摘 要：综述了电场联合其他单一方法的复合团聚技术、声场联合其他单一方法的复合团聚技术，分析了不同复合团聚技术方法的实验研究、影响因素以及优缺点，对未来复合团聚方法的发展趋势进行了论述和展望，同时为复合团聚技术的改进提出建议。
关键词：细颗粒物; PM2.5团聚; 复合团聚技术; 除尘效率;
随着国民经济的发展和现代化城市建设的推进，空气污染问题引起了人们的广泛关注。我国空气污染已经由传统的烟煤型污染转变为以PM2.5等为主的跨区域性、复合型污染。细颗粒物(fine particles，PM2.5)是指空气动力学直径≤2.5μm的固体颗粒物或液滴，也称可入肺颗粒物。工业生产中产生的颗粒物尺寸范围可以从亚微米级的分子到毫米级的粗颗粒，其中PM2.5所占的质量分数并不大，但数量比例却可以占到总颗粒数的90%以上。由于细颗粒物的粒径很小，传统常规除尘设备很难实现有效去除，因此在除尘设备之前增设预处理装置，通过物理或者化学方法对细微颗粒物进行团聚，从而形成较大颗粒加以脱除的方法是当前除尘技术的发展趋势。
1 技术研究进展
现有的单一团聚技术包括化学团聚技术、声波团聚技术、电团聚技术、湍流团聚技术、磁团聚技术、光团聚技术、热团聚技术和蒸汽相变团聚技术等。但单一团聚技术对细颗粒物的清除效率较低，且能耗较大。因此，有必要进一步探索开发高效、节能、环保型的细颗粒物复合团聚脱除方法。目前，国内外学者进行了大量的实验研究并取得了一定成果，复合团聚技术的细颗粒团聚效果显著高于单一团聚效果，并能为PM2.5团聚实验研究及工业应用提供理论基础及新的研究方向。复合团聚技术效果对比见表1。
表1 复合团聚技术效果对比
2 电场联合其他方法团聚
2.1 双极静电湍流团聚技术
双极静电湍流团聚技术是一种通过不同极性放电引起细颗粒物带上正、负极性不同电荷，进而在湍流运输过程中产生速度或方向差异而碰撞聚集的方法，这是一种典型的“荷电+湍流”共同作用下使颗粒物团聚长大的技术。
刘忠等建立了颗粒物双极荷电湍流团聚的物理模型和数学模型，并基于FLUENT软件对团聚实验装置团聚段的流场和颗粒轨迹进行了数值模拟，模拟结果发现，细颗粒物容易受到涡片湍流扰动的影响，不同粒径的颗粒之间发生明显的相对运动，且荷电后正负荷电粒子相互吸引，粒子束流会有往中间趋进的现象，粒子之间的交叉更多，粒子碰撞团聚可能显著增加。Asanakham等通过计算流体力学(CFD)分析了矩形管道中不同形状的非流线体对烟气细颗粒物团聚的影响，非线性流体使烟气在非等离子体场下产生涡旋脱落，增加了细颗粒物在离子场中充电和碰撞的几率，增强了细颗粒物的团聚效果，其中倾斜板的作用效果最好，脉冲电压为35kV、10kHz的条件下，气体流速为2m/s，烟气中0.3~0.5μm的细颗粒物团聚效率提高了27%。浙江大学和台湾大学合作，在颗粒物集聚区使用多孔板代替传统交错排列的柱形扰片，设计了一套新型的“荷电+湍流”团聚装置，以优化气固两相流的流动混合，并促进带电粒子的碰撞和团聚，湍流装置如图1所示。
图1 新型多孔板“荷电+湍流”团聚装置示意图
根据所提出的微粒荷电、团聚和收集的实验研究，发现具有适当孔隙率的多孔板可影响放电电流和颗粒聚集，且9.4%的孔隙率能促使颗粒物平均粒径增加39%，同时离子风诱发的湍流显著改善了带正、负电粒子的碰撞，对于各种粒径的颗粒收集效率可达96%~98%，总质量收集效率也提高近12%。
2.2 “电场+离子体”团聚技术
王少雷将离子源和荷电凝并装置放置在烟道中，采用“电场+离子体”的联合方法对细颗粒物团聚进行了研究，实验结果表明，微细粉尘在交变电场中与离子碰撞荷电凝并成大粒径粉尘，中位径为0.2μm的颗粒物中的粒径<0.2μm的质量占有率为71%，凝并后降至53%，质量变化率下降了25.4%;粒径为5~10μm颗粒物质量变化率增加了1.62倍，质量除尘效率相应提高了27.6%。Gu等选用RE-W材料作为ESP的阴极，开发了一种基于热离子发射的新型静电除尘器(ESP)，研究发现热电子在高温实验条件下从阴极表面发射并与气体分子相撞产生热离子，稳定充足的热离子流附着在细微颗粒表面，通过库仑力碰撞团聚并向极板运动，实现烟气中较大颗粒在RE-W阴极的有效收集，且随着温度逐渐升高RE-W阴极的收集效率增加。Thonglek等提出了一种脉冲电晕激发产生非热等离子体场的线板型静电除尘器(ESP)，并建立了一套实验室规模的试验系统，研究了从柴油燃烧中排放出的尺寸范围为0.3~5.0μm的亚微米颗粒的团聚特征和去除效率，实验发现随着脉冲峰值电压、脉冲频率和气体流速的增加，颗粒去除效率逐渐提高，在峰值电压、脉冲频率和气体流速分别为45kV、20kHz和1m/s的条件下，非热等离子体ESP中所有粒径的亚微米颗粒的去除效率均超过了90%。近期，美国华盛顿大学Wang等更深入地研究了燃烧过程中产生的热离子对细微颗粒在荷电条件下凝结团聚的影响，在这项研究中，通过Fuchs充电理论与单分散粒子动力学模型相结合，在各种温度下模拟纳米颗粒的同时充电和凝结，实验装置如图2所示。
模拟结果表明，在火焰合成和固体燃料燃烧中，当离子浓度与颗粒浓度相当或高于颗粒浓度时，充电对颗粒生长动力学的影响十分突出，但单极离子环境强烈地抑制了颗粒的凝结。“电场+离子体”中的颗粒物荷电情况会对颗粒物团聚效果产生直接影响，荷电停留时间较短，颗粒物充电不足，颗粒之间虽存在一些碰撞，但彼此不能实现黏附团聚。因此，在荷电的同时引入湍流或者化学团聚技术会使这种复合团聚方法的团聚效果进一步加强。
2.3 “荷电+液体”团聚技术
李林等研究了荷电水雾脱除超细颗粒物的作用机理和影响因素，对“荷电+水雾”促进燃煤烟气超细颗粒物团聚的作用进行了实验，发现电荷库仑力的作用和水雾的增湿作用均能够促进超细颗粒物的团聚，同时实现电环境下硫氧化物和氮氧化物的联合脱除，燃煤烟气得到进一步清洁。Wang等通过搭建颗粒物脱除实验平台，研究了热电泳、蒸汽和水膜对湿式静电除尘器收集效率的影响，研究表明热电泳有利于去除细颗粒，去除效率提升约4%，但在强电场中促进作用不明显;蒸汽作用可以将细颗粒的收集效率提高20%~30%，但对大颗粒的去除影响不大;在热泳、蒸汽和水冲洗的综合作用下，在收集电极表面形成的水膜增加了颗粒物的团聚，大大促进了亚微米颗粒的收集和粗颗粒的去除，两者收集效率分别提升了30%~60%和8%。波兰科学院、英国布鲁内尔大学和意大利那不勒斯菲里德里克第二大学联合研制了2种通过感应充电产生带电喷雾的压力雾化器，并提出了开发组合静电洗涤和等离子体装置来减少各种来源的亚微米颗粒排放的空气污染控制技术。Di等基于上述技术，用一种新颖的实验方法研究了亚微米颗粒在湿式静电洗涤器中的团聚去除机理，实验系统由湿式静电洗涤室、带电液滴发生装置和粒子充电发生装置组成，如图3所示。
图3 湿式静电洗涤实验的设备布局
1—注射泵;2—流量表;3—高压发生器;4—喷嘴;5—粒度分析仪(TSI 3340);6—风速计;7—湿式静电洗涤室(有机玻璃圆筒);8—湿度计;9—粒子发生器;10—粒子充电单元;11—取样管(虚线代表水回路，连续线是气体回路，点划线是抽样和再循环回路)
研究过程由充电发生装置产生带电荷或不带电荷的颗粒，电喷雾组件产生均匀尺寸的带电雾滴，如图4所示。
图4 电喷雾组件
两者分别被鼓入洗涤室中相互作用，通过粒度分析仪(TSI 3340)检测颗粒粒度大小、颗粒电荷以及颗粒凝结等物理特性，分析颗粒物的去除效率。实验测试表明，在带电液滴和颗粒不带电荷的情况下，颗粒清除系数非常小，但用与带电液滴极性相反的颗粒所得的实验清除系数高于不带电颗粒测试的清除系数，且远高于对于亚微米颗粒的常规湿式洗涤器的清除系数。因此，在喷雾液滴和颗粒均荷电的情况下，库仑静电相互作用是亚微米颗粒物团聚及捕获清除的主要机制。
3 声场联合其他方法团聚
3.1 “声场+润湿剂”团聚技术
颜金培等研究了声波团聚室中润湿剂液滴与细颗粒碰撞团聚脱除特性，提出了一种“声场+润湿剂”促进细颗粒捕集的新方法，实验发现细颗粒脱除效率随声压级的增大而提高，在低声压级条件下，添加润湿剂可有效提高细颗粒脱除效率，声压级在130dB时，添加SDS溶液液滴后细颗粒脱除效率比声场单独作用时的脱除效率提高了25%。张光学等以燃煤烟气为对象，实验分析了喷雾提高声波团聚效率的机理以及对声波团聚的影响，研究表明，在喷雾作用下，颗粒之间形成比范德华力更强的液桥力，增大了有效碰撞系数，声波团聚效率提高了25%~40%，且如果使用SDS溶液或TX100溶液代替纯水，则燃煤飞灰的附聚效率可以进一步提高5%~20%。
3.2 “声场+电场”团聚技术
Chen等针对传统静电除尘器中颗粒物荷电不足，收集效率相对较低的问题，建立了一套“声场+电场”同时作用于颗粒物的团聚实验系统，实验表明，声波不改变负电晕的V-I特性曲线，但可以改变微粒的轨迹，引起颗粒物夹带，导致碰撞增强，提高除尘效率，同时对于给定的放电电压，存在最佳频率和声压级(SPL)，随着放电电压的升高，声波对颗粒物的去除效果降低。Luo等在“声场+电场”实验系统中引入喷雾，如图5所示，进一步研究分析了其对颗粒物团聚的影响，发现在声场和电场为最佳设置条件下，增强喷雾液滴，细颗粒物的穿透效率(penetration efficiency)可以降低到10%，当喷雾为质量分数0.3%的十二烷基磺酸钠表面活性剂时，渗透效率进一步降低，颗粒物团聚明显加强。
图5 实验设置示意图
3.3 “声场+蒸汽相变”团聚技术
Yan等提出了一种通过“声场+蒸汽相变”联合效应以高效率去除细颗粒的新型预处理方法，并实验研究了相关参数对微粒团聚变大和去除效果的影响，结果表明，通过声波和蒸汽冷凝的综合效应，在声压级(SPL)为150 dB，过饱和度(S)为1.2的条件下，团聚效果显著改善，细颗粒物的去除效率从10%~23%提高到53%~80%。同时，颜金培等又结合WFGD烟气的特性，将声波与相变耦合方法应用于湿法烟气脱硫，细颗粒的脱除效率同样得到了极大的提升，最高分级脱除效率达到80%以上。因此，声波和蒸汽相变在细颗粒长大过程中相互促进，能强化细颗粒的长大效果，提高团聚效率。
3.4 “声场+湍流射流”团聚技术
声场与湍流射流耦合能促进燃煤飞灰中的可吸入颗粒有效地团聚增大。孙德帅将“声场+湍流射流”同时引入可吸入颗粒团聚室，通过声场与射流合理配置，系统研究声场与射流耦合作用对可吸入颗粒团聚清除效率的影响，研究表明，细颗粒物的中值粒径随着声压级(SPL)的增大而增大;在声波频率为1416Hz时，颗粒物的清除效率达到最大值;耦合团聚过程中，增大射流与主气流气速比能够提高颗粒清除效率，且射流垂直入射，颗粒清除效率最高。
4 分析与讨论
电场联合其他单一团聚的复合团聚技术可以显著地增强细微颗粒物的团聚效果，是一种有效的去除细微颗粒物的团聚方法。其中“荷电+湍流”联合的双极静电湍流团聚技术已经具有相对成熟的理论体系，在数值模拟、实验验证和实际工程应用中都进行了深入的研究。“电场+离子体”技术能够在外加交变电场的条件下，通过离子体与细微颗粒物之间产生有效碰撞，实现颗粒物的团聚长大脱除，是PM2.5团聚技术研究的热点，但这种联合存在除尘极板容易积灰、能耗和一次环保投资较高的问题，一定程度上制约了其在工业生产中的发展。“荷电+液体”的联合不能只局限于水雾，需探索更清洁、高效、无污染的化学团聚剂，提高细颗粒物的团聚效率，包括化学团聚剂的回收利用以及减少对环境的二次污染。
声场联合其他单一团聚的复合团聚技术对细颗粒物凝并脱除具有非常显著的效果，国内外学者对这种联合技术进行了比较深刻的讨论，团聚机理、最佳参数以及实验模型也都得到了有效的研究与建立。但这类复合团聚技术的研究均来自于实验室范围的实验验证，缺少相应的数值模拟过程与实际工程的应用，同时声场中气体与细颗粒物之间的相互作用十分复杂，且高声压级的声波需要耗费大量电能，容易引起噪声污染。相对复杂的传热、传质过程以及实现过饱和蒸汽环境过程中的高能耗是制约“声场+蒸汽相变”联合技术发展的重要因素，其工业化仍需要进一步的研究讨论。“声场+电场”的协同实现了声场和电场的强强联合，整合了声场成熟的理论基础以及电场稳定高效的优势，未来的重点发展方向可以放在低能耗、噪声污染小、稳定声源的开发上，另外利用添加喷雾和高速摄影系统方法，也将在联合方法的研究中发挥重要作用。
5 结论
细微颗粒物PM2.5复合团聚技术的发展研究具有一定的创新性，各国学者已经取得一定的实质性成果，但对于团聚现象的成因机制、经济性等相关方面仍有许多问题，具有一定的局限性，需要进一步的探讨研究。不同团聚技术的优势互补效果明显，有利于细微颗粒物的团聚脱除，多种团聚方法的结合将会成为未来细颗粒物PM2.5团聚技术的重点发展趋势之一。深入研究细微颗粒物的团聚机理，创新相关设备的结构与布局，同时结合工程实际分析判断改进方案的可行性，实际应用前景十分广阔。
原标题：细颗粒物PM2.5复合团聚技术的研究进展
