基于聲波團(tuán)聚的熱脫附裝置除塵的關(guān)鍵影響因素研究

鐘雲(yún)濠,吳昂鍵,顧海林,池作和,陳 彤,張光學(xué),*

(1. 浙江大學(xué) 能源高效清潔利用全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江 杭州 310027; 2. 中國計(jì)量大學(xué) 能源工程研究所, 浙江 杭州 310018)

0 引 言

近年來,隨著我國重工業(yè)的大力發(fā)展,國內(nèi)大量的土壤遭受了嚴(yán)重的污染。數(shù)據(jù)表明[1],截至2021年,我國約有34%的土壤存在輕度污染的情況,約48%的土壤存在重度污染的情況,因污染嚴(yán)重而導(dǎo)致無法使用占23%。為解決愈發(fā)嚴(yán)重的土壤污染問題,我國已有的污染土壤處理技術(shù)包括熱脫附技術(shù)、氣相抽提技術(shù)、氧化/還原技術(shù)、土壤淋洗技術(shù)、生物修復(fù)技術(shù)[2]等。其中熱脫附技術(shù)已在我國形成了較為成熟的產(chǎn)業(yè)鏈,其通過直接或間接加熱的方式,將土壤中的污染物加熱至一定溫度,使其蒸發(fā)成氣態(tài)與土壤分離,再通過尾氣處理系統(tǒng)將尾氣處理后達(dá)標(biāo)排放,實(shí)現(xiàn)土壤修復(fù)[3]。土壤經(jīng)熱脫附裝置處理后,溫度在300～500 ℃之間,通常在出料口安裝降溫除塵裝置,來將土壤溫度進(jìn)冷卻至80 ℃左右,在實(shí)際過程中,粒徑較小的土壤顆粒會(huì)被蒸發(fā)的水蒸氣攜帶,從出料口溢出形成煙霧,從而對周圍環(huán)境造成污染。因此,對熱脫附裝置出料口溢出的小顆粒土壤進(jìn)行沉降和收集十分重要。

聲波團(tuán)聚(Acoustic agglomeration)是指在含塵氣體上施加高強(qiáng)度聲場,使氣溶膠之間發(fā)生相對運(yùn)動(dòng),直至碰撞和團(tuán)聚合并的技術(shù)。聲波團(tuán)聚可以使顆粒的數(shù)目濃度大幅減少,目前已被應(yīng)用于多個(gè)場合的除塵和消煙。雷巖巖等[4]在燒結(jié)機(jī)尾設(shè)計(jì)并安裝的聲波團(tuán)聚耦合旋流除塵裝置,可以將燒結(jié)機(jī)尾的顆粒物排放濃度降低77%左右。南京某公司[5]研發(fā)的復(fù)合聲波團(tuán)聚高效除塵技術(shù),通過聲波團(tuán)聚將煙氣中細(xì)顆粒物的粒徑增大,然后通過多相物質(zhì)分離工藝實(shí)現(xiàn)大顆粒物的脫除,目前該技術(shù)已用于脫硫塔的改造,可將煙囪凈煙氣的粉塵排放濃度降低至5 mg/Nm3以下,達(dá)到粉塵超低排放標(biāo)準(zhǔn)。

國內(nèi)外針對聲波團(tuán)聚的研究主要有除塵領(lǐng)域應(yīng)用和團(tuán)聚機(jī)理研究兩方面。在除塵領(lǐng)域應(yīng)用方面,張光學(xué)等[6]發(fā)現(xiàn)聲波團(tuán)聚存在最佳聲頻,并通過實(shí)驗(yàn)測得燃煤飛灰的最佳聲頻在1 400～1 700 Hz之間。DONG Z[7]等將聲波團(tuán)聚實(shí)驗(yàn)裝置分別和靜電除塵器和布袋除塵器連接,發(fā)現(xiàn)在1 400 Hz、148 dB的聲場下,可以使靜電除塵器的除塵效率從89.05%提升至99.28%,使布袋除塵器的除塵效率從91.29%提升至99.19%。GUOQING S等[8]使用三種不同粒徑分布的煤粉灰進(jìn)行聲波團(tuán)聚,發(fā)現(xiàn)對于粒徑分布較為集中的單峰顆粒,團(tuán)聚效率隨聲壓級(jí)增大而增大,對于粒徑分布范圍較大的雙峰顆粒,在115 dB和120 dB時(shí)存在最佳聲壓級(jí),團(tuán)聚效率分別為25%和55%。陶威等[9]將噴霧應(yīng)用到聲波團(tuán)聚中,發(fā)現(xiàn)聲頻為900 Hz時(shí),在1.2 L/h的噴霧流量下,150 dB聲波的團(tuán)聚效率由無噴霧時(shí)的29.75%上升到了60.63%,從而降低聲波團(tuán)聚的能耗。趙天昊等[10]基于聲波團(tuán)聚和噴霧,設(shè)計(jì)了一個(gè)破碎機(jī)除塵裝置,并應(yīng)用于柴油機(jī)尾氣的凈化處理,發(fā)現(xiàn)在水蒸氣含量為6%、聲頻為21 kHz的條件下,團(tuán)聚效率比沒有水蒸氣時(shí)高30%。曹志勇等[11]將聲波團(tuán)聚技術(shù)應(yīng)用于消除火災(zāi)煙霧,發(fā)現(xiàn)在1 000 Hz、140 dB的聲場下,煙霧的透光率在20 s內(nèi)從22%提高到了90%,最佳聲頻在1 000～2 000 Hz之間。

在聲波團(tuán)聚的機(jī)理研究方面,Temkin等[12]通過實(shí)驗(yàn)總結(jié)了不可壓縮粘性流體的顆粒挾帶系數(shù)。Dong等[13]發(fā)現(xiàn)顆粒重力對于聲波中粒子的碰撞效率有著顯著影響。Dianov等[14]提出聲波尾流效應(yīng),主要內(nèi)容為:聲場中的顆粒沿運(yùn)動(dòng)方向的流場前后不對稱,在顆粒尾部存在低壓區(qū)域,如果其他顆粒出現(xiàn)在顆粒尾部,其受到的阻力減小,會(huì)加速向該顆?？拷?半個(gè)周期后,顆粒運(yùn)動(dòng)方向反向,角色互換但仍然相互靠近,經(jīng)過幾個(gè)周期后,兩個(gè)顆粒有可能碰撞團(tuán)聚。張光學(xué)等[15]構(gòu)建了一種新的聲波尾流模型,對模型進(jìn)行了邊界條件的理論分析和CFD模擬,計(jì)算了兩個(gè)粒子在水平聲場中的運(yùn)動(dòng)軌跡,發(fā)現(xiàn)該模型與Dianov的模型相比更加準(zhǔn)確。

本文研究了聲頻、聲壓級(jí)、噴霧濃度等關(guān)鍵因素對除塵效果的影響,研究成果有助于揭示噴霧協(xié)同聲波除塵的微觀機(jī)理,并為噴霧聯(lián)合聲波除塵技術(shù)的研究提供數(shù)據(jù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置和除塵效率的計(jì)算

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,各裝置的型號(hào)和生產(chǎn)廠家信息見表1。

表1 裝置種類、型號(hào)和生產(chǎn)廠家

圖1 研究聲波團(tuán)聚除塵關(guān)鍵影響因素的實(shí)驗(yàn)裝置Fig. 1 Experimental setup for studying the key parameters of acoustic agglomeration dust removal

奧突斯小型空氣壓縮機(jī)向匯分7991粉塵發(fā)生器內(nèi)泵入壓縮空氣,使粉塵從發(fā)生器出口噴出,經(jīng)管道進(jìn)入到團(tuán)聚室內(nèi)。團(tuán)聚室為一個(gè)內(nèi)徑120 mm、高220 mm的圓筒,頂部放置聲源喇叭,BNB銣磁聲源喇叭連接RMX 2450 MY-2100功率放大器和VICTOR2015H信號(hào)發(fā)生器。噴頭位于團(tuán)聚室底部,最大流量為300 mL/h,孔徑為0.5 mm,噴霧粒徑約在1～3 μm左右。信號(hào)發(fā)生器用于控制聲波的頻率,音頻功率放大器用于控制聲壓級(jí)大小,AWA5661-3聲級(jí)計(jì)用于測量團(tuán)聚室的聲壓級(jí),量程為30～160 dB。使用激光發(fā)射器和SANWA LP10激光功率計(jì),通過測量團(tuán)聚室的透光率,計(jì)算團(tuán)聚室的氣溶膠濃度,來定量描述聲波團(tuán)聚的除塵效率,發(fā)射器發(fā)射的激光穿過團(tuán)聚室中心位置,入射到激光功率計(jì)上,激光功率計(jì)的測量范圍為0.1 μW～40.40 mW,激光功率計(jì)和團(tuán)聚室透光率的關(guān)系如下式:

(1)

式(1)中,T為團(tuán)聚室透光率,I為激光功率計(jì)的實(shí)時(shí)示數(shù),I0為沒有粉塵和噴霧時(shí)激光功率計(jì)的示數(shù)。

Manoucheri等[16]提出了透光率和氣溶膠體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系式:

(2)

式(2)中:Vt和V0分別為聲波作用時(shí)間為t時(shí)的氣溶膠體積分?jǐn)?shù)和初始時(shí)氣溶膠體積分?jǐn)?shù),%;Tt和T0分別為團(tuán)聚室t時(shí)刻的透光率和初始透光率。

根據(jù)上式,定義聲波團(tuán)聚前后氣溶膠濃度的改變率為除塵效率η,如下式所示:

(3)

式(3)中:η為t時(shí)刻聲波團(tuán)聚的除塵效率,%;η值越大,說明在0～t時(shí)間內(nèi)粉塵濃度的降低程度越大,除塵效果越好。

1.2 粉塵樣品的粒徑分布

實(shí)驗(yàn)使用的粉塵取自國內(nèi)某熱脫附裝置出料口的砂質(zhì)壤土,取得的壤土經(jīng)88 μm篩網(wǎng)過濾,得到實(shí)驗(yàn)使用的粉塵樣品,使用Beckman Coulter LS13320激光粒度儀測量粉塵樣品的粒徑分布,測量結(jié)果如圖2所示。由測量結(jié)果可知,約90.7%顆粒的粒徑在1 μm以內(nèi)。使用電子天平和量筒測得粉塵的密度,約為1.9 g/cm3。

圖2 粉塵的粒徑分布Fig. 2 Particle size distribution of soil dust

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 聲頻對除塵效果的影響

圖3顯示了在粉塵濃度為600 mg·m-3、聲壓級(jí)為145 dB的條件下,改變聲頻后粉塵的透光率隨聲波作用時(shí)間的變化。

圖3 不同聲頻下,粉塵的透光率隨團(tuán)聚時(shí)間的變化Fig. 3 Changes of light transmittance of soil dust with agglomeration time at different acoustic frequencies

由圖可知,沒有聲波作用時(shí),團(tuán)聚室的透光率變化緩慢,60 s內(nèi)僅僅提升至0.38。施加聲波后,透光率在初期迅速增大,1 400 Hz時(shí),透光率在30 s內(nèi)從0.38增加至0.82。隨著聲波團(tuán)聚的進(jìn)行,透光率的增大速率逐漸減緩,這是因?yàn)槌跏紩r(shí)粉塵濃度大,顆粒之間的距離較小,發(fā)生碰撞和團(tuán)聚的時(shí)間較短,沉降速度快,所以透光率變化大;隨著團(tuán)聚過程的進(jìn)行,粉塵的濃度逐漸降低,顆粒間距變大,發(fā)生碰撞和團(tuán)聚的時(shí)間增加,沉降速度變慢,所以透光率變化緩慢。

圖4顯示了t=60 s粉塵的除塵效率η和聲頻的變化關(guān)系。由圖可知,除塵效率η隨著聲頻的增加先增加后減小,說明聲波團(tuán)聚存在著最佳聲頻。由擬合曲線可知,1 400 Hz時(shí)除塵效率達(dá)到最大,為84%,說明粉塵的最佳聲頻在1 400 Hz左右。從團(tuán)聚室頂部發(fā)出的聲波經(jīng)底部反射后形成反射波,反射波和入射波疊加會(huì)形成駐波,駐波會(huì)帶動(dòng)顆粒的振動(dòng),由于不同顆粒的粒徑存在差異,使得它們的質(zhì)量和慣性不同,導(dǎo)致不同粒徑顆粒在聲場中的振幅不同。另外,駐波振幅最大的點(diǎn)稱為波腹,振幅最小的點(diǎn)稱為波節(jié),而聲頻的變化會(huì)改變波腹和波節(jié)的位置,使得不同聲頻下聲場中的顆粒振幅有所不同。隨著聲頻增大,顆粒的振幅會(huì)逐漸越小直至為0,且顆粒粒徑越大,振幅下降的幅值越大。當(dāng)聲頻太小時(shí),大顆粒和小顆粒在聲場中的振幅相近,使得二者的相對運(yùn)動(dòng)速度低,使得團(tuán)聚的速度和效果差;當(dāng)聲頻太大時(shí),大顆粒和小顆粒均保持靜止或者振幅很小,二者的相對運(yùn)動(dòng)速度低,導(dǎo)致團(tuán)聚效果較差[17]。因此在中間存在著一個(gè)最佳頻率,使得小顆粒和大顆粒的振幅差值最大,相對運(yùn)動(dòng)速度最大,即為最佳聲頻,最佳聲頻下顆粒團(tuán)聚的速度最快,除塵效率最高。

圖4 t=60 s的除塵效率隨聲頻的變化Fig. 4 Changes of dust removal efficiency at t=60 s with acoustic frequency

2.2 聲壓級(jí)對除塵效果的影響

聲輻射壓力是聲波入射到一個(gè)障礙物上,對其產(chǎn)生的前向平均壓力。聲輻射壓力作用下的顆粒會(huì)進(jìn)行從波腹到波節(jié)的定向運(yùn)動(dòng)[18]。聲輻射壓力的大小與聲能量密度成正比。聲壓級(jí)的大小反映了聲強(qiáng)的大小,而聲強(qiáng)和聲能量密度存在一定的正相關(guān)。調(diào)節(jié)功放的輸入功率,使用聲級(jí)計(jì)測得團(tuán)聚室內(nèi)的聲壓級(jí)分別為145 dB、150 dB和153 dB,圖5(a)顯示了在粉塵濃度為600 mg·m-3、聲頻為1 800 Hz的條件下,改變聲壓級(jí)后粉塵的透光率隨聲波作用時(shí)間的變化。由圖可知,隨著聲壓級(jí)增大,透光率的增加速度都逐漸增大。t=11 s,粉塵的透光率分別為0.53(145 dB)、0.68(150 dB)和0.72(153 dB)。t=60 s的除塵效率和聲壓級(jí)的關(guān)系如圖5(b)所示,由圖可知,隨著聲壓級(jí)增大,除塵效率逐漸增大,153 dB時(shí)達(dá)79%,與145 dB相比提高了38%。推測是聲壓級(jí)的增大使得聲能量密度增大,導(dǎo)致聲輻射壓力增大,使得顆粒的定向運(yùn)動(dòng)速度加快,從而促進(jìn)顆粒間的碰撞和團(tuán)聚。

圖5 聲壓級(jí)對除塵效率的影響Fig. 5 Effect of sound pressure level on dust removal efficiency

2.3 粉塵初始濃度對除塵效果的影響

圖6(a)顯示了在聲頻為1 800 Hz、聲壓級(jí)為145 dB的條件下,改變粉塵初始濃度后的透光率隨聲波作用時(shí)間的變化。由圖可知,粉塵的初始濃度越大,0 s時(shí)的透光率越小,分別為0.46(400 mg/m3)、0.31(600 mg/m3)和0.22(800 mg/m3),原因是粉塵初始濃度越大,顆粒分布越密集,對激光的漫反射越強(qiáng),導(dǎo)致入射到激光功率計(jì)上的激光存在著能量損失,所以透光率較小。在團(tuán)聚后期,三組濃度的透光率大小和變化基本相同,60 s時(shí)達(dá)到了0.66、0.66和0.65,原因是團(tuán)聚后期粉塵濃度很小,顆粒間距很大,聲波作用下的顆粒相對運(yùn)動(dòng)很慢,已經(jīng)難以在較短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生碰撞和團(tuán)聚,此時(shí)透光率的變化主要依賴于粉塵的自然沉降,所以變化速度慢。

圖6 粉塵初始濃度對除塵效果的影響Fig. 6 Effect of initial dust concentration on dust removal efficiency

圖6(b)顯示了不同粉塵初始濃度下的除塵效率隨時(shí)間的變化關(guān)系。由圖可知,粉塵的初始濃度越大,前期的除塵速率越大,初始濃度為800 mg/m3時(shí),11 s內(nèi)除塵效率從0增大至63%;當(dāng)初始濃度從400 mg/m3升高至800 mg/m3時(shí),60 s 時(shí)的除塵效率從46%提高到了72%。推測是較大的粉塵初始濃度使得粉塵顆粒的間距縮小,發(fā)生碰撞團(tuán)聚和沉降的速度提高。

2.4 聲波團(tuán)聚對顆粒微觀結(jié)構(gòu)的影響

粉塵在聲波團(tuán)聚前和團(tuán)聚后的SEM表征如圖7所示。

圖7 粉塵團(tuán)聚前和團(tuán)聚后的SEM圖Fig. 7 SEM images of soil dust before and after acoustic agglomeration

由圖可知,團(tuán)聚前的土壤顆粒主要呈圓球狀,顆粒直徑在25～60 μm不等。團(tuán)聚后可以觀察到形狀不規(guī)則的塊狀物,最大長度在400 μm 左右,約為粉塵最大粒徑的5倍,推測可能是土壤顆粒在聲場中存在被碾碎的情況,然后被碾碎的不規(guī)則顆粒在范德華力等微觀力的作用下團(tuán)聚在一起,形成尺寸遠(yuǎn)大于未團(tuán)聚顆粒的塊狀物。

2.5 噴霧對除塵效果的影響

已有的研究表明,噴霧液滴可以作為聲波團(tuán)聚的團(tuán)聚核[11],使粒徑小的土壤顆粒黏附在粒徑大的液滴上,提高團(tuán)聚效果,噴霧液滴和土壤顆粒之間的液橋力遠(yuǎn)大于土壤顆粒和土壤顆粒之間的范德華力[7],也是噴霧能夠提高團(tuán)聚效果的原因之一。圖8(a)顯示了在聲頻為1 800 Hz,聲壓級(jí)為145 dB,粉塵濃度為600 mg·m-3的條件下,改變噴霧濃度后的透光率隨著聲波作用時(shí)間的變化。

圖8 噴霧初始濃度對除塵效率的影響Fig. 8 Effect of initial spray concentration on dust removal efficiency

由圖可知,噴霧濃度越大,初始時(shí)的透光率越小,原因是初始時(shí)噴霧濃度越大,對激光的阻擋越強(qiáng),透光率越小。在團(tuán)聚前期,噴霧濃度越大,透光率變化越快。團(tuán)聚后期,各噴霧濃度的透光率相近,60 s時(shí)分別為0.72、0.72、0.71和0.71,大于無噴霧時(shí)的0.66,說明噴霧可以降低顆粒物的濃度,提高聲波團(tuán)聚的效果。噴霧液滴對聲波團(tuán)聚的促進(jìn)作用較為復(fù)雜,涉及到同向作用機(jī)理、聲尾流效應(yīng)、聲輻射力等機(jī)理[17],本實(shí)驗(yàn)所用噴霧的平均粒徑約在50 μm左右,大于粉塵的平均粒徑,根據(jù)同向作用機(jī)理,噴霧的慣性比粉塵大,運(yùn)動(dòng)速度更慢,導(dǎo)致兩者的相對運(yùn)動(dòng)速度增大;另外,駐波聲場中的聲輻射力大小會(huì)隨著液體球粒徑的變化而呈現(xiàn)出一系列波峰和波谷,且駐波場能夠使液滴向波節(jié)處靠近[18],使得團(tuán)聚室內(nèi)不同位置液滴的速度大小和方向不同。噴霧濃度越大,粉塵能更快地和附近的噴霧發(fā)生碰撞和團(tuán)聚,從而提高團(tuán)聚效果。圖8(b)顯示了除塵效率和噴霧的關(guān)系曲線,隨著噴霧濃度增大,除塵效率也顯著增大,當(dāng)噴霧濃度為2.0 L·m-3時(shí),除塵效率為92%,比沒有噴霧時(shí)的除塵效率提高了44%,說明聲波團(tuán)聚在氣溶膠濃度較高的場合效果更好。

粉塵濃度為600 mg·m-3,噴霧濃度為1.0 L·m-3,聲壓級(jí)為145 dB的條件下,有噴霧和無噴霧時(shí)t=60 s的除塵效率隨聲頻的變化關(guān)系如圖9所示。

圖9 有噴霧時(shí),t=60 s時(shí)的除塵效率隨聲頻的變化關(guān)系Fig. 9 Relationship between dust removal efficiency at t=60 s and audio frequency with spray

由圖9可知,施加噴霧時(shí)各組聲頻的透光率均高于沒有噴霧式各組聲頻的透光率,說明噴霧可以促進(jìn)土壤顆粒的聲波團(tuán)聚,提高除塵效果。有噴霧時(shí),透光率隨著聲頻增加先增加后減小,存在最佳聲頻,根據(jù)曲線擬合結(jié)果可知,最佳聲頻在1 400 Hz左右,此時(shí)的除塵效率達(dá)98%。根據(jù)同向作用機(jī)理,聲場中不同粒徑氣溶膠的夾帶系數(shù)不同,相同聲頻下粒徑越大的顆粒夾帶系數(shù)越小,使得不同粒徑顆粒之間存在著相對運(yùn)動(dòng),但當(dāng)聲頻太大或太小時(shí),不同粒徑的夾帶系數(shù)均會(huì)趨向于1.0或0.0,所以對于粒徑分布特定的氣溶膠,存在著相對運(yùn)動(dòng)速度最大的聲頻,為該氣溶膠的最佳聲頻。有噴霧和無噴霧除塵的最佳聲頻均在1 400 Hz左右,推測是由于噴霧的粒徑分布情況與粉塵類似,使得夾帶系數(shù)的變化趨勢與粉塵相近,使得噴霧和粉塵在1 400 Hz達(dá)到最大相對運(yùn)動(dòng)速度。

3 結(jié) 論

本文研究了聲波團(tuán)聚聯(lián)合噴霧對熱脫附粉塵的除塵效果,探究了聲頻、聲壓級(jí)、粉塵初始濃度、噴霧流量等關(guān)鍵因素對聲波團(tuán)聚效果的影響。得到的結(jié)論如下:

(1)團(tuán)聚室的除塵效率隨著聲頻的增加先增后減,最佳聲頻為1 400 Hz,再施加1.0 L·m-3的噴霧后,能在60 s內(nèi)使團(tuán)聚室內(nèi)氣溶膠的體積分?jǐn)?shù)減少98%;隨著聲壓級(jí)增大,除塵效率逐漸增大;

(2)粉塵在經(jīng)過聲波處理后,會(huì)被碾碎并團(tuán)聚;

(3)噴霧能夠顯著提高除塵效率,對于最佳聲頻的影響不大,且噴霧濃度對除塵效率的最終大小影響不大;

(4)粉塵和噴霧的初始濃度越大,團(tuán)聚前期的除塵速率和最后的除塵效率越大,說明聲波團(tuán)聚對高濃度氣溶膠的使用效果更好。