CN109908687A - 一种基于声波团聚效应的pm2.5脱除装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于声波团聚效应的PM2.5脱除装置，其特征在于：包括依次连接的沉降缓冲室、团聚装置、布袋除尘器、消音管和风机系统；沉降缓冲室侧壁开设通孔与团聚装置上的团聚管道连通，团聚装置管道与布袋除尘器通过管道连通，布袋除尘器末端设有消音管和风机系统，团聚装置管道端部设有声源系统，通过声源系统对团聚管道内施加声波，使团聚管道内细颗粒物发生声波团聚凝结为大颗粒，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。本发明利用声波团聚效应，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，进而脱除微米级细颗粒。

Description

一种基于声波团聚效应的PM2.5脱除装置

技术领域

本发明属于PM2.5脱除技术领域，具体涉及一种基于声波团聚效应的PM2.5脱除装置。

背景技术

近年来，我国大气污染问题日益严重，自2010年起，全国各大城市的细颗粒物浓度爆表。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。

目前工业生产中普遍使用的静电除尘器、旋风分离器等，虽然能有效降低烟尘浓度，但对细微颗粒的捕集效率很低，因此大量的PM2.5在工业生产中被排入大气。现有除尘装置存在缺陷，对当前环境问题的解决不够彻底以及不能满足人们对绿色生活的追求。

经对现有技术文献的检索发现，中国专利申请号201410377134.5，该技术公开了一种声波与外加种子颗粒联合作用脱除微颗粒物的装置和方法。其特征在于含尘气流进口的水平烟道的一端与立式声波团聚室的上端相连接；种子颗粒加料器与立式声波团聚室随顶端相连接；立式声波团聚室中部的两个侧面分别通过连接法兰与水平设置的两个异径连接管相连接，两个异径连接管的另一端分别用法兰与两个声源相连接；立式声波团聚室的下部出口端与颗粒第一级分离器相连接，第一级分离器的出口再与第二级分离器相连接，第二级分离器的出口端经烟道与引风机相连接；最后由引风机将处理后的气流排出的结构。但该结构过于复杂，缺乏快速布置性，且控制复杂。

申请号为201711037639.7的专利文件公开了一种括声波除灰器和除雾器，所述声波除灰器设有多个且对称设置在脱硫塔烟气通道的两侧，所述除雾器成矩阵排列与脱硫塔烟气通道的出烟口连接的设计。该设计解决了现有的处理PM2.5颗粒的问题。但其安置于高塔之中，缺乏应用的普遍性。

针对现有除尘装置存在的缺陷，本发明拟提供一种新型的脱除PM2.5的装置，利用低频声波对细颗粒物的团聚效应，在烟尘进行过滤收集前进行预处理，使细颗粒凝结长大，达到脱除微米级细颗粒的目的。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：

一种基于声波团聚效应的PM2.5脱除装置，其特征在于：包括依次连接的沉降缓冲室、团聚装置、布袋除尘器、消音管和风机系统；沉降缓冲室侧壁开设通孔与团聚装置上的团聚管道连通，团聚装置管道与布袋除尘器通过管道连通，布袋除尘器末端设有消音管和风机系统，团聚装置管道端部设有声源系统，通过声源系统对团聚管道内施加声波，使团聚管道内细颗粒物发生声波团聚凝结为大颗粒，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。

所述沉降缓冲室包括前后通过通孔连通的沉降室和缓冲室，所述沉降室内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，水雾进口外接水雾发生器，向沉降缓冲室内输送水雾，用于对烟尘增湿，烟尘进口用于与排烟管道相连，向装置内输送含尘气体；所述缓冲室内设有雾化装置，对烟气进行增湿，雾化装置采用市售的陶瓷雾化片。

所述团聚装置包括团聚管道和位于团聚管道端部的声源系统，位于沉降缓冲室的两侧均设有团聚管道，两侧团聚管道为双层设计，下层团聚管道之间通过U型管连通，烟气在团聚管道中发生团聚效应，使得颗粒物团聚沉降；所述声源系统采用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。

所述布袋除尘器的末端连接有风机，除尘布袋安装在除尘器管道中，含尘气体经过除尘器时，烟尘颗粒被阻隔在布袋表面，干净的气体通过布袋进入管道内部，除尘布袋选用防水拒油布袋(不易堵塞，使用寿命长)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，团聚管道与除尘器内部连通，风机设置于除尘布袋末端外部，

所述消音管为达到隔音降噪的目的，本项目采用两级消声方式。其中一级消声包括径向消声与法向消声，二级消声通过设置在消声管外的单层透明玻璃罩实现。

所述风机系统包括风机和位于风机前后的风机管道，风机管道一端与外部空气连通，一端与布袋除尘器末端管道连通。

所述控制系统以STM32F103单片机为核心，主要由音频信号发生模块、参数智能控制模块以及人机交互模块组成；单片机分别与声源发生系统中的声波发生器、沉降缓冲室内的雾化装置、风机的控制电路通过信号电路连接。

音频信号发生模块由单片机DAC模块、数字功放等组成，如图5所示，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；参数智能控制模块主要由参数获取传感器以及步进电机等执行机构组成，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；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。

利用本发明基于声波团聚效应的颗粒物脱除装置实现颗粒物脱除的基本原理为：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，通过调节声波发生器的声源频率、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。

本发明装置的具体使用方法包括以下步骤：

S1、实时检测PM2.5颗粒的浓度，当其浓度超过阈值时，启动本装置；

S2、通过控制系统单片机计算烟气浓度，计算声波发生器的最佳频率，控制音频信号发生模块中声波发生器的频率，实现声波控制，控制雾化装置的喷雾量和以及风机的风速，并能够根据传感器进行负反馈闭环调节；

S3、通风装置停止，检测器检测到浓度为零，装置停止工作。其中检测器为设置在团聚装置中团聚管道内的颗粒物传感器，检测颗粒物浓度，判断PM2.5浓度，调整声波频率，优化团聚效果。

本发明具有如下优点：

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，进而脱除微米级细颗粒。

本发明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，采用自适应调节系统，通过对频率、声压级、雾化量等参数进行调节，能够适用于不同浓度的废气，使之达到最优处理。装置整体体积较小，结构简单，且对原有工厂的除尘装置，改造工作量小，施工周期短，不增加系统阻力，对用户设备无任何负面影响，且无二次污染，总体投资成本较低

附图说明

图1为本发明装置整体结构示意图；

图2为本发明装置内部结构示意图；

图3为控制模块整体框图；

图4为不同实验条件下PM2.5浓度变化曲线；

图5为音频信号发生模块示意图；

图6为除尘管内烟气流动方向示意图；

其中：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，18-风机。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，如图1-2所示，一种基于声波团聚效应的PM2.5脱除装置，包括依次连接的沉降缓冲室V、团聚装置Ⅰ、布袋除尘器IV、消音管III和风机系统Ⅱ；沉降缓冲室侧壁开设通孔与团聚装置上的团聚管道连通，团聚装置管道与布袋除尘器通过管道连通，布袋除尘器末端设有风机系统，团聚装置管道端部设有声源系统，通过声源系统对团聚管道内施加声波，使团聚管道内细颗粒物发生声波团聚凝结为大颗粒，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。

沉降缓冲室包括前后通过通孔连通的沉降室9和缓冲室10，所述沉降室内设有水雾进口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，水雾进口7外接水雾发生器，向沉降缓冲室内输送水雾，用于对烟尘增湿，烟尘进口8用于与排烟管道相连，向装置内输送含尘气体；所述缓冲室内设有雾化装置，对烟气进行增湿，雾化装置采用市售的陶瓷雾化片。

团聚装置Ⅰ包括团聚管道15和位于团聚管道端部的声源系统，位于沉降缓冲室的两侧均设有团聚管道15，两侧团聚管道为双层设计，下层团聚管道之间通过U型管连通；烟气在团聚管道中发生团聚效应，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，本装置团聚室结构，使之在相同功率下，产生更高强度的声场。

布袋除尘器IV的末端连接有风机18，除尘布袋安装在除尘器管道中，含尘气体经过除尘器时，烟尘颗粒被阻隔在布袋表面，干净的气体通过布袋进入管道内部除，尘布袋选用防水拒油布袋(不易堵塞，使用寿命长)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，团聚管道与除尘器内部连通，风机设置于除尘布袋末端外部，

消音管III位于布袋除尘器末端与风机之间，为达到隔音降噪的目的，本项目采用两级消声方式。其中一级消声包括径向消声与法向消声，二级消声通过设置在消声管外的单层透明玻璃罩实现。一级径向消声：径向消声即烟气出口处的降噪设计，该多级声学消音器的结构决定了降噪频率区和降噪量并影响整体装置的降噪效果，在消音管的设计中，将阻性消音器与抗性消音器组合形成新型的复合型消音器，其设计结构为：利用双层扩散腔，改变排气通道，使气体流动在管道内的连接截面不断发生变化，从而使声波在传递过程中阻抗发生变化；并在双层扩散腔的中间夹层填充多孔纤维等阻性材料，消耗声波能量，起到消声作用，消音管由若干单级消音管串联而成，串联后的多个扩散腔达到多级消音的目的。一级法向消声：单纯依靠管道壁的隔音无法达到降噪的效果，法向消声即对团聚管道外壁的包裹，利用隔音棉包裹管道外壁，起到隔音降噪的作用。二级消声：本装置利用单层透明玻璃罩对整体装置进行二次消声，在工业生产中，除尘设备均有独立的密闭空间，此处玻璃罩用于模拟现实生产中的墙体。通过对检测结果数据对比分析，两级消音的隔音量可达70-80dB，装置外部最大声压级不超过60dB，隔音降噪效果明显。

风机系统Ⅱ包括风机18和位于风机前后的风机管道，风机管道一端与外部空气连通，一端与布袋除尘器末端管道连通。

控制系统以STM32F103单片机为核心，主要由音频信号发生模块、参数智能控制模块以及人机交互模块组成；单片机分别与声源发生系统中的声波发生器、沉降缓冲室内的雾化装置、风机的控制电路通过信号电路连接。

音频信号发生模块由单片机DAC模块、数字功放等组成，如图5所示，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；参数智能控制模块主要由参数获取传感器以及步进电机等执行机构组成，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；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。

利用本发明基于声波团聚效应的颗粒物脱除装置实现颗粒物脱除的基本原理为：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，通过调节声波发生器的声源频率、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。

本发明装置的具体使用方法包括以下步骤：

S1、实时检测PM2.5颗粒的浓度，当其浓度超过阈值时，启动本装置；

S2、通过控制系统单片机计算烟气浓度，计算声波发生器的最佳频率，控制音频信号发生模块中声波发生器的频率，实现声波控制，控制雾化装置的喷雾量和以及风机的风速，并能够根据传感器进行负反馈闭环调节；

S3、通风装置停止，检测器检测到浓度为零，装置停止工作。其中检测器为设置在团聚装置中团聚管道内的颗粒物传感器，检测颗粒物浓度，判断PM2.5浓度，调整声波频率，优化团聚效果。

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。

为验证本发明装置的团聚效果，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4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。

本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (10)

1.一种基于声波团聚效应的PM2.5脱除装置，其特征在于：包括依次连接的沉降缓冲室、团聚装置、布袋除尘器、消音管和风机系统；沉降缓冲室侧壁开设通孔与团聚装置上的团聚管道连通，团聚装置管道与布袋除尘器通过管道连通，布袋除尘器末端设有消音管和风机系统，团聚装置管道端部设有声源系统，通过声源系统对团聚管道内施加声波，使团聚管道内细颗粒物发生声波团聚凝结为大颗粒，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。

2.如权利要求1所述的一种基于声波团聚效应的PM2.5脱除装置，其特征在于：所述沉降缓冲室包括前后通过通孔连通的沉降室和缓冲室，所述沉降室内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，水雾进口外接水雾发生器，向沉降缓冲室内输送水雾，用于对烟尘增湿，烟尘进口用于与排烟管道相连，向装置内输送含尘气体。

3.如权利要求2所述的一种基于声波团聚效应的PM2.5脱除装置，其特征在于：所述缓冲室内设有雾化装置，对烟气进行增湿，雾化装置采用市售的陶瓷雾化片。

4.如权利要求1所述的一种基于声波团聚效应的PM2.5脱除装置，其特征在于：所述团聚装置包括团聚管道和位于团聚管道端部的声源系统，位于沉降缓冲室的两侧均设有团聚管道，两侧团聚管道为双层设计，下层团聚管道之间通过U型管连通，烟气在团聚管道中发生团聚效应，使得颗粒物团聚沉降。

5.如权利要求4所述的一种基于声波团聚效应的PM2.5脱除装置，其特征在于：所述声源系统采用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。

6.如权利要求1所述的一种基于声波团聚效应的PM2.5脱除装置，其特征在于：所述布袋除尘器的末端连接有风机，除尘布袋安装在除尘器管道中，含尘气体经过除尘器时，烟尘颗粒被阻隔在布袋表面，干净的气体通过布袋进入管道内部。

7.如权利要求6所述的一种基于声波团聚效应的PM2.5脱除装置，其特征在于：所述除尘布袋选用防水拒油布袋。

8.如权利要求1所述的一种基于声波团聚效应的PM2.5脱除装置，其特征在于：所述消音管为达到隔音降噪的目的，本项目采用两级消声方式。

9.如权利要求1所述的一种基于声波团聚效应的PM2.5脱除装置，其特征在于：所述风机系统包括风机和位于风机前后的风机管道，风机管道一端与外部空气连通，一端与布袋除尘器末端管道连通。

10.如权利要求1所述的一种基于声波团聚效应的PM2.5脱除装置，其特征在于：所述控制系统以STM32F103单片机为核心，主要由音频信号发生模块、参数智能控制模块以及人机交互模块组成；单片机分别与声源发生系统中的声波发生器、沉降缓冲室内的雾化装置、风机的控制电路通过信号电路连接。