PM2.5声波团聚中尾流效应及颗粒破碎机理研究

Acoustic agglomeration is an effective technology to control the emission of PM2.5. In the technology, flue gas is treated by intense sound wave, which make particles agglomerate to big ones. After that, particles in the flue gas can be removed by traditional precipitators more efficiently. Until now this technology is still being developed and not applied in industries. One of the main reasons is that the mechanism of acoustic agglomeration is not well understood and the numerical simulation is not accurate enough. In the project, we will theoretically study the acoustic wake effect, which was experimentally found to be an important mechanism recently. The agglomeration kernel will be obtained base on the effect. Also, the breakup mechanism of aggregates in sound field will be investigated, and the theoretical model will be established. Integrated the results of above studies, a complete and accurate theoretical model of acoustic agglomeration can be developed. The traditional calculation methods solve agglomeration model too slowly. To overcome it, quadrature method of moments will be used to numerical solve the model. A 3D simulation of acoustic agglomeration process will be carried out. According to the above studies, we expect to deeply explore the mechanism of acoustic agglomeration, achieve accurate numerical simulation, and finally provide theoretical foundation for industry applications.

声波团聚是一项有效控制PM2.5细颗粒物排放的烟气处理技术。该技术利用高强声波对含尘烟气进行处理，使其中的细颗粒发生团聚，形成更大的颗粒，从而更易被常规除尘器捕集。目前该技术仍在发展中，尚未实现工业应用，主要原因之一是对声波团聚的机理研究不够深入，且缺乏较准确的数值模拟。本项目拟对最近实验发现比较重要而理论研究很少的声波尾流效应进行机理研究，并获得相应的团聚核函数；对团聚体在声场中的破碎机理进行研究，建立理论模型。从而建立较完整、准确的声波团聚理论模型，采用积分近似矩量法解决目前气溶胶声波团聚求解过慢的缺陷，对该模型进行求解，实现声波团聚的三维数值模拟。通过以上研究，掌握声波团聚内在机理，实现对团聚效果较准确的数值预测，为实际工业应用提供理论基础。

声波团聚是其中一项很有潜力的细颗粒物排放控制技术，该技术利用高强声波对含尘烟气进行辐射处理，使烟气中的颗粒之间发生碰撞、团聚，形成更大一级的颗粒。处理后的烟气中细颗粒数量减少、平均粒径增大，从而更易被常规除尘器捕集。在合适的条件下，声波能在数秒时间内使烟气中的PM2.5浓度降低70%以上，使常规除尘器对PM2.5的捕集效率由80%左右提高到约97%，从而大幅消减PM2.5的排放。.本项目完成了申报书中规定的所有研究内容，达到了所有预期设定的研究目标。建立了新的声波团聚理论模型，特别是改进的声波尾流效应数值模型，克服了现有模型高估颗粒周围流速和不符合边界条件等问题，新模型得到了实验验证，更为完整、精确。建立了声波团聚三维数值模拟，采用离散单元法求解气溶胶颗粒团聚过程，并采用多时间步长算法缩短计算时间，克服了现有的零维模拟无法考虑空间不均匀分布的缺陷，更符合实际物理过程。为了更好地考虑团聚体的曳力，采用高粘度液体介质，进行了大量的实验研究，实测了不规则团聚体的曳力，得到了团聚体颗粒物的实际阻力系数，克服了目前只能用粗糙简化的Stokes阻力计算公式的缺陷，研究成果可为气溶胶团聚及其他相关领域提供理论基础。在分析团聚体破碎机理的基础上，采用喷雾、表面活性润湿剂和凝聚剂等手段，成功将团聚效率提高到93%，并降低能耗达75%以上，克服了现有声波团聚技术中团聚体易破碎、团聚效率不高及能耗过高的问题，推动了该技术在实际工业中的应用。.本项目实施过程中，项目负责人在《Chemical Engineering Journal》、《Powder Technology》、《Energy & Fuels》等国际知名期刊上发表高水平SCI论文共计4篇，另有EI论文1篇、出版著作1部、申请国家专利2项。