曹志勇，羅志浩，金東春，馬振方，張光學(xué)，周曉耘

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

中國是世界上清潔能源規(guī)模最大、發(fā)展速度最快的國家。2018年，中國可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量突破7億kW，占全部電力裝機(jī)容量的38.3%。其中，占比重較大的風(fēng)力發(fā)電由于出力不穩(wěn)定，對(duì)電網(wǎng)的影響較大，而利用儲(chǔ)能電站對(duì)電能的存儲(chǔ)和釋放，可以為電網(wǎng)提供調(diào)峰、調(diào)頻、需求響應(yīng)等多種服務(wù)，顯著地提高了電網(wǎng)運(yùn)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(chǔ)能電站飛速發(fā)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(chǔ)能電站中得到了廣泛應(yīng)用。然而用于儲(chǔ)能的鋰電池組極易引起火災(zāi)，并產(chǎn)生大量的火災(zāi)煙霧，其主要組分是燃燒產(chǎn)生的顆粒相產(chǎn)物、氣相產(chǎn)物和空氣的混合物?；馂?zāi)煙霧中的顆粒相產(chǎn)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(qiáng)烈的遮光性，使火場人員無法規(guī)劃逃生路線，易造成人員傷亡。此外，火災(zāi)煙霧還挾帶大量的熱量，是火災(zāi)蔓延的主要原因。因此，有必要在火災(zāi)發(fā)展初期對(duì)火災(zāi)煙霧進(jìn)行快速清除，避免造成更大的損失。現(xiàn)有的火災(zāi)煙霧控制方法主要包括通風(fēng)法、擋煙法和細(xì)水霧等。其中，通風(fēng)法是指向煙氣聚集的區(qū)域內(nèi)送風(fēng)或者利用風(fēng)機(jī)將煙氣排出的控制方法，主要包括自然通風(fēng)、機(jī)械通風(fēng)和混合通風(fēng)，但由于引入了新鮮空氣，通風(fēng)法有擴(kuò)大火勢的風(fēng)險(xiǎn)；擋煙法是指在煙氣聚集的區(qū)域內(nèi)設(shè)置擋煙垂壁，進(jìn)而控制煙氣蔓延的方法，其屬于被動(dòng)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(xì)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(xì)水霧可以汽化、吸收大量熱量，降低火焰區(qū)的溫度，有效控制火勢，同時(shí)細(xì)水霧濾網(wǎng)具有限制煙氣傳播的作用，盡管細(xì)水霧對(duì)火災(zāi)抑制和消除煙霧均有一定的效果，但是其對(duì)光線的吸收和散射作用會(huì)造成火災(zāi)現(xiàn)場的能見度降低，另外對(duì)于儲(chǔ)能電站火災(zāi)而言，細(xì)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(tǒng)的火災(zāi)煙霧控制方法存在諸多限制，亟需提出新的技術(shù)方案，對(duì)儲(chǔ)能電站火災(zāi)煙霧進(jìn)行有效控制。

聲波團(tuán)聚作為一種氣溶膠處理技術(shù)，是指在高強(qiáng)聲波作用下，氣溶膠顆粒間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)而團(tuán)聚變大，容易被后續(xù)的除塵設(shè)備過濾，達(dá)到降低顆粒物排放的目的。聲波團(tuán)聚機(jī)理經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)形成了包含同向團(tuán)聚、聲波尾流和流體動(dòng)力學(xué)在內(nèi)的完整體系，并仍在不斷的發(fā)展和完善中。其中，同向團(tuán)聚機(jī)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(tuán)聚核而逐漸變大；聲波尾流效應(yīng)是指顆粒在氣體介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，在顆粒的尾部形成低壓尾流區(qū)，當(dāng)有其他顆粒處在低壓尾流區(qū)時(shí)，兩顆粒相互吸引，發(fā)生團(tuán)聚；此外，流體動(dòng)力學(xué)作用中的聲流和聲致湍流等因素也是重要的聲波團(tuán)聚機(jī)理。

聲波團(tuán)聚具有操作簡單、便于維護(hù)、適用性廣泛等優(yōu)點(diǎn)，近年來隨著我國對(duì)于環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)漸趨嚴(yán)格，眾多學(xué)者對(duì)聲波團(tuán)聚在環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用進(jìn)行了廣泛且深入的研究。如在燃煤煙氣的聲波團(tuán)聚預(yù)處理方面，張光學(xué)等分別研究了在聲波作用、聲波聯(lián)合霧化水滴和聲波聯(lián)合化學(xué)團(tuán)聚劑三種不同條件下的燃煤飛灰氣溶膠聲波團(tuán)聚效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)聲波聯(lián)合霧化水滴和聲波聯(lián)合化學(xué)團(tuán)聚劑均明顯提高了聲波團(tuán)聚對(duì)細(xì)顆粒的清除效率，同時(shí)降低了聲源功耗；顏金培等研究了聲波團(tuán)聚聯(lián)合潤濕劑對(duì)燃煤飛灰氣溶膠的聲波團(tuán)聚效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)氣溶膠顆粒的表面潤濕性越好，聲波團(tuán)聚效率也越高。在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的聲波團(tuán)聚處理方面，陳厚濤等研究了1 kHz聲波對(duì)柴油機(jī)尾氣的消除作用，結(jié)果表明在聲波作用下，柴油機(jī)尾氣的顆粒數(shù)目減少了55.7%；藺鋒探究了壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的超聲波團(tuán)聚，并取得了一定的研究成果，但距工業(yè)應(yīng)用尚有較大的差距；賈肖寧等利用聲波團(tuán)聚預(yù)處理汽車尾氣，使后續(xù)過濾器對(duì)PM的過濾效率達(dá)到了99%，對(duì)PM的過濾效率達(dá)到了50%；此外，利用聲波團(tuán)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(tuán)聚消除火災(zāi)煙霧的實(shí)驗(yàn)研究方面，最早Zhang等利用聚苯乙烯明火燃燒產(chǎn)生的火災(zāi)煙霧進(jìn)行聲波團(tuán)聚實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)聲波頻率為1.5 kHz時(shí)，在30 s的時(shí)間內(nèi)火災(zāi)煙霧的透光率由24%提高到75%。但現(xiàn)今我國關(guān)于聲波團(tuán)聚控制火災(zāi)煙霧的研究較少，因此有必要對(duì)其進(jìn)行深入研究。

儲(chǔ)能電站發(fā)生火災(zāi)的危害極大，需要探索新的技術(shù)方法對(duì)火災(zāi)煙霧加以控制，而聲波團(tuán)聚技術(shù)由于操作簡單、適用性廣泛等優(yōu)點(diǎn)比較適合于儲(chǔ)能電站的火災(zāi)煙霧控制。為此，本文搭建聲波團(tuán)聚實(shí)驗(yàn)臺(tái)，利用炭黑顆粒氣溶膠模擬儲(chǔ)能電站的火災(zāi)煙霧，并定量分析聲波頻率、聲壓級(jí)和火災(zāi)煙霧初始濃度對(duì)聲波團(tuán)聚效果的影響規(guī)律，以期為聲波團(tuán)聚技術(shù)消除儲(chǔ)能電站火災(zāi)煙霧的工業(yè)化應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示，主要包括團(tuán)聚室、壓縮驅(qū)動(dòng)器、號(hào)角、功率放大器、給料機(jī)及激光模具等。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

聲波團(tuán)聚室是由高度為300 mm、內(nèi)徑為100 mm的有機(jī)玻璃管制成，火災(zāi)煙霧在團(tuán)聚室內(nèi)發(fā)生團(tuán)聚，透光率測量系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)測量團(tuán)聚室內(nèi)火災(zāi)煙霧的透光率。

聲源系統(tǒng)：SFG-1013型信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的聲波信號(hào)經(jīng)RMX 2450型功率放大器放大后，輸送至壓縮驅(qū)動(dòng)器發(fā)出聲波，利用AWA5661型聲級(jí)計(jì)測試發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)團(tuán)聚室內(nèi)聲壓級(jí)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(fù)極是其發(fā)生火災(zāi)時(shí)煙霧的主要來源，其產(chǎn)物主要是炭黑顆粒。因此，實(shí)驗(yàn)中利用炭黑顆粒氣溶膠代替火災(zāi)煙霧，送風(fēng)機(jī)將空氣送至風(fēng)粉混合器，與定量給料機(jī)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(tuán)聚室上方和下方兩個(gè)閥門，即可將炭黑顆粒氣溶膠導(dǎo)入團(tuán)聚室，待團(tuán)聚室內(nèi)煙霧穩(wěn)定后，關(guān)閉兩個(gè)閥門，保證團(tuán)聚室處于密閉狀態(tài)后即可開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)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(tǒng)，它使用單粒子計(jì)數(shù)技術(shù)可快速、準(zhǔn)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(jié)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(tuán)聚消除火災(zāi)煙霧的主要目標(biāo)是降低煙霧濃度，且火災(zāi)煙霧濃度與透光率的大小直接相關(guān)，因此本實(shí)驗(yàn)以火災(zāi)煙霧的透光率作為聲波團(tuán)聚效果的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。透光率測量系統(tǒng)包括功率30 mW的650 nm激光模組和LP1激光功率計(jì)，其中LP1激光功率計(jì)的采樣次數(shù)達(dá)到每秒20次，可實(shí)時(shí)采集透過團(tuán)聚室的激光功率，進(jìn)而計(jì)算得到火災(zāi)煙霧的透光率?；馂?zāi)煙霧的透光率

T

定義為透過煙霧前后的光強(qiáng)之比，具體計(jì)算公式為

(1)

式中：

I

為聲波作用

t

時(shí)間后透過團(tuán)聚室的激光強(qiáng)度(W)；

I

為單側(cè)壁面對(duì)激光的消減引起的強(qiáng)度衰減(W);

I

為激光模組的初始激光強(qiáng)度(

W

)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 火災(zāi)煙霧的光學(xué)特性及微觀形貌變化

在頻率為1 000 Hz、聲壓級(jí)為140 dB的聲波作用下，團(tuán)聚室內(nèi)火災(zāi)煙霧的透光率與聲波作用時(shí)間的關(guān)系曲線，見圖3。

圖3 火災(zāi)煙霧透光率與聲波作用時(shí)間的關(guān)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(shí)間內(nèi)團(tuán)聚室內(nèi)火災(zāi)煙霧的透光率從22%提高到90%，隨后增長緩慢，這是由于團(tuán)聚前期火災(zāi)煙霧的顆粒質(zhì)量濃度大、顆粒數(shù)目較多、顆粒間的距離較小，隨著團(tuán)聚過程的進(jìn)行，火災(zāi)煙霧的顆粒數(shù)目極大地減少，導(dǎo)致顆粒間的距離變大，團(tuán)聚效果也迅速降低；另外，未施加聲波時(shí)，團(tuán)聚室內(nèi)火災(zāi)煙霧的透光率在1 min的時(shí)間內(nèi)僅提高到33%。

圖4為火災(zāi)煙霧顆粒的掃描電鏡照片，顯示了聲波作用前后火災(zāi)煙霧顆粒微觀形貌的變化。其中，圖4(a)是一個(gè)典型的初始火災(zāi)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(jié)果相互印證；圖4(b)顯示了聲波作用后，火災(zāi)煙霧顆粒團(tuán)聚變大，形成粒徑大小約為100 μm甚至更大的不規(guī)則團(tuán)聚體顆粒，導(dǎo)致顆粒數(shù)目減少，對(duì)光線的遮擋作用減弱，透光率快速提高，且由于形成的團(tuán)聚體質(zhì)量較大，加速了沉降，并在團(tuán)聚室底部沉積。

圖4 火災(zāi)煙霧顆粒掃描電鏡照片F(xiàn)ig.4 SEM images of the fire smoke particles

2.2 聲波頻率對(duì)火災(zāi)煙霧聲波團(tuán)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(tuán)聚，已有研究結(jié)果表明，對(duì)于不同的氣溶膠顆粒，存在最佳聲波頻率使得聲波團(tuán)聚效率最高。一般認(rèn)為，最佳聲波頻率與顆粒物的粒徑有關(guān)，顆粒物粒徑越小，最佳聲波頻率越高。張光學(xué)等利用理論模型模擬計(jì)算出聲波團(tuán)聚的最佳聲波頻率是一個(gè)較窄的頻段，另外他計(jì)算得出聚苯乙烯火災(zāi)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(shí)驗(yàn)的炭黑顆粒氣溶膠的粒徑分布與聚苯乙烯火災(zāi)煙霧和燃煤飛灰的粒徑分布較為接近，因此本實(shí)驗(yàn)所采用的聲波頻率為500～3 000 Hz，聲壓級(jí)為135～140 dB,火災(zāi)煙霧的初始透光率為22%～70%。

首先保證各聲波頻率的聲壓級(jí)均為140 dB，探究聲波頻率對(duì)火災(zāi)煙霧聲波團(tuán)聚的影響，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 聲波頻率對(duì)火災(zāi)煙霧聲波團(tuán)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(duì)火災(zāi)煙霧聲波團(tuán)聚的效果顯著高于其他被測聲波頻率，在初期的20 s時(shí)間內(nèi)，火災(zāi)煙霧的透光率迅速從22%提高到了90%，隨后由于火災(zāi)煙霧的濃度降低，同向團(tuán)聚作用減弱，火災(zāi)煙霧聲波團(tuán)聚的效果大幅下降[見圖5(a)];對(duì)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(shí)火災(zāi)煙霧聲波團(tuán)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(jí)對(duì)火災(zāi)煙霧聲波團(tuán)聚效果的影響

聲壓級(jí)表征了聲場能量的強(qiáng)弱，聲壓級(jí)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(shí)，通過改變聲源的聲壓級(jí)時(shí)，火災(zāi)煙霧的透光率與聲波作用時(shí)間的關(guān)系曲線。

圖6 聲壓級(jí)對(duì)火災(zāi)煙霧聲波團(tuán)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(jí)由135 dB提高到140 dB，火災(zāi)煙霧透光率的提升速度也越快，而由同向團(tuán)聚機(jī)理可知，聲壓級(jí)越大，氣體介質(zhì)的振幅越大，顆粒間發(fā)生碰撞的概率變大，因而團(tuán)聚效率也越高[見圖6(a)]；聲壓級(jí)越高，聲波作用20 s時(shí)火災(zāi)煙霧所能達(dá)到的透光率越高，而聲壓級(jí)由137 dB提高到140 dB時(shí)，火災(zāi)煙霧透光率的提升不大[見圖6(b)]，這是由于聲壓級(jí)為137 dB時(shí)，火災(zāi)煙霧的透光率已經(jīng)高達(dá)83%，火災(zāi)煙霧透光率再提升的余地較小。

2.4 初始火災(zāi)煙霧濃度對(duì)火災(zāi)煙霧聲波團(tuán)聚效果的影響

火災(zāi)煙霧初始濃度是影響火災(zāi)煙霧聲波團(tuán)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(jí)為140 dB的條件下，火災(zāi)煙霧初始透光率分別為22%、45%和70%時(shí)，團(tuán)聚室內(nèi)火災(zāi)煙霧透光率與聲波作用時(shí)間的關(guān)系曲線。

由圖7可見，火災(zāi)煙霧初始透光率越低，團(tuán)聚前期的速度越快，火災(zāi)煙霧透光率的提升越明顯，這是因?yàn)榛馂?zāi)煙霧初始透光率越低，火災(zāi)煙霧的濃度越高，此時(shí)顆粒間的距離越小，發(fā)生碰撞的概率也越高，隨著團(tuán)聚過程的進(jìn)行，顆粒數(shù)目大量減少，顆粒間的距離變大，火災(zāi)煙霧聲波團(tuán)聚的效果降低，因此后期3條曲線基本重合。

圖7 初始火災(zāi)煙霧濃度對(duì)火災(zāi)煙霧聲波團(tuán)聚效果的影響Fig.7 Influence of initial fire smoke concentration on acoustic agglomeration effect of fire smoke

3 結(jié) 論

本文利用炭黑顆粒氣溶膠模擬儲(chǔ)能電站火災(zāi)煙霧，驗(yàn)證了利用聲波控制火災(zāi)煙霧的可行性，并定量分析了聲波頻率、聲壓級(jí)和初始火災(zāi)煙霧濃度對(duì)火災(zāi)煙霧聲波團(tuán)聚效果的影響規(guī)律，得出如下結(jié)論：

(1) 當(dāng)聲波頻率為1 000 Hz、聲壓級(jí)140 dB時(shí)，在20 s時(shí)間內(nèi)火災(zāi)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(shí)火災(zāi)煙霧的透光率。

(2) 對(duì)于本實(shí)驗(yàn)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(shí)火災(zāi)煙霧聲波團(tuán)聚的最佳聲波頻率介于1 000～2 000 Hz之間。

(3) 在聲壓級(jí)由135 dB提高到140 dB的過程中，在20 s時(shí)間內(nèi)火災(zāi)煙霧所能達(dá)到的透光率也逐漸提高，這是由于聲壓級(jí)為137 dB時(shí)，火災(zāi)煙霧的透光率已經(jīng)高達(dá)83%，后續(xù)提升余地較小。

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