基于声波团聚效应的PM2.5脱除装置

曹鼎钰



基于声波团聚效应的PM2.5脱除装置

曹鼎钰

（武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070）

近年来，我国大气污染问题日益严重，自2010年起，全国各大城市的细颗粒物浓度剧增。恶劣的大气环境对人们的生产生活造成了极大影响。对工厂现有的除尘装置进行优化改造，研制了一款新型高效的PM2.5脱除装置，有效解决了目前工业废气排放中的细颗粒物难以去除的问题，实现了低功耗高效除尘。具体而言，利用声波团聚效应，使细颗粒物团聚凝结成大颗粒，同时，辅以雾化水汽，提高团聚效率，从而可通过常规除尘设备对其进行有效脱除；采用声学仿真模拟并通过实验验证，提出一种新型团聚室结构，优化了声压级分布，降低了系统能耗；自适应调节团聚参数，使装置能适应不同浓度的烟气，并对其进行最优化处理。

声波团聚；PM2.5；环保减排；有害物质

1 项目背景

在各种空气污染物中，细颗粒物（即PM2.5，指大气中直径小于或等于2.5 μm的颗粒物）被广泛认为是主要污染物。细颗粒物粒径小，富含大量的有毒、有害物质且在大气中停留时间长、输送距离远，对环境危害很大。基于现有除尘装置存在的缺陷、当前环境问题的严重性以及人们对绿色生活的追求，研制了一套能够脱除细颗粒物的除尘装置，利用低频声波对细颗粒物的团聚效应，在烟尘进行过滤收集前进行预处理，使细颗粒凝结长大，达到脱除微米级细颗粒的目的。结合声波团聚效应，研究设计了一款新型除尘装置。通过对该装置进行的噪声检测与性能测试，结果显示隔音降噪效果良好，符合国家相关标准。

2 系统设计

2.1 整体方案设计

本作品的整体方案设计如图1所示，含尘烟气和雾化小液滴通入沉降缓冲室内充分混合后进入团聚室管道，通过控制箱调节声源频率、声压级，使细颗粒物在高强声波作用下发生团聚凝结为大颗粒，在经过布袋除尘器时被捕集，阻隔在布袋表面。经过处理的烟气流经消音管消音后排出。

图1 装置整体结构图

2.2 团聚装置结构设计

团聚装置的结构设计中，声源系统采用KTD-250警报扬声器作为声波发生器，其额定输入功率为250 W，工作频率范围为180～7 000 Hz。

由计算公式可知，随着声压级的增强，所消耗的功率成指数式增长。为此我们设计了一种新型的团聚室结构，使之在相同功率下，产生更高强度的声场。

团聚管道：团聚装置的核心部分，是团聚发生的主要场所。通过软件对团聚管道内声场分布进行仿真，优化管道参数设计，利用多物理场耦合分析软件COMSOL设置平面波辐射，求解Helmholtz方程。对管道的管长、内径、壁厚三个结构参数进行对比分析后得出管道的结构参数，声波团聚作用最适宜时间为4 s。选用风机风量170 m3/h，则管道总长度：

式（1）中：为管道烟尘流量；为团聚作用时间；为管道内径。

管长调距装置：利用管螺纹与内螺纹配合调节管道长度，形成增强型驻波场，可以有效降低能耗。当声波频率变化时，波长相应发生改变，此时，团聚管道内声波的叠加状态发生变化，调节管道长度，保证两个声源声波的叠加性能良好。

2.3 雾化装置设计

雾化装置以陶瓷雾化片为核心，生成雾化小液滴通入沉降室内，与含尘烟气在缓冲室充分混合，增大烟气的湿度。根据增湿团聚理论，烟尘颗粒和雾滴的表面接触特性经过改善，可明显提高团聚效率。

2.4 除尘装置设计

除尘管中，含尘气体经过除尘器时，烟尘颗粒被阻隔在布袋表面，干净的气体通过布袋进入管道内部。考虑到气体的温度、湿度等因素，选用防水拒油布袋，不易堵塞，使用寿命长。

2.5 消声结构设计

本项目中声源产生的声压级较高、噪声大。为了达到隔音降噪的目的，我们采用两级消声方式。其中一级消声包括径向消声与法向消声。

通过对检测结果数据对比分析，可得出以下结论：两级消音的隔音量可达70～80 dB，装置外部最大声压级不超过60 dB，隔音降噪效果明显。

3 控制部分设计

3.1 整体控制方案设计

控制部分以STM32F103单片机为核心，主要由音频信号发生模块、参数智能控制模块以及人机交互模块组成，音频信号发生模块采用DDS数字频率合成技术和D类功放产生扬声器驱动信号，通过电位器实现信号的变频和调幅；参数智能控制模块通过颗粒物传感器检测PM2.5、PM10浓度分布，负反馈调节频率、喷雾量，实现团聚参数的自适应调节，达到最佳团聚效果；人机交互模块可实现工作模式切换、工作状态设置以及相关参数的显示功能，以简化用户操作。

3.2 音频信号发生模块

音频信号发生模块由单片机DAC模块、数字功放等组成。利用DAC模拟输出正弦信号具有频率和幅值可调的优势，通过电压跟随器、低通滤波器、数字功放处理后，形成特定频率、幅值约40 V左右的交流信号，可以驱动扬声器工作。

3.3 参数智能控制模块

参数智能控制模块主要由参数获取传感器以及步进电机等执行机构组成。控制参数包括频率、声压级、雾化量，分别由单片机、温湿度传感器、功率检测电路获取；而烟气浓度、粒径分布是需要根据实际情况变动的参数，可通过颗粒物传感器获取。查阅资料可知，较高的团聚效率需要较大的声压级，但是过大声压级会导致能耗变大。经过大量实验，选择扬声器在额定功率工作时产生的148 dB声压级对于不同烟气具有普适性；雾化量选取500 mL/h，可保证在明显提升团聚效果的同时，不会造成资源浪费。通过闭环负反馈算法，可在20 s内快速调整频率到合适值。

3.4 人机交互模块

人机交互模块由显示屏、调节旋钮及模式选择开关组成，通过显示屏了解团聚前后颗粒物浓度变化值和变化曲线，用户可手动调节频率、声压级、喷雾量等控制旋钮，使用模式选择开关切换手动或者自动工作模式，实现人机交互功能。

4 工作原理及可行性分析

4.1 工作原理分析

声波对细颗粒的团聚效应归因于同向团聚机理。当对含尘烟气施加声场时，气体介质在声波的作用下发生振荡运动。不同粒径的颗粒由于其惯性不同，所以振动的幅度也不同。这样，大颗粒和小颗粒就产生了相对运动，发生碰撞而团聚。

在声波团聚的过程中，随着颗粒物湿度的增加，液体分子之间会形成液桥，此时的液桥力数量级远大于范德华力，由于雾滴对颗粒物的润湿性较好，液滴在颗粒物表面铺展开并具有较大的液桥力作用，促进颗粒物团聚，并通过液桥力的相互架桥形成更大的团聚体积。因此，喷雾联合声波团聚可明显提高团聚效率。

4.2 可行性分析

为了验证装置的团聚效果，我们进行了对比实验。在实验中，考虑到条件的限制，需要将条件进行简化。实验后用Matlab进行数据处理并绘制PM2.5浓度随时间变化曲线图。

由于实验条件的限制，对上述数据仅做定性分析，得出：①未加声波或喷雾作用时，团聚室内PM2.5颗粒存在自然沉降的情况，但观察其曲线可知下降速度缓慢，10 s内降低约600 μg/m3；②在声波作用后，观察曲线变化，浓度下降明显，下降幅度约4 500 μg/m3；③在声波作用的基础上联合喷雾，观察曲线变化，在初始阶段，其浓度高于前两次试验，通过查阅相关资料发现本项目采用的超声波雾化器产生的水雾直径在10 μm以下，因此，造成PM2.5传感器的误判。但其总体趋势仍为下降，并且下降幅度较前两次实验有明显的增加，降低约12 000 μg/m3。

通过上述实验，证明了声波联合喷雾团聚作用对PM2.5颗粒的去除有良好的效果。

5 总结

本装置设计的U形团聚管道，利用声波的叠加性能可节省近37%的能耗；同时，与现有工厂普遍使用的布袋除尘器相比，可减少90%的PM2.5排放量。设计了复合型团聚室结构，降低了噪声和系统能耗。采用喷雾联合及参数自适应算法，实现对不同粒径、浓度颗粒物的联合除尘，提高了团聚效率。在绿色制造背景下，将声波团聚技术应用于烟尘预处理，减少了PM2.5的排放。

2095－6835（2019）05－0148－02

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A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.05.148

〔编辑：张思楠〕