声波－相变耦合强化细颗粒长大行为的研究

细颗粒物是大气环境的首要污染物，由于其特殊的空气动力学特性，细颗粒物难以通过常规除尘技术有效脱除。本项目提出采用声波与蒸汽相变耦合强化细颗粒长大，以提高细颗粒物的脱除效果。通过分析细颗粒物在声场与过饱和水汽场中的分布规律，探明声波场中，过饱和蒸汽与细颗粒，颗粒与颗粒相间的传质、传热机理；借助高速显微摄像、光散射技术等手段研究细颗粒物在声波和过饱和水汽场中的运动和微观凝结长大特性；采用电称低压冲击器(ELPI)测量细颗粒物的粒径分布及浓度变化，探明细颗粒物在声波与相变耦合作用下的宏观长大效果；充分利用烟气中的低饱和水汽，强化细颗粒物凝结长，揭示声波和相变耦合强化细颗粒物长大的规律；为细颗粒物控制方法开拓新思路，最终为细颗粒物的高效控制提供技术和理论基础。

基于声波和相变耦合强化细颗粒长大机制，建立了声波与蒸汽相变联合作用下细颗粒物长大脱除的实验装置，并对细颗粒在不同外加条件下的脱除特性进行实验研究，探讨不同操作条件对细颗粒脱除效率的影响。结果表明：在声波单独作用下，细颗粒的分级脱除效率较低在10%~23%左右；在声波和蒸汽相变联合作用下，细颗粒的分级脱除效率均得到大幅提高，分级脱除效率达到了53%~80%。相变单独作用时，在过饱和度较低时，细颗粒无凝结长大，因此脱除效率很低，脱除效率几乎不随过饱和度的增大而改变，但当过饱和度增到1.0后，细颗粒的脱除效率则随过饱和度的提高而迅速增大。细颗粒的脱除效率随过饱和度的增大而增加，当过饱和度增大到一定程度时，脱除效率出现大幅的提高，过饱和度从1.0增大到1.2，脱除效率从40%左右提高到80%。细颗粒在声波场中的夹带系数随过饱和度的增大而增加，相应的脱除效率也有所提高；在过饱和度低于1.0时，细颗粒的总脱除效率很低约为10%，且几乎不随过饱和度的增大而增加，而当过饱和度大于1.0后，细颗粒的脱除效率随过饱和度的增大而迅速提高，过饱和度从1.0增大到1.5，相应的脱除效率提高了近50%。细颗粒的脱除效率随声压级的增大而提高，过饱和度达到1.2，声压级在130dB时，细颗粒的脱除效率达到70％左右，表明在低声压级的情况下，利用蒸汽相变可有效提高细颗粒在声波场中的团聚脱除效率。基于气溶胶通用动力学方程，建立了细颗粒在声波与相变耦合作用下凝结长大模型，并利用多重Monte Carlo算法求解细颗粒通用GDE方程，同时考虑细颗粒的声波团聚和凝结长大过程。数值模拟结果表明声波场单独作用时，模拟结果与实验结果吻合较好。在声波和相变耦合作用下，模拟的结果低于实验值。细颗粒的脱除效率随停留时间的延长而提高。在停留时间较短的时候，细颗粒的脱除效率随时间的增加而迅速提高，但当停留时间超过3s后，随着时间的进一步延长，增加速率逐渐变缓并趋于稳定。开展了声波与相变耦合作用控制湿法烟气脱硫细颗粒的排放特性研究。研究结果表明在声波与相变联合作用下，细颗粒的脱除效率与湿法烟气脱硫后细颗粒特性发生变化有关。细颗粒的脱除效率随声压级的增大而提高，在低声压级条件下，氨法脱硫细颗粒的脱除效率明显低于石灰石脱硫细颗粒的脱除效率，在声波与相变耦合作用下，细颗粒的脱除效率均得到了大幅提高。