基于聲波團聚效應的PM2.5脫除裝置

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。惡劣的大氣環境對人們的生產生活造成了極大影響。對工廠現有的除塵裝置進行優化改造，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廢氣排放中的細顆粒物難以去除的問題，實現了低功耗高效除塵。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構，優化了聲壓級分布，降低了系統能耗；自適應調節團聚參數，使裝置能適應不同濃度的煙氣，并對其進行最優化處理。

聲波團聚；PM2.5；環保減排；有害物質

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、有害物質且在大氣中停留時間長、輸送距離遠，對環境危害很大。基于現有除塵裝置存在的缺陷、當前環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，使細顆粒凝結長大，達到脫除微米級細顆粒的目的。結合聲波團聚效應，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，結果顯示隔音降噪效果良好，符合國家相關標準。

2 系統設計

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充分混合后進入團聚室管道，通過控制箱調節聲源頻率、聲壓級，使細顆粒物在高強聲波作用下發生團聚凝結為大顆粒，在經過布袋除塵器時被捕集，阻隔在布袋表面。經過處理的煙氣流經消音管消音后排出。

圖1 裝置整體結構圖

2.2 團聚裝置結構設計

團聚裝置的結構設計中，聲源系統采用KTD-250警報揚聲器作為聲波發生器，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式增長。為此我們設計了一種新型的團聚室結構，使之在相同功率下，產生更高強度的聲場。

團聚管道：團聚裝置的核心部分，是團聚發生的主要場所。通過軟件對團聚管道內聲場分布進行仿真，優化管道參數設計，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、內徑、壁厚三個結構參數進行對比分析后得出管道的結構參數，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；為管道內徑。

管長調距裝置：利用管螺紋與內螺紋配合調節管道長度，形成增強型駐波場，可以有效降低能耗。當聲波頻率變化時，波長相應發生改變，此時，團聚管道內聲波的疊加狀態發生變化，調節管道長度，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，與含塵煙氣在緩沖室充分混合，增大煙氣的濕度。根據增濕團聚理論，煙塵顆粒和霧滴的表面接觸特性經過改善，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 消聲結構設計

本項目中聲源產生的聲壓級較高、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。

通過對檢測結果數據對比分析，可得出以下結論：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，主要由音頻信號發生模塊、參數智能控制模塊以及人機交互模塊組成，音頻信號發生模塊采用DDS數字頻率合成技術和D類功放產生揚聲器驅動信號，通過電位器實現信號的變頻和調幅；參數智能控制模塊通過顆粒物傳感器檢測PM2.5、PM10濃度分布，負反饋調節頻率、噴霧量，實現團聚參數的自適應調節，達到最佳團聚效果；人機交互模塊可實現工作模式切換、工作狀態設置以及相關參數的顯示功能，以簡化用戶操作。

3.2 音頻信號發生模塊

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

3.3 參數智能控制模塊

參數智能控制模塊主要由參數獲取傳感器以及步進電機等執行機構組成。控制參數包括頻率、聲壓級、霧化量，分別由單片機、溫濕度傳感器、功率檢測電路獲取；而煙氣濃度、粒徑分布是需要根據實際情況變動的參數，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。經過大量實驗，選擇揚聲器在額定功率工作時產生的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。通過閉環負反饋算法，可在20 s內快速調整頻率到合適值。

3.4 人機交互模塊

人機交互模塊由顯示屏、調節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，用戶可手動調節頻率、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，氣體介質在聲波的作用下發生振蕩運動。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生了相對運動，發生碰撞而團聚。

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進行數據處理并繪制PM2.5濃度隨時間變化曲線圖。

由于實驗條件的限制，對上述數據僅做定性分析，得出：①未加聲波或噴霧作用時，團聚室內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現本項目采用的超聲波霧化器產生的水霧直徑在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，證明了聲波聯合噴霧團聚作用對PM2.5顆粒的去除有良好的效果。

5 總結

本裝置設計的U形團聚管道，利用聲波的疊加性能可節省近37%的能耗；同時，與現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構，降低了噪聲和系統能耗。采用噴霧聯合及參數自適應算法，實現對不同粒徑、濃度顆粒物的聯合除塵，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〕