超細(xì)顆粒團(tuán)聚裝置在火電廠中的應(yīng)用

超細(xì)顆粒團(tuán)聚裝置在火電廠中的應(yīng)用

中國2011年修訂的《示范國家標(biāo)準(zhǔn)》（gb1223-2011）增加了對燃料電廠的灰塵排放的要求。將煙霧彌漫閾值降至30mg/m2，重點(diǎn)區(qū)域下降至20mg/3m。2012年的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)增設(shè)了PM2.5濃度限值,并給出了監(jiān)測實(shí)施的時間表。目前燃煤電站控制煙塵排放的主流裝置是干式電除塵器,以質(zhì)量計(jì)的除塵效率可以達(dá)到99.5%以上,但對超細(xì)顆粒物的捕獲率相對較低,以顆粒數(shù)計(jì)仍有占飛灰總數(shù)90%以上的超細(xì)顆粒物進(jìn)入大氣中。在傳統(tǒng)的電除塵器之前增設(shè)超細(xì)顆粒團(tuán)聚裝置是降低火電廠PM2.5排放的有效措施。超細(xì)顆粒的團(tuán)聚的研究和應(yīng)用都離不開對超細(xì)顆粒物團(tuán)聚的測量,主要是根據(jù)顆粒物的物理性質(zhì)、質(zhì)量或數(shù)量等參數(shù),通過相應(yīng)的儀器設(shè)備進(jìn)行,根據(jù)測量原理的不同大致分為粒徑切割法和光學(xué)圖像分析法兩類。1煤灰顆粒的粒徑粒徑切割方法主要是通過切割器(一般是過濾方式)將煤灰顆粒按粒徑大小分級收集,然后直接沉重或者間接得到每級顆粒的質(zhì)量或者數(shù)量濃度分布,目前使用最多的粒徑切割法測量儀器主要是ELPI和Anderson。1.1elpo在超細(xì)顆粒物測定中的應(yīng)用電子低壓撞擊儀(ELPI,ElectricalLowPressureImpactor),是現(xiàn)有測量可吸入顆粒物較為準(zhǔn)確和精密的儀器之一,它能夠?qū)崿F(xiàn)對可吸入顆粒物的自動采樣,并在線測量可吸入顆粒物的數(shù)量濃度和粒徑分布,該儀器集在線監(jiān)測和采集樣品與一身,功能強(qiáng)大。采用ELPI測定超細(xì)顆粒物的粒徑分布,含有顆物的氣流首先通過一個PM10的預(yù)切割器,把大于10μm的顆粒過濾掉;氣流中余下的小于10μm的顆粒物在通過電暈放電器荷電,然后隨氣流從上而下通過撞擊器。ELPI工作原理示意圖如圖1所示。氣流進(jìn)入撞擊器后其中的顆粒物根據(jù)慣性由大到小依次分離,最后從下面的導(dǎo)流管排出撞擊器。撞擊器分為12級,因此顆粒的大小也被分成12級;每級撞擊器均對應(yīng)有一個靜電計(jì)和電流放大器,可以測量捕集到該級撞擊板上的顆粒物所帶電流值,并根據(jù)電流值自動計(jì)算出該級顆粒物濃度。ELPI的反應(yīng)較快,響應(yīng)時間小于5s,故支持在線測量。由于ELPI非常精密,因此采用ELPI測定微顆粒對測定條件和參數(shù)的確定有很嚴(yán)格要求,如表1所示。ELPI被廣泛地應(yīng)用在超細(xì)顆粒物的研究中,并取得很好的效果。例如:龍正偉等在國內(nèi)最早利用ELPI對顆粒物的分級荷電量進(jìn)行了測量,得到了三種飛灰在自然荷電與強(qiáng)制荷電兩種工況下的分級荷電量。以后,趙兵等結(jié)合掃描電鏡技術(shù),采用了ELPI對顆粒物的聲波團(tuán)聚特性進(jìn)行了研究,利用電鏡掃描分別觀測了有聲波場和無聲波場下團(tuán)聚室排出的顆粒物放。陳厚濤等用ELPI技術(shù)對清除燃煤飛灰超細(xì)顆粒物聲波團(tuán)聚的方法進(jìn)行了研究,分析了聲波強(qiáng)度對PM2.5分級清除效率的影響,結(jié)果表明聲場強(qiáng)度的增加有利于顆粒的聲波團(tuán)聚清除,并通過參數(shù)組合和團(tuán)聚室結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,得到清除燃煤飛灰超細(xì)顆粒物聲波團(tuán)聚最佳的能效比。顏金培等在利用蒸汽相變脫除燃煤可吸入顆粒物的研究工作中,用ELPI對凝結(jié)洗滌脫除前后的顆粒數(shù)量濃度和粒徑分布進(jìn)行了實(shí)時測量,利用測定結(jié)果分析了蒸汽相變對脫除超細(xì)顆粒物效果的影響。張利琴等在對燃煤煙氣再循環(huán)富氧燃燒的污染物排放特性的研究工作中,利用ELPI測量了富氧燃燒情況下顆粒物排放特性。屈成銳等在O2/CO2氣氛燃燒溫度對燃煤PM2.5形成的影響進(jìn)行了研究,利用ELPI測量技術(shù)研究了O2/CO2氣氛下燃燒溫度對PM2.5的影響。1.2細(xì)粒物的過濾和過濾Andersen顆粒采樣器利用空氣動力學(xué)原理,根據(jù)顆粒物的物理形態(tài)(即大小、形狀、密度等)對顆粒物的粒徑進(jìn)行分級。通常,Andersen顆粒采樣器由采樣頭、預(yù)切割器、撞擊器、過濾設(shè)備、帶有抽氣泵的控制器以及溫度、壓力之類的傳感器組成,如圖2和圖3所示。撞擊器是Andersen的核心部分,它的主要功能是對顆粒物行分級和采集。Andersen顆粒采樣器的撞擊器一共分為8級,每一級包括一個帶孔的底座(用于顆粒分級)、一個壓片(壓住采樣膜)、一個墊圈(將每一級隔開),以及一張帶有開孔的采樣膜。并按照撞擊器的設(shè)計(jì)形狀,單數(shù)級裝寬邊膜,雙數(shù)級裝窄邊膜,最后一級F級裝實(shí)心全膜,用來過濾細(xì)粒子和凝結(jié)型顆粒物。采用Andersen顆粒采樣器對顆粒物粒徑分級,夾帶顆粒物的氣體經(jīng)過一級孔板加速后,其中的最大粒徑的顆粒物由于慣性作用被分離出來直接撞向?yàn)V膜,余下的顆粒繼續(xù)被氣體夾帶進(jìn)入下一級孔板,通過同樣辦法把其中最大粒徑的顆粒物分離。經(jīng)過多級孔板后,進(jìn)入Andersen顆粒采樣器氣流中的顆粒物,就由大到小分別滯留在各級濾膜上,對這些顆粒物量的測定就可以得到氣流中顆粒的粒徑分布。Andersen顆粒采樣器被廣泛地應(yīng)用在超細(xì)顆粒物的研究中,并取得很好的效果。例如呂建燚等在分析不同條件對煤粉燃燒后PM10、PM2.5和PM1排放影響時,利用8級Andersen粒子撞擊器分離并收集不同條件下煤粉燃燒后的顆粒物,比較并分析了不同條件對燃燒后PM10、PM2.5和PM1排放的影響。結(jié)果表明:煤粉中添加CaO后,對顆粒物的凝并和團(tuán)聚起到了一定的作用,降低了可吸入顆粒物的排放量。張小峰等在燃燒中鉛元素排放特性的研究中,按照美國EPA標(biāo)準(zhǔn)方法采用Andersen撞擊器對顆粒物進(jìn)行等動量采樣,并獲得了顆粒粒徑分布。岳勇等在煤燃燒排放的細(xì)粉塵顆粒形態(tài)及重金屬分布的研究中,利用8級Andersen煙道撞擊器收集煤灰樣品,分析了煤粉爐、水煤漿爐、CFB爐的粉塵顆粒排放特性。另外,還有一些學(xué)者對Andersen顆粒采樣器本身的特點(diǎn)就行了探討。例如嚴(yán)翠霞等對Andersen8級圓盤撞擊器和兩級玻璃撞擊器的粒徑分布測定結(jié)果進(jìn)行分析和比較,表明8級撞擊器雖然操作繁瑣,但測量效果好,既能獲得顆粒的動力學(xué)直徑在不同范圍內(nèi)的顆粒物質(zhì)量濃度,又能得到顆粒的動力學(xué)粒徑大小分布。劉忠等分別利用ELPI和Andersen兩種測量方法對超細(xì)顆粒物在湍流凝聚前后的顆粒粒徑分布進(jìn)行了測定,并比較了兩種方法的效果。1.3實(shí)驗(yàn)研究和測量除了目前常用的電子低壓撞擊儀測量技術(shù)和Andersen測量技術(shù)外,還有一些超細(xì)顆粒的測定方法也屬于粒徑切割測量技術(shù)。例如加拿大Laval大學(xué)的研究人員提出的一種新型多級沖擊采樣器,采樣時采用了旋轉(zhuǎn)收集表面,可以防止顆粒在收集表面形成錐形堆積,得到顆粒分布比較均勻的樣品,并且采樣器受環(huán)境條件變化的影響小、適用范圍廣,可以用在室內(nèi)、室外、實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)中,還可用于生物氣溶膠的采集。劉華榮等提出了一種新型多級沖擊采樣器,重新設(shè)計(jì)了PM2.5單級沖擊器,包括設(shè)定流量和截止直徑的單級沖擊器噴嘴的設(shè)計(jì)。劉龍波和吳艷敏等針對大流量PM10采樣技術(shù)進(jìn)行了研究,回顧了粒徑切割器的設(shè)計(jì)和研究現(xiàn)狀,給出了大流量PM10采樣器的設(shè)計(jì)參數(shù),并討論了一定流速下單層和雙層濾料的收集效率及其壓力降隨沉積量的變化。黃金星等利用Marple的沖擊理論,設(shè)計(jì)了一種中流量PM10-PM2.5串級沖擊式大氣采樣器,采樣流量為100L/min;采用該采樣器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量,數(shù)據(jù)合理可信。楊復(fù)沫等利用自行設(shè)計(jì)開發(fā)的軟件,完成了PM2.5切割器特征尺寸的精確設(shè)計(jì)及其切割性能對噴嘴尺寸、采樣流量和環(huán)境因素的敏感性分析,研制開發(fā)了一種多通道PM2.5化學(xué)采樣器,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。2光學(xué)檢測工具近幾年,隨著光學(xué)檢測技術(shù)的不斷提高,粒子圖像測速儀(PIV,particleimagevelocimetry)、多普勒粒子分析儀(PDPA,phasedopplerparticleanalyser)、激光相位多普勒粒子動態(tài)分析儀(PDA,phaseDoppleranalyser)、激光粒子圖像分析測試系統(tǒng)(PDIA,particle/dropletimageanalysis)、激光誘導(dǎo)可見光技術(shù)(LII,laserinducedincandescence)和激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)(LIF,LaserInducedFlorescence)等的光學(xué)檢測工具也被不斷地應(yīng)用到顆粒物相關(guān)參數(shù)測量中。2.1piv流場測量PIV系統(tǒng)由片光源、示蹤粒子的加入、測量流場圖像的獲取和圖像的識別計(jì)算處理4部分組成,包括了激光器、柱透鏡、高速數(shù)字相機(jī)(CCD)以及數(shù)據(jù)的存儲和分析處理軟件。PIV圖像的算法可分為粒子追蹤速度法和粒子分布相關(guān)法。采用PIV技術(shù)對微顆粒的進(jìn)行分析,要求在流場中預(yù)先產(chǎn)生一定濃度和大小的示蹤粒子,然后發(fā)射兩束有一定時間間隔的激光照射到已經(jīng)被投放示蹤粒子的流場中,用CCD得到兩幅垂直于片光方向的粒子圖像,見圖4。在分析這些圖片時,將其分成很小的單元陣列,并假設(shè)在這些單元內(nèi)的粒子都具有相同的流速。對粒子圖像進(jìn)行處理分析后,再用相應(yīng)的數(shù)值算法對粒子圖片進(jìn)行判讀,通過計(jì)算對圖像的信息進(jìn)行重構(gòu)。兩相流PIV流場測量的關(guān)鍵是對兩相的分割,目前兩相分割的主要方法是采用圖像識別或者光學(xué)分割。其中采用圖像識別的兩相流PIV已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各類氣泡流的測量,在2003年的PIV03會議上Honkanen等已經(jīng)對氣泡的圖像分割方法作了詳細(xì)的描述。采用光學(xué)分割的PIV需要利用激光誘導(dǎo)熒光技術(shù),Nishino等在2003年曾利用熒光粒子進(jìn)行固體顆粒對網(wǎng)格湍流影響的試驗(yàn)研究。最近,劉小芳利用PIV技術(shù)對微細(xì)氣泡直徑等參數(shù)進(jìn)行測量,分析了氣泡的粒徑和速度分布;王漢封等運(yùn)用PIV技術(shù),分析了稀疏湍流氣固兩相流中顆粒相的運(yùn)動特性。PIV技術(shù)不僅可以測試二維流場,而且可以在PIV基礎(chǔ)上進(jìn)一步采用數(shù)字化PIV技術(shù)和全息粒子測速技術(shù)(HPV)進(jìn)行三維測試,目前這項(xiàng)技術(shù)的探索和研究也受到了重視。2.2pda測量技術(shù)PDA利用運(yùn)動粒子散射光的多普勒效應(yīng),可以同時測定粒子的大小和運(yùn)動速度以及相對折射率,測定工作不干擾流場,并且反應(yīng)速度快、精度高,目前已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于流體力學(xué)、空氣動力學(xué)和化工和環(huán)保等領(lǐng)域。該測試系統(tǒng)主要由激光光源、光路傳輸系統(tǒng)、光路接收系統(tǒng)、信號處理器、計(jì)算機(jī)及三維自動坐標(biāo)架等組成,如圖5所示。王國忠等系統(tǒng)介紹了PDA測量原理,并對爐膛氣固兩相流場的速度和粒子粒徑、濃度等參數(shù)進(jìn)行測量,得到了顆粒數(shù)密度空間分布圖,并指出用兩個探測器在不同角度接收粒子散射光,它們接收到的信號具有相同頻率,但由于兩探測器空間位置不同,接收到的多普勒信號存在一個依賴于直徑的相位差;粒子直徑超過一定范圍,多普勒信號之間的相位差就會大于設(shè)定值,測出的粒徑將反而變小,這是因?yàn)榱椒秶脑龃髮?dǎo)致了測量靈敏度的下降。為避免上述問題,PDA系統(tǒng)采用三個探測器同時采集信號,共同決定粒子尺寸,可以增大粒徑測量范圍并提高測量靈敏度。張健等利用PDA技術(shù),分級測量了燃燒室內(nèi)氣固兩相流瞬時速度場,獲得了各測點(diǎn)處顆粒的軸向和切向瞬時速度的時間序列,并得到了顆粒相速度的概率密度函數(shù)。劉明根據(jù)GLMT理論和LDA理論,驗(yàn)證了采用PDA測量系統(tǒng)對運(yùn)動粒子折射率、粒子尺寸參數(shù)和粒子運(yùn)動速度同時診斷的可行性。黃榮國等利用三維粒子動態(tài)分析儀(3D-PDA),得到了燃燒器一次風(fēng)道內(nèi)氣固兩相的速度分布、湍動能分布以及顆粒直徑和顆粒濃度分布。2.3碳煙顆粒體積濃度的檢測近10年來,LII技術(shù)由于其原理簡單,非介入特性以及信息準(zhǔn)確等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用到對碳煙、二氧化鈦等納米顆粒的粒徑和濃度測量上。LII的基本原理是:用一束脈沖高能激光射入含有碳煙顆粒的火焰,碳煙顆粒會被入射的高能激光瞬間加熱至3500~4000K,并誘發(fā)白熾光,誘發(fā)的白熾光與碳煙顆粒的體積濃度成正比關(guān)系;碳煙顆粒在大約數(shù)百納秒后逐漸冷卻至火焰溫度,誘導(dǎo)白熾光信號消失。在這個過程中,利用增強(qiáng)型電荷耦合(ICCD)接收帶通濾波片過濾后(過濾火焰本身的光譜)的白熾光,將可以得到火焰內(nèi)碳煙顆粒體積濃度的相對值,如果入射光為片光源,則可得到火焰內(nèi)碳煙顆粒體積濃度的二維分布。經(jīng)過與已知體積濃度的標(biāo)準(zhǔn)火焰校準(zhǔn)后,就可以將信號轉(zhuǎn)化為絕對體積濃度,測定誤差約為10%。當(dāng)然,激光誘發(fā)的白熾光信號只能描述火焰中碳煙體積濃度的相對值,如果希望得到絕對值則必須經(jīng)過標(biāo)定。目前標(biāo)定的方法有兩種:一種是利用激光消光法直接標(biāo)定;另一種是2002年由Smallwood等研究者提出的雙色標(biāo)定法。2.4采用lif法測定碳煙顆粒前驅(qū)物的熒光光譜LIF檢測系統(tǒng)主要包括激光器、檢測光路、光電探測器和信號處理模塊。LIF測量技術(shù)的基本原理為:在流場中投入特定分子結(jié)構(gòu)的熒光染料作為示蹤劑,熒光物質(zhì)在激光的激發(fā)下吸收特征頻率的光子,由基態(tài)躍遷至第一或者第二激發(fā)態(tài),處于激發(fā)態(tài)的分子不穩(wěn)定,返回基態(tài)時發(fā)生熒光。這一激發(fā)致光過程在瞬間完成,并且熒光物質(zhì)只有在激光的照射下才發(fā)光,光強(qiáng)不累積。另外,由于激發(fā)和發(fā)射之間存在著一定的能量損失,熒光光譜中存在著斯托克斯位移,也就是說,熒光的波長總是大于激發(fā)光的波長;采用濾光片將激發(fā)光和熒光分離,只檢測熒光信號,可以提高測量精度。利用相機(jī)等設(shè)備接收熒光信號,并利用計(jì)算機(jī)對其進(jìn)行分析,可以得到流場中的標(biāo)量輸運(yùn)信息。Ciajolo等采用LIF法對預(yù)混合層流乙烯火焰中碳煙顆粒前驅(qū)物的熒光光譜進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)LIF熒光信號均由多環(huán)芳香烴受激發(fā)后產(chǎn)生。