论文：PM2.5湍流聚并方法研究进展[J]《中国环保产业》,2013,4(178)27-30

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究进展
刘含笑，郦建国，姚宇平，郭 峰，余顺利，陈招妹
（菲达环保科技股份有限公司，浙江 诸暨 311800）
摘 要:超细颗粒物很难被除尘设备捕捉，同时会吸附更多的有害重金属并更易进入人体，因而危害性很大。

强化对超细颗粒粉尘的捕集将是除尘技术发展的新方向，其中湍流聚并技术是一种简单有效的手段。

文章介绍了湍流聚并理论和聚并装置的研究发展过程，为了解超细颗粒物湍流聚并技术提供了参考。

关键词:超细颗粒物;湍流聚并;聚并器;涡片
中图分类号:X701 文献标志码:A 文章编号:1006-5377（2013）03-0000-05
PM 2.5湍流聚并方法研究进展
引言
目前燃煤电站控制烟尘排放的主流装置是干式电除尘器，以质量计的除尘效率可以达到99.5%以上，但对超细颗粒物的捕获率相对较低，以颗粒数计仍有占飞灰总数90%以上的超细颗粒物进入大气中。

这些细颗粒物虽然所占的质量分数较小，但其更难被除尘设备捕捉并更易进入人体，所以具有更大的危害性。

因此强化对细颗粒粉尘的收集将是除尘技术发展的新方向。

《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）对燃煤电厂烟尘排放限值降低至30mg/Nm 3，对汞及其化合物的排放限制要求为0.03mg/Nm 3（如表1所示）。

对于需要严格控制大气污染物排放的重点地区，执行大气污染特别排放限值，其燃煤电厂粉尘排放限值降低至20mg/Nm 3
（如表2所示）。

《环境空气质量标准》（GB3095-2012）增设了PM 2.5浓度限值，并给出了监测实施的时间表：2012年在京津冀、长三角、珠三角等重点区域以及直辖市和省会城市开展PM 2.5和O 3的监测，2013年在113个环保重点城市和环保模范城市开展监测，2015年在所有地级以上城市开展监测，2016年1月1日，全国实施新标准。

图1是中国与美国、欧盟等国家及地区环境空气质量标准中PM 2.5浓度限值的对比。

从图1中可以看出，欧盟未
表1 火电锅炉及燃气轮机组大气污染物排放标准限值
燃料和热能转化设施类型
污染物项目适用条件限值（mg/m 3）
污染物排放监控位置
燃煤锅炉
烟尘
全部30烟囱或烟道
二氧化硫
新建锅炉
100200（1）现有锅炉200400（1）氮氧化物（以NO 2计）全部100200（2）汞及其化合物
全部
0.03
注：（1）位于广西壮族自治区、重庆市、四川省和贵州省的火力发电锅炉执行该限值。

（2）采用W型火焰炉膛的火力发电锅炉，现有循环流化床火力发电锅炉，以及2003年12月31日前建成投产或通过建设项目环境影响报告书审批的火力发电锅炉执行该限值
表2 大气污染物特别排放限值
燃料和热能转化设施类型
污染物项目适用条件限值（mg/m 3，烟气黑度除外）
污染物排放监控位置
燃煤锅炉
烟尘全部20烟囱或烟道二氧化硫
全部50氮氧化物（以NO 2计）全部100汞及其化合物
全部
0.03
Research Progress on PM 2.5 Onflow and Assembling Method
LIU Han-xiao, LI Jian-guo, YAO Yu-ping, GUO Feng, YU Shun-li, CHEN Zhao-mei
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研究进展
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规定日平均浓度限值，日本未规定年平均浓度限值，其余国家和组织均规定了年平均和日平均2项浓度限值。

我国《环境空气质量标准》（GB 3095-2012）二级标准中的PM 2.5日平均和年平均浓度限值与WHO过渡期目标1要求相同，一级标准中的平均浓度限值相对较低，与美国要求相同。

的碰撞/凝并方程模型，得出的结论是：这种聚并方法效果非常有限，对开发商业化的除尘装置没有多少应用价值。

但他们的研究是以各向同性湍流为基础的，与实际情况完全不同。

即使是对于理想的均匀各向同性湍流这种极其简单的湍流运动，颗粒的湍流扩散和速度脉动也都呈现极大的各向异性，且由于流体和颗粒的相对速度滑移和颗粒惯性影响，颗粒的湍流扩散存在复杂的“轨道穿越效应”、“惯性效应”、“连续性效应”以及局
部聚集。

分散的颗粒能否团聚长大与它们之间能否相互碰撞有很大的关系。

Abrahamson [2]在分子混沌理论假设条件下得到了大惯性颗粒（St k = ∞）的湍流凝并方程模型。

有限惯性颗粒的碰撞、聚并方程一直是研究难点，因为湍流作用对有限惯性颗粒团聚的影响包括湍流输运效应和局部富集效应两方面。

湍流输运效应是指颗粒相对运动速度对团聚方程的影响，通常研究认为颗粒均匀分布，并基于湍流随机理论，但这在实际上大大低估了湍流对颗粒的聚并效果。

Williams&Crane等[3]从牛顿第二定律出发，分析颗粒的受力情况，考虑湍流的加速作用和剪切作用，试图得到在考虑湍流输运效应情况下的有限惯性颗粒湍流凝并方程模型。

Wang等[4]在这基础上提出了球形聚并方程模型以及经验公式。

基于分子动力学的理论，对两颗粒的速度相关函数进行模化，也可以得到包括湍流输运效应在内的碰撞方程模型，此时将颗粒比作分子处理。

Sommerfeld等[5]先后采用了拉氏随机碰撞模型研究了大惯性颗粒的碰撞核方程模型，Simonin等[6]基于双流体方程模型，将碰撞项添加到颗粒概率密度函数中，考虑到了湍流导致的颗粒速度相关性对颗粒碰撞的影响。

这些研究本质上都是在湍流随机理论基础上得到的，关键是找到对两颗粒相对速度影响程度最大的流体湍流涡团尺度，此时通常需要假设方程封闭从而得到两颗粒平均相对速度，而在封闭过程中，多数的研究最后都归结为适用于大惯性颗粒情况的气动力学理论。

Sundaram&Collins [7]首次引入了径向分布函数，使得在碰撞核模型中可以考虑局部富集效应。

Wang等[8]等根据DNS的结果，拟合了径向分布函数g（R）的经验公式。

但这些研究中得到的半经验公式很难在碰撞模型计算中使局部富集效应得到正确量化。

柳朝晖等[9]研究各向同性的湍流中有限惯性颗粒的碰撞核函数，发现了局部富集效应显著增强了有限惯性颗粒（St k ≈1）的碰撞
20406080100
美国欧盟（2015.1.1前欧盟（2020.1.1前日本
W H O 准则值
W H O 过渡期目标1
W H O 过渡期目标2
W H O 过渡期目标3
中国一级
中国二级
浓度(μg /m 3)
图1 国内外环境空气质量标准中PM 2.5的浓度限值对比
目前，国内外对燃煤烟尘超细颗粒物的收集脱除主要有两类方法：1）对现有的除尘设备进行改进，提高其除尘效率直至可将超细颗粒物直接脱除；2）在传统除尘设备前设置预处理阶段，使超细颗粒物通过物理或化学的作用团聚成较大的颗粒，然后采用常规除尘装置对其进行有效脱除。

后者在脱除超细颗粒物的方法上有独特的优势，因而研究超细颗粒物的团聚现象，具有特别重要的现实意义。

超细颗物团聚促进技术主要有电聚并、湍流聚并、声聚并、磁聚并、热泳沉降聚并、光聚并和化学聚并等，国内外众多学者从各个方面对其进行研究，旨在了解超细颗粒物的形成机理及其聚并技术的原理，从而发现现今超细颗粒物聚并技术的发展空间及利用前景，提高对超细颗粒物的去除效率。

在众多团聚方法中，湍流聚并方法较简单、高效，适于大规模推广，且将湍流方法与其他聚并方法联合使用效果更佳。

本文主要介绍了湍流聚并理论和聚并装置的研究发展过程，为全面了解超细颗粒物湍流聚并方法提供参考。

1 理论研究
早在半个世纪前，Saffman和Turner [1]第一次基于球碰撞概念提出了精确的超细颗粒（颗粒Stockes数St k = 0）
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研究进展
Research Progress
率，而湍流输运效应和局部富集效应的联合作用显著加
强了St
k
≈3.0的颗粒的碰撞率，大约都加强了30倍左右。

赵海波[10]对颗粒群平衡模型（PBM）的核模型和数值方
法进行了研究，定量地描述了颗粒的碰撞、聚并、破碎
等动力学事件，从而获得颗粒尺度分布的演变过程，并
发展了颗粒群平衡方程的蒙特卡洛算法，实现了颗粒聚
并的精确计算。

这一系列的理论研究为后人提供了理论基础，也为
颗粒物湍流聚并装置的开发提供了理论依据。

2 聚并装置研究
2002年澳大利亚Indigo公司首次开发出商业颗粒物凝聚器，并进行了相关的原型实验。

该凝聚技术包括两项：双极静电凝聚（BEAP）和流动凝聚（FAP），其中流动凝聚（FAP）是基于强化流动使大小不同的粒子有选择性地混合，增强粗细粒子之间的物理作用，从而促使其相互碰撞，形成聚合的粒团，减少细粒子的数目。

产涡装置如图2、图3、图4所示，分别为片状、圆柱形、“Z”形涡片。

一般来说，小尺度湍流的应用是违反常规认识的，人们总希望气流中的压降尽可能的小。

出于这样的考虑，已知的颗粒物混合系统一般应用大尺度的湍流，但是大尺度湍流的应用是低效的，颗粒团聚效果不佳；小尺度湍流使得颗粒物混合得更好，但会带来明显的压降。

小尺度湍流以涡的形式存在，这些涡是由如图1～图3所示的产涡装置产生的，丰富多样的小尺度、低强度的涡可以完全带走单个的小颗粒物并且使之服从湍流运动，从而使得颗粒物之间发生反应和碰撞，并使得颗粒物更有效地聚并。

小颗粒物可以互相聚并成大一些的颗粒物，小颗粒物也可以和流体中的大颗粒物聚并。

聚并之后的颗粒物更容易从气流中去除掉[11]。

Indigo曾在Adelaide大学用激光荧光法（LIF）做了许多实验，证实FAP确实能减少细粉尘的数目。

在多个电厂实验并应用后的结果表明，在全尺寸装置上FAP使细粉尘粒子的数目减少了一大半。

FAP通过使细微颗粒附着到大的颗粒物上，很容易被静电除尘器捕集，从而大大削减了细微颗粒物的排放量。

并且对于安装了FAP的电厂，灰的比电阻不再影响电除尘器的效率，不再影响减少排放的效果。

影响电除尘效率的主要因素是锅炉生成细粉尘的数量，细粉尘越多，FAP的改善效果越明显。

自2007年始，华北电力大学和北京大学共同参与国家“863”课题“超细颗粒物聚并新技术开发”，从实验和理论计算两方面对超细颗粒物湍流聚并技术进行研究，自行研发出一套双极荷电-湍流聚并装置（如图5所示），不同涡片形状如图6所示[12]。

同时进行了大量的
实验研究，并发展了相关的CFD计算模型。

图2 片状产涡装置
图3 圆柱形产涡装置
图4 “Z”形产涡片
图5 聚并段简图
图6 三种涡片简图
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研究进展
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该湍流聚并装置分大涡段和小涡段两部分，大涡片可以使烟尘大尺度分流，分别流入后面的小涡片区域，小涡段有矩形、锯齿行、梯形三种产涡片，三种产涡片均有“Z”字形和“一”字形两种形式。

小涡片可以产生小尺度湍流，将小颗粒卷吸进小尺度涡流区，提高颗粒间碰撞聚并效率，小涡段被隔板隔成数个单独区域，使得小涡流间不至于相互破坏。

对于涡片尺寸和距离都是经过计算和实验验证过后的最佳距离。

该课题组基于FLUENT软件对聚并器内颗粒运动轨迹和聚并情况进行了数值模拟。

结果表明，流速越大，颗粒受湍流影响越大，发生碰撞聚并的几率也就越大，大颗粒受湍流影响较小，小颗粒较容易受到湍流的影响，从而大小颗粒之间发生明显的相对运动，增大碰撞聚并几率。

从图7中可以明显看到颗粒运动轨迹随流速的变化和颗粒运动轨迹的交叉现象。

构建湍流聚并器内超细颗粒物聚并的模型框架，引入全范围惯性颗粒的湍流聚并核函数，将双流体模型和颗粒群平衡模型（PBM）进行耦合计算。

采用分区算法对模型进行数值求解，将计算结果同实验结果进行比较，有效说明了模型的合理性和湍流聚并的可行性，同时发现随着流速增加聚并效果有所增强[13、14、15]。

凝聚器内流速越大，产涡片越多，湍流越强烈，颗粒团聚效果越好，但阻力也越大；当湍流强到一定程度后，聚并效果不再增加，甚至会有所降低。

因此对于工程应用，需要控制一定的压力损失。

3 结语
湍流聚并技术是控制PM 2.5排放的有效方法，适合大规模应用。

但该技术在国内起步较晚，技术相对不够成熟。

由于我国燃煤电站煤种复杂，尤其缺少该技术在实际电厂中的应用经验，尚存在许多不确定因素，也缺少成熟的理论模型解释，因而超细颗粒物的湍流聚并技术在国内的大规模推广应用仍是任重道远。

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图7 不同流速下的颗粒运动轨迹
（a） 5m/s
（b） 10m/s
（c） 12m/s
（d） 15m/s。