【優(yōu)秀碩士博士論文】開題報告-聲波團聚燃煤煙氣超細顆粒物數(shù)值模擬研究

哈爾濱工業(yè)大學碩士學位論文開題報告題目聲波團聚燃煤煙氣超細顆粒物數(shù)值模擬研究院（系）汽車工程學院學科動力工程導師研究生學號開題報告日期研究生院培養(yǎng)處制目錄1研究背景及意義111課題背景112PM25簡介213PM25污染狀況32國內外研究現(xiàn)狀及分析421實驗研究現(xiàn)狀5211國外聲波團聚實驗研究進展5212國內聲波團聚實驗研究進展7213小結722數(shù)值模擬研究進展8221小結93主要研究內容1031脫硫后鍋爐煙氣細顆粒物的變化特性1032聲團聚室結構優(yōu)化1133聲波團聚數(shù)值模擬1234小結124進度安排135參考文獻141研究背景及意義大氣是人類賴以生存的最基本的環(huán)境要素之一，任何生物從它誕生之日起，就需要通過呼吸維持生命，停止呼吸就意味著生命的終結。隨著人類生產(chǎn)和生活活動的發(fā)展，當它對大氣產(chǎn)生的影響超過其自凈能力時就會對大氣造成污染。自我國改革開放以來，我國經(jīng)濟獲得了長足的發(fā)展，生產(chǎn)力水平大大提高。但是，傳統(tǒng)模式下的生產(chǎn)力的提高在驅動經(jīng)濟增長和為企業(yè)帶來利潤的同時，卻使我們的家園變得千瘡百孔，不堪重負。傳統(tǒng)意義上講，人類面臨主要的環(huán)境問題分為三種，分別是氣候變暖、臭氧層破壞和酸雨1。其中，酸雨問題是最為突出的問題，對人類的生活及健康產(chǎn)生的威脅也最大。酸雨通常是指表示酸堿度指數(shù)的PH值低于56的酸性降水。酸雨是工業(yè)高度發(fā)展而出現(xiàn)的副產(chǎn)物，由于人類大量使用煤、石油、天然氣等化石燃料，燃燒后產(chǎn)生的硫氧化物或氮氧化物，在大氣中經(jīng)過復雜的化學反應，形成硫酸或硝酸氣溶膠，或為云、雨、雪、霧捕捉吸收，降到地面成為酸雨。如圖1為酸雨形成的簡單示意圖。圖1酸雨形成過程示意圖近幾十年來，經(jīng)過世界環(huán)保人員的不懈努力以及各國政府的正確引導，世界各國人民對以上三大環(huán)境問題已經(jīng)有了較清楚的認識，也對傳統(tǒng)意義上的環(huán)境問題有了足夠的重視。但是，隨著世界化石燃料相關工業(yè)（如動力發(fā)電、汽車行業(yè)及石油工業(yè)等）的不斷發(fā)展，新的環(huán)境問題也不斷涌現(xiàn)。人們對空氣質量要求的不斷提高，可吸入顆粒物越來越受到人們的關注。11課題背景2010年11月21日，美國駐華使館發(fā)布的北京PM25監(jiān)測數(shù)據(jù)爆表，超過了最高污染指數(shù)500，此時的PM25濃度522，也因為“超出了該污染物的值域”，在美國環(huán)保局網(wǎng)站上無法轉換為空氣質量指數(shù)，當時使館在推特上描述其為“CRAZYBAD（糟糕透頂）”。2011年，隨著部分地區(qū)的空氣監(jiān)測引發(fā)關注和熱議，PM25和PM10這兩種空氣監(jiān)測標準也進入公眾視野。圖2某日北京空氣污染狀況早在20世紀80年代，國際社會已對可吸入顆粒物污染高度重視。隨著人們對大氣顆粒物研究的深入，人們認識到粒徑在10UM以下的顆粒物是對環(huán)境和人體健康危害最大的一類污染物，并且細顆粒的危害性比粗顆粒更加嚴重，因此各個國家對其制定的排放標準日趨嚴格。PM25的標準是1997由美國率先提出，主要是為了更有效地監(jiān)測隨著工業(yè)化日益發(fā)達而出現(xiàn)的、在舊標準中被忽略的對人體有害的細小顆粒物。首次規(guī)定了PM25的質量濃度限值315G/M3（年平均）和65G/M3（日平均）。經(jīng)過近年來的不斷發(fā)展，世界衛(wèi)生組織及一些國家也針對PM25的濃度頒布了相關了法令，規(guī)定了PM25的限值34，如下表所示。國家/組織年平均（G/M3）日平均（G/M3）備注準則值1025目標13575目標22550WHO目標3153752005年發(fā)布澳大利亞8252003年發(fā)布，非強制標準美國15352006年生效日本15352009年發(fā)布歐盟25無2010年發(fā)布，2015年強制標準生效一級1535中國二級35752016年開始生效表1國際及一些國家的PM25限值及實施時間12PM25簡介PM，英文全稱為PARTICULATEMATTER（顆粒物）。PM25是指大氣中直徑小于或等于25微米的顆粒物，也稱為可入肺顆粒物。它的直徑還不到人的頭發(fā)絲粗細的1/20（如下圖所示）。圖3顆粒粒徑示意圖PM25危害較大，主要分為兩個方面，對環(huán)境的影響和對人身體健康的影響。首先介紹PM25對大氣環(huán)境的影響。對大氣環(huán)境的影響主要是對空氣能見度的影響和對氣候的影響。諸如PM25之類的細顆粒物存在于空氣中時，對輻射到大氣中的太陽光形成散射和吸收作用，繼而大幅降低了有效視距，導致能見度下降；另外，空氣中存在的細顆粒物對太陽輻射的能量也有吸收和反射的作用，所以大氣中如果存在大量細顆粒時，輻射到地球的能量和地球輻射到宇宙的能量都會受到影響，打破地球與外界的能量收支平衡，對氣候造成影響。PM25對人身體健康的影響有多方面，也受到了廣泛的關注。世界衛(wèi)生組織發(fā)布的報告顯示，無論是發(fā)達國家還是發(fā)展中國家，目前大多數(shù)城市和農村人口均遭受到顆粒物對健康的影響。高污染城市中的死亡率超出相對清潔城市的15至20。據(jù)統(tǒng)計，在歐洲，PM25每年導致386000人死亡，并使歐盟國家人均期望壽命減少86個月。PM25之所以能對人體造成傷害首先是因為其自身粒徑非常小，而人的生理結構決定，人體不能阻擋PM25這些小顆粒。進入人體后，一般直接到達支氣管和肺泡，甚至可以進入血液；其次是因為PM25由于粒徑小，所以比表面積較大，易于富集多種烴類、苯類、痕量有毒金屬，甚至病毒細菌等有毒物質，當這些有毒物質在人體內沉積到一定量時，必然會對人體健康造成嚴重影響。美國環(huán)保局（EPA）和一些其他科研機構通過研究證實，PM25的濃度變化與慢性病、呼吸道疾病一級心腦血管疾病發(fā)病率有很大的相關性。2002年美國紐約州立大學藥物院的相關研究者研究發(fā)現(xiàn)，細顆粒物與肺癌、心臟病所導致的死亡率有緊密聯(lián)系，并獲得了確切的證據(jù)5。13PM25污染狀況美國國家航空航天局（NASA）2010年9月公布了一張由加拿大的兩位研究員AARONVANDONKELAAR和RANDALLMARTIN繪制的全球細顆粒物污染情況圖6，顯示了20012006年全球PM25濃度的平均值。圖中顯示我國東部地區(qū)PM25污染非常嚴重。在這張圖上紅色（即PM25密度最高），出現(xiàn)在北非、東亞和中國。中國華北、華東和華中PM25的密度，指數(shù)甚至接近每立方米80微克，甚至超過了撒哈拉沙漠。在這張20012006年間平均全球空氣污染形勢圖上，全球PM25最高的地區(qū)在北非和中國的華北、華東、華中全部。圖4全球PM25污染狀況圖綜上所述，超細顆粒物污染問題已經(jīng)是世界環(huán)境問題的重要組成部分，對環(huán)境及人類生存都產(chǎn)生了較嚴重的影響。近年來，各國人民對于空氣質量的關注度逐漸提高，世界衛(wèi)生組織及一些國家對該問題也都給予了足夠的重視。我國也于2012年2月29日頒布新的環(huán)境空氣質量標準4，增設了PM25的濃度限值，調整了PM10的濃度限值。由此可見，研究超細顆粒物的控制方法，找到適合的控制方法將PM25限值在合理的范圍內，已經(jīng)迫在眉睫。2國內外研究現(xiàn)狀及分析燃燒源中可吸入顆粒物的控制技術主要包括兩類，一類是以減少可吸入顆粒物的數(shù)量為目的的控制技術，一種是以減少可吸入顆粒物中有害元素為目的的控制技術7。前者主要有基于布袋除塵器，靜電除塵器等的除塵技術。靜電除塵器被認為是一種可靠、運行費用和維護費用較低的除塵好方法，能滿足大多數(shù)設備的除塵需要。但是靜電除塵器對于顆粒小于25M的超細顆粒物的脫除效率卻很低，出口飛灰的平均粒經(jīng)可達到幾個微米，即飛灰中大部分是可吸入顆粒物。所以，無法適應國家新規(guī)定的要求。布袋除塵器是一種高效的除塵設備，對細顆粒物的脫除效率也相當可觀，但是維護費用相當高，與我國的發(fā)展不相適應。后者包括很多的技術，如為了減少硫酸鹽、氮酸鹽的技術，為了減少重金屬排放的技術和為了減少多環(huán)芳烴的技術?，F(xiàn)有研究已經(jīng)表明煙氣脫硫方式對重金屬的化學形態(tài)和濃度都有影響。進一步探明其影響機理，提出脫硫過程中控制重金屬的方法具有實用價值。由此可見，合理設計脫硫方法以控制重金屬排放，可以有效控制超細顆粒物的形成。從目前的研究方向上來看，第二類技術難度較大，需要從燃燒源或者燃燒方式上控制，故國內外研究進展較慢，距離工業(yè)應用較遠；相比較之下，第一類技術具有更大的可行性，也是目前研究較多的技術。對于第一類技術，又可以從兩個方面入手解決。一方面是升級除塵設備，提高設備對細顆粒物的捕集效率，從而減少超細顆粒物的排放量；另一方面是利用外場作用，使得小顆粒長大為大顆?；蛐☆w粒發(fā)生團聚現(xiàn)象，從而可以用傳統(tǒng)除塵設備將超細顆粒物除去。目前研究者主要把研究重點放在團聚作用上面，通過一定的團聚手段使細顆粒物長大，再利用傳統(tǒng)除塵設備將其除去。現(xiàn)階段，超細顆粒物的團聚技術主要有聲團聚、電團聚、磁團聚、化學團聚等。對比多種團聚技術，聲波團聚具有諸多優(yōu)點，如聲源不需與高溫、腐蝕性煙氣發(fā)生直接接觸；對于聲波團聚技術，國內外研究的歷史悠久，對相關的機理已有一定的認識。聲波團聚是利用高強度聲場使氣溶膠中微米和亞微米顆粒團聚的過程。聲波的作用效果在于引起顆粒間的相對運動并因此增加它們的碰撞速率，一旦顆粒發(fā)生了碰撞，它們便十分可能粘附而形成較大一級的團聚物，下圖為細顆粒聲波團聚的示意圖。圖5細顆粒聲波團聚長大示意圖從圖中可以看出，由于外加聲波的作用，大小顆粒之間發(fā)生了相對運動，從而導致了顆粒的團聚。所以，顆粒的粒徑分布將從小尺寸向大尺寸范圍遷移。團聚后顆粒的平均粒徑變大，細顆粒的數(shù)目濃度變小。粒徑增大使得顆粒物更容易被除塵設備脫除，從而達到提高煙氣效率的效果。因此，聲波團聚是一種預處理過程，通過聲波團聚作用可提高整個系統(tǒng)的除塵效率。從目前相關研究者的研究成果來看，聲波團聚之所以能引起顆粒相對運動主要是因為在聲波作用時，出現(xiàn)的顆粒隨聲波的夾帶運動（同向團聚機理）、入射波的反射（交互反射和互相輻射壓力作用）以及顆粒附近的流場擾動（聲波尾跡相互作用）等效應。幾種作用同時存在，在其共同影響下，顆粒相互靠近并最終碰撞黏附在一起形成團聚物。團聚物和其他細顆粒繼續(xù)發(fā)生碰撞，團聚的尺寸不斷增大，在很短時間內顆粒的粒徑分布向較大粒徑的方向遷移，細顆粒的數(shù)目濃度降低。在顆粒相對運動和團聚過程中，存在著聲場與顆粒、流體介質與顆粒、顆粒與顆粒間的相互作用，而這些作用又相互耦合，這意味著顆粒的聲波團聚過程十分復雜。一般認為，聲波團聚機理主要有同向團聚作用、流體力學作用、聲輻射壓力作用、聲致湍流等，其中前兩者是主要的聲波團聚機理。針對聲波團聚技術，國內外研究者已展開了較深入的研究。主要的研究方法包括實驗研究和數(shù)值模擬研究。21實驗研究現(xiàn)狀211國外聲波團聚實驗研究進展聲波團聚的現(xiàn)象是于1866年被發(fā)現(xiàn)的，但直到1927年，物理學家RWWOOD10實驗研究發(fā)現(xiàn)高強度聲波在介質中的震動性質，由此才掀起了聲波團聚的熱潮。1931年，HSPATTERSON和WCAWOOD11首次對聲波團聚進行實驗研究，利用壓電系統(tǒng)作為超聲波的供電源，研究了超聲波對氧化鎂煙氣的影響。該實驗觀察到顆粒群的團聚作用會形成較大的顆粒物。然而，由于聲波團聚能耗較高，此后直到20世紀70年代中期這段時間內，幾乎沒有聲波團聚的實驗研究。到70年代，由于對環(huán)境的要求提高，超細顆粒物帶來的環(huán)境污染引起廣泛關注，各國也提高了超細顆粒物的排放限值，致使聲波團聚又進入了研究熱潮。1975年，MICHAELVOLKJR和WILLIAMJMOROZ12利用0051M的炭黑氣溶膠顆粒，實驗研究了聲團聚在低聲壓級（100120DB）下團聚顆粒的可行性。該作者利用分組實驗研究了聲壓級、頻率、顆粒質量濃度和停留時間對聲波團聚的影響。實驗發(fā)現(xiàn)增加質量濃度、聲壓級和停留時間，都會增加團聚顆粒的尺寸，最佳頻率為3KHZ。然而，該實驗所需的接觸時間較長（1050S，最佳接觸時間為40S），因此團聚室的尺寸也必須足夠大，增加了占地面積和投資，不利用工業(yè)應用。1979年，SHAW13等利用相關單分散氣溶膠研究了顆粒粒徑分布的變化規(guī)律，該實驗采用了兩套聲源低頻電磁揚聲器和高頻報警器。實驗結果表明流體力學作用對于粒徑大于05M的顆粒在10KHZ下的團聚是很重要的。大顆粒的聲團聚現(xiàn)象對頻率的變化不敏感，而同向團聚作用主要依賴于聲源的頻率。1980年，KHCHOUETAL14等研究了行波作用下聲波導致的湍流和激波作用。該實驗利用熱膜風速計和FFT數(shù)據(jù)處理單元研究了聲場的頻率和強度的影響。實驗發(fā)現(xiàn)，當聲壓級大于158DB時，出現(xiàn)湍流現(xiàn)象；大于160DB時，出現(xiàn)激波現(xiàn)象。1983年，CHENG15等研究了行波作用下、聲壓級位于145155DB、頻率位于600300HZ的聲場時，顆粒的團聚效應。結果發(fā)現(xiàn)顆粒的質量分布呈現(xiàn)雙峰分布，該結果與同向團聚機理相一致。此外，作者還利用數(shù)值模擬的方法研究了聲壓級、頻率、顆粒粒徑以及質量濃度對團聚的影響。1987年，RAJIVTIWARY和GERHARDREETHOF16采用聲壓級為140160DB、頻率為23KHZ的聲場，對燃煤飛灰氣溶膠（濃度130G/M3，平均粒徑5M）進行預處理。建立了忽略重力沉降、布朗運動、湍流團聚作用的團聚模型，最終實驗結果與模型的預測結果相一致。得到最佳操作參數(shù)為聲強范圍150160DB、頻率為L2KHZ及輻射時間為24秒。1993年，TLHOFFMANNETAL17實驗研究了頻率為44HZ、聲壓級在160DB的聲場中，同時添加了粒徑為88M的石灰石大顆粒的燃煤飛灰雙模團聚現(xiàn)象。結果表明額外添加石灰石大顆粒，提高了聲波團聚的效率。之后，HOFFMANN研究了在聲場中顆粒團聚理論和實驗研究，提出音叉團聚（TURINGFORKAGGLOMERATION）和顆粒周圍流場不對稱效應，在聲波尾流效應基礎上，結合同向團聚和聲波尾流效應，提出了聲波團聚核團聚方程式。2000年HOFFMANN對比研究了低頻（44HZ）和高頻（10KHZ）聲場中顆粒的團聚情況。研究結果發(fā)現(xiàn)，利用低頻聲源時，2211M以下的顆粒經(jīng)過聲波團聚長大成為粒徑大于11M的顆粒，而且粒徑小于2M的顆粒質量濃度降低50；利用聲壓級為140160DB的高頻聲源，當停留時間為2S，粒徑在1M附近的顆粒濃度減少超過70。綜合比較在實際應用中低頻聲源更有利于顆粒團聚。1999年，JUANAGALLEGOJUAREZ18等建立了中試規(guī)模的試驗臺，研究聲波團聚減少燃煤煙氣中顆粒物含量的實驗。該試驗臺包括矩形截面的聲團聚室，四個高壓高頻的大功率超聲波換能器（400W，1020KHZ）和靜電除塵器。實驗所用的煙氣是由循環(huán)流化床燃燒器產(chǎn)生。實驗結果表明，經(jīng)過聲波團聚后，煙氣中的細顆粒物減少了40。2000年，ITZIARGONZALEZETAL19在行波場中研究了氣溶膠顆粒在聲波中的夾帶系數(shù)。實驗結果與BRANDTFREUNDHIEDEMANN方程所建立的夾帶系數(shù)的表達式進行了對比。本文用CCD高速攝像機可視化研究了粒徑79M的玻璃珠在20HZ35KHZ頻率范圍內的振幅變化。該研究的大量測量結果有助于得出一個詳細的聲夾帶系數(shù)的表述。212國內聲波團聚實驗研究進展國內對于聲波團聚技術的研究起步較晚，目前，國內在聲波團聚方面研究較深入的單位有浙江大學、華中科技大學、湖南大學、東南大學等。1995年，石油大學黃虹賓等20對冷態(tài)下聲波團聚微粒的實驗做了研究，試圖利用聲波團聚技術提高旋風分離器捕集微粒的效率。但是由于顆粒測量及穩(wěn)定聲源方面的困難，沒有得出有效的結果。2000年，北京理工大學劉淑艷等21研究在冷態(tài)實驗條件下聲場中煤飛灰微粒團聚后的緊固程度和分離效率，聲波團聚方法加強了旋風除塵裝置對燃煤飛灰的分離效率。該實驗發(fā)現(xiàn)，在150DB的聲壓下，聲波作用后的微粒使得旋風分離器的分離效率增加34，效果并不明顯。分析原因認為團聚顆粒形成的較大顆粒的緊固程度較差，在旋風分離器中很容易破碎。2006年，徐鴻22建立了聲波團聚飛灰顆粒實驗裝置，在氣體流量為816M3/H，載塵量530G/M3，聲壓級120150DB，聲波頻率1KHZ10KHZ，停留時間35秒范圍內，研究聲壓級、聲波頻率、停留時間、含塵煙氣濃度等參數(shù)對煤飛灰微粒聲波團聚過程的影響。相對大顆粒而言，小顆粒的團聚現(xiàn)象更明顯，最佳團聚發(fā)生的頻率在29KHZ。2007年陳厚濤等23對燃煤超細顆粒物在低頻率高強度聲場下團聚清楚效果進行了實驗研究，通過對聲場的理論分析，設計并建立了燃煤飛灰超細顆粒物聲波團聚實驗平臺。研究發(fā)現(xiàn)，低頻率高強度聲場對亞微米及以下的顆粒物有較好的團聚清除效果。低頻率下，隨著聲場強度的增大，清除效果也提高。2010年，張光學24從實驗、團聚機理以及數(shù)值模擬三個方面對聲波團聚展開研究工作。搭建試驗臺架，采用燃煤飛灰作為實驗顆粒，著重研究了各操作參數(shù)對聲波團聚的影響。實驗發(fā)現(xiàn)低頻的團聚效果要比高頻的好，最佳頻率為14KHZ17KHZ；聲壓級為147DB時，細顆粒物的顆粒數(shù)目濃度降低了70以上；隨著聲壓級、顆粒初始濃度及停留時間的增加，團聚效果增強。213小結綜上所述，早期，前人通過實驗研究的方法對聲波團聚的研究內容主要是選取一定范圍的聲壓級、頻率的聲場，然后制備一種亞微米級氣溶膠顆粒，通過實驗研究特定范圍的聲場對氣溶膠顆粒團聚的效果，分析聲壓級或頻率的變化對團聚現(xiàn)象的影響，團聚效果的表征也停留在定性的層面，最后找出最佳的團聚條件，以指導工程應用。近期，研究者們通常使用燃煤飛灰作為研究對象，或者是選幾種定向制備的氣溶膠顆粒作為對比，選定一定范圍聲壓級、頻率的聲場，同時，對其他影響因素也進行了定量的控制，定量表征了各因素對團聚效果的影響。通過分析研究者的實驗結果發(fā)現(xiàn)，隨著研究的深入，聲波團聚的效果也在提高。對于效果較差的實驗結果，分析原因認為是由于團聚后的顆粒物的緊密程度不能承受旋風分離器的離心作用，而發(fā)生破碎。目前對于聲波團聚的實驗研究雖然已有不少研究，但是該技術卻遠未發(fā)展成熟，工業(yè)應用尚有較大困難。實驗研究主要存在以下問題1聲波處理的停留時間不能太長，否則團聚室體積過大，占地、投資及運行費用將增加，影響該技術的經(jīng)濟性。2目前大多數(shù)實驗研究采用的聲源都是固定頻率的聲源、無法調節(jié)頻率。由于團聚室內的環(huán)境惡劣，所以對聲源也提出了較高的要求，找到能在高溫高壓環(huán)境下穩(wěn)定工作的聲源也是亟待解決的問題。3實驗研究所用的顆粒與工業(yè)上排放的顆粒類型差異。張光學24總結了研究者所用的飛灰類型（如下表）。研究者氣溶膠聲波頻率停留時間FAHNOENACL,1M8005000HZ12SVOLK炭黑,011M16KHZ1250SRAJENDRAN氯化銨,052M055KHZ50130SPSL,0085MDOP,012MSHAWPSL,051M低頻,13KHZ高頻,1020KHZ240SCHENG氯化銨,016023M6003000HZ510S燃煤飛灰,110MHOFFMANN石灰石顆粒,88M44HZ1STIO2,1M乙二醇,0513MCAPERAN燃煤飛灰,16M21KHZ50300SGALLEGOJUAREZ燃煤飛灰,1M10KHZ，20KHZ23S劉淑艷燃煤飛灰,5M0525KHZ418S姚剛燃煤飛灰,3M13KHZ13S陳厚濤燃煤飛灰,0023305M1KHZ徐鴻燃煤飛灰,02200M15KHZ35S22數(shù)值模擬研究進展與實驗研究相比，數(shù)值模擬具有成本低、時間短、能夠模擬任何工況、不受實驗條件限制等優(yōu)點。隨著計算機技術的發(fā)展，數(shù)值模擬成了幾乎所有課題的重要研究工具之一，聲波團聚當然也不例外。1994年，TEMKIN25使用的是均形式的氣溶膠聲團聚方程組。引入的團聚核函數(shù)時忽略了非線性因素和顆粒間作用。利用該模型，結果發(fā)現(xiàn)聲波頻率存在一個最佳值，且對于不同的粒徑分布最佳頻率值不同。最佳頻率值可由顆粒的松弛時間求得。本文的研究內容還包括對于特定氣溶膠粒徑分布的團聚方程的數(shù)值積分運算，研究了聲波作用下氣溶膠粒徑分布變化。1995年，GFUNCKE和AFROHN26利用數(shù)值模擬的方法研究了聲團聚過程中各操作參數(shù)對團聚效果的影響，主要涉及的操作參數(shù)為聲波頻率、聲壓級和顆粒尺寸。作者提出了描述團聚過程的模型，該模型是基于LAGRANGRIAN方法的。顆粒的運動軌跡是由顆粒間的引力決定的。由于每個時間步的粒子的位置是已知的，所以檢測顆粒的碰撞也成為可能，從而可以估計團聚系數(shù)。作者將團聚系數(shù)與經(jīng)典BROWNIAN團聚理論和實驗結果做了比較。1996年，THOMASLHOFFMANN27提出了一種綜合了同向團聚機理和流體力學作用的團聚核函數(shù)來模擬聲波團聚的過程。為確定再填充因素，定義了“外部”再填充體積，并將該團聚核函數(shù)看作是經(jīng)典同向團聚核函數(shù)的延伸。新的團聚核函數(shù)就可以將各種形式的顆粒間的效應添加進同向團聚機理中去。1999年，EZEKOYE28將兩個聲團聚主要的機理增加到氣溶膠動力學的區(qū)域算法中（MAEROS）。以往的文獻中沒有將各個機理在預測實驗結果時的有效性進行比較。本文列舉了詳細的實驗數(shù)據(jù)表，為評估基本聲團聚機理，作者從建模復雜性的角度討論了實驗數(shù)據(jù)。然后，對所選的實驗結果，詳細比較了實驗與數(shù)值模擬的結果。模擬的結果顯示，在有限的實驗研究中，聲團聚的基本機理是適用的，但還遠沒有達到完善。2003年，WIFRIESEN和TDABROS29利用常系數(shù)蒙特卡羅法模擬了顆粒團聚和破碎過程。當使用GILLESPIE的全局算法來選擇團聚或破碎事件時，這種方法的效率會提高。當每一步所包含的算法確定后，團聚和破碎核函數(shù)的粒子數(shù)量平衡方程（PBES）就可以精確解出，因此數(shù)值模擬核函數(shù)是可行的。盡管這些核函數(shù)使凝結轉變量增多，模擬的結果與預測值負荷良好。這種情況下，接觸時間小于轉變時間TG時，模擬的結果較準確；否則，會有偏差。2006年，SHENG30用等體積蒙特卡羅方法對聲波團聚過程進行數(shù)值建模，模型包含布朗團聚、同向團聚和流體力學作用機理。該方法是將等體積蒙特卡羅法和修正的GILLESPIE算法聯(lián)合，并已被證實可以模擬BROWNIAN團聚。本文利用直接蒙特卡羅法（DSMC），證實了經(jīng)典的MEDNIKOV同向團聚核函數(shù)、KONIG流體力學作用核函數(shù)及SONG的同向團聚和流體力學作用模型的適用性。實驗還發(fā)現(xiàn)，單獨使用SONG的模型和聯(lián)合使用SONG和KONIG的模型在一些條件下得到了幾乎一致的結果，但適用的范圍有限。因此，該模型還需要進一步完善，以便能更加精確的描述兩種或兩種以上機理。浙江大學熱能工程研究所張光學等33采用改進的區(qū)域算法對燃煤飛灰聲波團聚過程進行了數(shù)值模擬，以克服傳統(tǒng)區(qū)域算法精度低、氣溶膠總顆粒體積不易守恒等缺點。與實驗數(shù)據(jù)的對比表明，數(shù)值模擬結果基本上能夠較好地符合實驗結果，僅在粒徑較大時由于大顆粒的重力沉降使數(shù)值模擬計算值略高于實驗值。計算和實驗結果均表明，頻率對聲波團聚的影響很大。對于燃煤飛灰氣溶膠，最佳團聚頻率為1400HZ左右。隨著氣溶膠停留時間的增加和聲壓級的增強，燃煤飛灰聲波團聚效果變好221小結數(shù)值模擬研究方法的發(fā)展是隨著聲波團聚機理的不斷完整而進行的。機理的提出旨在解釋團聚過程中的一些現(xiàn)象，當出現(xiàn)解釋不通的現(xiàn)象時，就必須提出新的機理對其加以解釋。新的機理出現(xiàn)后，再對數(shù)值模擬方法進行改進，從而就可以更加精確地描述團聚中出現(xiàn)的一些現(xiàn)象，幫助人們更加清楚地認識團聚機理。由于團聚機理的復雜性，在利用數(shù)值模擬方法進行計算時，首先要對真實的團聚過程進行簡化，僅考慮一些最重要的機理，而忽略次要因素，建立簡化的模型。這樣既可以節(jié)省計算空間，又可以比較專一地研究主要機理，有助于深入理解該機理。簡化模型建立之后，還要做一些必要的假設，這些假設是數(shù)值模擬能夠進行的必要條件。假設的合理與否也直接影響數(shù)值計算結果的正確性。比如假設碰撞之后不發(fā)生破碎，顆粒粒徑初始分布規(guī)律等。經(jīng)過上述步驟之后，就基本建立了聲波團聚的數(shù)值計算模型，之后的工作就是得到各個機理作用下的團聚核函數(shù)，然后通過一定的疊加原則（如線性相加）得到總的團聚核函數(shù)。最后再采用數(shù)值計算方法，對團聚過程中氣溶膠性質（主要是顆粒數(shù)目和體積）的變化進行數(shù)值求解。從上述研究者們做的工作中可以看出，數(shù)值計算方法主要有三種，分組法（離散法）、矩量法和蒙特卡羅法。三種方法中，分組法相對比較直觀、容易理解，張光學等33提出的改進的分組法能達到較高的精度，且能保證顆?？傮w積守恒。但是分組法計算量較大，模擬起來耗時。3主要研究內容由于實驗研究的諸多不足之處（見213），所以本研究主要采用數(shù)值模擬方法。此外，目前電廠脫硫系統(tǒng)會對煙氣中的顆粒物特性產(chǎn)生影響。國內近年來也有研究者對這一影響進行了研究。31脫硫后鍋爐煙氣細顆粒物的變化特性近年來，許多研究者通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，濕法煙氣脫硫對煙氣中細顆粒物的濃度有一定影響。脫硫洗滌塔會脫除煙氣中一部分顆粒物，但是脫硫產(chǎn)物CASO4、MGSO4等會在脫硫后形成一部分新類型的顆粒物；除此之外，脫硫洗滌塔的洗滌作用還會影響細顆粒物的表面特性。王琿，宋薔等34通過實驗研究了濕法脫硫系統(tǒng)對煙氣中細顆粒物的脫除作用，下圖為實驗中采樣點的布置圖。圖6實驗采樣點分布示意圖在WFGD系統(tǒng)入口處飛灰顆粒物呈典型的雙峰分布，峰值出現(xiàn)在1和3M處；經(jīng)過WFGD系統(tǒng)的噴淋洗滌后，煙氣中顆粒物的粒徑分布峰值向小粒徑方向遷移，且細顆粒成分明顯增加，中位徑由入口處3M減少到出口處的1M，質量比WPM25/WPM10的值由入口的0434顯著增加到出口的0764；顏金培，楊林軍等35實驗研究了氨法脫硫過程煙氣中細顆粒物的變化特性，下圖為實驗系統(tǒng)圖。研究表明燃煤產(chǎn)生的細顆粒在ELPI可測范圍內呈單峰分布，大多為亞微米級顆粒，平均粒徑為007M。氨法脫硫后煙氣中細顆粒的數(shù)濃度顯著增加，煙氣中細顆粒的平均粒徑也增大為009M；氨法脫硫過程中容易產(chǎn)生大量的氣溶膠顆粒，該氣溶膠顆粒主要分布于00804M。圖7試驗系統(tǒng)圖接著36，該研究者又對濕法脫硫系統(tǒng)（WFGD）中細顆粒物的變化特性進行了實驗研究。WFGD系統(tǒng)對細顆粒脫除效率很低；氨法脫硫后WFGD出口顆粒數(shù)濃度明顯增加；此外，脫硫前后，細顆粒的形貌特征和元素組分都發(fā)生了變化。從上述研究中不難看出，電廠的脫硫系統(tǒng)使得煙氣中顆粒粒徑的分布以及表面元素的富集都發(fā)生了改變。脫硫之后，煙氣中超細顆粒物所占的比重明顯增加，而電廠通常將除塵系統(tǒng)放在脫硫之前，所以這些由于脫硫而增加的超細顆粒物就會排放到空氣中，如果不加以脫除，會帶來較大的污染。因此，本研究的研究對象就針對脫硫過程之后煙氣中的超細顆粒物。32聲團聚室結構優(yōu)化雖然目前國內眾多研究者都對聲波團聚技術進行了深入的研究，但對于聲團聚室的設計優(yōu)化所做的工作還不夠。李曉明37，研究了常溫下燃煤飛灰顆粒在高頻聲場中的團聚，研究中團聚室是整個試驗裝置的核心部分，如圖所示，團聚室的主體采用不銹鋼無縫鋼管，長度為1500MM，外徑100MM，團聚室內壁刨光。頂部通過法蘭和聲波換能器緊密連接，可以發(fā)出高頻的超聲波，底部裝有反射板，通過調節(jié)螺絲可以調節(jié)反射板的位置。團聚室垂直放置，在團聚室軸向設了3個聲壓測點。圖8團聚室結構示意圖徐鴻38，研究了聲波團聚燃煤排放小顆粒的控制方法，搭建了聲波團聚飛灰顆粒實驗裝置，團聚室由內刨光不銹鋼管制成，團聚室只在尺寸上發(fā)生了改變，而結構上還是沿用上述的簡單模型。除上述兩位研究者之外，其他研究者對于團聚室結構的設計也大同小異。聲波團聚顆粒物的根本是通過聲波的作用使煙氣中顆粒發(fā)生相對運動，從而發(fā)生互相碰撞而團聚在一起。因此，對團聚室加以改造，使得團聚室內發(fā)生更大尺度的湍流，顆粒間的相對運動自然就增加，顆粒之間的碰撞的概率也會增加?；诖?，本文將團聚室的結構優(yōu)化作為研究內容之一。評價的方法是利用FLUENT等商業(yè)軟件對團聚室內的流場分布進行模擬，目的是找出最佳的團聚室的結構類型。33聲波團聚數(shù)值模擬由于前人研究的對象是鍋爐直接排放出來的煙氣顆粒物，既除塵器之前的顆粒物。所以，之前的聲波團聚相當于是在除塵器之前，對超細顆粒物進行預處理。由于本研究的研究對象是針對脫硫系統(tǒng)之后所產(chǎn)生的顆粒物，所以顆粒粒徑分布與前人研究有差別。因而，最佳團聚頻率、聲壓級等操作因素也會因此改變。如前所述，脫硫之后的顆粒物的粒徑更細，危害更大，所以就很有必要研究聲波團聚，找出針對脫硫后的顆粒物的最佳團聚操作條件。本研究的重點內容是對聲波團聚顆粒過程進行簡化，建立聲波團聚模型。采用分組法或者蒙特卡羅數(shù)值計算方法對氣溶膠動力學方程進行求解，分析各操作參數(shù)對顆粒粒徑分布的影響。34小結綜上所述，本研究主要包括以下研究內容1對聲波團聚室進行結構上的優(yōu)化，利用FLUENT軟件對優(yōu)化后的團聚室進行流場分析。2利用程序編譯軟件實現(xiàn)聲波團聚的數(shù)值模擬工作，將聲波團聚的主要機理包括進來（主要是同向團聚作用和流體力學作用），模擬的對象是針對脫硫后所形成的細顆粒物，計算方法選擇蒙特卡羅法或分組法對氣溶膠動力學方程進行求解。4進度安排時間安排工作安排預期目標20137201381閱讀相關文獻2學習聲波團聚機理3準備開題報告1對PM25凈化領域形成初步認識2熟悉聲波團聚機理（機理的提出、發(fā)展歷程等）3對以上內容形成文獻綜述4完成開題報告201392013101參考相關資料，詳細學習聲波團聚機理2學習數(shù)值傳熱相關知識1嘗試建立聲波團聚理論模型，為之后的程序編譯奠定基礎2熟悉并掌握各種離散方法、邊界條件的設定等問題2013102013111學習編程軟件2對建立的聲波團聚模型進行編譯1掌握編程軟件的用法2將建立的聲波團聚模型編譯成程序201312201321優(yōu)化聲團聚室結構2利用FLUENT等軟件對聲團聚室進行流場分析1建立有利于提高聲團聚效果的團聚室2完成流場的數(shù)值模擬工作20133201351完善數(shù)值模擬工作1完成所有模擬工作20136201371撰寫畢業(yè)設計論文1完成畢業(yè)論文的撰寫2準備畢業(yè)答辯2順利通過畢業(yè)答辯表2時間安排進度表5參考文獻1鐘秦燃煤煙氣脫硫脫硝技術及工程實例M北京化學工業(yè)出版社2中華人民共和國環(huán)境保護部2010年環(huán)境統(tǒng)計年報R201213UNITEDSTATESENVIRONMENTALPROTECTIONAGENCYNATIONALAMBIENTAIRQUALITYSTANDARDSNAAQSEB/OL2013611201386HTTP/WWWEPAGOV/TTN/NAAQS/STANDARDS/PM/S_PM_HISTORYHTML4GB30952012,環(huán)境空氣質量標準S5楊林軍燃燒源細顆粒物污染控制技術M第一版北京化學工業(yè)出版社,201166NATIONALAERONAUTICSANDSPACEADMINISTRATION（NASA）NEWMAPOFFERSAGLOBALVIEWOFHEALTHSAPPINGAIRPOLLUTIONEB/OL2010920138HTTP/WWWNASAGOV/TOPICS/EARTH/FEATURES/HEALTHSAPPINGHTML7劉含笑燃煤超細顆粒物渦聚并數(shù)值模擬D華北電力大學,20118CLARKE,LBANDLLSLOSS,TRACEELEMENTSEMISSIONSFROMCOALCOMBUSTIONANDGASIFICATION1992IEACOALRESEARCH9許世森細微塵粒的預團聚對旋風分離器高溫除塵性能影響的實驗研究J動力工程,19998,19430931310RWWOODTHEPHYSICALANDBIOLOGICALEFFECTSOFHIGHFREQUENCYSOUNDWAVESOFGREATINTENSITYJPHILOSOPHICALMAGAZINEANDJOURNALOFSCIENCE,19279,SEVENTHSERIESXXXVIII11WCAWOODHPAPHENOMENAINASOUNDINGTUBEJNATURE,1931,127320966712MICHAELVOLKJR,WILLIAMJMOROZSONICAGGLOMERATIONOFAEROSOLPARTICLESJWATER,AIR,ANDSOILPOLLUTION,1975,ISSUE3VOLUME531933413SHAWACOUSTICPARTICLEAGGLOMERATIONDUETOHYDRODYNAMICINTERACTIONBETWEENMONODISPERSEAEROSOLSJJOURNALOFAEROSOLSCIENCE,1979,0021850231732814KHCHOUETALACOUSTICALLYINDUCEDTURBULENCEANDSHOCKWAVESUNDERATRAVELINGWAVECONDITIONJTHEJOURNALOFTHEACOUSTICALSOCIETYOFAMERICA,1980,6681780178915CHENGORTHOKINETICAGGLOMERATIONINANINTENSEACOUSTICFIELDJJOURNALOFCOLLOIDANDINTERFACESCIENCE,1983,19117618716RAJIVTIWARYANDGERHARDREETHOFNUMERICALSIMULATIONOFACOUSTICAGGLOMERATIONANDEXPERIMENTALVERIFICATIONJJOURNALOFVIBRATION,ACOUSTICSSTRESSANDRELIABILITY,1986,210918519117HOFFMANNTLETALEXPERIMENTALANDNUMERICALANALYSISOFBIMODALACOUSTICAGGLOMERATIONJJOURNALOFVIBRATIONANDACOUSTICSTRANSACTIONSOFTHEASME,1993,311523224018JUANAGALLEGOJUAREZAPPLICATIONOFTHEACOUSTICAGGLOMERATIONTOREDUCEFINEPARTICLEEMISSIONSINCOALCOMBUSTIONPLANTSJENVIRONMENTALSCIENCETECHNOLOGY,1999,33213843384919ITZIARGONZALEZETALPRECISEMEASUREMENTSOFPARTICLEENTRAINMENTINASTANDINGWAVEACOUSTICFIELDBETWEEN20AND3500HZJJOURNALOFAEROSOLSCIENCE,2000,31121461146820黃宏賓等聲波團聚微粒技術的進展與分析J石油大學學報（自然科學版）,1995,19612613121劉淑艷聲波團聚煤飛灰微粒強化旋風分離的試驗研究英文JJOURNALOFBEIJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGYENGLISHEDITION,2000,91616522徐鴻燃煤