干霧抑塵在無組織粉塵排放領(lǐng)域的應(yīng)用
首頁 〉干霧抑塵在無組織粉塵排放領(lǐng)域的應(yīng)用
干霧抑塵在無組織粉塵排放領(lǐng)域的應(yīng)用
24/03.2021 
2927
摘要：文章對(duì)干霧的“捕塵”機(jī)理進(jìn)行了空氣動(dòng)力學(xué)、“云”物理學(xué)、“斯蒂芬流”的輸送等方面分析。當(dāng)水霧顆粒與粉塵顆粒大小相近、霧量充足時(shí)，二者碰撞、接觸、凝結(jié)的幾率大。基于這一理論，我們研發(fā)出微米級(jí)干霧抑塵技術(shù)。該技術(shù)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在治理無組織排放5μm以下粉塵防治方面的空白，在港口、鋼鐵、電力、煤礦和化工等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。
關(guān)鍵字：干霧；抑塵機(jī)理；無組織排放；呼吸性粉塵
1、引言
隨著工業(yè)行業(yè)機(jī)械化、自動(dòng)化水平的日益提高，以煤炭行業(yè)為代表的翻車機(jī)、破碎機(jī)、堆取料機(jī)和裝卸船機(jī)等得到廣泛應(yīng)用。大型設(shè)備的使用加大了開采強(qiáng)度與粉塵的產(chǎn)生量，同時(shí)也使粒徑小于5μm的無組織排放的呼吸性粉塵（呼吸性粉塵指粒徑在5μm以下的能進(jìn)入人體肺泡區(qū)的顆粒物）含量大幅度上升。這類粉塵的特點(diǎn)是：粒徑小，分散度高，相對(duì)比表面積大，呼吸性強(qiáng)，穩(wěn)定性高，擴(kuò)散面寬，化學(xué)活性、吸附性能力強(qiáng)。此外，該粉塵不但容易吸附CO、氮氧化物等有毒有害污染物，導(dǎo)致矽肺、塵肺病的發(fā)生，對(duì)人體造成危害，而且還會(huì)降低粉塵的濕潤(rùn)與凝聚性能，加之受作業(yè)環(huán)境風(fēng)流及各種攪動(dòng)因素的影響，將長(zhǎng)期浮游在空氣中四處飄散，采用傳統(tǒng)的負(fù)壓除塵、高壓噴水技術(shù)很難有效治理。因而無組織排放的呼吸性粉塵的防治就成為目前防塵工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
2、干霧的名詞解釋
干霧是指沒有使暴露面潮濕的霧，其粒徑小于10μm，詳見圖1。干霧的特點(diǎn)是，與空氣接觸面積大，蒸發(fā)率高，能使含塵區(qū)水蒸汽迅速達(dá)到飽和狀態(tài)。由于噴出的水霧霧量大，霧滴小，看上去像“煙”，因此稱它為干霧。
3、干霧抑塵技術(shù)可行性分析
干霧技術(shù)不僅能滿足改善呼吸性粉塵濕潤(rùn)性所需要的條件，還能通過云物理學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、斯蒂芬流的輸送等多種機(jī)理實(shí)現(xiàn)對(duì)“呼吸性粉塵”的捕集。
上世紀(jì)70年代末，美國(guó)Colorado礦業(yè)學(xué)校的斯考溫德和布朗在一份研究報(bào)告中提出，采用微細(xì)水霧捕塵能解決呼吸性粉塵難治理的問題。一般的水霧去除呼吸性粉塵的效果不理想，這主要是因?yàn)樗F的粒徑過大（粒徑200-600μm）。從空氣動(dòng)力學(xué)原理來說，更細(xì)、更接近粉塵粒徑的水霧除塵效果越明顯。然而，隨著水霧越來越細(xì)，人們開始擔(dān)心水霧在捕捉到粉塵之前就會(huì)在相對(duì)濕度不到100%的空間迅速蒸發(fā)。后來經(jīng)過斯考溫德和布朗的進(jìn)一步研究得知，當(dāng)水霧蒸發(fā)為水蒸汽后就進(jìn)入了云物理學(xué)范疇，這時(shí)另一種機(jī)理——冷凝核化將起重要作用，這就是水霧不斷蒸發(fā)，使空氣中的水蒸汽迅速飽和，飽和后的水蒸汽會(huì)直接在粉塵上凝聚，使塵粒不斷增大到10-20μm時(shí)，可輕易被一般水霧去除。
3.1空氣動(dòng)力學(xué)原理
根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，含塵氣流繞過霧滴時(shí)，塵粒由于慣性會(huì)從繞流的氣流中偏離而與霧滴相撞被捕捉，即通過粉塵粒子與液滴的慣性碰撞、攔截以及凝聚、擴(kuò)散等作用實(shí)現(xiàn)捕捉，其被捕捉的幾率與霧滴直徑、粉塵受力情況有關(guān)。
水霧顆粒的粒徑越小，粒子之間的黏力就會(huì)越大。當(dāng)水霧粒徑達(dá)到干霧級(jí)時(shí)（即小于10μm），在“微細(xì)粉塵顆粒——微細(xì)干霧顆?！倍嗔髦校Ｗ优c粒子之間很容易結(jié)合在一起，從而使整個(gè)粒子不停的變大，最終沉降下來，達(dá)到去除粉塵粒子的目的。
3.2 “云”物理學(xué)原理
由于霧滴微細(xì)，部分霧滴會(huì)在空氣中迅速蒸發(fā)，使得局部密閉的捕塵空間中空氣的相對(duì)濕度很快達(dá)到飽和，飽和后的水蒸汽以塵粒為核凝聚形成“云”，并進(jìn)一步增大成為“雨”落下來。這種機(jī)理對(duì)抑制亞微米及微米級(jí)的粉塵特別有效。
當(dāng)微米級(jí)干霧抑塵裝置工作時(shí)，瞬間會(huì)在相對(duì)密閉的區(qū)域產(chǎn)生大量微細(xì)干霧，使得該區(qū)域的空氣濕度迅速飽和，飽和后的水蒸汽與粉塵充分的接觸、凝結(jié)、沉降，達(dá)到抑塵的目的。
3.3 “斯蒂芬流”的輸送機(jī)理
在噴霧區(qū)內(nèi)，液滴迅速蒸發(fā)時(shí)，必然會(huì)在液滴附近區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生蒸汽組分的濃度梯度，形成由液滴向外流動(dòng)擴(kuò)散的斯蒂芬流；同樣，當(dāng)蒸汽在某一核上凝結(jié)時(shí)，也會(huì)造成核周圍蒸汽濃度的不斷降低，形成由周圍向凝結(jié)核運(yùn)動(dòng)的斯蒂芬流。因此，懸浮于噴霧區(qū)中的“呼吸性粉塵”顆粒，必然會(huì)在斯蒂芬流的輸送作用下運(yùn)動(dòng)，最后接觸并粘附在凝結(jié)液滴上被濕潤(rùn)捕集。
這也就是說當(dāng)某一區(qū)域的粉塵被干霧捕集沉降后，其它高濃度區(qū)域的粉塵會(huì)在斯蒂芬流的輸送作用下運(yùn)動(dòng)過來，進(jìn)而持續(xù)的與干霧接觸、碰撞，直至完成整個(gè)捕集的過程。
如圖2所示，當(dāng)粒徑較大的霧滴與粉塵顆粒接觸時(shí)，由于霧滴的表面張力過大使得塵粒繞過霧滴繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，粉塵不但沒有得到有效的抑制，相反水霧向下的沖力會(huì)使粉塵上揚(yáng)的更多。而當(dāng)霧滴粒徑與粉塵粒徑大小相近時(shí)，吸附、過濾、凝結(jié)的幾率很大，抑塵效果很好。
圖3和圖4所示過程反映的是，當(dāng)水霧顆粒的粒徑小于10μm，達(dá)到干霧級(jí)的時(shí)候，霧滴的表面張力減小，粒子之間的黏力就會(huì)越來越大，所以，以粉塵粒子為核的“微細(xì)粉塵顆?！⒓?xì)水霧顆?！倍嗔髦?，粒子與粒子之間很容易結(jié)合在一起，從而使整個(gè)粒子不停的變大，最終沉降下來，達(dá)到除去粉塵粒子的目的。
綜上所述，當(dāng)水霧顆粒的粒徑與粉塵顆粒的粒徑大小相近，且霧量較大時(shí)，空氣中的水蒸汽迅速飽和，飽和的水蒸汽與粉塵碰撞、接觸并凝聚在一起，達(dá)到一定的重量后沉降下來，完成整個(gè)“捕塵”過程。經(jīng)實(shí)踐證明這一原理是正確的、可行的。因此微米級(jí)干霧抑塵技術(shù)的理論基礎(chǔ)是切實(shí)的、經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)的，進(jìn)而為裝置的研發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
4.干霧抑塵技術(shù)在無組織粉塵排放領(lǐng)域中的應(yīng)用
4.1無組織排放的概念
無組織排放是指大氣污染物不經(jīng)過排氣筒或者排放高度低于15m的地面污染源的無規(guī)則排放，通常包括面源、線源和點(diǎn)源等。如露天堆放的煤炭、粘土、石灰石、油漆件表面的散失物等，均屬面源的無組織排放；汽車在有散狀物料的道路上行駛時(shí)的卷帶揚(yáng)塵污染物排放屬于線源污染；散狀物料在汽車裝料機(jī)械落差起塵量以及汽車卸料時(shí)的揚(yáng)塵污染排放等屬于點(diǎn)狀無組織排放源。干霧抑塵技術(shù)針對(duì)這類污染物有很好的治理效果。
4.2傳統(tǒng)除塵技術(shù)在無組織粉塵排放領(lǐng)域中的應(yīng)用缺陷
傳統(tǒng)的粉塵治理多采用布袋除塵、靜電除塵等干式除塵技術(shù)和水噴淋、洗滌塔等濕式除塵技術(shù)。這些傳統(tǒng)的除塵技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中反映出運(yùn)行費(fèi)用高、抑塵效果不佳等情況。現(xiàn)分別以布袋除塵器和水噴淋為例簡(jiǎn)述其在無組織粉塵排放領(lǐng)域中應(yīng)用的缺陷。
（1）布袋除塵器
布袋除塵器主要是采用“負(fù)壓集塵”的方式對(duì)粉塵進(jìn)行收集。而對(duì)于無組織排放的粉塵，這樣的負(fù)壓空間不容易實(shí)現(xiàn)。這是因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境是相對(duì)敞開的，不能達(dá)到布袋除塵器所需的過濾風(fēng)量，加之現(xiàn)場(chǎng)濃度不斷變化，直接影響到布袋除塵器的壓力。當(dāng)壓力損失增大后，將會(huì)造成能量過大損耗，繼而降低除塵效率。另外，袋式除塵器占地面積大，布袋易磨損、結(jié)露，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高，產(chǎn)生“二次污染”，特別是在北方冬季作業(yè)時(shí)，會(huì)大大損失廠房的熱量，因此無法正常使用。
（2）水噴淋
水噴淋除塵器是使含塵氣體與水密切接觸，利用水滴和顆粒的慣性碰撞及其它作用捕集顆?；蚴沽皆龃蟮难b置。然而，在實(shí)際工作中，往往由于噴出的水滴粒徑過大而使粉塵繞過霧滴繼續(xù)飄散，未被 “捕集”。而且長(zhǎng)期噴灑使得設(shè)備、管道腐蝕嚴(yán)重，污水、污泥等二次污染物堵塞坑道。如果設(shè)備安裝在室外，還必須考慮冬季設(shè)備結(jié)冰的問題。
因此，在選擇除塵設(shè)備時(shí)，應(yīng)充分考慮它的經(jīng)濟(jì)性、可靠性、實(shí)用性以及對(duì)粉塵的治理能力，綜合上述情況，微米級(jí)干霧抑塵裝置是比較理想的選擇。
4.3干霧抑塵技術(shù)在翻車機(jī)房的應(yīng)用
翻車機(jī)系統(tǒng)作為無組織粉塵排放的重要場(chǎng)所之一，是產(chǎn)塵量較多的地方，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，粉塵濃度可高達(dá)800～3000mg/m3。其中粒徑小于10μm的對(duì)人體危害大的呼吸性粉塵占85%以上，且極易發(fā)生粉塵爆炸和粉塵吸入，嚴(yán)重威脅港口作業(yè)的安全和工人的身體健康。目前，我國(guó)各港口一般采用噴霧灑水進(jìn)行除塵，但由于粉塵粒徑小，而噴出的水霧粒徑大，仍有大部分塵粒懸浮于空氣中，工人們的作業(yè)環(huán)境未得到明顯改善。再加上長(zhǎng)期灑水導(dǎo)致翻車機(jī)房地坑內(nèi)潮氣大，機(jī)械設(shè)備腐蝕嚴(yán)重、電氣設(shè)備故障頻繁。針對(duì)這一現(xiàn)象，現(xiàn)以某港務(wù)局翻車機(jī)系統(tǒng)粉塵治理為例，簡(jiǎn)要說明干霧抑塵技術(shù)的應(yīng)用。
翻車機(jī)室內(nèi)1臺(tái)一翻翻車機(jī),干霧抑塵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)氣流量與水流量應(yīng)滿足一套翻車機(jī)工作時(shí)的大用水量與用氣量。根據(jù)情況作了如下設(shè)計(jì)：在料池四周側(cè)安裝16個(gè)BLB-8B噴霧箱噴霧器總成（每個(gè)BLB-8B噴霧箱噴霧器總成含有8個(gè)USL03型噴頭），其中翻車機(jī)前側(cè)安裝6個(gè)BLB-8B噴霧箱噴霧器、翻車機(jī)兩端各2個(gè)BLB-8B噴霧箱噴霧器，翻車機(jī)后側(cè)安裝6個(gè)BLB-8B噴霧箱噴霧器總成，噴霧箱噴霧器安裝高度、安裝角度均為可調(diào)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況可調(diào)節(jié)噴霧箱噴霧器總成的噴霧方向，以便達(dá)到較好的抑塵效果。設(shè)計(jì)噴霧時(shí)間約為25s。
經(jīng)某用戶監(jiān)測(cè)分析報(bào)告顯示，改用微米級(jí)干霧抑塵技術(shù)后，監(jiān)測(cè)到的TSP（總懸浮顆粒物）濃度的平均值為0.500mg/m3。而在原有水噴淋裝置下，TSP濃度平均值為3.5mg/m3。由此可見，粉塵濃度降低了原來的6/7，抑塵效果非常顯著。
5.結(jié)語
綜上所述，微米級(jí)干霧抑塵技術(shù)從實(shí)驗(yàn)原理到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，該技術(shù)已經(jīng)得到港口、電力、鋼鐵、化工和煤礦等大中型企業(yè)的認(rèn)可，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)對(duì)無組織源封閉及半封閉環(huán)境下粉塵的防治。其綜合經(jīng)濟(jì)和技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到同類抑塵裝置的國(guó)際先進(jìn)水平。產(chǎn)品的推廣應(yīng)用對(duì)提高我國(guó)抑塵設(shè)備技術(shù)含量、治理粉塵污染、推動(dòng)行業(yè)進(jìn)步都具有重要意義。
