曹鼎鈺

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基于聲波團聚效應的PM2.5脫除裝置

曹鼎鈺

（武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070）

近年來，我國大氣污染問題日益嚴重，自2010年起，全國各大城市的細顆粒物濃度劇增。惡劣的大氣環(huán)境對人們的生產(chǎn)生活造成了極大影響。對工廠現(xiàn)有的除塵裝置進行優(yōu)化改造，研制了一款新型高效的PM2.5脫除裝置，有效解決了目前工業(yè)廢氣排放中的細顆粒物難以去除的問題，實現(xiàn)了低功耗高效除塵。具體而言，利用聲波團聚效應，使細顆粒物團聚凝結(jié)成大顆粒，同時，輔以霧化水汽，提高團聚效率，從而可通過常規(guī)除塵設備對其進行有效脫除；采用聲學仿真模擬并通過實驗驗證，提出一種新型團聚室結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了聲壓級分布，降低了系統(tǒng)能耗；自適應調(diào)節(jié)團聚參數(shù)，使裝置能適應不同濃度的煙氣，并對其進行最優(yōu)化處理。

聲波團聚；PM2.5；環(huán)保減排；有害物質(zhì)

1 項目背景

在各種空氣污染物中，細顆粒物（即PM2.5，指大氣中直徑小于或等于2.5 μm的顆粒物）被廣泛認為是主要污染物。細顆粒物粒徑小，富含大量的有毒、有害物質(zhì)且在大氣中停留時間長、輸送距離遠，對環(huán)境危害很大?；诂F(xiàn)有除塵裝置存在的缺陷、當前環(huán)境問題的嚴重性以及人們對綠色生活的追求，研制了一套能夠脫除細顆粒物的除塵裝置，利用低頻聲波對細顆粒物的團聚效應，在煙塵進行過濾收集前進行預處理，使細顆粒凝結(jié)長大，達到脫除微米級細顆粒的目的。結(jié)合聲波團聚效應，研究設計了一款新型除塵裝置。通過對該裝置進行的噪聲檢測與性能測試，結(jié)果顯示隔音降噪效果良好，符合國家相關標準。

2 系統(tǒng)設計

2.1 整體方案設計

本作品的整體方案設計如圖1所示，含塵煙氣和霧化小液滴通入沉降緩沖室內(nèi)充分混合后進入團聚室管道，通過控制箱調(diào)節(jié)聲源頻率、聲壓級，使細顆粒物在高強聲波作用下發(fā)生團聚凝結(jié)為大顆粒，在經(jīng)過布袋除塵器時被捕集，阻隔在布袋表面。經(jīng)過處理的煙氣流經(jīng)消音管消音后排出。

圖1 裝置整體結(jié)構(gòu)圖

2.2 團聚裝置結(jié)構(gòu)設計

團聚裝置的結(jié)構(gòu)設計中，聲源系統(tǒng)采用KTD-250警報揚聲器作為聲波發(fā)生器，其額定輸入功率為250 W，工作頻率范圍為180～7 000 Hz。

由計算公式可知，隨著聲壓級的增強，所消耗的功率成指數(shù)式增長。為此我們設計了一種新型的團聚室結(jié)構(gòu)，使之在相同功率下，產(chǎn)生更高強度的聲場。

團聚管道：團聚裝置的核心部分，是團聚發(fā)生的主要場所。通過軟件對團聚管道內(nèi)聲場分布進行仿真，優(yōu)化管道參數(shù)設計，利用多物理場耦合分析軟件COMSOL設置平面波輻射，求解Helmholtz方程。對管道的管長、內(nèi)徑、壁厚三個結(jié)構(gòu)參數(shù)進行對比分析后得出管道的結(jié)構(gòu)參數(shù)，聲波團聚作用最適宜時間為4 s。選用風機風量170 m3/h，則管道總長度：

式（1）中：為管道煙塵流量；為團聚作用時間；為管道內(nèi)徑。

管長調(diào)距裝置：利用管螺紋與內(nèi)螺紋配合調(diào)節(jié)管道長度，形成增強型駐波場，可以有效降低能耗。當聲波頻率變化時，波長相應發(fā)生改變，此時，團聚管道內(nèi)聲波的疊加狀態(tài)發(fā)生變化，調(diào)節(jié)管道長度，保證兩個聲源聲波的疊加性能良好。

2.3 霧化裝置設計

霧化裝置以陶瓷霧化片為核心，生成霧化小液滴通入沉降室內(nèi)，與含塵煙氣在緩沖室充分混合，增大煙氣的濕度。根據(jù)增濕團聚理論，煙塵顆粒和霧滴的表面接觸特性經(jīng)過改善，可明顯提高團聚效率。

2.4 除塵裝置設計

除塵管中，含塵氣體經(jīng)過除塵器時，煙塵顆粒被阻隔在布袋表面，干凈的氣體通過布袋進入管道內(nèi)部。考慮到氣體的溫度、濕度等因素，選用防水拒油布袋，不易堵塞，使用壽命長。

2.5 消聲結(jié)構(gòu)設計

本項目中聲源產(chǎn)生的聲壓級較高、噪聲大。為了達到隔音降噪的目的，我們采用兩級消聲方式。其中一級消聲包括徑向消聲與法向消聲。

通過對檢測結(jié)果數(shù)據(jù)對比分析，可得出以下結(jié)論：兩級消音的隔音量可達70～80 dB，裝置外部最大聲壓級不超過60 dB，隔音降噪效果明顯。

3 控制部分設計

3.1 整體控制方案設計

控制部分以STM32F103單片機為核心，主要由音頻信號發(fā)生模塊、參數(shù)智能控制模塊以及人機交互模塊組成，音頻信號發(fā)生模塊采用DDS數(shù)字頻率合成技術和D類功放產(chǎn)生揚聲器驅(qū)動信號，通過電位器實現(xiàn)信號的變頻和調(diào)幅；參數(shù)智能控制模塊通過顆粒物傳感器檢測PM2.5、PM10濃度分布，負反饋調(diào)節(jié)頻率、噴霧量，實現(xiàn)團聚參數(shù)的自適應調(diào)節(jié)，達到最佳團聚效果；人機交互模塊可實現(xiàn)工作模式切換、工作狀態(tài)設置以及相關參數(shù)的顯示功能，以簡化用戶操作。

3.2 音頻信號發(fā)生模塊

音頻信號發(fā)生模塊由單片機DAC模塊、數(shù)字功放等組成。利用DAC模擬輸出正弦信號具有頻率和幅值可調(diào)的優(yōu)勢，通過電壓跟隨器、低通濾波器、數(shù)字功放處理后，形成特定頻率、幅值約40 V左右的交流信號，可以驅(qū)動揚聲器工作。

3.3 參數(shù)智能控制模塊

參數(shù)智能控制模塊主要由參數(shù)獲取傳感器以及步進電機等執(zhí)行機構(gòu)組成?？刂茀?shù)包括頻率、聲壓級、霧化量，分別由單片機、溫濕度傳感器、功率檢測電路獲?。欢鵁煔鉂舛?、粒徑分布是需要根據(jù)實際情況變動的參數(shù)，可通過顆粒物傳感器獲取。查閱資料可知，較高的團聚效率需要較大的聲壓級，但是過大聲壓級會導致能耗變大。經(jīng)過大量實驗，選擇揚聲器在額定功率工作時產(chǎn)生的148 dB聲壓級對于不同煙氣具有普適性；霧化量選取500 mL/h，可保證在明顯提升團聚效果的同時，不會造成資源浪費。通過閉環(huán)負反饋算法，可在20 s內(nèi)快速調(diào)整頻率到合適值。

3.4 人機交互模塊

人機交互模塊由顯示屏、調(diào)節(jié)旋鈕及模式選擇開關組成，通過顯示屏了解團聚前后顆粒物濃度變化值和變化曲線，用戶可手動調(diào)節(jié)頻率、聲壓級、噴霧量等控制旋鈕，使用模式選擇開關切換手動或者自動工作模式，實現(xiàn)人機交互功能。

4 工作原理及可行性分析

4.1 工作原理分析

聲波對細顆粒的團聚效應歸因于同向團聚機理。當對含塵煙氣施加聲場時，氣體介質(zhì)在聲波的作用下發(fā)生振蕩運動。不同粒徑的顆粒由于其慣性不同，所以振動的幅度也不同。這樣，大顆粒和小顆粒就產(chǎn)生了相對運動，發(fā)生碰撞而團聚。

在聲波團聚的過程中，隨著顆粒物濕度的增加，液體分子之間會形成液橋，此時的液橋力數(shù)量級遠大于范德華力，由于霧滴對顆粒物的潤濕性較好，液滴在顆粒物表面鋪展開并具有較大的液橋力作用，促進顆粒物團聚，并通過液橋力的相互架橋形成更大的團聚體積。因此，噴霧聯(lián)合聲波團聚可明顯提高團聚效率。

4.2 可行性分析

為了驗證裝置的團聚效果，我們進行了對比實驗。在實驗中，考慮到條件的限制，需要將條件進行簡化。實驗后用Matlab進行數(shù)據(jù)處理并繪制PM2.5濃度隨時間變化曲線圖。

由于實驗條件的限制，對上述數(shù)據(jù)僅做定性分析，得出：①未加聲波或噴霧作用時，團聚室內(nèi)PM2.5顆粒存在自然沉降的情況，但觀察其曲線可知下降速度緩慢，10 s內(nèi)降低約600 μg/m3；②在聲波作用后，觀察曲線變化，濃度下降明顯，下降幅度約4 500 μg/m3；③在聲波作用的基礎上聯(lián)合噴霧，觀察曲線變化，在初始階段，其濃度高于前兩次試驗，通過查閱相關資料發(fā)現(xiàn)本項目采用的超聲波霧化器產(chǎn)生的水霧直徑在10 μm以下，因此，造成PM2.5傳感器的誤判。但其總體趨勢仍為下降，并且下降幅度較前兩次實驗有明顯的增加，降低約12 000 μg/m3。

通過上述實驗，證明了聲波聯(lián)合噴霧團聚作用對PM2.5顆粒的去除有良好的效果。

5 總結(jié)

本裝置設計的U形團聚管道，利用聲波的疊加性能可節(jié)省近37%的能耗；同時，與現(xiàn)有工廠普遍使用的布袋除塵器相比，可減少90%的PM2.5排放量。設計了復合型團聚室結(jié)構(gòu)，降低了噪聲和系統(tǒng)能耗。采用噴霧聯(lián)合及參數(shù)自適應算法，實現(xiàn)對不同粒徑、濃度顆粒物的聯(lián)合除塵，提高了團聚效率。在綠色制造背景下，將聲波團聚技術應用于煙塵預處理，減少了PM2.5的排放。

2095－6835（2019）05－0148－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.05.148

〔編輯：張思楠〕