霧化除塵技術在治理城市PM2.5中的應用

高 博，曾毅夫，葉明強，劉勝強

（凱天環保科技股份有限公司，長沙 410100）

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霧化除塵技術在治理城市PM2.5中的應用

高 博，曾毅夫，葉明強，劉勝強

（凱天環保科技股份有限公司，長沙 410100）

摘 要：綜述了霧化技術對PM2.5的治理機理及特點，分析了PM2.5治理領域主要霧化技術的應用現狀，指出霧化技術治理PM2.5顆粒物的有效性及對城市PM2.5治理的意義。

關鍵詞：PM2.5；霧化技術；細顆粒物

近年來，我國城市霧霾天氣越來越嚴重，對公眾健康和生活造成了嚴重的影響，PM2.5含量過高是導致霧霾天氣的主要原因。PM2.5污染已成為城市突出的大氣環境問題，城市PM2.5治理刻不容緩。

長期以來，有效治理PM2.5的防塵方法一直是一道難題。目前，濕法除塵在適用環境、壓損、運行費用等方面有明顯優勢，較為通用［1］。而霧化除塵技術又是濕法除塵的重要及有效技術。霧化技術是通過產生1～100μm的超細水霧充分增加與粉塵顆粒的接觸面積，水霧顆粒與粉塵顆粒碰撞并凝聚形成團聚物，團聚物不斷變大變重，直至最后自然沉降，達到消除粉塵的目的；所產生的水霧顆粒中30%～40%粒徑在2.5μm以下，對大氣細微顆粒污染的防治效果明顯。

1 霧化技術治理PM2.5的機理及特點

1.1 霧化技術除塵的機理

在PM2.5除塵抑塵中，當水霧顆粒與塵埃顆粒大小相近時，吸附、過濾、凝結的機率最大。即當空氣中有與PM2.5顆粒大小相近的水霧顆粒時，PM2.5的濃度將會降至最低，這就是霧化除塵技術的應用基本原理。水通過霧化形成顆粒微小、尺寸均勻的液霧，增加液體與粉塵之間的接觸面積，促進粉塵凝變，從而達到降塵的目的。

用具體的數據方面來說，PM2.5是指直徑小于等于2.5微米的顆粒物，而霧化除塵技術是將水珠分解成10微米以下的水霧顆粒，使水霧顆粒與PM2.5在相遇時，水霧顆粒能將PM2.5包裹，進而凝聚成團、降落。

1.2 霧化除塵技術特點

（1）環保

霧化除塵技術使用少量的水就可達到較好的降塵效果，且在整個過程中，無需添加任何化學物質，在保證解決去除PM2.5顆粒時，不會對環境造成其他污染。

（2）大幅降低除塵能耗和運營成本

節能減排、耗水量小，與物料重量比僅0.02%～0.05%，是傳統除塵耗水量的1/100～1/10。同時，使用全自動PLC控制，省去了傳統的風機、除塵器、通風管、噴灑泵房、灑水槍等。其運行、維護費用較低，從而節約了治理成本。

（3）性能高，效果好

霧化除塵技術可針對2.5～10μm以下可吸入肺的粉塵，除塵效果高達96%以上，任何揚塵顆粒均可被密密麻麻的霧滴包圍，沒有逃逸的機會。

2 高壓霧化除塵技術

可應用于PM2.5治理領域具有代表性的霧化技術主要有高壓霧化、介質霧化及超聲波霧化技術。其中高壓霧化及超聲波霧化技術因動力源要求簡單、設備成本等優點，尤其被越來越多的人所關注。

高壓噴霧降塵技術是一種新型降塵技術，其原理是利用高壓泵將水加壓至50～70公斤，經高壓管路送至高壓噴嘴霧化，形成飄飛的水霧，由于水霧顆粒是微米級的，非常細小，能夠吸附空氣中雜質，營造良好清新的空氣，達到降塵、加濕等多重功效。高壓噴霧除塵系統造價低，運行維護成本低，經濟實用，控制系統可實現無人自動控制［2］。

2.1 高壓霧化技術的基本理論

所謂高壓霧化是指在外加能量的作用下，液體在氣體環境中變成液霧或其它小霧滴的物理過程［3］。對于其霧化機理，已經有了多種解釋，如空氣動力干擾說、壓力震蕩說、湍流擾動說、空氣擾動說、邊界條件突變說等。

（1）空氣動力干擾說

Castleman最早提出了空氣動力干擾說，他認為，由于射流與周圍氣體間的氣動干擾作用，使射流表面產生不穩定波動。隨速度增加，不穩定波所作用的表面長度越來越短，直至微米量級，射流即散布成霧狀。

（2）壓力振蕩說

壓力振蕩說是觀察到液體供給技術壓力振蕩對霧化過程有一定影響。由此根據一般噴射技術中普遍存在壓力振蕩，因此認為它對霧化起重要作用。

（3）湍流擾動說

湍流擾動說認為射流霧化過程發生在噴嘴內部，而流體本身的湍流度可能起著重要作用。也有人認為作為湍流管流運動的噴嘴內流體的徑向分速度會在噴嘴出口處立即引起擾動，從而產生霧化。

（4）空氣擾動說

空氣擾動說對湍流擾動說持相反態度，認為噴油技術內穴蝕現象所產生的大振幅壓力擾動是產生霧化的原因。

（5）邊界條件突變說

邊界條件突變說認為噴嘴出口處，液體的邊界條件（內應力）發生突變；或者是層流射流突然失去噴嘴壁面約束，使截面內速度分布驟然改變而產生霧化。

2.2 高壓霧化過程及方法

噴射霧化過程通常分為三個階段：1）液體在噴嘴內部流動階段；2）液體噴出后由液柱分裂為霧滴的階段；3）霧滴在氣體中進一步破碎階段。其中第二階段是主要的，可以用空氣動力干擾說解釋［4］。

高壓霧化主要是靠液體在壓力差作用下產生的高速射流使其得到霧化，其又可細分為直射式、離心式和旋轉式霧化。

直射式霧化和離心式霧化可統稱為壓力霧化。由于直射式主要依液體的噴射達到霧化的目的，因此對液體的要求較高，而且噴孔直徑越大霧化越粗，故噴孔直徑不能太大，流量調節范圍比較小［5］。離心式霧化是利用高壓液體經旋流裝置產生的離心力產生液膜，被空氣破碎而霧化。離心式霧化的效果優于直射式霧化，但是它同樣需要較高壓力。

3 介質霧化技術

介質霧化根據介質不同又可分為蒸氣霧化、空氣霧化，根據霧化方式的不同又分為氣動霧化和氣泡霧化。氣動霧化依靠一定壓力的氣體形成高速氣流，使氣體與液體之間形成很高的相對速度以達到霧化的目的。其優點是可以在較低的供油壓力下獲得良好的霧化效果及霧化質量，并且工作狀況可以在較大的范圍內調節。

氣泡霧化是20 世紀80 年代初由A. H. Lefebvre提出的一種新型氣動霧化方式，其是將壓縮空氣以某種適當的方式注入到液體中，并使兩者在噴嘴混合室內形成穩定的泡狀兩相流動，在離開噴嘴出口極短的距離內由于氣泡內外壓差的劇烈變化，促使其急劇膨脹直至破裂，從而將包裹在其周圍的液膜進一步破碎成為更加細微的液霧顆粒。由于氣泡霧化的耗氣量少、霧化質量高、霧化液滴直徑小，因此比較適合去除PM2.5的工作場合。

4 超聲波霧化技術

超聲波霧化也稱為超聲振蕩霧化，其霧化機理比較復雜，有關人士認為超聲波霧化的原理是：超聲波氣流進入諧振腔產生高頻壓力波，該波傳到液體表面引起振動產生超聲波，由振動振幅所造成的波峰把液滴從表面分離和破碎［6］。隨著超聲波頻率的增加霧化液滴越來越細，一般在超聲波的振動頻率作用下可獲得微米級的霧滴。由于超聲波的霧化性能一般要優于其它霧化方式，其霧化液滴直徑較小（100μm 以下），霧滴的均勻性也比較好，尺寸分布均勻指數為2。因此，超聲波霧化技術在PM2.5的治理方法中得到越來越廣泛關注與重視。

5 霧化除塵技術展望

隨著社會的發展，如不加以控制，PM2.5的濃度勢必越來越高，對人們日常生活的影響也越來越大，甚至引發新的呼吸道、肺部疾病。霧化技術應用于城市PM2.5治理領域已成為一個主要發展方向，除塵效果與霧化質量有著直接聯系。相信通過霧化技術的不斷發展，必然會讓PM2.5遠離人群。

參考文獻：

［1］ 盧鑒章.我國煤礦粉塵防治技術的新進展［J］.煤炭科學技術，1996，24 （7）：1-5.

［2］ 劉鴻，王家驊.超聲波霧化噴嘴的試驗研究［J］.江蘇工業學院學報，2005，17 （1）：32.

［3］ 張安明，郭社科.高壓噴霧的原理及其應用［J］.煤礦安全， 1998（4）：2-5.

［4］ 侯凌云，侯曉春.噴嘴技術手冊［M］.北京：中國石化出版社，2002.

［5］ 冉景煜.漸擴切向槽角度對低壓燃油霧化噴嘴流動特性影響的數值研究［J］.中國電機工程學報，2006，26（1）：46-50.

［6］ 梁榮.超聲波霧化噴嘴的設計［J］.上海有色金屬，2006，27（4）：15-17.

中圖分類號：X701

文獻標志碼：A

文章編號：1006-5377（2016）06-0029-03

Application of Atomization Dust Removal Technology in Treatment of City PM2.5

GAO Bo， ZENG Yi-fu， YE Ming-qiang， LIU Sheng-qiang
（Kaitian Environmental Sciences &Technology Co.， Ltd， Changsha 410100， China）

Abstract：This paper summarizes the treatment mechanism and characteristic of atomization technology in PM2.5， analyzes the application status of the main atomization technology in treatment of PM2.5， and points out that the atomization technology shows the valid in treatment of PM2.5particulate matters and has the significance for urban PM2.5treatment.

Keywords：PM2.5； atomization technology； fine particulate matter