聲波團(tuán)聚增強(qiáng)燃燒源細(xì)顆粒物排放控制的研究.pdf

1、燃燒源細(xì)顆粒物PM2.5的排放是大氣環(huán)境中顆粒物的主要來源之一。細(xì)顆粒粒徑小、數(shù)目多，且通常富集有害物質(zhì)，對(duì)人體健康和環(huán)境造成嚴(yán)重危害。然而，目前常規(guī)除塵設(shè)備對(duì)細(xì)顆粒的脫除效率較低，導(dǎo)致大量的細(xì)顆粒物直接排放在大氣環(huán)境中。聲波團(tuán)聚是一種有效的去除細(xì)顆粒的預(yù)處理方法。聲波作用促使顆粒間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，相互碰撞，團(tuán)聚長(zhǎng)大，在較短的時(shí)間范圍內(nèi)，顆粒將發(fā)生從小尺寸向大尺寸范圍的遷移，平均粒徑變大，進(jìn)而可采用常規(guī)除塵設(shè)備對(duì)其進(jìn)行脫除，從而達(dá)到控制細(xì)

2、顆粒排放的目的。本文從實(shí)驗(yàn)和理論模擬兩個(gè)方面研究了燃燒源細(xì)顆粒物在低頻高強(qiáng)聲場(chǎng)中的團(tuán)聚清除效果。
　　 以細(xì)顆粒物排放控制的工業(yè)應(yīng)用為目標(biāo)，建立了研究燃燒源細(xì)顆粒物在駐波聲場(chǎng)中團(tuán)聚清除效果的除塵系統(tǒng)。采用1kHz低頻聲波，研究了燃煤和燃油煙氣細(xì)顆粒在高強(qiáng)聲場(chǎng)中的團(tuán)聚清除效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在低頻高強(qiáng)聲波作用下及后續(xù)除塵裝置分離后，煙氣中數(shù)目平均直徑約為0.07μm超細(xì)顆粒物的濃度明顯降低，且細(xì)顆粒清除效率隨著聲場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增加

3、。特別地，在聲場(chǎng)強(qiáng)度高于158dB時(shí)，細(xì)顆粒清除效率快速增加。當(dāng)聲場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到161.5dB時(shí)，燃煤煙氣細(xì)顆粒PM2.5的數(shù)目濃度清除效率達(dá)到了84.2％；燃油煙氣亞微米顆粒PM1的數(shù)目濃度清除效率為55.7％。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，延長(zhǎng)停留時(shí)間和增大初始顆粒數(shù)目濃度均有利于燃燒源細(xì)顆粒的團(tuán)聚清除。
　　 為了探索高聲強(qiáng)時(shí)細(xì)顆粒團(tuán)聚清除效果快速提高的原因和可能存在的團(tuán)聚機(jī)理的變化，建立了研究駐波聲場(chǎng)脈動(dòng)速度特性的實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)團(tuán)聚室

4、內(nèi)的聲場(chǎng)特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，駐波聲場(chǎng)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生了強(qiáng)烈的調(diào)制作用，在未產(chǎn)生聲湍流時(shí)，除速度波節(jié)處外，其余位置處流體質(zhì)點(diǎn)在聲波傳播方向上均產(chǎn)生了與聲波同頻率的周期性脈動(dòng)，速度分布越來越分散；聲場(chǎng)對(duì)垂直于聲波傳播方向的流動(dòng)的調(diào)制作用較小，聲波主要沿軸向傳播，橫向傳播可以忽略。聲場(chǎng)強(qiáng)度低于158dB時(shí)，聲場(chǎng)速度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值均在理論曲線上下波動(dòng)，流體質(zhì)點(diǎn)在軸向上主要以基頻周期性振動(dòng)，橫向上為幅度較小的隨機(jī)脈動(dòng)。聲場(chǎng)強(qiáng)度高于158dB時(shí)，實(shí)驗(yàn)

5、測(cè)量值與理論計(jì)算值出現(xiàn)了較大偏差，波形發(fā)生畸變，軸向速度不僅存在基頻周期性脈動(dòng)，還以倍頻以及二分之一倍頻、四分之一倍頻等頻率高頻脈動(dòng)，流體質(zhì)點(diǎn)間相對(duì)運(yùn)動(dòng)幅度和隨機(jī)運(yùn)動(dòng)幅度越來越大，產(chǎn)生了聲致湍流；橫向速度不僅存在幅度較小的基頻周期性振動(dòng)，還存在微弱的高頻脈動(dòng)。結(jié)合細(xì)顆粒清除效率的變化規(guī)律和駐波聲場(chǎng)脈動(dòng)速度特性的研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)高聲強(qiáng)時(shí)聲湍流的產(chǎn)生是燃燒源細(xì)顆粒清除效率快速提高的原因，聲湍流在高強(qiáng)聲波團(tuán)聚過程中起著重要的作用。
　　

6、 基于DSMC算法，建立了細(xì)顆粒物聲波團(tuán)聚的數(shù)學(xué)模型。計(jì)算結(jié)果表明，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，該模型不僅適用于中等聲強(qiáng)下的模擬，還適用于高聲強(qiáng)時(shí)細(xì)顆粒聲波團(tuán)聚的模擬。此外，利用模型對(duì)操作參數(shù)影響聲波團(tuán)聚效果的模擬結(jié)果表明，增大聲場(chǎng)強(qiáng)度、延長(zhǎng)停留時(shí)間和增加顆粒濃度均有利于細(xì)顆粒的聲波團(tuán)聚清除。另外，模擬結(jié)果顯示，采用聲波與添加種子顆粒聯(lián)合作用，可有效提高細(xì)顆粒物的團(tuán)聚清除效果，且增大種子顆粒濃度和直徑均有利于細(xì)顆粒物的團(tuán)聚清除。在團(tuán)聚室