燃煤電站大流量煙氣下飛灰細顆粒聲波團聚實驗研究

黃 軍，王 鵬，張瑞翔，劉建忠

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燃煤電站大流量煙氣下飛灰細顆粒聲波團聚實驗研究

黃 軍1，王 鵬1，張瑞翔2，劉建忠2

（1.神華國華（北京）電力研究院有限公司，北京 100025； 2.浙江大學(xué)能源清潔利用國家重點實驗室，浙江 杭州 310027）

以某燃煤電廠煙氣流量20 000 m3/h（標況下）的中試實驗平臺為對象，采用在煙道兩側(cè)布置聲波發(fā)生器并聯(lián)合噴霧增濕，對不同頻率和聲壓級的聲波細顆粒團聚效果進行了測試研究。測試結(jié)果表明：聲波頻率和聲壓級對團聚效果有較大影響，在聲波頻率為1 400~ 1 700 Hz時，煙氣中PM2.5顆粒能獲得較好的團聚效果；隨著聲壓級（或者功率）的增大，團聚效率提高，特別是聲壓級大于140 dB后，團聚效果明顯增大；聲波聯(lián)合噴霧增濕能進一步促進煙氣中細顆粒團聚，提升電除塵器對于PM2.5或者PM1顆粒的脫除效果。該結(jié)論對提高大型燃煤電廠鍋爐煙氣中飛灰細顆粒團聚效果和除塵效率有重要的指導(dǎo)意義。

大流量；煙氣；聲波團聚；噴霧增濕；飛灰；PM2.5；聲壓級；除塵效率

隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，能源消耗速度也不斷加速，與全球一次能源消費結(jié)構(gòu)不同，我國煤炭消耗在一次能源中占比達到60%。2017年中國煤炭產(chǎn)量增長了3.6%，煤炭仍是中國能源消費中的主要燃料，其占比為 60.4%[1]。煤炭燃燒產(chǎn)生的大量顆粒物，對環(huán)境以及人體健康危害很大。燃煤排煙中大多數(shù)為PM10顆粒，其中粒徑大于2.5mｍ的顆粒能夠被人體鼻腔所阻擋，但是PM2.5能夠進入人體呼吸系統(tǒng)甚至肺泡，嚴重影響人體健康。雖然電廠現(xiàn)廣泛應(yīng)用的電除塵裝置能夠達到99%以上的顆粒脫除效率，但對PM2.5的脫除效率相對較低，一般僅有70%~90%[2]。眾多測試結(jié)果表明，大多數(shù)燃煤電廠排放的顆粒物中PM2.5占總顆粒物的50%以上[3]。因此，如何高效脫除燃煤煙氣中細顆粒飛灰已成為國內(nèi)外關(guān)注的熱點，而采取顆粒團聚預(yù)處理技術(shù)是控制細顆粒物的有效途徑。在已有的團聚技術(shù)中，聲波團聚技術(shù)被認為是最有前景的細顆粒脫除技術(shù)之一，可提高除塵設(shè)備的捕捉效率，減少PM2.5的顆粒數(shù)量。

1931年首先由Patterson 和Cawood[4]開始了聲波團聚技術(shù)的實驗研究，發(fā)現(xiàn)氧化鎂氣溶膠顆粒在駐波管中團聚的現(xiàn)象。1982年Gerhard[5]發(fā)現(xiàn)在150~160 dB和2 000~3 000 Hz范圍內(nèi)的聲波有較好的聲波聚集結(jié)果。1993 年Hoffmann 等人[6]采用低頻（44 Hz）、高聲強（160 dB）的聲波，研究了針對燃煤飛灰的聲波團聚聯(lián)合CaCO3大顆粒技術(shù)，以增強對飛灰的團聚效果。1996年J.J. Rodríguez- Maroto等[7]使用頻率10、20 kHz的聲波進行聲波團聚實驗，發(fā)現(xiàn)團聚后顆粒數(shù)濃度減少了40％，質(zhì)量濃度減少37％。2009年張光學(xué)等[8]以飛灰作為低頻聲波團聚的實驗對象，發(fā)現(xiàn)在高聲壓級下的最佳頻率為1 400 Hz。2016年Zhou D等[9]采用聲波團聚聯(lián)合靜電除塵器和袋式過濾器脫除細顆粒，發(fā)現(xiàn)當組合系統(tǒng)在1 400 Hz和148 dB條件下，袋式過濾器的顆粒質(zhì)量濃度去除效率可以從91.29％提高到99.19％，并且靜電除塵器的顆粒去除效率可以從89.05％提高到99.28％。2016年Zhou D等[10]利用高速攝影觀察聲場中顆粒物的運動，得到了聲場中的粒子運動軌跡，同時結(jié)合數(shù)值計算對聲波團聚機理進行研究。2016年康豫博等[11]使用超聲波作為聲源，發(fā)現(xiàn)頻率20 kHz的聲波對粒徑10～487 nm的顆粒具有團聚作用。2016年Zu K等[12]將聲波團聚的改良模型與實驗相結(jié)合對聲波團聚影響因素進行研究。2017年張光學(xué)等[13]采用聲波聯(lián)合噴霧團聚系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)加入噴霧后聲波團聚效率能夠提升25%~40%，且最佳頻率始終為1 400 Hz。

綜上可知，聲波團聚能夠提高細顆粒脫除效率，但是目前所做的聲波團聚研究都是局限于實驗室條件下，且是小流量的空氣或模擬煙氣，至今未見在大型燃煤電廠鍋爐煙氣中進行聲波團聚測試研究的報道。本文利用某燃煤電廠流量為20 000 m3/h（標況下）的煙氣凈化中試實驗平臺，測試并研究了不同聲波頻率和聲壓級下的團聚效果以及聲波聯(lián)合噴霧對煙氣飛灰細顆粒的團聚效果，并對優(yōu)化后的低低溫靜電除塵優(yōu)化效果進行了實驗。

1 實驗設(shè)備與方法

該電廠鍋爐尾部已建煙氣凈化旁路中試實驗平臺，煙氣流量為20 000 m3/h，煙道（1 462 mm× 1 515 mm）自省煤器后經(jīng)脫硝系統(tǒng)選擇性催化還原（SCR）催化劑，進入聲波團聚測試段。圖1為測試段聲波發(fā)生器安裝位置、噴霧增濕位置和細顆粒采樣孔位置等。煙氣中顆粒通過聲波發(fā)生器產(chǎn)生的聲場后發(fā)生團聚，在煙氣冷卻器后布置細顆粒采樣孔，測試聲波團聚效果。

圖1 聲波發(fā)生器安裝與顆粒采樣點位置(mm)

圖2和圖3分別為8臺聲波發(fā)生器在煙道上的布置方式和發(fā)生器實物照片。聲波發(fā)生器分別在煙道兩側(cè)對沖布置。已有研究報道認為，一般聲波發(fā)生器布置時其發(fā)射方向都是與煙氣流動方向相同即同向布置，這樣能提高團聚效果。但實際鍋爐尾部煙道很難找到能進行同向布置的空間和位置，而采取煙道側(cè)邊垂直布置的方式即聲波傳播方向與煙氣流動方向垂直，很容易實現(xiàn)。因此，該中試平臺在設(shè)計和實驗中特意采用垂直布置方式，以考察這種聲波布置方式的團聚效果。

圖2 8臺聲波發(fā)生器布置方式

圖3 聲波發(fā)生器實物照片

聲波發(fā)生器發(fā)射系統(tǒng)如圖4所示，由信號發(fā)生器（JDS6600）、功率放大器（GA4-600）、聲波發(fā)生器（HG10044XT）、高音保護器和號角組成。

圖4 聲波發(fā)射系統(tǒng)示意

實驗使用自制的細顆粒預(yù)處理與測量系統(tǒng)，對煙道內(nèi)顆粒進行粒徑分布測量，該系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 顆粒預(yù)處理與測量系統(tǒng)示意

細顆粒預(yù)處理與測量系統(tǒng)主要由采樣槍、旋風分離器、稀釋裝置、TSI3330光學(xué)顆粒物粒徑譜儀、抽氣泵等組成。顆粒通過采樣裝置進入沉降室過濾掉大顆粒，然后通過大流量稀釋裝置進入旋風分離器進一步分離，最終得到的細顆粒由TSI3330光學(xué)顆粒物粒徑譜儀進行測試。

TSI3330光學(xué)顆粒物粒徑譜儀采用單粒子計數(shù)技術(shù)，最先進的120°光收集光學(xué)系統(tǒng)和精致的電子處理裝置，能夠提供快速精確的顆粒數(shù)濃度和粒徑分布檢測，從而獲得精確、高質(zhì)的數(shù)據(jù)。該儀器能夠檢測粒徑0.3~10mm的顆粒，并將0.3~10mm顆粒分成16級，具體參數(shù)見表1。

表1 TSI3330光學(xué)顆粒物粒徑譜儀各級顆粒粒徑范圍

Tab.1 The particle size range of each channel of the TSI 3330 optical particle size spectrometer mm

2 結(jié)果與分析

2.1 不同聲波頻率下團聚效果

實驗采用4臺聲波發(fā)生器（1號、2號、3號、4號），分別在頻率為1 400、1 500、1 600、1 700、1 800、1 900、2 000 Hz時，對煙氣顆粒進行聲波團聚實驗。聲波經(jīng)過號角后產(chǎn)生的聲壓級均為142 dB，實驗期間標況煙氣流量為20 000~22 000 m3/h，聲波團聚前的煙氣溫度為290~310 ℃（圖1溫度測孔1），細顆粒采集點煙溫為150~160 ℃（圖1溫度測孔2）。圖6為不同頻率聲波作用下煙氣顆粒粒徑分布。由圖6可見，無聲波時，經(jīng)過沉降室和旋風分離器大顆粒被捕集后，采集到的煙氣顆粒主要為PM2.5細顆粒，粒徑大于2.5mm的顆粒數(shù)量遠小于細顆粒數(shù)。顆粒數(shù)占比最大的顆粒粒徑為第3級，即0.465~0.579mm。

圖6 不同聲波頻率下顆粒粒徑分布

Mednikov[14]研究顯示：在聲波頻率過低的情況下，氣溶膠顆粒的夾帶系數(shù)接近于1，即受氣體挾帶作用而振動的顆粒振幅相同，此時顆粒基本保持相對靜止，也就無法發(fā)生團聚；如果聲波頻率過高，那么幾乎所有顆粒的夾帶系數(shù)均接近0，即顆粒不受氣體振動的影響而是保持靜止，同樣也使得顆粒間處于相對靜止狀態(tài)，無法經(jīng)歷碰撞而團聚。所以，推斷存在最佳聲波頻率，使得聲波團聚效果相對較高。圖7為顆粒PM2.5和PM1在不同頻率下的團聚效率。團聚效率定義為

圖7 不同聲波頻率下PM2.5和PM1團聚效率

由圖7可見：在聲波的作用下，煙氣顆粒主要為PM1，所以PM2.5和PM1在不同聲波頻率下的團聚效率基本相同；在聲波頻率為1 400~2 000 Hz范圍內(nèi)，聲波頻率和團聚效果沒有明顯的線性關(guān)系；在聲波頻率1 400、1 700 Hz下，細顆粒PM2.5和PM1的團聚效率最高，在25%以上；聲波頻率1 500、1 600 Hz下，細顆粒PM2.5和PM1的團聚效率次之，在20%~22%之間；聲波頻率從1 800 Hz開始增加后，團聚效率有明顯下降，至2 000 Hz時團聚效率降至10%以下，下降幅度較為明顯。實驗結(jié)果表明，頻率1 400~1 700 Hz的聲波團聚效果較好。

2.2 不同聲波聲壓級下的團聚效果

為了探討聲波發(fā)生器聲壓級及聲功率對團聚效果的影響。在聲波頻率1 400 Hz條件下對煙氣顆粒進行聲波團聚實驗。通過改變4臺聲波發(fā)生器 （1號—4號）的聲功率改變聲源產(chǎn)生的聲壓級。聲波發(fā)生器產(chǎn)生的聲壓級與功率的對應(yīng)關(guān)系見表2。

表2 聲波發(fā)生器不同功率下聲壓級

Tab.2 The sound pressure levels at different powers of the sound wave generator

圖8為聲波發(fā)生器不同聲壓級下的顆粒粒徑分布。由圖8可見：隨著聲壓級的增大，各級顆粒數(shù)濃度，特別是細顆粒數(shù)濃度明顯下降，說明團聚效果增強；粒徑小于0.374mm的細顆粒隨聲壓級增大團聚效果增強的幅度小于粒徑0.374~0.879mm的顆粒，說明低頻聲波對粒徑小于0.374mm顆粒的團聚效果較差。

圖8 聲波發(fā)生器不同聲壓級下顆粒粒徑分布

圖9為團聚效率與聲波發(fā)生器聲壓級和功率的關(guān)系。由圖9可見：團聚效率與聲波發(fā)生器功率基本成線性關(guān)系，團聚效率隨聲波發(fā)生器功率的增大而提高；團聚效率與聲波發(fā)生器聲壓級不存在線性關(guān)系，但成明顯正相關(guān)，特別是聲壓級大于140 dB后，團聚效果明顯提高，在142 dB聲壓級下，團聚效率能達到25%左右。

圖9 團聚效率與聲波發(fā)生器聲壓級、功率關(guān)系

2.3 噴霧聯(lián)合聲波的團聚效果

為增強團聚效果，在聲波發(fā)生器安裝位置的上游利用離心泵結(jié)合機械霧化噴嘴進行噴水霧化（圖1）。噴水流量為80 L/h，噴霧壓力為0.6~0.7 MPa，4臺聲波的頻率為1 400 Hz，聲壓級（SPL）為142 dB。圖10為無聲波和噴霧、單獨聲波、單獨噴霧、聲波聯(lián)合噴霧4種情況下煙氣顆粒的團聚效果。

圖10 4種預(yù)處理情況下團聚效果

根據(jù)圖10計算得到團聚效率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在聲波聯(lián)合噴霧作用下，PM2.5和PM1團聚效率能夠達到31.0%和30.6%，比單獨聲波團聚提升了約 18.8% 和 18.1%。噴霧增濕[15-16]促進了煙氣顆粒的聲波團聚效果，這是因為霧化液滴與顆粒間的相對夾帶系數(shù)大于顆粒之間的相對夾帶系數(shù)，噴霧后煙氣加入了許多小水珠，增加了氣溶膠濃度，使得氣溶膠顆粒之間的相對運動程度增強，顆粒碰撞幾率隨之上升，團聚效率因此提高。另外，噴霧產(chǎn)生的液滴可作為“種子顆?！盵17]，在團聚過程中充當團聚核的作用，有效地與周圍的細顆粒發(fā)生碰撞，且噴霧后形成的團聚體更加穩(wěn)定，不易破碎。

2.4 噴霧聯(lián)合聲波對除塵效果的影響

無聲波和噴霧、單獨聲波、聲波聯(lián)合噴霧3種情況下，低低溫靜電除塵器后不同粒徑的顆粒數(shù)濃度（測試工況同2.3節(jié)）如圖11所示。由圖11計算可得：安裝聲波發(fā)生器后，除塵器煙氣PM2.5顆粒數(shù)濃度從1 666個/cm3降到1 453個/cm3，PM1顆粒數(shù)濃度從1 592個/cm3降到1 395個/cm3，除塵效率分別提升了12.8%和12.4%；進行聲波聯(lián)合噴霧預(yù)處理后，除塵器后PM2.5顆粒數(shù)濃度從1 666個/cm3降到1 232個/cm3，除塵效率升高了26.1%，PM1顆粒數(shù)濃度從1 592個/cm3降到1 163個/cm3，除塵效率升高26.9%；粒徑0.300~0.374mm的細顆粒在加入噴霧后，除塵效果明顯改善。這是因為噴霧促進了細顆粒團聚，團聚的大顆粒易通過電除塵器脫除。

圖11 3種情況下低低溫靜電除塵器后不同粒徑顆粒數(shù)濃度

煙氣中細顆粒在聲波和噴霧區(qū)域團聚后要經(jīng)過幾十米長的煙道后再進入除塵器，中間還要流經(jīng)二級煙氣冷卻器等，因此，在流動過程中團聚體大顆粒會碰到煙道中的各種管束（如二級煙氣冷卻器熱交換管等）、煙道內(nèi)壁面，以及局部煙氣湍流的沖擊等，導(dǎo)致團聚體重新破碎成小顆粒，使團聚效果下降。因此，在實際工業(yè)應(yīng)用中，聲波團聚室應(yīng)該布置在除塵器入口附近。此外，本實驗得到的聲波團聚效率不高，主要是因為聲波發(fā)射方向與煙氣流動方向相垂直，導(dǎo)致煙氣中的顆粒物在聲場中停留時間較短所致。

3 結(jié) 論

1）聲波團聚可促進煙氣中細顆粒的脫除。聲波團聚效果受聲波頻率影響較大，存在一個最佳頻率范圍。本文實驗結(jié)果顯示，當聲波頻率為1 400~ 1 700 Hz時，PM2.5和PM1的團聚效率在20%以上，最高為26%。

2）聲波的聲壓級和功率對聲波團聚也有較大影響。團聚效率與聲壓級和功率基本成正比關(guān)系；聲壓級大于140 dB后，團聚效率加速提高。工業(yè)應(yīng)用中，為達到較好的團聚效果，聲波聲壓級應(yīng)超過150 dB。

3）噴霧能加強聲波對于細顆粒的團聚作用，且形成的團聚體更加穩(wěn)定。在噴霧增濕聯(lián)合聲波作用下，PM2.5和PM1的團聚效率能夠達到31.0%和30.6%，比單獨聲波團聚以及單獨噴霧團聚分別提升了約10%和20%。

4）在實際工業(yè)應(yīng)用中，聲波團聚室應(yīng)布置在除塵器入口附近。此外，聲波發(fā)射方向應(yīng)與煙氣流動方向相同。

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Experimental study on acoustic agglomeration of fine fly ash particles in flue gas with large flow in coal-fired power plant

HUANG Jun1, WANG Peng1, ZHANG Ruixiang2, LIU Jianzhong2

(1. Shenhua Guohua (Beijing) Electric Power Research Institute Co., Ltd., Beijing 100025, China; 2 State Key Laboratory of Clean Energy Utilization, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

Taking the pilot test platform of a coal-fired power plant with flue gas flow of 20 000 m3/h at standard temperature and pressure as research object, the sound wave generators were installed at both sides of the flue duct, and combining with spray humidification, the authors tested the effects of frequencies and sound pressure level on acoustic agglomeration of fine particles in fly ash. The results show that, the acoustic frequency and sound pressure level have a great influence on the agglomeration. When the acoustic wave frequency was 1 400~ 1 700 Hz, a better agglomeration effect of PM2.5in the flue gas could be obtained. As the sound pressure level (or power) increased, the agglomeration efficiency increased. Especially, this increase became significant when the intensity of sound was higher than 140 dB. The acoustic wave combined with spray humidification could further promote the agglomeration effect of fine particles in flue gas and enhance the removal effect of electrostatic precipitator on PM2.5and PM1. The research results have important guiding significance for improving the agglomeration of fly ash fine particles and increasing dust removal efficiency.

large flow, flue gas, acoustic agglomeration, spray humidification, fly ash, PM2.5, sound pressure level, dust removal efficiency

National Key Research and Development Program (2018YFB0604203)

X701

A

10.19666/j.rlfd.201901007

黃軍, 王鵬, 張瑞翔, 等. 燃煤電站大流量煙氣下飛灰細顆粒聲波團聚實驗研究[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(6): 90-95. HUANG Jun, WANG Peng, ZHANG Ruixiang, et al. Experimental study on acoustic agglomeration of fine fly ash particles in flue gas with large flow in coal-fired power plant[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(6): 90-95.

2019-01-29

國家重點研發(fā)計劃項目(2018YFB0604203)

黃軍(1982—)，男，博士，高級工程師，主要研究方向為清潔煤燃燒及節(jié)能技術(shù)，huangjun0522@126.com。

（責任編輯 楊嘉蕾）