干霧抑塵在無組織粉塵排放領(lǐng)域的應(yīng)用
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干霧抑塵在無組織粉塵排放領(lǐng)域的應(yīng)用
24/03.2021 
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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?；谶@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?，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)水霧顆粒”二相流中，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?，F(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粒或使粒徑增大的裝置。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(yǔ)
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。
