超声波雾化技术在输煤污水处理中的研究及应用

农正军 劳帮壮 朱雪松 符平 冯海斌 吴小梦 马传渊 林诗言

摘要：对目前输煤气液两相流雾化技术的缺点及压电陶瓷超声波雾化技术特点进行了总结，分析了压电陶瓷超声波雾化技术在直接用来处理含煤废水及利用处理产生的雾化颗粒物进行输煤抑尘的可能性。详细的对压电陶瓷超声波发生器及喷头进行了设计研究，结合实验对气液两相流雾化技术和压电陶瓷超声波雾化技术进行了实验对比。在现场进行了压电陶瓷超声波雾化技术安装应用测试。

Abstract: The shortcomings of the current two-phase flow atomization technology for gas transportation and the characteristics of piezoelectric ceramics ultrasonic atomization technology were summarized. The possibility of using piezoelectric ceramics ultrasonic atomization technology to directly treat coal-bearing wastewater and to transport coal and suppress dust by using the atomized particles produced by the treatment was analyzed.The piezoelectric ceramic ultrasonic generator and nozzle were designed and studied in detail, and the gas-liquid two-phase flow atomization technology and piezoelectric ceramic ultrasonic atomization technology were compared experimentally.The installation and application test of piezoelectric ceramics ultrasonic atomization technology was carried out in the field.

关键字：含煤废水；超声波功率发生器；压电陶瓷超声波雾化喷头；气液两相流雾化

0引言

超声技术在近年来得到高速发展，其应用已经渗透到生活的各个领域，如航天航空、建筑、无损检测、医学成像、超声治疗、污水处理、雾化喷涂等工业领域。压电陶瓷超声波雾化技术是近年来发展起来的一个新型技术，在纳米喷涂上有重要应用，其具有雾化均匀、抗污能力强等特点。

火力发电厂输煤系统每天都会产生大量的含煤污水，该含煤废水含有大量的煤泥颗粒物，传统的含煤污水处理方法是通过各种物理、化学的方法进行处理，消耗了大量的化学药剂及电能。由于压电陶瓷超声波雾化技术具有抗污能力非常强等特点，使得该技术用来处理含有大量煤泥颗粒物的含煤废水成为可能。目前火力发电厂抑尘装置采用气液两相流机械式雾化系统，由于气液两相流机械式雾化技术独特的精密机械结构，导致抗污能力不强，喷雾介质必须为清洁的除盐水，不能够直接处理含煤泥颗粒的含煤废水。压电陶瓷超声波雾化技术由于独特的结构设计，使其能够较好的雾化含煤泥颗粒的含煤废水，而不会发生堵塞等情况，并且有自清洁

能力。本文对压电陶瓷超声波雾化技术涉及到的超声波功率发生器、超声波雾化探头进行研究设计及在现场进行应用，并和传统的气液两相流动力式雾化技术进行了比较实验。该技术不仅能够直接处理含有大量煤泥颗粒能力，且表现出了雾化颗粒均匀、抗污能力强等特点，为超声波雾化技术在废水处理领域的应用起到促进作用。

1、超声波功率发生器的研究设计

1.1超声波功率发生器概述

超声波功率发生器，也称为超声波发生器，超声波电源。超声波焊接机有两大重要组成部分，一是换能器，二是功率发生器；换能器的作用是把超声波发生器提供的电信号换能成机械振动能。功率发生器作为信号发生器，它产生一个特定频率的信号，这个特定频率就是换能器的固有频率，功率发生器把市电（220V或380V,50或60Hz)转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号提供给换能器。如下图1.0所示。

超声波功率发生器信号功率传输及转换图1.0

1.2功率发生器电路结构

电路的设计如图1-1的系统原理框图，输入220V/50HZ的工频电，通过整流滤波电路，形成直流电，再通过电压调整电路将上一步得到的直流电压转换为频率与换能器谐振频率一致的交变电压，得到约 35KHZ的符合换能器谐振所需要的功率和频率的超声信号，加在换能器上得到声波。

图1.1 功率发生器系统框图

当电路工作在谐振状态时，负载输出正弦电压（电流）信号，可得到最大输出效率。从采样电路中取样电流或电压信号，输入单片机，单片机进行计算，用最大的电流对应的频率作谐振频率，得到相应的频率信号，经过驱动电路驱动开关管按谐振频率导通与关闭，进行频率跟踪，利用单片机实时调整相应的输出功率，符合超声焊接机的工作需求。设计采用的电流反馈式频率跟踪是基于串联谐振状态下换能器阻抗最小，回路电流最大，搜索电流的最大值对应谐振频率，使系统达到谐振的跟踪方案。用逐次逼近的算法结合软件的控制技术能更精确地跟踪到谐振频率，整机的控制方法采用软件和硬件相结合的方法，使控制更灵活有效，实现数字化智能化。

本设计采用的方法避开了锁相环PLL 的缺点，PLL中的LPF电路如果RC时间常数大时，VCO的反应速度慢，如果时间常数小时，则锁相噪声大；因为开关电源本身的开关噪声比较大，且锁相环PLL容易受外界的干扰造成失锁，因为如果超声雾化器功率高于2KW,PLL 失锁后果比较严重。所以本设计的方法也减少了对硬件设计的要求。

1.3功率发生器电路

功率发生器作为超声波焊接机关键器件其性能直接影响焊接效率和质量，设计实用的，功能强大的，性价比高的电路非常重要。

1. 3. 1 功率发生器的性能要求与技术指标

超声波焊接机电源需要一种开关速度快，导通电流大，耐压高，抗冲击能力强，驱动功率小的新型功率器件，并且要能较好地适应换能器阻抗变化，频率漂移的问题。这决定了用开关电源技术可以较好地达到设计要求。而且功率发生器还要有以下两个功能：一是频率跟踪性能，只有在谐振频率工作，才有最大输出效率。二是输出功率随负载变化而变化以保证焊接的能量和强度。功率发生器要能达到以下技术指标：

1）、功率－－－需根据换能器的标称功率来设定，本设计为最大：1600W。

2）、频率－－－－需根据换能器的标称频率来设定。

3）、频频范围－－－－根据换能器的标称频率范围来设定。本设计为：fo=+/-300HZ.

4）、CCC/FCC/CE 或其它国家EMC标准。

5）、电源－－－－根据国家电源标准而定，如中国为：220VAC 50HZ.

6）、功率可调范围－－－－本设计为：32级。

7）、频率稳定性－－－－－本设计为30PPM。

8）工作温度－－－－－－－20---60℃。

9）、高可靠性，有断电保护。

1. 3. 2 功率发生器硬件电路图

超声波发生器开关电源简图如下框图如下图1.2示：

1、缓冲电路。缓冲电路用在CPU与半桥的缓冲作用。

2、功率放大电路。功率放大电路有很多种，本设计采用半桥电路。阻抗匹配电路。阻抗匹配电路是为了使功率发生器的输出能量有效的传输到

3、换能器，推动换能器将电信号转换成机械振动信号。

反馈电路。反馈电路主要是两个，输出功率反馈信号和频率反馈信号。为避免换能器机械振动忽大忽小，要稳定输出功率。换能器由于各种原因为产生频率漂移而不能工作在谐振状态，效率低，工作不稳定，频率跟踪信号可以控制超声波电源的输出频率在一定的范围内跟踪换能器频率。

图1.2 超声波发生器开关电源图

电流反馈及频率跟踪控制电路及LCD外设电路系统框图如图1.3所示。

图1.3 电流反馈及频率跟踪控制电路及LCD外设电路系统框图

用两个CPU处理控制信号，可以使处理速度更快，但价格上却比用FPGA或ARM处理器便宜。把频率跟踪需要采集的电流反馈输入到CPU1,CPU1 处理后输出符合要求的频率信号给电路驱动；功率控制，软件启动，动触发，过流过载保护等都交给 CPU 来处理，使得硬件的拓扑结构特别简单。CPU2用来连接LCD和按键，参数设计更直观更人性化。用SPI SS作CPU2使能信号，由CPU1控制，CPU1输出高电平则不通讯，如果为低，CPU2向CPU1通信。

1. 3. 2 软件的设计与实现

软件处理方法简述：监测并控制换能器电流的大小是电流反馈式率跟踪系统的核心，借助单片机实时性好，反应迅速的特点，实时控制换能器电流最大值，并根据具体情况改变功率发生器工作频率，达到频率跟踪的目的。

流程图如图1.4所示：

图1.4软件处理流程图

2. 压电陶瓷超声波雾化喷头的设计

超声波技术有较好的雾化效果，目前在重油方面的雾化已经应用成熟，如果将超声波技术引入到输煤抑制雾化系统中，可使雾化粒径大大减小；目前输煤抑尘中普遍采用机械式雾化嘴，其平均雾化粒径在1500um左右，雾化效果相对较差，而目前还没有发现有超声波雾化喷嘴在输煤抑尘系统中应用。所以可预想设计一种超声波雾化喷嘴应用于输煤抑尘系统中，可大大提高雾化效率，进而达到节能减排的效果。经上述对超声波雾化技术的研究，超声波雾化喷嘴可分为电动式和气动式两种，本课题设计了电动式超声波雾化喷嘴。

如图2.1,为本课题所设计的电动式超声波雾化喷嘴，该喷嘴包括超声波发生器1、换能器2、隔板3、浆液入口管道4、外壳体5、变幅杆6、超声波雾化腔体7、超声波发生腔体8.雾化后较大范围覆盖了抑尘区域，粉尘与喷雾充分接触，大大提高了抑尘效率，降低投资和操作维护成本。本电动式超声波雾化喷嘴的工作原理：本喷嘴安装有电动超声波发生器，包含电振器和振子，振子中心开有长孔，石灰石

含煤废水从振子振幅低处进入，在喷嘴前端中心振幅大处喷出。含煤废水进口通道与喷嘴轴线呈45度角切向进入产生高速旋流，即可以有效避免含煤废水颗粒对喷嘴壁的冲刷，也可以解决喷嘴的堵塞问题，同时还可减少流动阻力。含煤废水输送管道上的调节阀进行调节（根据生产工艺不同，压力大概在0. 2-0. 5MPa之间）。含煤废水在沿长孔流到喷嘴的过程中，受表面张力和黏性力的作用形成一层薄膜，同时利用换能器将高频电磁振荡转化为液体的机械振荡，使液体破碎雾化。石含煤废水在在超声波振荡的作用下产生更小颗粒到达良好的雾化效果（雾化颗粒一般在25-45um之间）。

本电动式超声波雾化喷嘴的特点：

1)一种电动式超声波高效雾化喷嘴，其特征在于喷嘴利用超声波发生器产生超声波来实现含煤废水的高效雾化。喷嘴包括超声波发生腔体与超声波雾化腔体，中间用3mm厚度隔板隔开，有效防止含煤废水腐蚀超声波发生腔体内重要器件。同时外壳体可以起到防止烟气对超声波发生器件的腐蚀的作用。

2)含煤废水管道内径为5mm，喷嘴整体有效长度为100mm，各壁厚均为3mm，内壳体直径8mm。

3)含煤废水进口通道与喷嘴轴线呈45度角切向进入产生高速旋流，既可以有效避免含煤废水颗粒对喷嘴壁的冲刷，同时也可以解决喷嘴的堵塞问题。

4)喷嘴及其管道采用高防腐蚀、防磨损、高强度的特殊碳化硅合成材料。可以有效缓解含煤废水的腐蚀及磨损。

相比机械式雾化喷嘴，压电陶瓷超声波雾化喷嘴有较大的优势，雾化均匀，抗污能力强，能够直接雾化含煤废水，并且可较好的适用于环境较恶劣的雾化场所，所以在输煤抑尘系统中，压电陶瓷超声波雾化喷嘴有较大的应用优势。因此，本课题主要开发压电陶瓷超声波雾化喷嘴，对其雾化效果进行检测和验证，并对其性能参数和结构进行优化。

图2.1 电动式超声波湿法脱硫雾化喷嘴结构示意图

1一超声波发生器；2-换能器；3一隔板；

4一石灰石浆液管道；5一外壳体；6-变幅杆；

7-超声波雾化腔体；8-超声波发生腔体；

图1.4软件处理流程图

2. 压电陶瓷超声波雾化技术和气液两相流动力式雾化技术比较实验

本课题采用比较研究的测试实验仪器为喷雾激光粒度仪，激光粒度分析仪是采用信息光学原理，通过测量颗粒群的散射谱，来分析其粒度分布[如图3.1所示，该仪器由主机和计算机两部分组成：主机内含光学系统、信号采集处理系统；计算机完成数据处理并显示、打印测试结果。主机与计算机由标准串行通讯口连接.来自激光器的激光束经滤光、扩束、滤波、经准直透镜变成平行光线后照射到测试区，测试区中的待测颗粒群在激光的照射下产生散射谱。散射谱的强度及其空间分布与被测颗粒群的大小及分布有关，并经透镜再次汇聚后被位于透镜后焦面上的光电阵列探测器所接收，转换成电信号后经放大和A/D转换经通讯口送入计算机，进行反演运算和数据处理后，即可给出被测颗粒群的大小、分布等参数，经屏幕显示或打印机打印输出。

图3.1喷雾激光粒度仪原理图

3. 1 电动式超声波雾化喷嘴实验

电动式超声波喷嘴系统由喷嘴本体和电源控制箱构成。主要由电源提供高频波进行雾化，只需要0. 1MPa左右的供水压力即可。实验时，架设好超声波喷嘴，打开阀门，调节好喷嘴流量，注意工质要顺着喷孔流出。然后打开电源，调节频率到工作频率（34. 5-35kHz)。

通过喷雾激光粒度仪对喷雾效果进行测试，此电动式超声波雾化流量为100L/h左右，于机械式雾化喷嘴相比，流量较小，但抗污能力较强,雾化分布均匀性好，颗粒小。如图3.2所示为电动式超声波喷嘴雾化粒径随废水浓度的变化关系。清水（密度为1000kg/m3)雾化时，其平均粒径为160um;进行四种不同浓度下的含煤废水雾化，随着废水浓度的增大，其雾化粒径有所增大，并趋于恒值。

图3.2电动式超声波喷嘴雾化颗粒度随废水密度的变化关系

3. 2 气液两相流超声波雾化喷嘴实验

气液两相流超声波雾化实验中，进行了液压为0. 1-0. 4MPa的喷雾实验。对喷嘴的雾化流量随液压变化特性进行了研究。液压的不同，气液两相流超声波喷嘴雾化粒径也不同。 如图3.3是气液两相流超声波喷嘴雾化粒径随气压和液压的变化关系图。总体趋势是随液压越大，雾化粒径也相应大。

图3.3喷嘴的雾化流量随液压的变化关系

2. 压电陶瓷超声波雾化技术在输煤系统中的抑尘应用

原含煤废水处理系统由原含煤废水加药混凝系统设备主要包括：煤水收集池、煤水输送管道、煤水提升泵、综合处理机、煤泥提升泵、中间水泵、中间水箱、过滤器、回用水泵、刮泥机、加药系统和就地控制等系统组成。

本课题在保持原含煤废水处理系统不变的情况下，在每条输煤皮带的含煤废水输送管道上增加分支管道，分支管道上设置手动球阀，并将球阀后的含煤废水引入压电陶瓷超声波雾化探头，进行雾化处理，并用来进行皮带头部的抑尘。压电陶瓷超声波雾化探头装设在每天皮带的落煤管皮带头部，用角铁搭设安装支架，将压电陶瓷超声波雾化探头固定在支架上，超声波发生器装设在相应皮带的混凝土立柱上。如图4.1所示。从现场的测试情况看目前压电陶瓷超声波雾化技术存在雾化颗粒物初速度偏小，抗风能力有待进一步提高，通过进一步改进可达到更好的效果。

图4.1 压电陶瓷超声波雾化探头装设及雾化效果图

2. 总结

本文总结了目前输煤气液两相流雾化技术的缺点及压电陶瓷超声波雾化技术特点，分析了压电陶瓷超声波雾化技术在直接用来处理含煤废水及利用处理产生的雾化颗粒物进行输煤抑尘的可能性。详细的对压电陶瓷超声波发生器及喷头进行了设计，并结合实验对气液两相流雾化技术和压电陶瓷超声波雾化技术进行了实验对比。最后在现场进行了安装应用测试。从现场的测试情况看目前压电陶瓷超声波雾化技术存在雾化颗粒物初速度小，抗风能力较差，需进一步进行设计改进。

参考文献：李小伟.高效烟气脱硫超声波喷嘴设计及特性实验研究 硕士学位毕业论文

曾惠霞.超声波塑料焊接机功率发生器的研究与实现 硕士学位毕业论文

韩旭.超声换能器的_电感_变压器_阻抗匹配模型研究（J） 声学技术 2015.8 34-4