微米級噴霧抑塵系統的原理

謝國強 劉正強

摘 要：微米級噴霧抑塵技術是專門用來粉塵治理的一項技術，經過近些年的應用和發展，技術逐漸成熟，在我國也得到廣泛的應用和推廣。就目前而言，微米級噴霧抑塵系統大多應用在港口、鋼鐵、礦場、化工、火電等場所，具有占地小、設備投入小、運行費用低、操作簡便等優點。該文首先對噴霧抑塵的機理及其影響因素進行研究，對微米級噴霧抑塵系統的系統結構、功能特點、裝置設備等進行分析，對高壓噴霧的荷電效應進行探討，以此對微米級噴霧抑塵系統的原理進行研究。

關鍵詞：微米級 噴霧抑塵系統 原理 因素

中圖分類號：TM621 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（a）-0124-02

1 噴霧抑塵的機理及其影響因素

1.1 噴霧抑塵的機理

噴霧抑塵在諸多行業都有廣泛應用，包括電廠大型噴霧燃料鍋爐、農業生產噴霧殺蟲、醫用噴霧劑等，都離不開噴霧抑塵的重要作用，其中大部分霧化設備是利用噴嘴把液體霧化成霧滴群。在這個過程中，連續液體由于自身存在動能，或者和高速氣體介質產生接觸摩擦，或者因為外部施加的動能，破碎成具有一定直徑的霧滴，現階段能夠實現霧化的形式較多，因此噴霧抑塵的機理也不盡相同，然而其物理實質卻存在一定的類似，大體可以分為射流破碎和液膜破碎兩種。這個過程之后，液體霧化把大塊液體分成小霧滴，以此為基礎，完成噴霧抑塵的作用。噴霧抑塵的機理總體而言涉及到以下幾個方面，具體如下。

1.1.1 重力降塵

氣流不斷運動，粒徑和密度較大的塵粒會由于重力作用而發生自然沉降，具體會受到塵粒大小、密度及氣體流速等的影響。

1.1.2 慣性碰撞

塵粒在不斷運動中和霧滴發生碰觸，慣性作用導致其無法沿著氣體流線繞過去，而發生碰撞，因此被霧滴捕集，其效率與氣體速度、運動軌跡、附著能力有直接關系。

1.1.3 截留

以慣性碰撞理論為基礎，認定其機理是塵粒僅僅具有大小之分，而無質量之分，所以塵粒會隨著氣體流線繞過霧滴，假如流線上塵粒和水滴表面之間的距離不大于粉塵半徑，塵粒則會被截留附著。

1.1.4 擴散

如果含塵氣流中粉塵粒徑不大于2μm，塵粒會跟隨氣流運動而無法按照慣性碰撞和截留機理，因為氣體分子熱運動而發生不規則運動，氣體分子撞擊粉塵顆粒而使其擴散，讓粉塵顆粒相當均勻地分布于氣體空間。

1.1.5 靜電捕集

靜電捕集是存在大量帶電荷的霧粒，通過電荷之間庫侖力而捕集粉塵，其作用效率和粉塵介電常數、粉塵電荷量等有直接關系。

1.2 噴霧抑塵效率的影響因素

通過調查，分析發現，噴霧抑塵效率的影響因素包括以下幾個方面：

（1）粉塵和霧滴的相對速度。

粉塵與霧滴的相對速度和碰撞時動量有直接關系，可以解決液體表面張力問題，如果水霧粒徑超過0.1 mm，則水粒速度超過30 m/s，2μm的塵粒降塵率大約是55%。

（2）霧滴粒徑。

噴霧霧滴粒徑大小和噴霧抑塵效率有直接關系，如果水量一致，霧滴的尺寸、數量、表面積等對效率的影響很大。

（3）潤濕性。

潤濕性好，則親水粒子能夠快速被液體補集體收集，效率要比碰撞、截留以及擴散高很多，可以針對較難潤濕的粉塵，通過增添潤濕劑的方法，減小其表面張力，從而促進除塵效率的提升。

（4）耗水量。

含塵空氣的耗水量和噴霧抑塵效率成正比。

（5）液體黏度和粉塵密度。

液體的黏度越大，噴霧抑塵的效率越低，粉塵密度越大，則噴霧抑塵效率越高。

（6）其他。

除此之外，還包括水霧作用范圍、霧化效果、噴霧器安裝位置、空氣參與霧化作用的量、通風措施、粉塵濃度、帶電性等對噴霧抑塵效率有一定的影響。

2 微米級噴霧抑塵技術

2.1 系統結構

微米級噴霧抑塵技術實際上包括諸多精密技術，比如計算機控制、精密機械加工、空氣動力學及超音波振蕩技術等，整套裝置結構包括邏輯控制單元、多功能單元、水氣處理單元、信號采集單元及氣霧輸出單元等。

（1）邏輯控制單元：邏輯控制單元主要是接受水氣處理單元和信號采集單元的各種各樣的數據信號，經過一系列運算處理之后，根據原本設定的程序對多功能單元及水氣處理單元進行控制，這類單元各部分都是采用人機對話的方式，利用以太網實現系統內信號通信，并可以實現遠程控制。

（2）多功能單元：多功能單元主要是接收邏輯控制單元發來的各種控制指令，從而對電動元件、氣動元件、執行機構等設備進行控制，達到系統所需的水、氣流量及壓力，繼而輸送到各個氣霧輸出單元。此單元配備各類儀表，能夠方便地在現場對各環節的運行狀況進行查看，可以實現穩壓、分流、分壓、反吹等功能。

（3）水氣處理單元：水氣處理單元主要是接收從邏輯控制單元發出的各種控制指令，利用增壓、穩壓、過濾以及凈化等手段，輸出符合系統所需的水源與氣源及反饋給邏輯控制單元各種狀態信號。

（4）氣霧輸出單元：氣霧輸出單元主要是接收多功能單元輸送的水氣源，水源與氣源混合，產生細小的霧化顆粒，從出口噴出，形成霧陣，吸附粉塵，從而產生高效的抑塵效果。

（5）信號采集單元：利用繼電器對現場設備的狀態信號進行收集，比如啟動、運行、停止、故障及報警等，利用傳感器采集現場各類數據信號，比如壓力、溫度、流量、電壓以及電流等，并將信號反饋至邏輯控制單元，經過邏輯控制單元一系列運算處理之后，完成系統的閉環運行。

2.2 系統功能及特點

微米級噴霧抑塵技術功能包括以下幾個方面：

（1）抑塵效率高：針對10 μm以下的可吸入粉塵治理效果高達97%；

（2）耗水量小：僅為傳統水霧除塵用水量的1/8；

（3）對物料濕度影響小：物料濕度增加重量比0.02%～0.05%；

（4）避免二次污染：粉塵與氣霧凝結后直接回到物料中，無需專門處理；

（5）延長設備使用壽命：減緩設備的磨損和老化。

微米級噴霧抑塵技術特點包括以下幾個方面：

（1）集成自動化控制，真正實現無人值守；

（2）采用人機界面，操作直觀簡單；

（3）具有網絡通訊功能，實現分布式控制；

（4）獨特的自恒溫技術，適用于冰點以下環境；

（5）全自動多級過濾技術，適用于水質較差的場合；

（6）特制的卷放裝置，實現移動設備的跟蹤抑塵；

（7）采用工業級設計，具有良好的防腐、防水、防塵效果。

2.3 裝置設備

2.3.1 系統描述

微米級噴霧抑塵系統大部分設備安裝于干霧間，氣源通過空氣壓縮機供給，空氣壓縮機選擇微油式空氣壓縮機。螺桿空壓機出氣口連接氣路過濾器，氣路過濾器連接儲氣罐，選擇法蘭連接的方式。整個系統管路的連接除和設備連接采用法蘭連接外，管路之間的連接采用焊接方式。為確保系統用水水質，在現場提供的水管接口處進行自動過濾設備的安裝。自動過濾裝置根據進出水口的壓差信號，自動把附著在濾網上的雜質清理掉，完成系統自動排污工作，在排污時，不影響系統用水量。水路管道上安裝管道流量計，記錄系統用水情況。管道流量計可以顯示瞬時流量，并記錄系統用水的累計流量。經過儲氣罐的壓縮空氣和自動過濾裝置處理的水，直接進入微米級干霧機，經過干霧機內部的分配，將水和氣通過管路輸送到現場的各抑塵點處。

2.3.2 關鍵設備

微米級噴霧抑塵系統的關鍵設備包括以下幾種：

（1）微米級干霧機是系統的控制關鍵，系統集成了各種各樣的傳感器、閥體及儀表等，通過微米級干霧機，一方面能把系統中的水、氣分別輸送到抑塵點；另一方面還能對系統的水壓、氣壓、水流量及氣流量等進行實時控制、調整及設定，確保系統始終處于最佳工作狀態；

（2）霧化噴嘴的材質選擇不銹鋼，通過流體高速撞擊金屬的能量，使噴嘴前端的獨特設備高頻震蕩，把霧化的液滴進行二次霧化，從而產生更小的霧化顆粒。萬向節霧化噴嘴接收由水氣分配器輸送來的氣、水后，將其轉化成水滴直徑為1～10μm的干霧，按微米級干霧機的控制指令噴向抑塵點；

（3）空氣壓縮機，比如螺桿式空壓機等具有運行靈活、工作穩定可靠，而且節能靜音、外形美觀、操作方便以及維護簡單等優點；

（4）除此之外，還包括電伴熱系統、水箱以及儲氣罐等，都是微米級噴霧抑塵系統必不可少的關鍵設備。

2.3.3 電氣控制系統

微米級干霧機設置專門的手動/自動切換開關，還配備了遠程控制功能。進入系統前需要密碼確認。設備具有自診斷功能，能顯示故障信息并進行報警，故障信息通過接點輸出，單一故障不會引起整個系統故障，發生嚴重故障時，切斷相應部分電源，防止故障擴大。PLC控制系統預留部分擴容輸入輸出接口，并留有編程接口，方便以后的升級改造。

2.3.4 儀表及控制

微米級噴霧抑塵系統提供滿足微米級噴霧抑塵啟停、安全監視和經濟運行所需的監控系統，比如儀表、一次檢測元件或傳感器、顯示及控制用的操作面板等。微米級噴霧抑塵監控采用PLC裝置；監控系統具有診斷功能；控制柜的高壓控制采用脈沖控制；低壓電源控制的系統既能自動控制，又能手動控制；控制系統有足夠的富裕度，單一故障不能引起整個系統故障，也不能引起微米級噴霧抑塵系統保護的誤動或拒動。

2.3.5 可編程控制器

系統中所有模件為插接式的，便于更換。系統中任一模件的故障不影響其他模件的運行。系統中設置自診斷功能，診斷至I/O模件級，以便在程控系統故障時，給出LED自診斷故障顯示和音響報警。

（1）中央處理單元（CPU），為確保遠程控裝置安全、可靠、高效地運行，處理器設置足夠容量的存儲器，并預留40%的備用量；

（2）輸入/輸出（I/O）模件，系統內所有模件均為固態電路、標準化、模件化、插接式結構。能更換所有的I/O模件，而不用改變盤/柜與其它的連接線。機柜內提供I/O總量的10%為備用，同時在插槽上還有擴充15%I/O模件的空間；

（3）編程和組態，程控邏輯采用邏輯圖或梯形圖格式進行編程，采用的編程技術在監視邏輯狀態方面具有最大的清晰度，并具有操作的靈活性和修改程序的方便性，所有程控邏輯均在可編程控器內完成。

2.4 微米級噴霧抑塵的方式

微米級噴霧抑塵的方式包括以下兩種：一種是雙流體水氣混合體方式，也稱為干霧除塵；另一種是單流體方式。單流體和雙流體噴霧的方式都可以噴出3～20μm的細微霧滴顆粒，從而產生極強的吸附作用。

2.5 微米級噴霧特點

（1）因為水霧顆粒是3～10μm，因此在除塵點位置上形成濃密的霧池，具有很高的除塵效率，耗水量小，物料濕度增加重量比不大于1%，無二次污染；

（2）在起塵點進行粉塵治理，減小粉塵爆炸的概率，繼而減少消防設備投入；

（3）占地面積比較小，且安裝操作簡便，全自動控制方式。

3 微米級噴霧抑塵系統的原理

干霧抑塵裝置是利用干霧噴霧器產生的10 ?m以下的微細水霧顆粒（直徑10 ?m以下的霧稱干霧），使粉塵顆粒相互粘結、聚結增大，并在自身重力作用下沉降。粉塵可以通過水粘結而聚結增大，但那些最細小的粉塵只有當水滴很小（如干霧）或加入化學劑（如表面活性劑）減小水表面張力時才會聚結成團。如果水霧顆粒直徑大于粉塵顆粒，那么粉塵僅隨水霧顆粒周圍氣流而運動，水霧顆粒和粉塵顆粒接觸很少或根本沒有機會接觸，則達不到抑塵作用；如果水霧顆粒與粉塵顆粒大小接近，粉塵顆粒隨氣流運動時就會與水霧顆粒碰撞、接觸而粘結一起。水霧顆粒越小，聚結機率越大，聚結的粉塵團變大加重，于是很容易降落。水霧對粉塵的“過濾”作用就形成了。

微米級干霧抑塵裝置是由壓縮空氣驅動的聲波震蕩器，通過高頻聲波將水高度霧化，“爆炸”成上千上萬個1～10?m大小的水霧顆粒，其中小方格大小大約是2 ?m。壓縮氣流通過噴頭共振室將水霧顆粒以柔軟低速的霧狀方式噴射到粉塵發生點，粉塵聚結而墜落，達到抑塵目的。

4 結語

綜上所述，微米級噴霧抑塵系統的應用可以發揮抑制粉塵、凈化空氣的重要作用，特別適用于工作空氣環境比較惡劣的火力發電、原料廠、翻車機系統等，該文對微米級噴霧抑塵系統的原理進行研究，從噴霧抑塵的機理為突破點，對微米級噴霧抑塵技術、設備、方式、特點等進行探討，以期對于微米級噴霧抑塵系統的廣泛應用起到一定的推進作用。

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