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

基于阿德莱德大学TEC实验室与Indigo Technologies联合研究的气动团聚机理与测试方法解读

关键词
aerodynamic agglomeration, Mie scattering, laser-induced fluorescence, PM2.5, Indigo Agglomerator, 静电除尘器, 工业烟气治理

细颗粒物，尤其是粒径小于2.5μm的PM2.5，一直是燃煤电厂等工业烟气治理中的“硬骨头”。这一粒径段颗粒不仅深度侵入人体肺泡，对健康造成显著风险，还能长时间悬浮在大气中，作为冷凝核改变云滴谱与降水过程，并主导烟囱羽流与城市烟雾的可见度和褐色烟霾问题。随着各国对PM2.5排放限值的持续收严，单一依赖传统静电除尘器（ESP）和布袋除尘器已越来越难以兼顾超低排放与投资运行成本，如何在主除尘设备前对超细颗粒进行“预处理”，成为工业环保领域的重要技术方向。

Indigo Technologies提出的一种思路，是在主除尘设备（如ESP）前引入“气动团聚”装置，通过精心设计的紊动与剪切流结构，使大量PM2.5细颗粒与10–50μm范围内的较大颗粒发生频繁碰撞并粘附，形成更易被传统除尘器捕获的“大颗粒团簇”。这一思路在其工业化试验中已经观察到显著的排放改善，更重要的是，即便在电场关闭、完全依赖纯气动作用的条件下，也能获得可观的细颗粒团聚效果，这直接提出了一个关键问题：气动团聚本身，在多大程度上可以成为可工程化利用的强化除尘机理？

为回答这一问题，澳大利亚阿德莱德大学TEC Group的P. Kalt、G. Nathan、R. Kelso与Indigo Technologies的R. Truce、J. Wilkins联合开展了一项系统实验研究，成果发表于ICESP X（2006年，澳大利亚）会议论文《Assessing the Significance of the Indigo Aerodynamic Agglomeration Technology Using Mie/LIF Laser Diagnostics》[1]。研究团队借助Mie散射与激光诱导荧光（Mie/LIF）联合诊断技术，在可控风洞环境下，定量评估了Indigo气动团聚装置对“细颗粒–大颗粒”碰撞机率与细颗粒去除率的实际贡献，为工业烟气中气动团聚技术的应用提供了重要的物理依据。

在实验设计上，研究者并未直接采用真实粉尘颗粒，而是选择了更便于精确测量的液滴体系来模拟PM2.5与PM10–50的行为：约1μm的微细水滴用来代表ESP最低效率区的PM2.5，而10–20μm的较大水滴则代表易被传统设备捕集的粗颗粒。与不规则固体粉尘相比，液滴具备形状规则、生成和回收方便、光学性质可精确计算等优势，更适合与Mie散射及LIF技术结合开展定量诊断。

值得注意的是，液滴之间的“液桥力”通常强于固体颗粒之间的范德华力约半个数量级[1]。在本研究中，实验者据此作出“只要发生碰撞即视为成功团聚”的工程假设，从而将问题简化为：气动装置是否显著放大了细颗粒与大颗粒之间的碰撞几率。结合已有文献估算，对于1–10μm粒径范围，范德华力本身已远大于典型静电库仑力，因此作者认为，液滴相对于粉尘的粘附力增强，并不会在工程结论上造成夸大，而更多是为实验与诊断创造宽裕裕度。

实验在阿德莱德大学一座矩形截面低湍流风洞中开展。风洞经整流与收缩段后形成截面约720×340mm、平均流速约6m/s的自由射流，其速度场在约2m长的“势流核”区域内基本均匀。Indigo气动团聚装置（实质上是一种细尺度涡发生器/混合器）被布置在该势流核中段，使得通过装置前后流场条件可控且均匀，避免了管道边界层等附加复杂效应。下游则通过喇叭形集流口与抽排系统将含滴气流排出实验室，这一“非封闭、无遮挡窗口”的布局也保证了激光和成像光路的精度与强度。

细水滴由TSI商用雾化器提供，标称直径约1μm，并全部掺混高浓度Rhodamine 6G荧光染料；大水滴则由加压喷嘴产生，其初级分布峰值落在10–20μm区间，并不给予染色。为了在图像中区分两类液滴，研究团队采用了典型的Planar Dropsizing（LSD）思路，将脉冲激光展开为薄光片，使通过光片截面的全部液滴被瞬时照明，并分别用两台互相配准的相机拍摄：一台通过滤光镜仅采集液滴Mie散射信号，另一台则只采集染料激发后的LIF荧光信号。由于Mie信号强度理论上正比于液滴直径平方d²，而LIF信号则正比于染料体积、即直径立方d³，在合适标定条件下即可利用LIF/Mie比值反演出Sauter平均直径D32，实现二维面内的滴径场重构[2–4]。

不过，真实实验条件下还存在两个关键工程约束：其一，CCD及ICCD探测器的动态范围有限，若大滴同样加染料，则其LIF信号将比小滴高三个数量级左右，极易使相机饱和，从而无法同时兼顾微弱的小滴荧光细节；其二，大滴喷雾的液量远高于小滴雾化器，为其全部染色在操作上既不经济也极不便利。因此，该研究对经典LSD技术作了两点改造：第一，仅向小滴加入Rhodamine 6G，大滴完全不染色；第二，在图像处理上不再只依赖长时间平均，而是对两台相机视场进行高精度空间配准，使得可以逐帧对比同一空间像素的Mie与LIF信号，进而在统计意义上提取小滴数量变化。

基于这一布置，研究共对比了四种典型工况组合：仅有小滴、仅有大滴、大小滴同时存在，且分别在“有无气动团聚装置”两种条件下进行。测量光片被布置在团聚装置尾缘下游约75mm处，相当于装置直接影响区后的近场射流核心区域。在只关注细颗粒去除时，研究者提出了一个简化但极具工程意义的假设——“LIF即小滴”：由于只有小滴含有荧光染料，在采集条件固定的前提下，每个像素点的平均LIF强度，即可近似视为该体积内小滴数目的线性指标。由此，一旦对比不同工况下LIF整体水平的升降，就可直观判断小滴数量是被团聚消耗还是大体量穿透下游。

实验结果具有非常直观的工程指向。首先，在无团聚装置的基准工况中，当引入大小两类液滴混合时，小滴LIF信号相比“仅小滴”工况确有轻微下降，这说明即便在简单共流条件下，小滴也会与大滴发生有限的碰撞与粘附，导致一部分小滴被“吞并”。但这一效应强度不高，大部分PM2.5模拟滴仍然随流场穿越测量截面，这与工业上普遍观察到的“单纯粒径分布优化难以显著改善超细颗粒排放”的经验是一致的。

当气动团聚装置加入、且同时存在大滴和小滴时，情形发生了根本变化：在下游固定测量平面上的LIF平均信号出现大幅衰减，显示小滴数量显著减少。这种削减并非源自装置对流场中整体喷雾体积的遮挡（实验同时验证了“仅小滴+装置”工况下的滴径变化），而是由大量小滴与大滴在装置诱导的剪切与细尺度涡结构中发生碰撞粘附造成的。研究团队进一步通过对“仅小滴+装置/无装置”的LIF与Mie联合处理，计算不同工况下的Sauter平均直径D32，结果显示在只有微细液滴存在时，装置前后D32几乎无显著变化，小滴聚并成大滴的几率极低，说明气动装置本身并不会促成“小–小”团聚，其主要作用在于放大小滴与大滴之间的相对速度与空间相遇频率，从而显著提高“细–粗”组合的团聚效率。

从更微观的瞬时图像看，研究还观察到小滴在不同尺度上的“团簇化”特征：既有毫米量级的细尺度聚集，也有数厘米量级的较大团簇结构。这与多相湍流研究中关于固相优先富集于低涡量区的认识高度一致[5–6]，而这种空间分布不均匀性极有可能是团聚效率提升的关键中介——当气动装置在射流中引入周期性或准周期性的剪切与回流时，小滴在流场中的“热点聚集”区域，更容易与惯性更强、轨迹偏离更明显的大滴轨道发生交叉，从而提升单位体积内的有效碰撞次数。

综合这些结果，作者给出一个相对清晰的工程共识：在与燃煤电站烟道相近的流速与湍流强度条件下，Indigo的气动团聚装置显著放大了约1μm和10–20μm两类颗粒之间的有效碰撞数量，使得小颗粒数目在通过装置后明显下降。这一发现为工业烟气中通过“增加适度大颗粒+合理布置气动混合装置”来强化PM2.5捕集效率提供了实测支持，也为ESP前端预处理单元的设计提供了有价值的风向指引。

当然，研究团队也坦率指出了Mie/LIF平面滴径技术在本课题上的局限性：由于探测动态范围有限，无法在同一组数据中高精度给出“大滴+小滴”混合后整体粒径分布的绝对值，因此本研究更多提供了相对意义上的“捕集效率提升”证据，而并非给出装置的绝对除尘效率曲线。若要为工业设计提供更精确的量化指标，还需结合相干光粒径仪、在线粒径谱仪等手段，对装置前后大小两类颗粒的数浓度和粒径分布进行全谱测量。

从行业应用视角看，这项工作至少释放出三条关键信号：其一，气动团聚在合适的尺度与湍流强度下是可持续、可重复的工程机理，而不仅仅是个别工况下的“偶发现象”；其二，在烟气治理系统中有针对性地引入“粗颗粒载体”（如在锅炉尾部或旁路引入适量可回收大颗粒）并与气动混合装置联用，有望显著缓解传统ESP在1μm左右效率“谷值”问题；其三，像Mie/LIF这样的高分辨率激光诊断手段，正在成为评估气动团聚装置和新型预处理单元性能的关键工具，对于后续CFD优化设计与中试放大具有重要价值。

对正在规划或改造超低排放系统的电力、钢铁、水泥等行业用户而言，这类研究提示：在传统“加大电场、加长箱体、提高比集面积”之外，通过相对低成本的流场重构和团聚预处理单元，有机会以更优的投资收益比提升PM2.5控制水平。未来，随着更多类似Indigo Agglomerator的产品在高温、高尘、高腐蚀工况下证明可靠性，并与ESP、袋滤器甚至湿式电除尘（WESP）形成协同组合，基于气动团聚的“预聚–主捕集”双层架构，有望成为超细颗粒控制的一条重要技术路径。

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. Proceedings of ICESP X, Australia, 2006.
[2] Jermy M. C., Greenhalgh D. A. Planar dropsizing by elastic and fluorescence scattering in sprays too dense for phase Doppler measurement. Applied Physics B, 2000, 71:703–710.
[3] Zimmer L., Ikeda Y., Domann R., Hardalupas Y. Simultaneous LIF and Mie scattering measurements for branch-like spray cluster in industrial oil burner. AIAA Paper 2002-0340, 2002.
[4] Nathan G. J., Kelso R. M. Scaling and sensitivity analyses of the mechanism of aerodynamic agglomeration in particle filters. Consulting Report MECHTEST MT0659-1, University of Adelaide, 2004.
[5] Longmire E. K., Eaton J. K. Structure of a particle-laden round jet. Journal of Fluid Mechanics, 1992, 236:217–257.
[6] Eaton J. K., Fessler J. R. Preferential concentration of particles by turbulence. International Journal of Multiphase Flow, 1994, 20:169–209.

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