干霧抑塵在無(wú)組織粉塵排放領(lǐng)域的應用
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干霧抑塵在無(wú)組織粉塵排放領(lǐng)域的應用
24/03.2021 
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摘要：文章對干霧的“捕塵”機理進(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、凝結的幾率大?；谶@一理論，我們研發(fā)出微米級干霧抑塵技術(shù)。該技術(shù)填補了國內在治理無(wú)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)得到了廣泛的應用。
關(guān)鍵字：干霧；抑塵機理；無(wú)組織排放；呼吸性粉塵
1、引言
隨著(zhù)工業(yè)行業(yè)機械化、自動(dòng)化水平的日益提高，以煤炭行業(yè)為代表的翻車(chē)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(kāi)采強度與粉塵的產(chǎn)生量，同時(shí)也使粒徑小于5μm的無(wú)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)入人體肺泡區的顆粒物）含量大幅度上升。這類(lèi)粉塵的特點(diǎn)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(xué)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(fā)生，對人體造成危害，而且還會(huì )降低粉塵的濕潤與凝聚性能，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(cháng)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(shù)很難有效治理。因而無(wú)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(méi)有使暴露面潮濕的霧，其粒徑小于10μm，詳見(jiàn)圖1。干霧的特點(diǎn)是，與空氣接觸面積大，蒸發(fā)率高，能使含塵區水蒸汽迅速達到飽和狀態(tài)。由于噴出的水霧霧量大，霧滴小，看上去像“煙”，因此稱(chēng)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(mǎn)足改善呼吸性粉塵濕潤性所需要的條件，還能通過(guò)云物理學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、斯蒂芬流的輸送等多種機理實(shí)現對“呼吸性粉塵”的捕集。
上世紀70年代末，美國Colorado礦業(yè)學(xué)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(wèn)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(guò)大（粒徑200-600μm）。從空氣動(dòng)力學(xué)原理來(lái)說(shuō)，更細、更接近粉塵粒徑的水霧除塵效果越明顯。然而，隨著(zhù)水霧越來(lái)越細，人們開(kāi)始擔心水霧在捕捉到粉塵之前就會(huì )在相對濕度不到100%的空間迅速蒸發(fā)。后來(lái)經(jīng)過(guò)斯考溫德和布朗的進(jìn)一步研究得知，當水霧蒸發(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
根據空氣動(dòng)力學(xué)原理，含塵氣流繞過(guò)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(guò)粉塵粒子與液滴的慣性碰撞、攔截以及凝聚、擴散等作用實(shí)現捕捉，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。當水霧粒徑達到干霧級時(shí)（即小于10μm），在“微細粉塵顆?！⒓毟伸F顆?！倍嗔髦?，粒子與粒子之間很容易結合在一起，從而使整個(gè)粒子不停的變大，最終沉降下來(lái)，達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，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(jìn)一步增大成為“雨”落下來(lái)。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(shí)，瞬間會(huì )在相對密閉的區域產(chǎn)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(fā)時(shí)，必然會(huì )在液滴附近區域內產(chǎn)生蒸汽組分的濃度梯度，形成由液滴向外流動(dòng)擴散的斯蒂芬流；同樣，當蒸汽在某一核上凝結時(shí)，也會(huì )造成核周?chē)羝麧舛鹊牟粩嘟档?，形成由周?chē)蚰Y核運動(dòng)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(huì )在斯蒂芬流的輸送作用下運動(dòng)，最后接觸并粘附在凝結液滴上被濕潤捕集。
這也就是說(shuō)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(huì )在斯蒂芬流的輸送作用下運動(dòng)過(guò)來(lái)，進(jìn)而持續的與干霧接觸、碰撞，直至完成整個(gè)捕集的過(guò)程。
如圖2所示，當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(guò)大使得塵粒繞過(guò)霧滴繼續向上運動(dòng)，粉塵不但沒(méi)有得到有效的抑制，相反水霧向下的沖力會(huì )使粉塵上揚的更多。而當霧滴粒徑與粉塵粒徑大小相近時(shí)，吸附、過(guò)濾、凝結的幾率很大，抑塵效果很好。
圖3和圖4所示過(guò)程反映的是，當水霧顆粒的粒徑小于10μm，達到干霧級的時(shí)候，霧滴的表面張力減小，粒子之間的黏力就會(huì )越來(lái)越大，所以，以粉塵粒子為核的“微細粉塵顆?！⒓毸F顆?！倍嗔髦?，粒子與粒子之間很容易結合在一起，從而使整個(gè)粒子不停的變大，最終沉降下來(lái)，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(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，達到一定的重量后沉降下來(lái)，完成整個(gè)“捕塵”過(guò)程。經(jīng)實(shí)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(shù)的理論基礎是切實(shí)的、經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗的，進(jìn)而為裝置的研發(fā)奠定了堅實(shí)的基礎。
4.干霧抑塵技術(shù)在無(wú)組織粉塵排放領(lǐng)域中的應用
4.1無(wú)組織排放的概念
無(wú)組織排放是指大氣污染物不經(jīng)過(guò)排氣筒或者排放高度低于15m的地面污染源的無(wú)規則排放，通常包括面源、線(xiàn)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(wú)組織排放；汽車(chē)在有散狀物料的道路上行駛時(shí)的卷帶揚塵污染物排放屬于線(xiàn)源污染；散狀物料在汽車(chē)裝料機械落差起塵量以及汽車(chē)卸料時(shí)的揚塵污染排放等屬于點(diǎn)狀無(wú)組織排放源。干霧抑塵技術(shù)針對這類(lèi)污染物有很好的治理效果。
4.2傳統除塵技術(shù)在無(wú)組織粉塵排放領(lǐng)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(shù)和水噴淋、洗滌塔等濕式除塵技術(shù)。這些傳統的除塵技術(shù)在實(shí)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(jiǎn)述其在無(wú)組織粉塵排放領(lǐng)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(jìn)行收集。而對于無(wú)組織排放的粉塵，這樣的負壓空間不容易實(shí)現。這是因為現場(chǎng)環(huán)境是相對敞開(kāi)的，不能達到布袋除塵器所需的過(guò)濾風(fēng)量，加之現場(chǎng)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(huì )造成能量過(guò)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(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(chǎng)房的熱量，因此無(wú)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(guò)大而使粉塵繞過(guò)霧滴繼續飄散，未被 “捕集”。而且長(cháng)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(wèn)題。
因此，在選擇除塵設備時(shí)，應充分考慮它的經(jīng)濟性、可靠性、實(shí)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(shù)在翻車(chē)機房的應用
翻車(chē)機系統作為無(wú)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(fā)生粉塵爆炸和粉塵吸入，嚴重威脅港口作業(yè)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(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(cháng)期灑水導致翻車(chē)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(wù)局翻車(chē)機系統粉塵治理為例，簡(jiǎn)要說(shuō)明干霧抑塵技術(shù)的應用。
翻車(chē)機室內1臺一翻翻車(chē)機,干霧抑塵系統的設計氣流量與水流量應滿(mǎn)足一套翻車(chē)機工作時(shí)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(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(chē)機前側安裝6個(gè)BLB-8B噴霧箱噴霧器、翻車(chē)機兩端各2個(gè)BLB-8B噴霧箱噴霧器，翻車(chē)機后側安裝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，根據現場(chǎng)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(shí)間約為25s。
經(jīng)某用戶(hù)監測分析報告顯示，改用微米級干霧抑塵技術(shù)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(jiàn)，粉塵濃度降低了原來(lái)的6/7，抑塵效果非常顯著(zhù)。
5.結語(yǔ)
綜上所述，微米級干霧抑塵技術(shù)從實(shí)驗原理到現場(chǎng)應用，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)的認可，實(shí)現了國內對無(wú)組織源封閉及半封閉環(huán)境下粉塵的防治。其綜合經(jīng)濟和技術(shù)指標均達到同類(lèi)抑塵裝置的國際先進(jìn)水平。產(chǎn)品的推廣應用對提高我國抑塵設備技術(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。
