聲波團聚技術消除儲能電站火災煙霧的實驗研究

曹志勇，羅志浩，金東春，馬振方，張光學，周曉耘

(1.杭州意能電力技術有限公司,浙江 杭州 310014;2.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院,浙江 杭州 310014;3.中國計量大學能源工程研究所,浙江 杭州 310008)

中國是世界上清潔能源規模最大、發展速度最快的國家。2018年，中國可再生能源發電裝機容量突破7億kW，占全部電力裝機容量的38.3%。其中，占比重較大的風力發電由于出力不穩定，對電網的影響較大，而利用儲能電站對電能的存儲和釋放，可以為電網提供調峰、調頻、需求響應等多種服務，顯著地提高了電網運行的安全性、可靠性和靈活性。近十年來，基于超大容量電池組的儲能電站飛速發展，其中鋰電池組由于具有較高的能量密度、較大的放電倍率以及較低的成本，已在儲能電站中得到了廣泛應用。然而用于儲能的鋰電池組極易引起火災，并產生大量的火災煙霧，其主要組分是燃燒產生的顆粒相產物、氣相產物和空氣的混合物。火災煙霧中的顆粒相產物是以炭黑為主的固體顆粒及液滴，粒徑范圍為0.01～10 μm，具有強烈的遮光性，使火場人員無法規劃逃生路線，易造成人員傷亡。此外，火災煙霧還挾帶大量的熱量，是火災蔓延的主要原因。因此，有必要在火災發展初期對火災煙霧進行快速清除，避免造成更大的損失。現有的火災煙霧控制方法主要包括通風法、擋煙法和細水霧等。其中，通風法是指向煙氣聚集的區域內送風或者利用風機將煙氣排出的控制方法，主要包括自然通風、機械通風和混合通風，但由于引入了新鮮空氣，通風法有擴大火勢的風險；擋煙法是指在煙氣聚集的區域內設置擋煙垂壁，進而控制煙氣蔓延的方法，其屬于被動的煙氣管理方法，一般需要與其他煙氣控制方法配合使用；細水霧的粒徑一般小于200 μm，具有較大的比表面積，高密度的細水霧可以汽化、吸收大量熱量，降低火焰區的溫度，有效控制火勢，同時細水霧濾網具有限制煙氣傳播的作用，盡管細水霧對火災抑制和消除煙霧均有一定的效果，但是其對光線的吸收和散射作用會造成火災現場的能見度降低，另外對于儲能電站火災而言，細水霧還有可能造成電路故障及電器損壞，因此并不適用。由此可見，傳統的火災煙霧控制方法存在諸多限制，亟需提出新的技術方案，對儲能電站火災煙霧進行有效控制。

聲波團聚作為一種氣溶膠處理技術，是指在高強聲波作用下，氣溶膠顆粒間發生相對運動進而團聚變大，容易被后續的除塵設備過濾，達到降低顆粒物排放的目的。聲波團聚機理經過多年的發展已經形成了包含同向團聚、聲波尾流和流體動力學在內的完整體系，并仍在不斷的發展和完善中。其中，同向團聚機理是指由于氣溶膠顆粒大小不同，小顆粒更容易被聲波夾帶，大顆粒因不易被聲波夾帶作為團聚核而逐漸變大；聲波尾流效應是指顆粒在氣體介質中運動時，在顆粒的尾部形成低壓尾流區，當有其他顆粒處在低壓尾流區時，兩顆粒相互吸引，發生團聚；此外，流體動力學作用中的聲流和聲致湍流等因素也是重要的聲波團聚機理。

聲波團聚具有操作簡單、便于維護、適用性廣泛等優點，近年來隨著我國對于環保標準漸趨嚴格，眾多學者對聲波團聚在環境保護方面的應用進行了廣泛且深入的研究。如在燃煤煙氣的聲波團聚預處理方面，張光學等分別研究了在聲波作用、聲波聯合霧化水滴和聲波聯合化學團聚劑三種不同條件下的燃煤飛灰氣溶膠聲波團聚效果，結果發現聲波聯合霧化水滴和聲波聯合化學團聚劑均明顯提高了聲波團聚對細顆粒的清除效率，同時降低了聲源功耗；顏金培等研究了聲波團聚聯合潤濕劑對燃煤飛灰氣溶膠的聲波團聚效果，結果發現氣溶膠顆粒的表面潤濕性越好，聲波團聚效率也越高。在汽車發動機尾氣的聲波團聚處理方面，陳厚濤等研究了1 kHz聲波對柴油機尾氣的消除作用，結果表明在聲波作用下，柴油機尾氣的顆粒數目減少了55.7%；藺鋒探究了壓燃式發動機尾氣的超聲波團聚，并取得了一定的研究成果，但距工業應用尚有較大的差距；賈肖寧等利用聲波團聚預處理汽車尾氣，使后續過濾器對PM的過濾效率達到了99%，對PM的過濾效率達到了50%；此外，利用聲波團聚處理其他氣溶膠如Zn顆粒氣溶膠、TiO顆粒氣溶膠、液滴氣溶膠等均取得了明顯的效果。在利用聲波團聚消除火災煙霧的實驗研究方面，最早Zhang等利用聚苯乙烯明火燃燒產生的火災煙霧進行聲波團聚實驗，結果發現當聲波頻率為1.5 kHz時，在30 s的時間內火災煙霧的透光率由24%提高到75%。但現今我國關于聲波團聚控制火災煙霧的研究較少，因此有必要對其進行深入研究。

儲能電站發生火災的危害極大，需要探索新的技術方法對火災煙霧加以控制，而聲波團聚技術由于操作簡單、適用性廣泛等優點比較適合于儲能電站的火災煙霧控制。為此，本文搭建聲波團聚實驗臺，利用炭黑顆粒氣溶膠模擬儲能電站的火災煙霧，并定量分析聲波頻率、聲壓級和火災煙霧初始濃度對聲波團聚效果的影響規律，以期為聲波團聚技術消除儲能電站火災煙霧的工業化應用提供指導。

1 實驗設備與方法

實驗裝置示意圖如圖1所示，主要包括團聚室、壓縮驅動器、號角、功率放大器、給料機及激光模具等。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

聲波團聚室是由高度為300 mm、內徑為100 mm的有機玻璃管制成，火災煙霧在團聚室內發生團聚，透光率測量系統用于實時測量團聚室內火災煙霧的透光率。

聲源系統：SFG-1013型信號發生器發出的聲波信號經RMX 2450型功率放大器放大后，輸送至壓縮驅動器發出聲波，利用AWA5661型聲級計測試發現，實驗時團聚室內聲壓級各處分布均勻，差異小于1.5 dB。

鋰電池核心組件中的微孔隔膜和石墨負極是其發生火災時煙霧的主要來源，其產物主要是炭黑顆粒。因此，實驗中利用炭黑顆粒氣溶膠代替火災煙霧，送風機將空氣送至風粉混合器，與定量給料機送入的干燥炭黑顆粒相混合，形成炭黑顆粒氣溶膠，重力沉降室可濾除較大顆粒，打開團聚室上方和下方兩個閥門，即可將炭黑顆粒氣溶膠導入團聚室，待團聚室內煙霧穩定后，關閉兩個閥門，保證團聚室處于密閉狀態后即可開始進行實驗。

實驗選用TSI3330測試炭黑顆粒氣溶膠的粒徑分布，TSI3330是一種基于光散射法測量顆粒等體積直徑的精密電子處理系統，它使用單粒子計數技術可快速、準確地測量粒子濃度和粒徑分布。由圖2的炭黑顆粒氣溶膠初始粒徑分布測量結果可以看出：炭黑顆粒氣溶膠的初始粒徑分布主要集中于0.35 μm和1 μm。

圖2 炭黑顆粒氣溶膠的初始粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of the initial carbon black aerosol

聲波團聚消除火災煙霧的主要目標是降低煙霧濃度，且火災煙霧濃度與透光率的大小直接相關，因此本實驗以火災煙霧的透光率作為聲波團聚效果的主要評價指標。透光率測量系統包括功率30 mW的650 nm激光模組和LP1激光功率計，其中LP1激光功率計的采樣次數達到每秒20次，可實時采集透過團聚室的激光功率，進而計算得到火災煙霧的透光率。火災煙霧的透光率

T

定義為透過煙霧前后的光強之比，具體計算公式為

(1)

式中：

I

為聲波作用

t

時間后透過團聚室的激光強度(W)；

I

為單側壁面對激光的消減引起的強度衰減(W);

I

為激光模組的初始激光強度(

W

)。

2 實驗結果與討論

2.1 火災煙霧的光學特性及微觀形貌變化

在頻率為1 000 Hz、聲壓級為140 dB的聲波作用下，團聚室內火災煙霧的透光率與聲波作用時間的關系曲線，見圖3。

圖3 火災煙霧透光率與聲波作用時間的關系曲線Fig.3 Temporal evolution of fire smoke transmittance with and without sound

由圖3可見，在20 s的時間內團聚室內火災煙霧的透光率從22%提高到90%，隨后增長緩慢，這是由于團聚前期火災煙霧的顆粒質量濃度大、顆粒數目較多、顆粒間的距離較小，隨著團聚過程的進行，火災煙霧的顆粒數目極大地減少，導致顆粒間的距離變大，團聚效果也迅速降低；另外，未施加聲波時，團聚室內火災煙霧的透光率在1 min的時間內僅提高到33%。

圖4為火災煙霧顆粒的掃描電鏡照片，顯示了聲波作用前后火災煙霧顆粒微觀形貌的變化。其中，圖4(a)是一個典型的初始火災煙霧顆粒，其粒徑大小為1 μm左右，與圖2的炭黑顆粒氣溶膠初始粒徑分布的測量結果相互印證；圖4(b)顯示了聲波作用后，火災煙霧顆粒團聚變大，形成粒徑大小約為100 μm甚至更大的不規則團聚體顆粒，導致顆粒數目減少，對光線的遮擋作用減弱，透光率快速提高，且由于形成的團聚體質量較大，加速了沉降，并在團聚室底部沉積。

圖4 火災煙霧顆粒掃描電鏡照片Fig.4 SEM images of the fire smoke particles

2.2 聲波頻率對火災煙霧聲波團聚效果的影響

聲波頻率從最低50 Hz到20 kHz均可用于聲波團聚，已有研究結果表明，對于不同的氣溶膠顆粒，存在最佳聲波頻率使得聲波團聚效率最高。一般認為，最佳聲波頻率與顆粒物的粒徑有關，顆粒物粒徑越小，最佳聲波頻率越高。張光學等利用理論模型模擬計算出聲波團聚的最佳聲波頻率是一個較窄的頻段，另外他計算得出聚苯乙烯火災煙霧的最佳聲波頻率為1 500 Hz，燃煤飛灰的最佳聲波頻率為1 400 Hz。由于本實驗的炭黑顆粒氣溶膠的粒徑分布與聚苯乙烯火災煙霧和燃煤飛灰的粒徑分布較為接近，因此本實驗所采用的聲波頻率為500～3 000 Hz，聲壓級為135～140 dB,火災煙霧的初始透光率為22%～70%。

首先保證各聲波頻率的聲壓級均為140 dB，探究聲波頻率對火災煙霧聲波團聚的影響，其實驗結果見圖5。

圖5 聲波頻率對火災煙霧聲波團聚效果的影響Fig.5 Influences of acoustic frequencies on acoustic agglomeration effect of fire smoke

由圖5可見，1 000 Hz聲波頻率對火災煙霧聲波團聚的效果顯著高于其他被測聲波頻率，在初期的20 s時間內，火災煙霧的透光率迅速從22%提高到了90%，隨后由于火災煙霧的濃度降低，同向團聚作用減弱，火災煙霧聲波團聚的效果大幅下降[見圖5(a)];對于炭黑氣溶膠顆粒而言，由擬合曲線可知，在聲波作用20 s時火災煙霧聲波團聚的最佳聲波頻率介于1 000～2 000 Hz之間[見圖5(b)]。

2.3 聲壓級對火災煙霧聲波團聚效果的影響

聲壓級表征了聲場能量的強弱，聲壓級越高，聲場具有的能量越大。圖6顯示了在聲波頻率為1 000 Hz時，通過改變聲源的聲壓級時，火災煙霧的透光率與聲波作用時間的關系曲線。

圖6 聲壓級對火災煙霧聲波團聚效果的影響Fig.6 Influences of SPL on acoustic agglomeration effect of fire smoke

由圖6可見，隨著聲壓級由135 dB提高到140 dB，火災煙霧透光率的提升速度也越快，而由同向團聚機理可知，聲壓級越大，氣體介質的振幅越大，顆粒間發生碰撞的概率變大，因而團聚效率也越高[見圖6(a)]；聲壓級越高，聲波作用20 s時火災煙霧所能達到的透光率越高，而聲壓級由137 dB提高到140 dB時，火災煙霧透光率的提升不大[見圖6(b)]，這是由于聲壓級為137 dB時，火災煙霧的透光率已經高達83%，火災煙霧透光率再提升的余地較小。

2.4 初始火災煙霧濃度對火災煙霧聲波團聚效果的影響

火災煙霧初始濃度是影響火災煙霧聲波團聚的重要因素之一，圖7顯示了在聲波頻率為1 000 Hz、聲壓級為140 dB的條件下，火災煙霧初始透光率分別為22%、45%和70%時，團聚室內火災煙霧透光率與聲波作用時間的關系曲線。

由圖7可見，火災煙霧初始透光率越低，團聚前期的速度越快，火災煙霧透光率的提升越明顯，這是因為火災煙霧初始透光率越低，火災煙霧的濃度越高，此時顆粒間的距離越小，發生碰撞的概率也越高，隨著團聚過程的進行，顆粒數目大量減少，顆粒間的距離變大，火災煙霧聲波團聚的效果降低，因此后期3條曲線基本重合。

圖7 初始火災煙霧濃度對火災煙霧聲波團聚效果的影響Fig.7 Influence of initial fire smoke concentration on acoustic agglomeration effect of fire smoke

3 結 論

本文利用炭黑顆粒氣溶膠模擬儲能電站火災煙霧，驗證了利用聲波控制火災煙霧的可行性，并定量分析了聲波頻率、聲壓級和初始火災煙霧濃度對火災煙霧聲波團聚效果的影響規律，得出如下結論：

(1) 當聲波頻率為1 000 Hz、聲壓級140 dB時，在20 s時間內火災煙霧的透光率即從22%提高到了90%，顯著高于聲波頻率為500 Hz、2 000 Hz和3 000 Hz時火災煙霧的透光率。

(2) 對于本實驗所用的炭黑顆粒氣溶膠而言，由擬合曲線可知，在聲波作用20 s時火災煙霧聲波團聚的最佳聲波頻率介于1 000～2 000 Hz之間。

(3) 在聲壓級由135 dB提高到140 dB的過程中，在20 s時間內火災煙霧所能達到的透光率也逐漸提高，這是由于聲壓級為137 dB時，火災煙霧的透光率已經高達83%，后續提升余地較小。

(4) 火災煙霧初始透光率越低，團聚前期的速度越快，火災煙霧透光率的提升越明顯，但是后期火災煙霧所能達到的透光率基本相同。