研究工作，但将湍流团聚作为 气溶胶预处理技术， 提高对气体中颗粒的清除率研究尚 未见报道. 因此，本工作通过实验系统研究不同射流条 件对主气流中可吸入颗粒碰撞团聚的影响. 2 实 验 2.1 实验装置 可吸入颗粒物团聚实验台主要由气溶胶发生系统、 射流系统、采样和控制系统、团聚室组成，如图 1 所示. 实验采用的颗粒为电厂电除尘器飞灰颗粒，利用流化床 气溶胶发生器Φ0.054 m0.6 m产生所需浓度的气溶 胶，经稀释后通过气流引入团聚室. 射流气体为空气， 选择性经过加湿器后，由圆形喷嘴喷射进入团聚室 Φ0.116 m2.4 m. 用撞击式 FA-3 型气溶胶粒度分布采 样器康洁仪器研究所和 CW-HPC600 激光尘埃粒子计 数器赛纳威环境仪器有限公司测量记录可吸入颗粒团 聚前后质量与数量变化情况. 用 TRH-CA 温湿度计神 荣株式会社检测团聚室内湿度变化. 8 7 5 2 3 4 6 9 1 1. Compressor 2. HEPA filter 3. Valve 4. Rotameter 5. Fluidized bed aerosol generator 6. Agglomeration chamber 7. Control system 8. Injet nozzle 9. Humidifier 图 1 可吸入颗粒射流团聚实验台示意图 Fig.1 Schematic diagram of inhalable particle agglomeration experimental apparatus 撞击式采样器内部从上至下分为 9 级， 各级撞击盘 采集粒子粒径范围见表 1. 利用惯性撞击原理，将悬浮 在气溶胶中的颗粒按其空气动力学等效直径的大小，分 别收集在各级采集板上，然后称重进行分析. 颗粒数量 的测量采用激光粒子计数器，能在 0.3∼25 m 范围内测 438 过 程 工 程 学 报 第 9 卷 量颗粒数浓度分布. 表 1 采样器的颗粒粒径分级 Table 1 Cut point diameters of cascade impactor Stage Particle diameter, dp m Pore diameter mm 0 0∼0.43 Submicrom filter membrane 1 0.43∼0.65 0.25 2 0.65∼1.1 0.25 3 1.1∼2.1 0.34 4 2.1∼3.3 0.53 5 3.3∼4.7 0.71 6 4.7∼5.8 0.91 7 5.8∼9.0 1.89 8 9.0∼10 2.25 2.2 实验方法 实验前采用Rise-2002激光粒度分析仪济南润之科 技有限公司测定颗粒粒径分布，计算其中位径为 14.36 m. 根据 ISO787-2 颜料颗粒通用测试方法 含水量测 定法测得颗粒的含水量为 0.78，根据 GB/T3604-83 普通磨料颗粒密度测定方法测得颗粒密度为 1838 kg/m3. 其他条件为流化床气溶胶发生器中气体流速 0.121 m/s，团聚室内主气流流速 um0.217 m/s，射流气 体流速 uj14∼26 m/s，增加射流后团聚室内气体流速 0.243∼0.367 m/s. 团聚室气体温度 20∼25℃，气体相对 湿度 RH 40∼50，飞灰质量浓度 C6.8 g/m3，颗粒在 团聚室内停留时间 11.0 s，实验连续操作 8 h. 所有数据 为同一时间段内 3 次实验平均结果. 3 结果与讨论 团聚室中， 燃煤可吸入颗粒在湍流射流、 气流曳力、 布朗力、范德华力等作用下发生碰撞团聚，宏观颗粒团 聚过程包括 3 个相互联系的过程， 即颗粒与湍流流体间 的几何碰撞过程、颗粒间的气体动力学碰撞过程及碰撞 后颗粒在粘附力作用下的团聚过程. 颗粒总质量减少率 为颗粒质量清除效率η， 撞击式采样器每级撞击盘上收 集到的颗粒质量减少率为分级清除效率ηs，颗粒总数 浓度减少率为颗粒数量清除效率. 3.1 射流出口雷诺数对团聚的影响 射流气体喷入团聚室， 在横向流动主气流中形成局 部湍流环境，引起团聚室中气体流速改变，从而产生速 度梯度，增大主气流中气溶胶颗粒间碰撞几率. 射流出 口雷诺数对颗粒清除效率η的影响如图 2 所示，随射流 出口雷诺数 Re 增大，颗粒的质量清除效率与数量清除 效率均增大，但数量清除效率的增幅较小. 在气固两相流中，颗粒的扩散运动受颗粒的粒径、 惯性、自由落体速度和相对密度的影响. 通常以斯托克 斯数St衡量颗粒在流体中的扩散运动性能[14] Stτp/τk, 1 图 2 射流出口雷诺数对颗粒清除效率的影响 Fig.2 Effect of Reynolds number at jet exit on particle removal efficiency, η 其中，τpρpdp2/18，为颗粒的弛豫时间，τk/ ε， 为 Kolmogorov 特征时间. 射流出口雷诺数 Re 增加，湍流射流区的附加应力 增加，改变了颗粒与湍流流体间的几何碰撞过程. 气溶 胶中粒径较小颗粒的 St 较小， 能快速与射流气体间进行 动量交换而获得较高动量. 粒径较大颗粒由于 St 较大， 难以适应流体速度的快速变化，受射流影响相对较小， 因此大颗粒与小颗粒之间产生较大的速度梯度， 使颗粒 间的碰撞几率增加，碰撞后颗粒在范德华力、液桥力等 作用下团聚形成较大颗粒而被清除. 对特定颗粒， 颗粒粒径是影响其在流体中惯性力的 主要因素，因此不同粒径颗粒在射流作用下的团聚清除 效率不同，实验结果见图 3. 粒径较小颗粒很易被清除， 而中间粒径颗粒1∼5 m则很难清除，这是由于颗粒与 湍流流体间几何碰撞不同. 随雷诺数 Re 增加，中间粒 径颗粒质量清除效率显著增大，而粒径小于 1 m 颗粒 的清除效率则略有减小，因此，颗粒的质量清除效率增 加较快，而数量清除效率则增加缓慢. 图 3 射流对颗粒分级清除效率的影响 Fig.3 Effect of gas jet on single-stage removal efficiency, ηs, of inhalable particles 4567 15 20 25 30 35 Mass removal Number removal Re 10 3 η C6.8 g/m 3, u m0.22 m/s, RH40 0246810 10 20 30 40 50 60 Re 4692 6256 7038 ηs dp m 第 3 期 孙德帅等气体射流作用下燃煤可吸入颗粒的团聚 439 3.2 气速比对团聚的影响 实验中保持主气流的气速um恒定，增加射流uj 与主气流的气速比对颗粒质量清除效率的影响如图4所 示. 气速比对团聚的影响十分显著，随气速比从 65.2 增 大到 117.2，颗粒的质量清除效率由 7.0增大到 28.8. 这是因为射流对主气流流场的影响区域随气速比增大 而增加，因此主气流与射流作用时间增加，射流对主气 流中流体的卷吸量增加，更多的颗粒被卷入射流区域而 从射流中获得动量，强化颗粒间的碰撞作用，引起颗粒 团聚，容易被传统除尘设备捕获. 图 4 射流与主气流的气速比对颗粒质量清除效率的影响 Fig.4 Effect of velocity ratio of jet-crossflow on particle removal efficiency, η 3.3 气体湿度对团聚的影响 通过射流作用将一定量的水分带入团聚室， 调节团 聚室内气体湿度. 团聚室内气体湿度对颗粒团聚的影响 如图 5 所示，随团聚室内气体相对湿度增大，颗粒清除 效率逐渐增加；相对湿度为 40∼50时，可吸入颗粒 清除效率最高；继续增加湿度，颗粒清除效率降低. 团 聚室内湿度影响颗粒表面性能，随湿度增大，水分会在 颗粒表面凝结，改变颗粒间的粘附作用力. 在低湿度条 件下，范德华力是颗粒间的主要粘附力，由于范德华力 的作用较弱， 即使辅以射流作用也难以使颗粒粘附在一 起，因此颗粒的清除效率不足 10. 相对湿度增加，颗 粒间的液桥力和毛细管力作用增强，成为颗粒间的主要 作用力[15]，碰撞后的颗粒容易粘附在一起而被去除. 湿 度继续增大， 颗粒间的粘附作用力会在某一湿度下迅速 减小[16]，颗粒的清除效率也随之降低. 实验过程中由流化床发生器产生的气溶胶颗粒分 布为对数正态分布. 在射流与湿度作用下，颗粒团聚， 粒径不断增大，团聚过程的分布参数及颗粒中位直径变 化如表 2 所示. 粒径增加趋势与清除效率对应，在相对 湿度为 42时，颗粒质量中位粒径由初始的 2.83 m 增 大为 5.03 m. 图 5 相对湿度对颗粒质量清除效率的影响 Fig.5 Effect of relative humidity on mass removal efficiency of particles 表 2 相对湿度对颗粒团聚后分布参数的影响 Table 2 Effect of humidity on distribution parameter of particles agglomeration Relative humidity Mass mediate diameter m Geometric error, σg Concentration of inhalable particles, M mg/m3 Initial 2.83 2.64 240.9 25 3.58 2.45 217.5 42 5.03 2.39 179.4 55 4.78 2.31 199.2 3.4 飞灰浓度对团聚的影响 飞灰浓度是影响射流与主气流中颗粒能量交换的 重要因素. 飞灰质量浓度对射流作用下颗粒清除效率的 影响如图 6 所示，随飞灰浓度增加，可吸入颗粒清除效 率降低， 可吸入颗粒的数量清除效率高于质量清除效率. 团聚过程射流出口雷诺数 Re 保持恒定，射流能量保持 不变. 当飞灰浓度较低时，湍流射流对颗粒相的影响程 度较大，小颗粒易被射流的大涡卷吸，与射流气体间进 行充分的能量交换，部分小颗粒获得较高能量，通过碰 撞方式将其能量传给周围的大颗粒，小颗粒易与大颗粒 图 6 飞灰浓度对颗粒清除效率的影响 Fig.6 Effect of fly ash concentration on particle removal efficiency 60708090100110120 5 10 15 20 25 30 Mass removal Number removal uj/um η C6.8 g/m 3, RH40 30405060 10 15 20 25 uj m/s 22 17 η RH C6.8 g/m 3 246810 20 25 30 35 40 Mass remonal Number removal C g/m 3 η RH40, uj22 m/s 440 过 程 工 程 学 报 第 9 卷 粘附在一起而被清除. 飞灰浓度增大，可吸入颗粒清除 效率降低包括两方面原因其一，飞灰浓度较高时，颗 粒数太多，从微观上看气相与单个粒子的能量交换没有 低质量浓度时剧烈[17]， 颗粒初始时从射流得到的动量较 小，颗粒间碰撞作用减弱，导致清除效率降低；其二， 飞灰浓度增大，颗粒团聚体间的解聚作用增强[18]，使部 分小颗粒重新生成，导致颗粒质量清除效率略有降低， 而数量清除效率显著减小. 4 结 论 通过对射流作用下可吸入颗粒团聚行为进行研究， 得到如下结论 1 湍流射流能促进可吸入颗粒团聚，增大射流出 口雷诺数，团聚室中可吸入颗粒的质量与数量清除效率 均增大，颗粒数量清除效率高于质量清除效率. 增大射 流与主气流的气速比，同样可以增加颗粒清除效率. 射 流对不同粒径颗粒的清除效率不同，粒径较小1 m 颗粒的清除效率高. 2 团聚室内气体湿度能影响可吸入颗粒间的粘附 作用力，气体相对湿度为 40∼50，可吸入颗粒的质 量清除效率最高，可吸入颗粒质量中位直径由团聚前的 2.83 m 增大到团聚后的 5.03 m. 增大飞灰质量浓度， 可吸入颗粒的质量清除效率与数量清除效率均降低. 参考文献 [1] Rodriguez J J. Acoustic Agglomeration for Electrostatic Retention of Fly Ashes at Pilot Scale Influence of Intensity of Sound Field at Different Conditions [J]. J. Aerosol Sci., 1996, 271 621−622. [2] 胡荣泽. 超微颗粒的性能表征 [J]. 中国粉体技术, 2001, 74 21−23. [3] Strand M, Pagels J, Szpila A, et al. Fly Ash Penetration through Electrostatic Precipitator and Flue Gas Condenser in a 6 MW Biomass Fired Boiler [J]. Energy Fuels, 2002, 166 1499−1506. [4] Pratsinis S E. Flame Aerosol Synthesis of Ceramic Powders [J]. Prog. Energy Combust. Sci., 1998, 243 197−219. [5] Wena Z, Yuna S, Thomsona M, et al. Modeling Soot ation in Turbulent Kerosene/Air Jet Diffusion Flames [J]. Combust. Flame, 2003, 1353 323−340. [6] Schwarzer H C, Peukert W. Combined Experimental/Numerical Study on the Precipitation of Nanoparticles [J]. AIChE J., 2004, 5012 3234−3247. [7] Shaw R. Particle−Turbulence Interactions in Atmospheric Clouds [J]. Annu. Rev. Fluid Mech., 2003, 352 183−227. [8] Saffman P G, Turner J S. On the Collision of Drops in Turbulent Clouds [J]. J. Fluid Mech., 1956, 1 16−30. [9] Duru P, Koch D L, Cohen C. Experimental Study of Turbulence-induced Coalescence in Aerosols [J]. Int. J. Multiphase Flow, 2007, 339 987−1005. [10] Chun J, Koch D L, Rani S L, et al. Clustering of Aerosol Particles in Isotropic Turbulence [J]. J. Fluid Mech., 2004, 5361 219−251. [11] Stelios R. PDF for Population Balance in Turbulent Reactive Flow [J]. Chem. Eng. Sci., 2007, 6223 6865−6878. [12] Derevich I V. Coagulation Kernel of Particles in a Turbulent Gas Flow [J]. Int. J. Heat Mass Transfer, 2007, 507/8 1368−1387. [13] Wang L P, Wexler A S, Zhou Y. Statistical Mechanical Description and Modeling of Turbulent Collision of Inertial Particles [J]. J. Fluid Mech., 2000, 415 117−153. [14] Dominguez A, Aartrijk M, Castello L, et al. Particles-laden Flow [M]. Houten Springer Netherlands, 2007. 361−362. [15] Maximova N, Dahl O. Environmental Implications of Aggregation Phenomena Current Understanding [J]. Curr. Opin. Solid State Mater. Sci., 2006, 114 246−266. [16] Podczeck F, Newton J M, James M B. Influence of Relative Humidity of Storage Air on the Adhesion and Autoadhesion of Micronized Particles to Particulate and Compacted Powder Surfaces [J]. J. Colloid Interface Sci., 1997, 1872 484−491. [17] 蔡丹云，郑水华，樊建人，等. 质量浓度比对气固两相圆湍射流 影响的实验研究 [J]. 动力工程, 2005, 253 408−411. [18] Teresa S, Xavier C. Modelling the Aggregation and Break-up of Fractal Aggregates in a Shear Flow [J]. Appl. Sci. Res., 1998, 59 255−268. Agglomeration of Inhalable Particles in Gas Jet SUN De-shuai, GUO Qing-jie, SI Chong-dian Col. Chem. Eng., Key Lab. Clean Chem. Process, Shandong Province, Qingdao Univ. Sci. agglomeration; gas jet; removal efficiency