棉塵治理技術現狀及發展趨勢

孔得丞，潘江如，劉彤馨

(1.新疆農業大學交通與物流工程學院，新疆 烏魯木齊830052； 2.新疆工程學院，新疆 烏魯木齊830052)

0 引言

棉塵是在棉花處理或加工過程中所產生的粉塵，它是包含許多物質的混合物，包括磨碎的碎棉葉、棉稈、纖維、泥土、細菌及其他污染物。充斥在加工車間的棉塵不僅加劇了機械磨損，縮短了棉花加工機器的壽命，而且粉塵落入電氣設備內會有破壞絕緣發生事故的可能。特別是一些呼吸性粉塵，經人體吸收之后，會誘發各種呼吸道疾病，甚至是“塵肺”，嚴重威脅到紡織工人的身體健康。研究分析國內外相關文獻，深入剖析不同類型除塵降塵方法的優缺點，并在此基礎上探討除塵技術的發展趨勢。

1 棉塵處理設備現狀

在棉花的加工過程中會產生大量粉塵，這些含有粉塵的空氣需要通過技術手段進行除塵凈化后，才可以進行排放。在早期的棉花加工作業過程中，產生的棉塵未經處理通過通風直接排到室外，給廠區周圍環境帶來巨大污染。因此，專家們開始關注空氣過濾問題，并提出相關解決方案。

20世紀60年代末，英國出現了一種專門用于紡織的空氣轉籠式除塵過濾設備；我國在20世紀70年代才出現空氣除塵過濾設備[1]。工業常用除塵設備主要有機械式、干式過濾式、濕式和電除塵器等[2]。機械式除塵器的作用機理是依靠碰撞、重力、慣性和離心力實現粉塵分離。濕式除塵器主要是通過噴霧、水膜等方式，利用氣液接觸將空氣中的粉塵帶離。干式過濾除塵器主要以袋式為主，袋式除塵器主要依靠纖維濾料對粉塵顆粒進行捕捉并凈化空氣。電除塵是利用靜電力除塵，采用高壓放電，使氣體電離和粉塵荷電，將粉塵顆粒從空氣中脫離出來并向集塵極板移動，從而達到除塵的目的。當前我國常用的除塵器包括機械式除塵器、干式過濾式和濕式除塵器3種，這3種除塵器的優缺點如表1所示。根據除塵器設備的特點，又可以分為一級除塵和二級除塵，常用的一級除塵和二級除塵設備如表2所示[3]。

表1 3種除塵器優缺點

表2 除塵設備分類

1.1旋風除塵器

旋風除塵器由筒體、錐體、進氣管、排氣管和排灰口5部分構成[4]。除塵機理是當含有粉塵的空氣從進氣口進入到筒體，含塵空氣氣流由直線運動變為旋轉運動，并且沿著筒壁做自上而下的螺旋運動。含有粉塵的空氣在運動中會產生巨大的離心力，所以在運動過程中會將粉塵甩向筒壁或錐體內壁。這部分粉塵在接觸到器壁后會失去慣性，然后沿壁面下落，經過排灰口排出，落入灰斗，實現粉塵顆粒的去除。秦建鋒等[5]通過FLUENT對錐形筒體長度等結構進行了優化設計，并且根據棉花加工粉塵特性，提出了棉花加工旋風除塵器排灰口處增加錐形排灰斗的改進措施。目前，棉花加工廠所使用的旋風除塵器仍存在除塵效率低、壓力損失大、大量的粉塵排入大氣及且對細顆粒物的捕集效果不佳等問題。

1.2蜂窩式除塵器

蜂窩式除塵器屬于二級除塵，由箱體、形似蜂窩的塵籠和機械吸臂等組成[6]。蜂窩除塵器同時具有內吸式和板式除塵器的特點，它具有結構新穎、占地面積小和除塵效率高等特點，被廣泛應用于棉紡織、煙草等行業的濾塵系統中。蜂窩式除塵器的缺點：一是其傳動機構較為復雜；二是在物料雜質含量大的工況下，箱底會大量積塵，維護成本較高，更換濾料過于煩瑣。

1.3多轉籠除塵器

多轉籠除塵器是由集塵風機、集塵器、振動清灰器、螺旋輸送機、轉籠和吸嘴組成。多轉籠除塵也屬于二級除塵，轉籠內部不同的濾料可以收集多種雜質，不同的雜質從含塵的空氣中被分離，最后通過多個出口被排出[7]。多轉籠除塵器的特點是能夠處理較大的粉塵，并且設備安裝方便、傳動結構簡單、故障率和能耗低，但是體積較大。

1.4袋式除塵器

袋式除塵器屬于過濾式除塵設備，主要依靠纖維濾料對粉塵中的一些顆粒物進行捕捉，并且針對粗細不同的粉塵顆粒有不同的過濾方式。針對粗粉塵，利用慣性碰撞進行過濾，而細粉塵則是發揮擴散和篩分來實現捕集。過濾下的粉塵將會形成濾餅，同樣也有過濾作用，所以袋式除塵器對于細塵有較高的除塵效率[8]。

我國袋式除塵器產品豐富，在各個工業領域都有觸及。研究發現，粉塵帶電后，經過袋式除塵器過濾，可以改變濾袋表面的濾餅結構和物理性質，與未經荷電的粉塵濾餅相比較，改變后的濾餅具有透氣性更強、阻力更低和凈化效率高的特點，在微細粉塵顆粒的捕集效果方面也得到提高[9]。聶榮恩[10]在不改變原有袋式除塵器外形結構的基礎上，改造濾筒除塵技術，使得各系統顆粒物排放濃度能夠持續超低排放。

目前，棉花加工生產中，機采、軋花和打包等各個工藝都日漸成熟，相關技術設備也幾經推陳出新，然而除塵設備的研發進展卻止步不前，已經無法滿足當前企業的生產要求。因此，對就除塵技術領域最新研究成果進行了總結概括。

2 除塵技術理論研究現狀

2.1噴霧除塵

噴霧除塵技術主要是高壓水在噴嘴的霧化作用下，按照射流霧化機理與空氣中的粉塵碰撞接觸形成微小的霧滴吸附粉塵顆粒，從而達到除塵的目的[11]。噴霧除塵過程主要是依靠慣性碰撞、攔截、重力沉降、電荷吸附及凝結。慣性碰撞是指由于粉塵顆粒的慣性作用不能繞開霧滴，而與霧滴發生碰撞并結合。攔截是指當粉塵顆粒的半徑小于液滴時，粉塵顆粒與液滴接觸就會被阻攔。粉塵顆粒在空氣漂浮過程中與周圍物體發生碰撞摩擦時，會產生一定的電荷，這時的粉塵顆粒會更容易被液滴吸附和捕捉。在高壓噴霧作用下，形成的渦流氣流加劇了粉塵運動的速度和振幅，增加了與液滴碰撞的機會，形成渦流凝結，提高了噴霧除塵的除塵效率。

相關試驗表明，小直徑噴嘴的霧化效果比大直徑的霧化效果更明顯，噴出的霧滴直徑更小，并且對于捕獲呼吸性粉塵更高效，但小直徑噴嘴容易被水中雜質堵塞，從而造成噴嘴的損壞，在既實用又高效的前提下，噴嘴內徑以1.5～2.0 mm為宜[12]。噴嘴壓力越大，噴霧的范圍就越廣，霧滴分布的均勻性越高，捕塵效率就越好。但是，如果壓力過高，不僅會增加能源的浪費，還會造成噴嘴疲勞，損壞噴嘴，降低其使用壽命[13-16]。

由于粉塵粒徑與水霧的不匹配，使得普通水霧對粉塵的去除效果較差，兩者之間不容易發生碰撞、攔截和被捕獲，只有更細、與呼吸性粉塵粒徑越接近的霧滴才能更有效地去除呼吸性粉塵。超聲霧化降塵試驗表明，在微細水霧捕塵技術和捕塵水霧凝結并沉降的技術上，研究出了集捕塵凝聚、凝聚并沉降和慣性沉降分離為一體的粉塵凈化系統，該系統能夠有效凈化呼吸性粉塵，除塵效率達99.6%[17]。

目前，氣液兩相流噴霧技術被認為是實現射流霧化的最有效方式[18]。以空氣式助力噴嘴為代表的兩相流噴霧技術，其工作原理是利用帶有壓力的空氣進入噴嘴形成高速氣流，在氣液混合時，氣流通過對液體的沖擊、剪切和旋轉等作用原理使得液體破碎，從而形成粒徑細小的霧滴，解決了霧滴與粉塵粒徑不匹配的問題。環境對于噴嘴效率的影響較大，不同環境應重點研究不同的噴霧除塵技術，進一步完善各種噴嘴的作用機理和影響因素，互相借鑒，使噴霧除塵系統向高效、適應性廣的方向發展。

2.2通風除塵

在棉花的加工過程中，加強通風也是一種非常重要的除塵技術。通風除塵技術主要是通過通風機將工作區域內的懸浮在空氣中的棉塵排出到室外，改善工作環境，從而減少棉塵對工人的危害。最常用的通風除塵方法是利用局部通風機采用壓入式、抽出式或混合式通風3種；在控制含塵氣流向外擴散的技術中，一般常用附壁風筒或高壓風屏蔽；長壓短抽除塵系統與除塵器配套除塵；還可以采取導風措施，設置風屏或采用空氣流動式噴水器導風，從而達到隔離粉塵的目的[19]。國外學者研究了壓入抽出式通風除塵設備，即在工作面附近掛一個防塵風障，把工作面的粉塵擋住，然后利用吸風管將粉塵吸走；利用附壁風筒的設備將工作面的風流轉換成軸向風流，形成旋流，把工作面的粉塵都卷起來形成濃度較高的粉塵旋流，在軸向方向布置吸塵管，利用吸塵管將粉塵旋流吸出[20]。VICTORIA D等[21]提出運用風幕、集塵器和抽出式除塵風機等綜合防塵措施，也取得了一定的效果，研究出的除塵滾筒利用高壓水射流的作用機理，附近的空氣會向射流區運動，粉塵會被潤濕，潤濕后的粉塵碰到反射板后沉降在地面，被凈化后的空氣可以再次利用。周茂普[22]采取了使用長壓短抽的通風方法對工作區域供風，并且配置了合理的參數和除塵設備，除塵效率得到提高，有效地改善了工作環境。

與噴霧降塵相比，通風降塵具有不干擾視線、沒有耗水量和作業環境較好等優點。但是通風除塵只是將工作區域內的棉塵稀釋、轉移，并沒有達到除塵的根本目的，并且呼吸性粉塵長時間漂浮在空氣中，會造成二次污染。

2.3化學抑塵

化學抑塵的作用原理是在不同的環境下，使堆積的物料維持表面濕潤或使物料表面凝結一層硬膜，防止揚塵的出現，達到抑塵的效果。根據化學抑塵的不同機理，可將其分為4類：潤濕型、凝聚型、粘結型和復合型[23-28]。

2.3.1潤濕型抑塵

潤濕型化學抑塵即通過提高水對粉塵的濕潤能力來增強除塵效果，其主要成分是表面活性劑和無機鹽。表面活性劑的主要作用是降低液體的表面張力，使得液體可以達到乳化、潤濕的作用，從而提高除塵的能力。潤濕型化學抑塵劑中的無機鹽一般是具有吸濕作用的，其彌補了表面活性劑吸濕保水的不足，更加有利于表面活性劑發揮抑塵的效果。潤濕型化學抑塵劑一般與噴霧系統組合使用，但其抑塵的有效期較短，需要重復噴灑，否則會出現二次揚塵現象。

2.3.2凝聚型抑塵

凝聚型抑塵劑也是通過持續潤濕粉塵或泥土，同時利用凝聚的作用，將粉塵顆粒聚集在一起，形成比較大的粉塵顆粒，從而使其快速沉降，達到降塵的目的。根據其組成成分不同，凝聚型抑塵可以分為2類：吸濕型無機鹽類和高倍吸水樹脂類。根據杜翠鳳等[29]的試驗，利用吸濕型無機鹽、凝并劑和表面活性劑，研制出一種新型抑塵劑。與普通抑塵劑相比，該抑塵劑具有更好的防風抑塵作用。但是凝聚型抑塵劑的使用有很多限制，吸濕型無機鹽的腐蝕性較強，會對機器及其他金屬部件造成損害，而高倍吸水樹脂抑塵劑的制作成本較高，使得其不能被廣泛使用。

2.3.3粘結型抑塵

粘結型抑塵主要是利用材料本身的粘性，來粘結粉塵或是在粉塵表面形成一層覆蓋層來達到抑塵的目的。粘結型抑塵根據其作用機理不同可分為2種：一種是有機粘結；一種是無機粘結。粘結型抑塵雖然原料比較廉價，但多數材料不可自然分解，可能會造成二次污染，并且還會對機械部件產生腐蝕性，影響周圍環境。

2.3.4復合型化學抑塵劑

復合型抑塵劑是基于多種抑塵劑組合而成的一種新型抑塵劑，并且將潤濕、凝聚、粘結和吸濕保水等多種功能集為一體。張文案等[30]通過多種抑塵劑合成了一種蛛網結構的抑塵劑，其具備了保水吸濕、粘結等多種效果。鄧兵杰等[31]通過試驗將3種材料混合制備出了同時具有吸濕保水和粘結的復合型抑塵劑。復合型抑塵劑的發展前景廣闊，但是復合型抑塵劑的制備過程復雜，需貼合實際情況。因此，復合型抑塵劑適用于在復雜環境下的抑塵降塵作業。

3 除塵技術的組合

隨著國家環境質量標準的提高，使用單一的除塵設備并不能達到粉塵顆粒物的排放標準。各種除塵技術在除塵效率方面還有較大的提升空間，隨著對棉塵處理的研究不斷深入，除塵技術的種類不斷增多，研究重點在于多種除塵技術的組合，以及除塵效率。目前，組合式除塵技術的實例逐漸增多，用于解決處理棉塵時存在的問題。

3.1荷電霧化超重力除塵技術

WANG B等[32]提出了一種新穎的除塵技術，即云式除塵技術(Cloud-Air-Purifying，CAP)，該技術將超聲霧化技術和旋風除塵器相結合。旋風產生潮濕的環境，用來模仿形成雨滴的自然云，這有助于環境中的粉塵顆粒吸收水分和凝聚。因此，粉塵顆粒的尺寸會顯著增加，這會提高旋風分離器細顆粒物的捕集效率。這使旋流器作為一種簡單而實用的除塵器，能夠滿足工業粉塵排放和空氣凈化的要求，該技術非常適用于細顆粒粉塵的過濾。

靜電除塵器(ESP)自1907年由Cottrell首次成功使用以來，已被用于許多工業領域的粉塵顆粒控制[33]。ESP是一種利用靜電去除空氣中微粒的除塵裝置，其充電過程是影響顆粒物捕獲效率的重要環節。目前，在除塵行業中，利用靜電來提高常規除塵裝置的粉塵捕集效率是趨勢，將電噴霧技術應用于電除塵器，可以提高微細粉塵顆粒的捕集效率，研究發現外加電壓是決定ESP中粉塵顆粒收集效率的主要參數，不同粒徑的顆粒收集效率與電噴霧的顆粒收集效率不同[34]。

荷電霧化超重力除塵技術是在CAP的基礎上，加入了荷電技術，從而建立荷電霧化超重力除塵系統。該系統采用電暈荷電的方式，在管道內設置高壓靜電場用來實現粉塵顆粒和液滴荷電，荷電后的液滴與粉塵顆粒間的靜電可以促使微細粉塵顆粒凝聚變大，變大后的粉塵顆粒在旋風除塵器的重力作用下被除去，提高了粉塵顆粒的捕集效率，并且荷電與霧化的結合補充了旋風除塵器對微細顆粒物捕獲效率的缺點，又保證了較低的投入成本與較高的捕集效率。劉紅英[35]從荷電條件、入口氣流流速及霧化量3個方面研究了荷電霧化超重力除塵系統對微細粉塵顆粒物的捕獲效率。研究表明，粉塵顆粒與液滴異極性荷電對系統除塵的效果最好，液滴荷電次之，并且霧化水箱中存在鹽類強電解質有助于提升顆粒的去除效率，還要避免水中不能存在太多弱電解質，另外較高的入口流速和霧氣濃度都可以提高粉塵顆粒的去除效率，但是也會消耗較高的能量。該技術也有不足，在處理一些親水性較差的粉塵顆粒時，顆粒在霧滴附近繞流，無法有效結合凝聚，導致團聚效果不佳，使得除塵效果差。棉塵含有異性纖維，屬于親水性較好的粉塵顆粒，所以凝結團聚的效果會好，使得對棉塵的去除效率得以提高。由于在管道內電暈荷電的技術較難實現，所以該除塵技術還需要在保證除塵效率的前提下進一步優化，并可以應用到棉塵治理的領域內。

3.2多元離子除塵劑

噴霧降塵覆蓋性廣，除塵效率較高，是粉塵防治的主要技術手段，在水霧中加入表面活性劑可以在一定程度上提高降塵效率，表面活性劑還可以通過改變霧滴大小來影響噴霧的降塵效率，并且表面張力是影響表面活性劑潤濕性能和噴霧降塵效率的最重要參數。江雨涵[36]通過研究復配多元離子除塵劑，選擇性能較好的表面活性劑進行比例復配，對復配之后的溶液進行粉塵沉降和表面張力等試驗，選配出性價比最高的離子顆粒除塵劑，在確保吸水保濕的特性上，加入除塵劑和固化材料，從而可以降低細水霧化顆粒的粒徑，高效地除去呼吸性粉塵。

多元離子細霧顆粒除塵是采用封閉孔隙的細水霧化顆粒把塵源覆蓋，使得剛產生的粉塵被快速濕潤和沉降，當細水霧化顆粒散落在物料上，會形成一層細水霧化顆粒層，對塵源有覆蓋遮擋的作用。當細水霧化顆粒噴灑到含有粉塵的空氣中，會形成大量的顆粒狀粉塵群，這樣會提高與粉塵顆粒碰撞、粘結、捕捉和沉降的能力，從而達到最佳的除塵效果。

3.3超音速反重力虹吸霧化噴嘴

氣動噴霧是除塵領域內的主要方法之一，其效率主要取決于霧化細度和顆粒速度，在收集和捕捉的過程中，液滴尺寸需要接近目標粉塵顆粒的尺寸，這點對霧化效率有很高的要求。通過在高壓噴霧中加入表面活性劑發現，表面活性劑對噴霧除塵效率的促進作用隨著壓力的增加而降低。有一種較好的優化方法是超聲霧化噴嘴，它利用拉瓦爾噴嘴加速的空氣刺激超聲波振動腔產生超聲波，并混合大量高速氣流，形成微型氣動霧幕，從而實現濕式隔離除塵。

為了解決能源浪費的問題，即降低空氣和水的壓力流量要求，保持或進一步提高霧化效率，ZHANG Tian等[37]發現現有的Laval結構氣動霧化噴嘴不能完全成為“超音速”氣動霧化，因為在普通射流壓力下，液柱無法達到超音速區域，不能與超音速空氣相結合；相反，液體在噴嘴邊緣被“吹”出來，許多未破碎的大顆粒液滴在噴嘴邊緣溢出。這個過程中，大量的超音速流被浪費，造成大量的能源浪費。于是，提出了超音速虹吸霧化原理，并且根據這一原理研發出了可廣泛應用于工業領域的標準化噴頭。超音速虹吸霧化不同于任何一種霧化方法，霧化過程都是在噴嘴外進行，其中超聲波模式利用噴嘴外的霧化振動腔，而超音速虹吸霧化是利用超音速反重力虹吸原理在噴嘴內部完成精細霧化；超音速虹吸霧化噴嘴的霧化性能好，它的霧幕呈云狀，由高速液滴和高速氣體組成，覆蓋范圍更廣，可以在很短時間內覆蓋有限的工作空間。此外，這些水滴對大量的微細粉塵顆粒具有更高效的捕獲能力，能夠以更大的動能迅速抑制粉塵。在除塵效率相同的情況下，出于節能考慮，與超聲霧化噴嘴除塵效果的對比，驗證了新型噴嘴的優越性，解決了霧化能耗高的問題，進一步提高了霧化效果，實現了超音速破碎和虹吸注水的過程，為精細霧化除塵領域提供了一種新的選擇。

4 結論

對國內外關于除塵設備及粉塵處理技術文獻的綜合研究和分析得出如下結論。

(1)目前，棉花是我國棉紡業的重要基礎原料，除塵設備研發進度滯后，阻礙了我國紡織產業的數字化轉型與生產過程綠色化，使得我國紡織產業無法達到安全環保、綠色生產的現代化生產要求。

(2)棉花除塵設備及技術研究的基礎是棉塵特性，必須深入剖析不同加工環節的棉塵特性，根據生產流程中不同的除塵要求，選用最合適的除塵方式。

(3)通過研究分析的除塵設備及技術各自優缺點，綜合運用2種或2種以上的設備或技術，采用創新性的組合方式，進行優勢互補，提出復合式除塵技術，從而滿足更高的除塵要求，達到高效除塵的目的。

對棉花生產技術要求的不斷提高，使得棉花加工更加機械化、自動化，在今后的除塵設備研制過程中，應根據多種除塵設備或技術組合的除塵方法，注重提高除塵設備的數字化及自動化水平，以達到智能化、高效率除塵的目的。