微米級噴霧抑塵系統(tǒng)的原理

謝國強 劉正強

摘 要：微米級噴霧抑塵技術(shù)是專門用來粉塵治理的一項技術(shù)，經(jīng)過近些年的應(yīng)用和發(fā)展，技術(shù)逐漸成熟，在我國也得到廣泛的應(yīng)用和推廣。就目前而言，微米級噴霧抑塵系統(tǒng)大多應(yīng)用在港口、鋼鐵、礦場、化工、火電等場所，具有占地小、設(shè)備投入小、運行費用低、操作簡便等優(yōu)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(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能特點、裝置設(shè)備等進行分析，對高壓噴霧的荷電效應(yīng)進行探討，以此對微米級噴霧抑塵系統(tǒng)的原理進行研究。

關(guān)鍵詞：微米級 噴霧抑塵系統(tǒng) 原理 因素

中圖分類號：TM621 文獻標(biāo)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(yè)都有廣泛應(yīng)用，包括電廠大型噴霧燃料鍋爐、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)噴霧殺蟲、醫(yī)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(shè)備是利用噴嘴把液體霧化成霧滴群。在這個過程中，連續(xù)液體由于自身存在動能，或者和高速氣體介質(zhì)產(chǎn)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(xiàn)階段能夠?qū)崿F(xiàn)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(zhì)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(chǔ)，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(fā)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(fā)生碰觸，慣性作用導(dǎo)致其無法沿著氣體流線繞過去，而發(fā)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(guān)系。

1.1.3 截留

以慣性碰撞理論為基礎(chǔ)，認定其機理是塵粒僅僅具有大小之分，而無質(zhì)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(fā)生不規(guī)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(dāng)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(shù)、粉塵電荷量等有直接關(guān)系。

1.2 噴霧抑塵效率的影響因素

通過調(diào)查，分析發(fā)現(xiàn)，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(guān)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(guān)系，如果水量一致，霧滴的尺寸、數(shù)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(fēng)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(shù)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

微米級噴霧抑塵技術(shù)實際上包括諸多精密技術(shù)，比如計算機控制、精密機械加工、空氣動力學(xué)及超音波振蕩技術(shù)等，整套裝置結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)信號，經(jīng)過一系列運算處理之后，根據(jù)原本設(shè)定的程序?qū)Χ喙δ軉卧八畾馓幚韱卧M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(wǎng)實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)信號通信，并可以實現(xiàn)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(fā)來的各種控制指令，從而對電動元件、氣動元件、執(zhí)行機構(gòu)等設(shè)備進行控制，達到系統(tǒng)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(xiàn)場對各環(huán)節(jié)的運行狀況進行查看，可以實現(xiàn)穩(wěn)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(fā)出的各種控制指令，利用增壓、穩(wěn)壓、過濾以及凈化等手段，輸出符合系統(tǒng)所需的水源與氣源及反饋給邏輯控制單元各種狀態(tài)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(chǎn)生細小的霧化顆粒，從出口噴出，形成霧陣，吸附粉塵，從而產(chǎn)生高效的抑塵效果。

（5）信號采集單元：利用繼電器對現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)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(xiàn)場各類數(shù)據(jù)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(jīng)過邏輯控制單元一系列運算處理之后，完成系統(tǒng)的閉環(huán)運行。

2.2 系統(tǒng)功能及特點

微米級噴霧抑塵技術(shù)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?。簝H為傳統(tǒng)水霧除塵用水量的1/8；

（3）對物料濕度影響?。何锪蠞穸仍黾又亓勘?.02%～0.05%；

（4）避免二次污染：粉塵與氣霧凝結(jié)后直接回到物料中，無需專門處理；

（5）延長設(shè)備使用壽命：減緩設(shè)備的磨損和老化。

微米級噴霧抑塵技術(shù)特點包括以下幾個方面：

（1）集成自動化控制，真正實現(xiàn)無人值守；

（2）采用人機界面，操作直觀簡單；

（3）具有網(wǎng)絡(luò)通訊功能，實現(xiàn)分布式控制；

（4）獨特的自恒溫技術(shù)，適用于冰點以下環(huán)境；

（5）全自動多級過濾技術(shù)，適用于水質(zhì)較差的場合；

（6）特制的卷放裝置，實現(xiàn)移動設(shè)備的跟蹤抑塵；

（7）采用工業(yè)級設(shè)計，具有良好的防腐、防水、防塵效果。

2.3 裝置設(shè)備

2.3.1 系統(tǒng)描述

微米級噴霧抑塵系統(tǒng)大部分設(shè)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(tǒng)管路的連接除和設(shè)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(tǒng)用水水質(zhì)，在現(xiàn)場提供的水管接口處進行自動過濾設(shè)備的安裝。自動過濾裝置根據(jù)進出水口的壓差信號，自動把附著在濾網(wǎng)上的雜質(zhì)清理掉，完成系統(tǒng)自動排污工作，在排污時，不影響系統(tǒng)用水量。水路管道上安裝管道流量計，記錄系統(tǒng)用水情況。管道流量計可以顯示瞬時流量，并記錄系統(tǒng)用水的累計流量。經(jīng)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(jīng)過干霧機內(nèi)部的分配，將水和氣通過管路輸送到現(xiàn)場的各抑塵點處。

2.3.2 關(guān)鍵設(shè)備

微米級噴霧抑塵系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備包括以下幾種：

（1）微米級干霧機是系統(tǒng)的控制關(guān)鍵，系統(tǒng)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(tǒng)中的水、氣分別輸送到抑塵點；另一方面還能對系統(tǒng)的水壓、氣壓、水流量及氣流量等進行實時控制、調(diào)整及設(shè)定，確保系統(tǒng)始終處于最佳工作狀態(tài)；

（2）霧化噴嘴的材質(zhì)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(shè)備高頻震蕩，把霧化的液滴進行二次霧化，從而產(chǎn)生更小的霧化顆粒。萬向節(jié)霧化噴嘴接收由水氣分配器輸送來的氣、水后，將其轉(zhuǎn)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(wěn)定可靠，而且節(jié)能靜音、外形美觀、操作方便以及維護簡單等優(yōu)點；

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

2.3.3 電氣控制系統(tǒng)

微米級干霧機設(shè)置專門的手動/自動切換開關(guān)，還配備了遠程控制功能。進入系統(tǒng)前需要密碼確認。設(shè)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(tǒng)故障，發(fā)生嚴(yán)重故障時，切斷相應(yīng)部分電源，防止故障擴大。PLC控制系統(tǒng)預(yù)留部分?jǐn)U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(tǒng)提供滿足微米級噴霧抑塵啟停、安全監(jiān)視和經(jīng)濟運行所需的監(jiān)控系統(tǒng)，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(jiān)控采用PLC裝置；監(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)既能自動控制，又能手動控制；控制系統(tǒng)有足夠的富裕度，單一故障不能引起整個系統(tǒng)故障，也不能引起微米級噴霧抑塵系統(tǒng)保護的誤動或拒動。

2.3.5 可編程控制器

系統(tǒng)中所有模件為插接式的，便于更換。系統(tǒng)中任一模件的故障不影響其他模件的運行。系統(tǒng)中設(shè)置自診斷功能，診斷至I/O模件級，以便在程控系統(tǒng)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(shè)置足夠容量的存儲器，并預(yù)留40%的備用量；

（2）輸入/輸出（I/O）模件，系統(tǒng)內(nèi)所有模件均為固態(tài)電路、標(biāo)準(zhǔn)化、模件化、插接式結(jié)構(gòu)。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(nèi)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(tài)，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(shù)在監(jiān)視邏輯狀態(tài)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(nèi)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(chǎn)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(shè)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(tǒng)的原理

干霧抑塵裝置是利用干霧噴霧器產(chǎn)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(jié)、聚結(jié)增大，并在自身重力作用下沉降。粉塵可以通過水粘結(jié)而聚結(jié)增大，但那些最細小的粉塵只有當(dāng)水滴很?。ㄈ绺伸F）或加入化學(xué)劑（如表面活性劑）減小水表面張力時才會聚結(jié)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(jié)一起。水霧顆粒越小，聚結(jié)機率越大，聚結(jié)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(qū)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(fā)生點，粉塵聚結(jié)而墜落，達到抑塵目的。

4 結(jié)語

綜上所述，微米級噴霧抑塵系統(tǒng)的應(yīng)用可以發(fā)揮抑制粉塵、凈化空氣的重要作用，特別適用于工作空氣環(huán)境比較惡劣的火力發(fā)電、原料廠、翻車機系統(tǒng)等，該文對微米級噴霧抑塵系統(tǒng)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(shù)、設(shè)備、方式、特點等進行探討，以期對于微米級噴霧抑塵系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用起到一定的推進作用。

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