干雾抑尘在无组织粉尘排放领域的应用
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干雾抑尘在无组织粉尘排放领域的应用
24/03.2021 
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摘要：文章对干雾的“捕尘”机理进行了空气动力学、“云”物理学、“斯蒂芬流”的输送等方面分析。当水雾颗粒与粉尘颗粒大小相近、雾量充足时，二者碰撞、接触、凝结的几率大。基于这一理论，我们研发出微米级干雾抑尘技术。该技术填补了国内在治理无组织排放5µm以下粉尘防治方面的空白，在港口、钢铁、电力、煤矿和化工等行业得到了广泛的应用。
关键字：干雾；抑尘机理；无组织排放；呼吸性粉尘
1、引言
随着工业行业机械化、自动化水平的日益提高，以煤炭行业为代表的翻车机、破碎机、堆取料机和装卸船机等得到广泛应用。大型设备的使用加大了开采强度与粉尘的产生量，同时也使粒径小于5µm的无组织排放的呼吸性粉尘（呼吸性粉尘指粒径在5µm以下的能进入人体肺泡区的颗粒物）含量大幅度上升。这类粉尘的特点是：粒径小，分散度高，相对比表面积大，呼吸性强，稳定性高，扩散面宽，化学活性、吸附性能力强。此外，该粉尘不但容易吸附CO、氮氧化物等有毒有害污染物，导致矽肺、尘肺病的发生，对人体造成危害，而且还会降低粉尘的湿润与凝聚性能，加之受作业环境风流及各种搅动因素的影响，将长期浮游在空气中四处飘散，采用传统的负压除尘、高压喷水技术很难有效治理。因而无组织排放的呼吸性粉尘的防治就成为目前防尘工作的重点和难点。
2、干雾的名词解释
干雾是指没有使暴露面潮湿的雾，其粒径小于10µm，详见图1。干雾的特点是，与空气接触面积大，蒸发率高，能使含尘区水蒸汽迅速达到饱和状态。由于喷出的水雾雾量大，雾滴小，看上去像“烟”，因此称它为干雾。
3、干雾抑尘技术可行性分析
干雾技术不仅能满足改善呼吸性粉尘湿润性所需要的条件，还能通过云物理学、空气动力学、斯蒂芬流的输送等多种机理实现对“呼吸性粉尘”的捕集。
上世纪70年代末，美国Colorado矿业学校的斯考温德和布朗在一份研究报告中提出，采用微细水雾捕尘能解决呼吸性粉尘难治理的问题。一般的水雾去除呼吸性粉尘的效果不理想，这主要是因为水雾的粒径过大（粒径200-600µm）。从空气动力学原理来说，更细、更接近粉尘粒径的水雾除尘效果越明显。然而，随着水雾越来越细，人们开始担心水雾在捕捉到粉尘之前就会在相对湿度不到100%的空间迅速蒸发。后来经过斯考温德和布朗的进一步研究得知，当水雾蒸发为水蒸汽后就进入了云物理学范畴，这时另一种机理——冷凝核化将起重要作用，这就是水雾不断蒸发，使空气中的水蒸汽迅速饱和，饱和后的水蒸汽会直接在粉尘上凝聚，使尘粒不断增大到10-20µm时，可轻易被一般水雾去除。
3.1空气动力学原理
根据空气动力学原理，含尘气流绕过雾滴时，尘粒由于惯性会从绕流的气流中偏离而与雾滴相撞被捕捉，即通过粉尘粒子与液滴的惯性碰撞、拦截以及凝聚、扩散等作用实现捕捉，其被捕捉的几率与雾滴直径、粉尘受力情况有关。
水雾颗粒的粒径越小，粒子之间的黏力就会越大。当水雾粒径达到干雾级时（即小于10µm），在“微细粉尘颗粒——微细干雾颗粒”二相流中，粒子与粒子之间很容易结合在一起，从而使整个粒子不停的变大，最终沉降下来，达到去除粉尘粒子的目的。
3.2 “云”物理学原理
由于雾滴微细，部分雾滴会在空气中迅速蒸发，使得局部密闭的捕尘空间中空气的相对湿度很快达到饱和，饱和后的水蒸汽以尘粒为核凝聚形成“云”，并进一步增大成为“雨”落下来。这种机理对抑制亚微米及微米级的粉尘特别有效。
当微米级干雾抑尘装置工作时，瞬间会在相对密闭的区域产生大量微细干雾，使得该区域的空气湿度迅速饱和，饱和后的水蒸汽与粉尘充分的接触、凝结、沉降，达到抑尘的目的。
3.3 “斯蒂芬流”的输送机理
在喷雾区内，液滴迅速蒸发时，必然会在液滴附近区域内产生蒸汽组分的浓度梯度，形成由液滴向外流动扩散的斯蒂芬流；同样，当蒸汽在某一核上凝结时，也会造成核周围蒸汽浓度的不断降低，形成由周围向凝结核运动的斯蒂芬流。因此，悬浮于喷雾区中的“呼吸性粉尘”颗粒，必然会在斯蒂芬流的输送作用下运动，最后接触并粘附在凝结液滴上被湿润捕集。
这也就是说当某一区域的粉尘被干雾捕集沉降后，其它高浓度区域的粉尘会在斯蒂芬流的输送作用下运动过来，进而持续的与干雾接触、碰撞，直至完成整个捕集的过程。
如图2所示，当粒径较大的雾滴与粉尘颗粒接触时，由于雾滴的表面张力过大使得尘粒绕过雾滴继续向上运动，粉尘不但没有得到有效的抑制，相反水雾向下的冲力会使粉尘上扬的更多。而当雾滴粒径与粉尘粒径大小相近时，吸附、过滤、凝结的几率很大，抑尘效果很好。
图3和图4所示过程反映的是，当水雾颗粒的粒径小于10µm，达到干雾级的时候，雾滴的表面张力减小，粒子之间的黏力就会越来越大，所以，以粉尘粒子为核的“微细粉尘颗粒——微细水雾颗粒”二相流中，粒子与粒子之间很容易结合在一起，从而使整个粒子不停的变大，最终沉降下来，达到除去粉尘粒子的目的。
综上所述，当水雾颗粒的粒径与粉尘颗粒的粒径大小相近，且雾量较大时，空气中的水蒸汽迅速饱和，饱和的水蒸汽与粉尘碰撞、接触并凝聚在一起，达到一定的重量后沉降下来，完成整个“捕尘”过程。经实践证明这一原理是正确的、可行的。因此微米级干雾抑尘技术的理论基础是切实的、经过实践检验的，进而为装置的研发奠定了坚实的基础。
4.干雾抑尘技术在无组织粉尘排放领域中的应用
4.1无组织排放的概念
无组织排放是指大气污染物不经过排气筒或者排放高度低于15m的地面污染源的无规则排放，通常包括面源、线源和点源等。如露天堆放的煤炭、粘土、石灰石、油漆件表面的散失物等，均属面源的无组织排放；汽车在有散状物料的道路上行驶时的卷带扬尘污染物排放属于线源污染；散状物料在汽车装料机械落差起尘量以及汽车卸料时的扬尘污染排放等属于点状无组织排放源。干雾抑尘技术针对这类污染物有很好的治理效果。
4.2传统除尘技术在无组织粉尘排放领域中的应用缺陷
传统的粉尘治理多采用布袋除尘、静电除尘等干式除尘技术和水喷淋、洗涤塔等湿式除尘技术。这些传统的除尘技术在实际应用中反映出运行费用高、抑尘效果不佳等情况。现分别以布袋除尘器和水喷淋为例简述其在无组织粉尘排放领域中应用的缺陷。
（1）布袋除尘器
布袋除尘器主要是采用“负压集尘”的方式对粉尘进行收集。而对于无组织排放的粉尘，这样的负压空间不容易实现。这是因为现场环境是相对敞开的，不能达到布袋除尘器所需的过滤风量，加之现场浓度不断变化，直接影响到布袋除尘器的压力。当压力损失增大后，将会造成能量过大损耗，继而降低除尘效率。另外，袋式除尘器占地面积大，布袋易磨损、结露，运行维护费用高，产生“二次污染”，特别是在北方冬季作业时，会大大损失厂房的热量，因此无法正常使用。
（2）水喷淋
水喷淋除尘器是使含尘气体与水密切接触，利用水滴和颗粒的惯性碰撞及其它作用捕集颗粒或使粒径增大的装置。然而，在实际工作中，往往由于喷出的水滴粒径过大而使粉尘绕过雾滴继续飘散，未被 “捕集”。而且长期喷洒使得设备、管道腐蚀严重，污水、污泥等二次污染物堵塞坑道。如果设备安装在室外，还必须考虑冬季设备结冰的问题。
因此，在选择除尘设备时，应充分考虑它的经济性、可靠性、实用性以及对粉尘的治理能力，综合上述情况，微米级干雾抑尘装置是比较理想的选择。
4.3干雾抑尘技术在翻车机房的应用
翻车机系统作为无组织粉尘排放的重要场所之一，是产尘量较多的地方，实测数据显示，粉尘浓度可高达800～3000mg/m3。其中粒径小于10μm的对人体危害大的呼吸性粉尘占85%以上，且极易发生粉尘爆炸和粉尘吸入，严重威胁港口作业的安全和工人的身体健康。目前，我国各港口一般采用喷雾洒水进行除尘，但由于粉尘粒径小，而喷出的水雾粒径大，仍有大部分尘粒悬浮于空气中，工人们的作业环境未得到明显改善。再加上长期洒水导致翻车机房地坑内潮气大，机械设备腐蚀严重、电气设备故障频繁。针对这一现象，现以某港务局翻车机系统粉尘治理为例，简要说明干雾抑尘技术的应用。
翻车机室内1台一翻翻车机,干雾抑尘系统的设计气流量与水流量应满足一套翻车机工作时的大用水量与用气量。根据情况作了如下设计：在料池四周侧安装16个BLB-8B喷雾箱喷雾器总成（每个BLB-8B喷雾箱喷雾器总成含有8个USL03型喷头），其中翻车机前侧安装6个BLB-8B喷雾箱喷雾器、翻车机两端各2个BLB-8B喷雾箱喷雾器，翻车机后侧安装6个BLB-8B喷雾箱喷雾器总成，喷雾箱喷雾器安装高度、安装角度均为可调，根据现场情况可调节喷雾箱喷雾器总成的喷雾方向，以便达到较好的抑尘效果。设计喷雾时间约为25s。
经某用户监测分析报告显示，改用微米级干雾抑尘技术后，监测到的TSP（总悬浮颗粒物）浓度的平均值为0.500mg/m3。而在原有水喷淋装置下，TSP浓度平均值为3.5mg/m3。由此可见，粉尘浓度降低了原来的6/7，抑尘效果非常显著。
5.结语
综上所述，微米级干雾抑尘技术从实验原理到现场应用，该技术已经得到港口、电力、钢铁、化工和煤矿等大中型企业的认可，实现了国内对无组织源封闭及半封闭环境下粉尘的防治。其综合经济和技术指标均达到同类抑尘装置的国际先进水平。产品的推广应用对提高我国抑尘设备技术含量、治理粉尘污染、推动行业进步都具有重要意义。
