基于声波团聚效应的颗粒物脱除装置及方法与流程

本发明属于细颗粒物脱除领域，具体涉及一种基于声波团聚效应的颗粒物脱除装置及方法。

背景技术：

近年来，我国大气污染问题日益严重，自2010年起，全国各大城市对雾霾问题的报道屡见不鲜。恶劣的大气环境对人们的生产生活造成了极大影响。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微米的颗粒物)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。

据有关数据显示，约四分之一的细颗粒物来源于工业烟气排放。目前工业生产中普遍使用的静电除尘器、旋风分离器等，它们对粒径在10μm以上的颗粒物的脱除效率可达90％，对粒径在10μm以下的颗粒物脱除效果不理想，在处理过程中虽然降低了烟尘浓度，但对细颗粒的捕集效率很低。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于声波团聚效应的颗粒物脱除装置及方法，达到脱除微米级细颗粒的目的。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于声波团聚效应的颗粒物脱除装置，其特征在于：它包括依次连接的沉降缓冲室、团聚装置和除尘器；其中，

沉降缓冲室设有水雾进口和烟尘进口，用于将雾化的小液滴与含尘烟气充分混合，增大含尘烟气的湿度；

团聚装置包括团聚管道和位于团聚管道端部的声源系统，团聚管道上分别设有与沉降缓冲室和除尘器连接的通孔，使得增大湿度后的含尘烟气在团聚管道中发生团聚效应，使得颗粒物团聚沉降；

除尘器的末端连接有风机，用于将团聚后的颗粒物阻隔在除尘器内，干净的气体由风机抽出。

按上述方案，所述的团聚管道与声源系统之间设有锥形号筒。

按上述方案，所述的团聚管道截面为圆形，团聚管道上还设有管长调距装置，团聚管道的长度根据风机的风速和团聚效应作用的时间按以下公式确定：

式中，l为团聚管道的长度；q为管道烟尘流量，由风机的风速决定；t为团聚效应作用时间；r为团聚管道的内径。

按上述方案，所述的水雾进口与雾化装置连接，雾化装置包括陶瓷雾化片。

按上述方案，它还包括控制系统，控制系统包括：

音频信号发生模块，用于控制所述的声源系统的启闭；

传感器组，用于获取颗粒物浓度、声压级、频率、温湿度；

执行机构，用于调节声源系统的频率、控制喷雾量和风机的风速；

控制器，用于根据传感器组的数据，控制音频信号发生模块和对应的执行机构。

按上述方案，所述的控制系统还包括人机交互界面，用于实时显示装置的各个参数，以及供人工输入控制参数。

利用所述的基于声波团聚效应的颗粒物脱除装置实现的颗粒物脱除方法，其特征在于：将雾化的小液滴与含尘烟气充分混合，增大含尘烟气的湿度；增大湿度后的含尘烟气发生团聚效应，使得颗粒物团聚沉降；团聚后的颗粒物阻隔在除尘器内，干净的气体抽出。

按上述方法，本方法具体包括以下步骤：

s1、实时检测pm2.5和pm10的浓度，当二者任意一项的浓度超过阈值时，启动本装置；

s2、计算最佳频率，控制音频信号发生模块的频率、喷雾量和风机的风速；

s3、实时获取颗粒物浓度、声压级、频率、温湿度，对音频信号发生模块的频率进行调整。

本发明的有益效果为：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，进而达到脱除微米级细颗粒的目的。

附图说明

图1为本发明一实施例的整体结构示意图。

图2为本发明一实施例的部分结构示意图。

图3为图1的具体结构示意图。

图4为本发明一实施例的硬件框图。

图5为本发明一实施例的方法流程图。

图6为不同实验条件下pm2.5浓度变化曲线图。

图中：i-团聚装置，ii-风机，iii-消音管，iv-除尘器，v-沉降缓冲室，1-上边框，2-侧板，3-除尘布袋，4-管长调距装置，5-支撑柱，6-底板，7-水雾进口，8-烟尘进口，9-沉降室，10-缓冲室，11-支撑肋板，12-底撑肋条，13-声波发生器，14-锥形号筒，15-团聚管道，16-消声扩散腔，17-多孔消声纤维。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明做进一步说明。

本发明对工厂现有的除尘装置进行优化改造，提出了一种利用声波团聚效应，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；2)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；3)自适应调节团聚参数，使装置能适应不同浓度的烟气，并对进行最优化处理。

总体方案设计：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。

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。

为实现上述功能要求，本发明提供一种基于声波团聚效应的颗粒物脱除装置，如图1、图2和图3所示，它包括依次连接的沉降缓冲室v、团聚装置i和除尘器iv。

沉降缓冲室v设有水雾进口7和烟尘进口8，用于将雾化的小液滴与含尘烟气充分混合，增大含尘烟气的湿度。所述的水雾进口7与雾化装置连接，雾化装置包括陶瓷雾化片。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9内，与含尘烟气在缓冲室10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。

雾化片是由压电陶瓷片和金属膜组成的,金属膜片焊接在压电陶瓷片的边缘上。在金属膜中心有微孔区，四周都会留有一定的边缘区.而在压电陶瓷片的另一面印银区向压电陶瓷片的厚度方向延伸,也会留有边,有得于金属膜同陶瓷片焊接更加牢固。可以有效的避免雾化液沉积后接触到印银电极而导致短路，而且可以用来净化空气。

团聚装置i包括团聚管道15和位于团聚管道15端部的声源系统，即声波发生器13，团聚管道15上分别设有与沉降缓冲室v和除尘器iv连接的通孔，使得增大湿度后的含尘烟气在团聚管道15中发生团聚效应，使得颗粒物团聚沉降。

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250w，工作频率范围为180～7000hz。由公式：spl＝10log(w)+l0可知随着声压级的增强，所消耗的功率成指数式增长。为此本发明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multiphysicscoupling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为：

进一步的，所述的团聚管道15与声源系统之间设有锥形号筒14。

本实施例中，所述的团聚管道15截面为圆形，团聚管道15上还设有管长调距装置4，团聚管道15的长度根据风机ii的风速和团聚效应作用的时间按以下公式确定：

式中，l为团聚管道15的长度；q为管道烟尘流量，由风机ii的风速决定；t为团聚效应作用时间；r为团聚管道15的内径。

本实施例中，声波团聚作用最适宜时间为4s。选用风机风量170m³/h，则管道总长度：

管长调距装置4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。

除尘器iv的末端连接有风机ii，用于将团聚后的颗粒物阻隔在除尘器iv内，干净的气体由风机ii抽出。考虑到气体的温度、湿度等因素，选用防水拒油的除尘布袋3作为除尘器iv，不易堵塞，使用寿命长。

本装置还包括控制系统，如图4所示，控制系统包括音频信号发生模块，用于控制所述的声源系统的启闭；传感器组，用于获取颗粒物浓度、声压级、频率、温湿度；执行机构，用于调节声源系统的频率、控制喷雾量和风机的风速；控制器，用于根据传感器组的数据，控制音频信号发生模块和对应的执行机构。

优选的，所述的控制系统还包括人机交互界面，用于实时显示装置的各个参数，以及供人工输入控制参数。

本实施例中，控制系统以stm32f103单片机为核心。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的功能，以简化用户操作。

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40v左右的交流信号，可驱动扬声器工作。

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148db声压级对于不同烟气具有普适性；雾化量选取500ml/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20s内快速调整频率到合适值。

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以及变化曲线，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自动工作模式，实现人机交互功能。

本实施例中，本装置设置在由上边框1、侧板2、支撑柱5、底板6、支撑肋板11、底撑肋条12构成的架体上。另外，在除尘器iv与风机ii之间还设有消音管iii，消音管iii包括消音扩散腔和多孔消声纤维17。

利用所述的基于声波团聚效应的颗粒物脱除装置实现的颗粒物脱除方法，将雾化的小液滴与含尘烟气充分混合，增大含尘烟气的湿度；增大湿度后的含尘烟气发生团聚效应，使得颗粒物团聚沉降；团聚后的颗粒物阻隔在除尘器内，干净的气体抽出。

如图5所示，本方法具体包括以下步骤：

s1、实时检测pm2.5和pm10的浓度，当二者任意一项的浓度超过阈值时，启动本装置；

s2、计算最佳频率，控制音频信号发生模块的频率、喷雾量和风机的风速；

s3、实时获取颗粒物浓度、声压级、频率、温湿度，对音频信号发生模块的频率进行调整。

为验证装置的团聚效果，我们进行了对比实验。在实验过程中，考虑到条件的限制，需要将条件进行简化。实验方案如下表所示：

表1实验方案

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如图6所示。

由于实验条件的限制，对上述数据仅做定性分析：

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，10s内降低约600μg/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4500μg/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10μm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12000μg/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。

根据实验，在合适的条件下，声波能在数秒内使pm2.5浓度降低70％以上，如果联合喷雾，将该技术应用于工业烟气预处理，则可使常规除尘器对pm2.5的脱除效率由70％左右提高到约97％。

本装置设计的u型团聚管道，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。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。