干霧抑塵在無組織粉塵排放領域的應用
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干霧抑塵在無組織粉塵排放領域的應用
24/03.2021 
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摘要：文章對干霧的“捕塵”機理進行了空氣動力學、“云”物理學、“斯蒂芬流”的輸送等方面分析。當水霧顆粒與粉塵顆粒大小相近、霧量充足時，二者碰撞、接觸、凝結的幾率大。基于這一理論，我們研發出微米級干霧抑塵技術。該技術填補了國內在治理無組織排放5μm以下粉塵防治方面的空白，在港口、鋼鐵、電力、煤礦和化工等行業得到了廣泛的應用。
關鍵字：干霧；抑塵機理；無組織排放；呼吸性粉塵
1、引言
隨著工業行業機械化、自動化水平的日益提高，以煤炭行業為代表的翻車機、破碎機、堆取料機和裝卸船機等得到廣泛應用。大型設備的使用加大了開采強度與粉塵的產生量，同時也使粒徑小于5μm的無組織排放的呼吸性粉塵（呼吸性粉塵指粒徑在5μm以下的能進入人體肺泡區的顆粒物）含量大幅度上升。這類粉塵的特點是：粒徑小，分散度高，相對比表面積大，呼吸性強，穩定性高，擴散面寬，化學活性、吸附性能力強。此外，該粉塵不但容易吸附CO、氮氧化物等有毒有害污染物，導致矽肺、塵肺病的發生，對人體造成危害，而且還會降低粉塵的濕潤與凝聚性能，加之受作業環境風流及各種攪動因素的影響，將長期浮游在空氣中四處飄散，采用傳統的負壓除塵、高壓噴水技術很難有效治理。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和難點。
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。干霧的特點是，與空氣接觸面積大，蒸發率高，能使含塵區水蒸汽迅速達到飽和狀態。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、干霧抑塵技術可行性分析
干霧技術不僅能滿足改善呼吸性粉塵濕潤性所需要的條件，還能通過云物理學、空氣動力學、斯蒂芬流的輸送等多種機理實現對“呼吸性粉塵”的捕集。
上世紀70年代末，美國Colorado礦業學校的斯考溫德和布朗在一份研究報告中提出，采用微細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，這主要是因為水霧的粒徑過大（粒徑200-600μm）。從空氣動力學原理來說，更細、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，人們開始擔心水霧在捕捉到粉塵之前就會在相對濕度不到100%的空間迅速蒸發。后來經過斯考溫德和布朗的進一步研究得知，當水霧蒸發為水蒸汽后就進入了云物理學范疇，這時另一種機理——冷凝核化將起重要作用，這就是水霧不斷蒸發，使空氣中的水蒸汽迅速飽和，飽和后的水蒸汽會直接在粉塵上凝聚，使塵粒不斷增大到10-20μm時，可輕易被一般水霧去除。
3.1空氣動力學原理
根據空氣動力學原理，含塵氣流繞過霧滴時，塵粒由于慣性會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、擴散等作用實現捕捉，其被捕捉的幾率與霧滴直徑、粉塵受力情況有關。
水霧顆粒的粒徑越小，粒子之間的黏力就會越大。當水霧粒徑達到干霧級時（即小于10μm），在“微細粉塵顆?！⒓毟伸F顆粒”二相流中，粒子與粒子之間很容易結合在一起，從而使整個粒子不停的變大，最終沉降下來，達到去除粉塵粒子的目的。
3.2 “云”物理學原理
由于霧滴微細，部分霧滴會在空氣中迅速蒸發，使得局部密閉的捕塵空間中空氣的相對濕度很快達到飽和，飽和后的水蒸汽以塵粒為核凝聚形成“云”，并進一步增大成為“雨”落下來。這種機理對抑制亞微米及微米級的粉塵特別有效。
當微米級干霧抑塵裝置工作時，瞬間會在相對密閉的區域產生大量微細干霧，使得該區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、沉降，達到抑塵的目的。
3.3 “斯蒂芬流”的輸送機理
在噴霧區內，液滴迅速蒸發時，必然會在液滴附近區域內產生蒸汽組分的濃度梯度，形成由液滴向外流動擴散的斯蒂芬流；同樣，當蒸汽在某一核上凝結時，也會造成核周圍蒸汽濃度的不斷降低，形成由周圍向凝結核運動的斯蒂芬流。因此，懸浮于噴霧區中的“呼吸性粉塵”顆粒，必然會在斯蒂芬流的輸送作用下運動，最后接觸并粘附在凝結液滴上被濕潤捕集。
這也就是說當某一區域的粉塵被干霧捕集沉降后，其它高濃度區域的粉塵會在斯蒂芬流的輸送作用下運動過來，進而持續的與干霧接觸、碰撞，直至完成整個捕集的過程。
如圖2所示，當粒徑較大的霧滴與粉塵顆粒接觸時，由于霧滴的表面張力過大使得塵粒繞過霧滴繼續向上運動，粉塵不但沒有得到有效的抑制，相反水霧向下的沖力會使粉塵上揚的更多。而當霧滴粒徑與粉塵粒徑大小相近時，吸附、過濾、凝結的幾率很大，抑塵效果很好。
圖3和圖4所示過程反映的是，當水霧顆粒的粒徑小于10μm，達到干霧級的時候，霧滴的表面張力減小，粒子之間的黏力就會越來越大，所以，以粉塵粒子為核的“微細粉塵顆?！⒓毸F顆?！倍嗔髦校Ｗ优c粒子之間很容易結合在一起，從而使整個粒子不停的變大，最終沉降下來，達到除去粉塵粒子的目的。
綜上所述，當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，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，達到一定的重量后沉降下來，完成整個“捕塵”過程。經實踐證明這一原理是正確的、可行的。因此微米級干霧抑塵技術的理論基礎是切實的、經過實踐檢驗的，進而為裝置的研發奠定了堅實的基礎。
4.干霧抑塵技術在無組織粉塵排放領域中的應用
4.1無組織排放的概念
無組織排放是指大氣污染物不經過排氣筒或者排放高度低于15m的地面污染源的無規則排放，通常包括面源、線源和點源等。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的卷帶揚塵污染物排放屬于線源污染；散狀物料在汽車裝料機械落差起塵量以及汽車卸料時的揚塵污染排放等屬于點狀無組織排放源。干霧抑塵技術針對這類污染物有很好的治理效果。
4.2傳統除塵技術在無組織粉塵排放領域中的應用缺陷
傳統的粉塵治理多采用布袋除塵、靜電除塵等干式除塵技術和水噴淋、洗滌塔等濕式除塵技術。這些傳統的除塵技術在實際應用中反映出運行費用高、抑塵效果不佳等情況?，F分別以布袋除塵器和水噴淋為例簡述其在無組織粉塵排放領域中應用的缺陷。
（1）布袋除塵器
布袋除塵器主要是采用“負壓集塵”的方式對粉塵進行收集。而對于無組織排放的粉塵，這樣的負壓空間不容易實現。這是因為現場環境是相對敞開的，不能達到布袋除塵器所需的過濾風量，加之現場濃度不斷變化，直接影響到布袋除塵器的壓力。當壓力損失增大后，將會造成能量過大損耗，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、結露，運行維護費用高，產生“二次污染”，特別是在北方冬季作業時，會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粒或使粒徑增大的裝置。然而，在實際工作中，往往由于噴出的水滴粒徑過大而使粉塵繞過霧滴繼續飄散，未被 “捕集”。而且長期噴灑使得設備、管道腐蝕嚴重，污水、污泥等二次污染物堵塞坑道。如果設備安裝在室外，還必須考慮冬季設備結冰的問題。
因此，在選擇除塵設備時，應充分考慮它的經濟性、可靠性、實用性以及對粉塵的治理能力，綜合上述情況，微米級干霧抑塵裝置是比較理想的選擇。
4.3干霧抑塵技術在翻車機房的應用
翻車機系統作為無組織粉塵排放的重要場所之一，是產塵量較多的地方，實測數據顯示，粉塵濃度可高達800～3000mg/m3。其中粒徑小于10μm的對人體危害大的呼吸性粉塵占85%以上，且極易發生粉塵爆炸和粉塵吸入，嚴重威脅港口作業的安全和工人的身體健康。目前，我國各港口一般采用噴霧灑水進行除塵，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，工人們的作業環境未得到明顯改善。再加上長期灑水導致翻車機房地坑內潮氣大，機械設備腐蝕嚴重、電氣設備故障頻繁。針對這一現象，現以某港務局翻車機系統粉塵治理為例，簡要說明干霧抑塵技術的應用。
翻車機室內1臺一翻翻車機,干霧抑塵系統的設計氣流量與水流量應滿足一套翻車機工作時的大用水量與用氣量。根據情況作了如下設計：在料池四周側安裝16個BLB-8B噴霧箱噴霧器總成（每個BLB-8B噴霧箱噴霧器總成含有8個USL03型噴頭），其中翻車機前側安裝6個BLB-8B噴霧箱噴霧器、翻車機兩端各2個BLB-8B噴霧箱噴霧器，翻車機后側安裝6個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，根據現場情況可調節噴霧箱噴霧器總成的噴霧方向，以便達到較好的抑塵效果。設計噴霧時間約為25s。
經某用戶監測分析報告顯示，改用微米級干霧抑塵技術后，監測到的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.結語
綜上所述，微米級干霧抑塵技術從實驗原理到現場應用，該技術已經得到港口、電力、鋼鐵、化工和煤礦等大中型企業的認可，實現了國內對無組織源封閉及半封閉環境下粉塵的防治。其綜合經濟和技術指標均達到同類抑塵裝置的國際先進水平。產品的推廣應用對提高我國抑塵設備技術含量、治理粉塵污染、推動行業進步都具有重要意義。
