声波团聚技术消除储能电站火灾烟雾的实验研究

曹志勇，罗志浩，金东春，马振方，张光学，周晓耘

(1.杭州意能电力技术有限公司,浙江 杭州 310014;2.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院,浙江 杭州 310014;3.中国计量大学能源工程研究所,浙江 杭州 310008)

中国是世界上清洁能源规模最大、发展速度最快的国家。2018年，中国可再生能源发电装机容量突破7亿kW，占全部电力装机容量的38.3%。其中，占比重较大的风力发电由于出力不稳定，对电网的影响较大，而利用储能电站对电能的存储和释放，可以为电网提供调峰、调频、需求响应等多种服务，显著地提高了电网运行的安全性、可靠性和灵活性。近十年来，基于超大容量电池组的储能电站飞速发展，其中锂电池组由于具有较高的能量密度、较大的放电倍率以及较低的成本，已在储能电站中得到了广泛应用。然而用于储能的锂电池组极易引起火灾，并产生大量的火灾烟雾，其主要组分是燃烧产生的颗粒相产物、气相产物和空气的混合物。火灾烟雾中的颗粒相产物是以炭黑为主的固体颗粒及液滴，粒径范围为0.01～10 μm，具有强烈的遮光性，使火场人员无法规划逃生路线，易造成人员伤亡。此外，火灾烟雾还挟带大量的热量，是火灾蔓延的主要原因。因此，有必要在火灾发展初期对火灾烟雾进行快速清除，避免造成更大的损失。现有的火灾烟雾控制方法主要包括通风法、挡烟法和细水雾等。其中，通风法是指向烟气聚集的区域内送风或者利用风机将烟气排出的控制方法，主要包括自然通风、机械通风和混合通风，但由于引入了新鲜空气，通风法有扩大火势的风险；挡烟法是指在烟气聚集的区域内设置挡烟垂壁，进而控制烟气蔓延的方法，其属于被动的烟气管理方法，一般需要与其他烟气控制方法配合使用；细水雾的粒径一般小于200 μm，具有较大的比表面积，高密度的细水雾可以汽化、吸收大量热量，降低火焰区的温度，有效控制火势，同时细水雾滤网具有限制烟气传播的作用，尽管细水雾对火灾抑制和消除烟雾均有一定的效果，但是其对光线的吸收和散射作用会造成火灾现场的能见度降低，另外对于储能电站火灾而言，细水雾还有可能造成电路故障及电器损坏，因此并不适用。由此可见，传统的火灾烟雾控制方法存在诸多限制，亟需提出新的技术方案，对储能电站火灾烟雾进行有效控制。

声波团聚作为一种气溶胶处理技术，是指在高强声波作用下，气溶胶颗粒间发生相对运动进而团聚变大，容易被后续的除尘设备过滤，达到降低颗粒物排放的目的。声波团聚机理经过多年的发展已经形成了包含同向团聚、声波尾流和流体动力学在内的完整体系，并仍在不断的发展和完善中。其中，同向团聚机理是指由于气溶胶颗粒大小不同，小颗粒更容易被声波夹带，大颗粒因不易被声波夹带作为团聚核而逐渐变大；声波尾流效应是指颗粒在气体介质中运动时，在颗粒的尾部形成低压尾流区，当有其他颗粒处在低压尾流区时，两颗粒相互吸引，发生团聚；此外，流体动力学作用中的声流和声致湍流等因素也是重要的声波团聚机理。

声波团聚具有操作简单、便于维护、适用性广泛等优点，近年来随着我国对于环保标准渐趋严格，众多学者对声波团聚在环境保护方面的应用进行了广泛且深入的研究。如在燃煤烟气的声波团聚预处理方面，张光学等分别研究了在声波作用、声波联合雾化水滴和声波联合化学团聚剂三种不同条件下的燃煤飞灰气溶胶声波团聚效果，结果发现声波联合雾化水滴和声波联合化学团聚剂均明显提高了声波团聚对细颗粒的清除效率，同时降低了声源功耗；颜金培等研究了声波团聚联合润湿剂对燃煤飞灰气溶胶的声波团聚效果，结果发现气溶胶颗粒的表面润湿性越好，声波团聚效率也越高。在汽车发动机尾气的声波团聚处理方面，陈厚涛等研究了1 kHz声波对柴油机尾气的消除作用，结果表明在声波作用下，柴油机尾气的颗粒数目减少了55.7%；蔺锋探究了压燃式发动机尾气的超声波团聚，并取得了一定的研究成果，但距工业应用尚有较大的差距；贾肖宁等利用声波团聚预处理汽车尾气，使后续过滤器对PM的过滤效率达到了99%，对PM的过滤效率达到了50%；此外，利用声波团聚处理其他气溶胶如Zn颗粒气溶胶、TiO颗粒气溶胶、液滴气溶胶等均取得了明显的效果。在利用声波团聚消除火灾烟雾的实验研究方面，最早Zhang等利用聚苯乙烯明火燃烧产生的火灾烟雾进行声波团聚实验，结果发现当声波频率为1.5 kHz时，在30 s的时间内火灾烟雾的透光率由24%提高到75%。但现今我国关于声波团聚控制火灾烟雾的研究较少，因此有必要对其进行深入研究。

储能电站发生火灾的危害极大，需要探索新的技术方法对火灾烟雾加以控制，而声波团聚技术由于操作简单、适用性广泛等优点比较适合于储能电站的火灾烟雾控制。为此，本文搭建声波团聚实验台，利用炭黑颗粒气溶胶模拟储能电站的火灾烟雾，并定量分析声波频率、声压级和火灾烟雾初始浓度对声波团聚效果的影响规律，以期为声波团聚技术消除储能电站火灾烟雾的工业化应用提供指导。

1 实验设备与方法

实验装置示意图如图1所示，主要包括团聚室、压缩驱动器、号角、功率放大器、给料机及激光模具等。

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental system

声波团聚室是由高度为300 mm、内径为100 mm的有机玻璃管制成，火灾烟雾在团聚室内发生团聚，透光率测量系统用于实时测量团聚室内火灾烟雾的透光率。

声源系统：SFG-1013型信号发生器发出的声波信号经RMX 2450型功率放大器放大后，输送至压缩驱动器发出声波，利用AWA5661型声级计测试发现，实验时团聚室内声压级各处分布均匀，差异小于1.5 dB。

锂电池核心组件中的微孔隔膜和石墨负极是其发生火灾时烟雾的主要来源，其产物主要是炭黑颗粒。因此，实验中利用炭黑颗粒气溶胶代替火灾烟雾，送风机将空气送至风粉混合器，与定量给料机送入的干燥炭黑颗粒相混合，形成炭黑颗粒气溶胶，重力沉降室可滤除较大颗粒，打开团聚室上方和下方两个阀门，即可将炭黑颗粒气溶胶导入团聚室，待团聚室内烟雾稳定后，关闭两个阀门，保证团聚室处于密闭状态后即可开始进行实验。

实验选用TSI3330测试炭黑颗粒气溶胶的粒径分布，TSI3330是一种基于光散射法测量颗粒等体积直径的精密电子处理系统，它使用单粒子计数技术可快速、准确地测量粒子浓度和粒径分布。由图2的炭黑颗粒气溶胶初始粒径分布测量结果可以看出：炭黑颗粒气溶胶的初始粒径分布主要集中于0.35 μm和1 μm。

图2 炭黑颗粒气溶胶的初始粒径分布Fig.2 Particle size distribution of the initial carbon black aerosol

声波团聚消除火灾烟雾的主要目标是降低烟雾浓度，且火灾烟雾浓度与透光率的大小直接相关，因此本实验以火灾烟雾的透光率作为声波团聚效果的主要评价指标。透光率测量系统包括功率30 mW的650 nm激光模组和LP1激光功率计，其中LP1激光功率计的采样次数达到每秒20次，可实时采集透过团聚室的激光功率，进而计算得到火灾烟雾的透光率。火灾烟雾的透光率

T

定义为透过烟雾前后的光强之比，具体计算公式为

(1)

式中：

I

为声波作用

t

时间后透过团聚室的激光强度(W)；

I

为单侧壁面对激光的消减引起的强度衰减(W);

I

为激光模组的初始激光强度(

W

)。

2 实验结果与讨论

2.1 火灾烟雾的光学特性及微观形貌变化

在频率为1 000 Hz、声压级为140 dB的声波作用下，团聚室内火灾烟雾的透光率与声波作用时间的关系曲线，见图3。

图3 火灾烟雾透光率与声波作用时间的关系曲线Fig.3 Temporal evolution of fire smoke transmittance with and without sound

由图3可见，在20 s的时间内团聚室内火灾烟雾的透光率从22%提高到90%，随后增长缓慢，这是由于团聚前期火灾烟雾的颗粒质量浓度大、颗粒数目较多、颗粒间的距离较小，随着团聚过程的进行，火灾烟雾的颗粒数目极大地减少，导致颗粒间的距离变大，团聚效果也迅速降低；另外，未施加声波时，团聚室内火灾烟雾的透光率在1 min的时间内仅提高到33%。

图4为火灾烟雾颗粒的扫描电镜照片，显示了声波作用前后火灾烟雾颗粒微观形貌的变化。其中，图4(a)是一个典型的初始火灾烟雾颗粒，其粒径大小为1 μm左右，与图2的炭黑颗粒气溶胶初始粒径分布的测量结果相互印证；图4(b)显示了声波作用后，火灾烟雾颗粒团聚变大，形成粒径大小约为100 μm甚至更大的不规则团聚体颗粒，导致颗粒数目减少，对光线的遮挡作用减弱，透光率快速提高，且由于形成的团聚体质量较大，加速了沉降，并在团聚室底部沉积。

图4 火灾烟雾颗粒扫描电镜照片Fig.4 SEM images of the fire smoke particles

2.2 声波频率对火灾烟雾声波团聚效果的影响

声波频率从最低50 Hz到20 kHz均可用于声波团聚，已有研究结果表明，对于不同的气溶胶颗粒，存在最佳声波频率使得声波团聚效率最高。一般认为，最佳声波频率与颗粒物的粒径有关，颗粒物粒径越小，最佳声波频率越高。张光学等利用理论模型模拟计算出声波团聚的最佳声波频率是一个较窄的频段，另外他计算得出聚苯乙烯火灾烟雾的最佳声波频率为1 500 Hz，燃煤飞灰的最佳声波频率为1 400 Hz。由于本实验的炭黑颗粒气溶胶的粒径分布与聚苯乙烯火灾烟雾和燃煤飞灰的粒径分布较为接近，因此本实验所采用的声波频率为500～3 000 Hz，声压级为135～140 dB,火灾烟雾的初始透光率为22%～70%。

首先保证各声波频率的声压级均为140 dB，探究声波频率对火灾烟雾声波团聚的影响，其实验结果见图5。

图5 声波频率对火灾烟雾声波团聚效果的影响Fig.5 Influences of acoustic frequencies on acoustic agglomeration effect of fire smoke

由图5可见，1 000 Hz声波频率对火灾烟雾声波团聚的效果显著高于其他被测声波频率，在初期的20 s时间内，火灾烟雾的透光率迅速从22%提高到了90%，随后由于火灾烟雾的浓度降低，同向团聚作用减弱，火灾烟雾声波团聚的效果大幅下降[见图5(a)];对于炭黑气溶胶颗粒而言，由拟合曲线可知，在声波作用20 s时火灾烟雾声波团聚的最佳声波频率介于1 000～2 000 Hz之间[见图5(b)]。

2.3 声压级对火灾烟雾声波团聚效果的影响

声压级表征了声场能量的强弱，声压级越高，声场具有的能量越大。图6显示了在声波频率为1 000 Hz时，通过改变声源的声压级时，火灾烟雾的透光率与声波作用时间的关系曲线。

图6 声压级对火灾烟雾声波团聚效果的影响Fig.6 Influences of SPL on acoustic agglomeration effect of fire smoke

由图6可见，随着声压级由135 dB提高到140 dB，火灾烟雾透光率的提升速度也越快，而由同向团聚机理可知，声压级越大，气体介质的振幅越大，颗粒间发生碰撞的概率变大，因而团聚效率也越高[见图6(a)]；声压级越高，声波作用20 s时火灾烟雾所能达到的透光率越高，而声压级由137 dB提高到140 dB时，火灾烟雾透光率的提升不大[见图6(b)]，这是由于声压级为137 dB时，火灾烟雾的透光率已经高达83%，火灾烟雾透光率再提升的余地较小。

2.4 初始火灾烟雾浓度对火灾烟雾声波团聚效果的影响

火灾烟雾初始浓度是影响火灾烟雾声波团聚的重要因素之一，图7显示了在声波频率为1 000 Hz、声压级为140 dB的条件下，火灾烟雾初始透光率分别为22%、45%和70%时，团聚室内火灾烟雾透光率与声波作用时间的关系曲线。

由图7可见，火灾烟雾初始透光率越低，团聚前期的速度越快，火灾烟雾透光率的提升越明显，这是因为火灾烟雾初始透光率越低，火灾烟雾的浓度越高，此时颗粒间的距离越小，发生碰撞的概率也越高，随着团聚过程的进行，颗粒数目大量减少，颗粒间的距离变大，火灾烟雾声波团聚的效果降低，因此后期3条曲线基本重合。

图7 初始火灾烟雾浓度对火灾烟雾声波团聚效果的影响Fig.7 Influence of initial fire smoke concentration on acoustic agglomeration effect of fire smoke

3 结 论

本文利用炭黑颗粒气溶胶模拟储能电站火灾烟雾，验证了利用声波控制火灾烟雾的可行性，并定量分析了声波频率、声压级和初始火灾烟雾浓度对火灾烟雾声波团聚效果的影响规律，得出如下结论：

(1) 当声波频率为1 000 Hz、声压级140 dB时，在20 s时间内火灾烟雾的透光率即从22%提高到了90%，显著高于声波频率为500 Hz、2 000 Hz和3 000 Hz时火灾烟雾的透光率。

(2) 对于本实验所用的炭黑颗粒气溶胶而言，由拟合曲线可知，在声波作用20 s时火灾烟雾声波团聚的最佳声波频率介于1 000～2 000 Hz之间。

(3) 在声压级由135 dB提高到140 dB的过程中，在20 s时间内火灾烟雾所能达到的透光率也逐渐提高，这是由于声压级为137 dB时，火灾烟雾的透光率已经高达83%，后续提升余地较小。

(4) 火灾烟雾初始透光率越低，团聚前期的速度越快，火灾烟雾透光率的提升越明显，但是后期火灾烟雾所能达到的透光率基本相同。