直接蒸發冷卻在降塵治霾中的應用分析

宋祥龍++張思龍++強浩++李騫

【摘 要】論文總結了PM10和PM2.5的成因及危害，分析來源及其特點，得出不同場所、不同來源的污染物需要采取不同治理方案的結論。通過分析蒸發冷卻凈化PM10、PM2.5等微粒的機理，為采取有效措施減輕污染，保護人們健康提供技術參考。

【Abstract】This paper summarizes the origin and harm of PM10 and PM2.5， analyzes its source and characteristic， and points out that in different area， different sources of pollutants need to take different measures. Through the analysis of evaporative cooling and purification mechanism of PM10 and PM2.5 particles， this paper provides the technical reference to take effective measures to reduce pollution and protect public health.

【關鍵詞】蒸發冷卻；PM2.5 ；PM10 ；降塵治霾

【Keywords】direct evaporative cooling； PM2.5； PM10； dust and haze governance

【中圖分類號】TK264.1 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）09-0181-02

1 引言

隨著我國工業化、城鎮化水平的不斷加快，以可吸入顆粒物（PM10）、細顆粒物（PM2.5）為特征污染物的區域性大氣環境問題日益突出，目前，我國大部分省會城市霧霾天數占全年天數的1/3左右，大氣低能見度的范圍在逐年擴展。約80%的城市空氣質量不能滿足世界衛生組織第一階段目標值的要求，大氣細顆粒物（PM2.5）的年平均濃度超過發達國家3到5倍。

國內外許多專家、學者已經對噴水室、蒸發式冷氣機等設備對室內PM10、PM2.5的凈化效果做了許多卓有成效的工作。論文將對蒸發冷卻對室內、外空氣降塵除霾的效果進行分析總結，對具體采用何種蒸發冷卻方式來治霾做一些初步探討，希望喚起人們對蒸發冷卻技術緩解霧霾等問題的重視。

2 PM10和PM2.5的成因及危害

在不同的國家和地區，PM10可吸入顆粒物的來源因各自的經濟水平、能源結構、工藝方法以及管理水平等的不同而差別很大，通常貢獻率比較大的幾種排放源是燃煤煙塵、冶金工業、汽車尾氣、物料轉運、建筑施工以及地面揚塵等

PM2.5指懸浮在空氣中，空氣動力學直徑≤2.5μm 的顆粒物。PM2.5來源非常復雜，就產生過程而言，PM2.5包括由污染源直接排出的一次粒子，也可以是各種氣態污染物經過冷凝或在大氣中發生復雜的化學反應而生成的二次粒子。

霧霾是空氣污染和氣象參數共同作用的結果，霧霾天氣發生時，大氣能見度降低，大氣中的顆粒物特別是細顆粒物（PM2.5）是導致能見度降低的主要因素。PM2.5也會改變氣溫和降水模式，同時由于PM2.5具有很大的比表面積又長期懸浮于大氣環境中，所以易于富集多環芳烴、多環苯類、病毒和細菌等有毒物質以及痕量元素，一旦在人體呼吸系統沉積將對人體健康產生嚴重危害[1]。

3 蒸發冷卻除塵機理

直接蒸發冷卻裝置包括噴水室、滴水填料式直接蒸發冷卻器、高壓噴霧（微霧）等，這些熱濕交換設備，不僅能夠對空氣進行降溫、加濕，而且能夠凈化空氣，對降塵治霾起到有效過濾作用。就其與空氣的接觸而言主要有兩種：一是空氣與水膜直接接觸，二是空氣與水滴直接接觸。滴水填料式直接蒸發冷卻器屬于前者，通過填料能夠實現空氣與水膜直接接觸，噴水室、高壓噴霧（微霧）屬于后者，能夠實現空氣與水滴直接接觸。二者對于空氣中塵粒等的凈化機理存在一些差異。筆者首先對二者的凈化機理進行分析。

3.1 滴水填料式直接蒸發冷卻的除塵機理

滴淋段又稱填料段直接蒸發冷卻段，采用各種波紋型填料作為熱濕交換和除塵的核心部件，相鄰兩層填料交錯布置，形成特定的空氣流道，水被循環水泵從水池中抽出，經布水器均勻散布在填料上，靠重力作用向下流潤濕填料表面并形成水膜，空氣在填料流道中流動，主要通過慣性作用和粘性效應作用使得隨氣流而來的塵粒和氣溶膠與水結合，使空氣中的塵粒被捕獲，起到濕式過濾器的作用，實現塵粒、氣溶膠等粒子與填料脫離，最終被向下流動的液體帶入水池中。

3.2 噴淋式直接蒸發冷卻的除塵機理

噴淋式（即無填料式）直接蒸發冷卻包括噴水室（冷卻塔或是其他絕熱、降溫、加濕設備）或高壓噴霧（微霧）兩種基本形式。

噴水室直接蒸發冷卻是利用噴水室（冷卻塔或是其他絕熱、降溫、加濕設備）將不同溫度的水通過水泵送至噴嘴，經過噴嘴的霧化作用，將水分解成細小的水滴。同時，空氣均勻流過噴水室（冷卻塔或是其他絕熱、降溫、加濕設備）與水直接接觸實現熱濕交換過程及除塵過程。

高壓噴霧（微霧）直接蒸發冷卻是噴淋式直接蒸發冷卻的一種特殊形式，通過高壓泵將水向噴嘴小孔中噴出，形成細小的水霧，并與空氣發生熱濕交換過程與除塵過程。高壓微霧直接蒸發冷卻與高壓噴霧直接蒸發冷卻工作原理相同，主要有兩點不同：泵的壓力不同，噴嘴的噴水孔徑不同。通過提高泵的壓力和使用小孔徑的噴嘴，高壓微霧能夠獲得比高壓噴霧更細小的霧滴，因此高壓微霧能夠實現比高壓噴霧更好的降塵治霾的效果。

噴水室直接蒸發冷卻與高壓噴霧（微霧）直接蒸發冷卻除塵機理相似，在該功能段中，主要靠含塵氣體與液滴或液膜的接觸使顆粒物從氣流中分離。水和含塵氣流的接觸方式大致有水滴、水膜和氣泡三種方式。依靠液滴捕集塵粒的機理有很多，主要有重力慣性碰撞、接觸阻留、布朗擴散、粘性效應、凝聚和沉降等。噴水室直接蒸發冷卻一般作為一個功能段設置在組合式空調機組中，而高壓噴霧（微霧）直接蒸發冷卻通過上海世博會、西安世園會等場所的應用說明它可以廣泛應用于室外的降溫、除塵。endprint

4 實際應用現狀

進入冬季以來，我國京津冀、長三角、珠三角等地區霧霾天氣持續惡化，以西安市為例，根據PM2.5監測網的數據，進入2013年12月以來，西安空氣質量指數呈持續遞增趨勢，自12月18日至25日為止，空氣質量指數（AQI）一直保持在400以上，達到嚴重污染的狀況，其他時間段空氣污染也十分嚴重，PM2.5、PM10分別成為西安市各地區的首要污染物。

為了減少霧霾危害，蘭州等地紛紛引進一種“噴霧車”這種噴霧車本質上是一臺大型加濕噴霧器，通過臺子的移動，一直可以升到十米之高，通過噴嘴向周圍環境大范圍內噴灑細小液滴，有效減少機動車尾氣排放的移動排放源PM2.5和周圍空氣中的細小微粒以及地面揚塵等。

在西安市碑林區棚戶改造工程某工地上，兩輛履帶破碎機揮動巨大搖臂破拆舊樓，而來自清潔降塵公司的一輛降塵治霾車、一輛水車則將時時泛起的灰塵用長超過一米的霧炮和水槍打壓掉、使其不能生成二次揚塵，為西安降塵治霾盡職。在西安市某建筑工地上安裝了霧化噴淋降塵設施，霧化噴淋設施與工地消防栓相連，加裝在工地外架上，噴淋設施開啟后，通過噴淋設施產生細小水滴，起到降塵治霾的作用。據環保部門對噴淋設施進行的實際測試，開啟20分鐘后，PM10數據下降了50微克，降塵率達50%以上。

5 蒸發冷卻與除塵治霾的關系

近年來，隨著國家對可吸入顆粒物（PM10）、細顆粒物（PM2.5）為特征污染物的區域性大氣環境問題的重視以及國內外大量學者對該領域的研究，蒸發冷卻對空氣降塵治霾的作用可以歸納為以下幾個方面。

第一，將噴水室作為一個功能段設置在組合式空調機組中，能夠對室外新風或者室外新風與室內回風的混合風進行凈化處理，減少送風中的PM10、PM2.5一、二次粒子等污染源的濃度，并產生一定量的負離子，提高室內空氣品質。

第二，以窗式蒸發空調器和蒸發式冷氣機為代表的滴淋式直接蒸發冷卻器，通過填料上均勻分布的水膜將室外新風中的SO2、NOx、SO42-、NO3-、NH4+等粒子進行過濾。當用于家用時，由于送風采用全新風，通過置換通風，將由于人員吸煙、廚房油煙等人員活動產生的PM2.5一、二次粒子快速排出室外，減少PM2.5二次粒子對多環芳烴、多環苯類、病菌等的附著，保證室內人員健康，同時通過置換通風，減少室內細菌滋生，降低室內空氣中有害物質的濃度，減少“空調病”的發病概率。

第三，以降塵治霾車、建筑工地安裝的霧化噴淋降塵設施為代表的戶外高壓噴霧（微霧）除塵系統，通過噴嘴與高壓水泵產生細小水滴，提高周圍環境中水蒸氣分壓力，依靠液滴捕集塵粒的機理，減少諸如地面揚塵、建筑工地、機動車尾氣產生的PM10、 PM2.5濃度。

6 結語

蒸發冷卻技術尤其是直接蒸發冷卻技術，不僅能夠實現較好的降溫效果，同時對可吸入顆粒物（PM10）、細顆粒物（PM2.5）等有較好的凈化效果，從暖通空調專業角度來講，對我國目前存在的霧霾等大氣環境問題有較好的緩解作用，為降塵治霾和建筑物空調的新風凈化處理提出了一條可供目前參考并能夠有效實施的技術方案。

【參考文獻】

【1】郝明途，林天佳，劉焱.我國PM2. 5的污染狀況和污染特征[J].環境科學與管理，2006， 31（2）： 58-61.endprint