利用气动团聚提升PM2.5捕集效率：来自Mie/LIF激光诊断的证据

阿德莱德大学TEC团队与Indigo Technologies联合实验，验证静电除尘器前端气动团聚技术的有效性

关键词
PM2.5,气动团聚,静电除尘器,Indigo Agglomerator,Mie/LIF激光诊断,工业烟气治理,ESP改造

近几年，PM2.5和超细颗粒物排放逐渐成为火电、水泥、钢铁等行业大气治理的“硬指标”。在常规静电除尘器（ESP）和布袋除尘器已经相当成熟的背景下，如何在不大幅增加系统阻力和能耗的前提下，提高对亚微米和数微米颗粒的捕集效率，成为工业烟气治理领域新的技术热点。围绕这一痛点，气动团聚、预荷电、湿式电除尘等前端预处理技术，正被越来越多的工程应用和研究关注。

在这一背景下，澳大利亚阿德莱德大学TEC Group与Indigo Technologies Pty Ltd联合开展的一项研究，为“气动团聚是否真的能显著减少细颗粒穿透”给出了较为直接且量化的实验证据。该研究以Indigo公司已获专利的气动团聚（Indigo Agglomerator）装置为对象，采用Mie散射与激光诱导荧光（Mie/LIF）联合成像诊断方法，在接近电厂烟道工况的风洞喷流中，系统评估了1 μm级细小液滴与10–20 μm液滴在湍流剪切流中的碰撞团聚行为及其对细颗粒数量的影响。

研究团队包括P. Kalt、G. Nathan、R. Kelso（阿德莱德大学TEC Group）以及R. Truce和J. Wilkins（Indigo Technologies），部分结果最早发表于ICESP X（第10届国际静电除尘会议）会议论文中[1]。相较于仅通过除尘器入口、出口粒径分布推断团聚效果的间接方式，该工作通过平面激光成像直接“数”出了细小颗粒在有无团聚装置、是否有大颗粒参与时的数量变化，对工程界理解气动团聚在ESP系统中的作用具有重要参考价值。

为了在实验室条件下可控地再现烟道内的颗粒团聚过程，研究选用的是液滴而不是固体粉尘。主要考虑是：液滴更易控制尺寸分布、形状高度接近理想球形，其Mie散射特性可精确计算；同时液滴间的“液桥”黏结力较强，基本可以采用“碰上即粘”的假定，简化团聚判定。这一点对定量分析气动团聚效率非常关键，因为对于实际粉尘，范德华力与电荷作用、形状粗糙等因素交织，单次碰撞能否真正形成稳定团聚体往往难以判定。

在本次实验中，约1 μm的小液滴通过TSI雾化器产生，并加入Rhodamine 6G荧光染料；10–20 μm的大液滴则通过加压喷嘴沿风洞主流方向喷入，两类液滴在风洞收缩段出口形成的矩形自由喷流中混合。喷流平均速度约6 m/s，湍流强度较低，工况接近典型燃煤电厂烟道气流速度区间。Indigo的气动混合装置布置在喷流的势核区，使其既能充分作用于两类颗粒，又避免风洞壁面及观测窗口对光学测量造成干扰。

测量手段上，研究团队采用了一种改进的平面激光测径（Planar Dropsizing，或LSD）技术。基本思路是利用双摄像机同步采集同一激光片面内的Mie散射图像和LIF荧光图像：一个相机通过Mie散射记录所有颗粒（大小液滴）的位置和散射强度；另一个相机通过光学滤波，仅记录含有染料的小液滴的荧光信号。由于Mie散射强度近似与粒径平方成正比，而荧光信号近似与粒径立方及染料浓度有关，在所有液滴均带染料时，可以通过LIF/Mie之比反演Sauter平均直径D32，用以分析尺寸演变。

然而在本研究中，大液滴不加染料——主要出于两个工程性原因：其一，大液滴液量大，染料用量和喷淋系统维护成本显著上升；其二，大液滴的荧光信号比1 μm液滴高出3个数量级以上，远超相机的动态范围，极易造成小液滴信号被淹没。因此，研究团队做了一个符合试验目标的技术取舍：仅让小液滴含荧光染料，并在分析时引入“LIF = 小颗粒数”假设，即在小液滴尺寸分布变化不大的前提下，将每个像素内LIF信号强度视作其中小液滴数量的定性/半定量指标。

风洞实验设置了多组工况组合，包括：仅小液滴、有无混合装置；大小液滴同时存在、有无混合装置等。所有情况均在气动团聚装置尾缘下游75 mm处，通过Mie/LIF成像获得统计稳定的平均图像和瞬时结构。结果表明，在没有气动混合装置时，引入大液滴对LIF总强度仅造成轻微下降，可理解为在自然湍流剪切作用下，部分小液滴通过惯性碰撞被大液滴捕获，发生少量团聚；但整体上，多数小液滴仍然“穿透”到测量平面，说明仅凭自由剪切流本身的湍流强度，细颗粒之间或细粗颗粒之间的碰撞频率有限。

一旦在同样的气流条件下加入Indigo气动团聚装置，情况出现明显变化：当大小液滴同时存在时，测量平面内的LIF信号显著下降，且衰减程度远大于自然湍流下大液滴单独引入的情形。这一现象有两点重要含义：其一，小液滴数量被大幅消耗，直接指向小颗粒被团聚、并从“可见的荧光相”转移到不带染料的大颗粒相中；其二，该差异仅在“大+小+团聚装置”三者同时存在时出现，说明团聚机制主要来自混合装置诱导的细尺度涡结构和强剪切，而非简单的重力沉降或壁面损失。

为了排除“小颗粒自身之间团聚”的干扰，研究团队还考察了“仅小颗粒+有无混合装置”的场景。在这一工况下，所有液滴都含染料，可以使用标准LIF/Mie比值反推出Sauter平均直径。结果显示，有无混合装置时，小液滴的D32几乎无明显差异，说明在没有大颗粒参与的前提下，即便存在较强的小尺度湍流结构，小液滴之间由于惯性差异有限，团聚并不显著。换言之，对于电除尘前端气动团聚技术，要显著降低PM2.5数量，必须满足两个前提：一是具有合适尺度和强度的湍流/剪切结构（由气动混合装置提供），二是体系内存在足够数量和粒径级别的大颗粒，为细颗粒提供“吸附核”。

瞬时Mie散射图像还揭示了一个对工程建模同样关键的特征：小颗粒在湍流流场中的“聚团”或“偏聚”现象，即粒子沿着特定尺度的涡结构形成空间上不均匀的高浓度团簇。这与多相湍流研究中关于颗粒偏聚的经典认识相一致[2]，也提示我们，在设计ESP入口段的喷吹系统或气动团聚器时，不仅要考虑平均流向和湍流强度，更要关注尺度匹配——只有当涡尺度、颗粒响应时间（Stokes数）和粒径谱合理匹配时，才可能最大化团聚碰撞频率。

从工业应用视角看，这项研究的价值主要在于：第一，它在接近工业烟道流速、浓度及粒径特点的条件下，通过激光成像手段直接验证了Indigo气动团聚装置能够显著提高1 μm级细颗粒与10–20 μm颗粒之间的碰撞团聚频率，从而为该类“ESP前端气动团聚+传统除尘器”组合工艺提供了物理机理支撑；第二，它清晰地区分了“有无大颗粒”和“有无气动装置”的不同作用，为后续在燃煤锅炉、电炉烟气、水泥窑尾等不同场景下的改造设计提供了边界条件：如果原烟气本身缺乏足够数量的中大颗粒，单纯引入气动扰动并不能有效改善PM2.5排放；反之，在粉尘负荷较高且粒径分布较宽的场合，加装合适尺度的气动团聚结构，则有望以较低能耗提升静电除尘器或布袋除尘器对超细颗粒的综合捕集效率。

需要指出的是，该项Mie/LIF诊断实验的动态范围仍有限，无法同时给出“大+小”颗粒在团聚前后的绝对数密度和完整粒径谱，因此目前更多是提供“相对效率”的比较结论，而非完整的工程性能曲线。要将这一技术完全工程化，还需要结合在线粒径谱分析、电荷分布测量以及全尺寸烟道试验数据进行标定。不过，从行业技术风向上看，“气动团聚+ESP”的路线已越来越明确，一方面得益于类似本研究这样扎实的基础实验支撑，另一方面也契合当前在不增加污染物二次转移的前提下，提升电除尘器对PM2.5控制能力的现实需求。

从整体趋势判断，未来几年内，围绕气动团聚的核心问题将集中在三个方面：一是如何将风洞条件下优化出的涡结构平滑移植到复杂烟道布置中，并兼顾系统阻力与可靠性；二是如何与高频电源、极板结构优化、湿式电除尘等新一代ESP技术实现组合与协同；三是如何在实际烟气中同时考虑粉尘性质（含碳量、比电阻、粘性）、酸雾和气溶胶等多相组分对团聚行为的影响。可以预见，谁能在这三方面率先形成成熟的工程解决方案，谁就有机会在新一轮超低排放及深度减排改造中占据技术高地。

参考文献
[1] Kalt P, Nathan G, Kelso R, Truce R, Wilkins J. Assessing the significance of the Indigo aerodynamic agglomeration technology using Mie/LIF laser diagnostics. In: ICESP X Conference Proceedings; 2006 Jun; Australia.
[2] Eaton JK, Fessler JR. Preferential concentration of particles by turbulence. International Journal of Multiphase Flow. 1994;20:169–209.

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