基于微元體優化噴霧壓力和微粒粒徑的除霾效果

陳武,李吉,詹棠森

（景德鎮陶瓷大學信息工程學院，景德鎮，333403）

1 前言

霧霾是霧和霾兩種物質，是一種天氣現象，其區別在于：霧氣中的含水量超過90%的叫做霧，低于80%的叫做霾，80%～90%之間的是霧和霾的混合物；霧的核心物質是水滴，而形成霾的主要物質是空氣中懸浮顆粒，又稱為氣溶膠顆粒。在陶瓷生產中，工廠周邊很容易形成霧霾，如何去除霧霾還一個清亮的空氣，要求陶瓷生產者不斷進行技術創新。空氣中的PM10 和PM2.5 顆粒是目前空氣中主要的可吸入顆粒[1]。

常見的除霾技術為水汽方法。水汽方法常用在工地除塵除霾工作中，是最經濟的除塵除霾方法。該除霾方法也稱為水汽過飽和的核化除霾，其本質是通過噴霧系統生成超微氣-水霧，使水霧與空氣中的霧霾顆粒凝結成10 微米以上的顆粒，然后從空中落到地面上，隨即達到除霾的效果。本文主要對除霾技術問題進行研究，通過水汽微粒與霾結合的動態過程，找到除霾數學模型，并給出除霾效果與水汽微粒之間的相互關系；通過數據進行評估，優化除霾的噴霧壓力和微粒粒徑影響關系。

2 基于體積微元法構建除霾的微元體模型

根據不同噴嘴所噴出的水汽微粒的粒徑的特征建立相應數學模型。根據文獻[2]得出水汽微粒粒徑計算經驗公式為：

其中：為水汽微粒粒徑(μm);k 為比例系數[3]，這里取65;d 為噴嘴孔徑(mm);p 為噴霧壓力（MPa）。

水汽與霾的結合的動態過程主要是超微氣-水霧對霾的捕獲和沉降過程，根據文獻[4]研究表明不同水汽微粒粒徑對不同霾粒徑的處理能力是不同的，其除霾效率也不同。當時間和捕獲長度一定時，霾的沉降量δM=f(A,q,U,C,S,ηg,V)可通過分析得到如下關系式[5]：

式中，δM為單位時間和長度內的除霾量，g/(m·t)；A為捕獲區截面積m2；q 為空間內的含水量m3；U 為水汽微粒與霾的相對速度m/s；C 為霧霾濃度g/m3；S 為水汽微粒截面積m2；ηg為孤立水汽微粒的除霾效率；V 為水汽微粒的體積m3。

假設除霾區為截面積A，長度dx 的立方體，dc 是霾濃度的降低量，則在微元體Adx 內霾單位時間的質量平衡方程為：初始霾量=沉降后的霾量+被沉降的霾量，數學表達式為[5]：

將式（2）帶入式（3）可得：

式中，U=Ud-Ug，其中Ud為水汽微粒的運動速度m/s；Ug為霾隨空氣流動的速度m/s；q=Q/UdAηg其中Q 為水汽體積流量；S 為水微粒截面積，ηg為孤立水汽微粒的除霾效率，即

B0為除霾過程中的截留和擴散作用的常數，ηS為孤立水汽微粒的慣性碰撞捕獲效率[6]即

Kp為霾運動的慣性參數，稱為斯托克斯準數[7]，即

式中，B 為坎寧漢滑動修正系數，dp為霾粒直徑m；ρp為霾粒密度kg/m3；μg為空氣粘度Pa·s；D 為水汽微粒粒徑。

聯立式（5）-（8）得

當僅考慮慣性碰撞機理時，B0=1，B=1 霧霾顆粒堆積密度[8],一般情況下，霾隨空氣流動的速度Ug=1.6m/s，空氣粘度μg=1.8×10^-5Pa·s，經過化簡和修正后的除霾效率為：

式中η 為除霾效率，D 為水汽微粒粒徑，dp為霾粒徑，p 為噴霧壓力。

3 除霾效率與優化參數

為了得到更好的除霾效果，需要找到水汽微粒粒徑、霾粒徑和噴霧壓力之間的關系，分析得到最佳的除霾效率，驗證除霾效果的良好性。本文以霾粒徑dp 為橫坐標，除霾效率為縱坐標，根據上式（9）分別計算了當水汽微粒直徑D=10,20,30,40μm 時的除霾效率并繪制出如下圖所示的除霾效率曲線，通過改變噴霧壓力P（1-10MPa），得到不同水汽微粒粒徑對不同粒徑霾的去除效率。

由圖1（a）可知，當水汽微粒粒徑為10μm 時，對粒徑為1μm 以上的霾，噴霧壓力在2MPa 以上時，除霾效果均超過95%。圖2(b)中為20μm 粒徑的水汽微粒若要去除1μm 以上的霾并使降塵效率達到90%，噴霧壓力要達到6MPa 以上；根據圖2(c)所示，水汽微粒粒徑為30μm，針對5μm 粒徑以上的霾，要想達到90%以上的除霾率，用7MPa 以上的噴霧壓力；圖2（d）對粒徑為40μm 的水汽微粒，使用10MPa 的水壓進行除霾時，其除霾率最高達到78%。因此，當噴霧壓力在8-9MPa 左右水汽微粒粒徑在10-20μm 時除霾效率最好。

圖1 不同水汽微粒粒徑對不同粒徑霾的去除效率

有研究[10]表明PM2.5（粒徑小于或等于2.5μm 的顆粒物）或氣溶膠污染是霧霾的根本成因。因此降低PM2.5和PM10 的濃度是應對霧霾污染、改善空氣質量的首要任務。基于以上分析，通過式（9）可以得到如下表1 所示的在關鍵水汽微粒特征下的除PM2.5 效率和除PM10 的效率。

表1 關鍵水汽微粒特征下的除霾(PM2.5、PM10)效率

從表中效率數據可知，為了獲得更好的除霾效果，應該使用8MPa 以上的噴霧壓力，這樣水汽微粒與霾的結合度會更好，且結合速率也更快，對PM2.5 的去除率可達到95%以上，去除PM10 的效率可以達到85%以上。本模型的除霾PM2.5 的效率遠高于文[11]中新型濕式除霾器的最大效率82.35%。

4 結果分析

本文中采用水汽微粒粒徑計算經驗公式（1）通過控制變量的方法，得到不同噴嘴孔徑和噴霧壓力對于噴出水汽微粒粒徑的影響。文中通過建立優化微體模型，得到水汽微粒粒徑、霾粒徑、噴霧壓力和除霾效率之間的關系式，并分析得到在最佳的噴霧壓力下，除霾效率最好。利用模型對數據進行分析，并得到相應的除霾效率。噴霧壓力8MPa 以上，對PM2.5 的平均去除率可達到95%以上，而對PM10 的去除率也達到了85%以上。而對于一些霧霾污染較輕的地區或城市，可采用低壓的除霾方式，這樣不僅能達到節約能源和成本的目的，更能達到最佳的除霾效果。實例表明：本模型為除霾過程提供了良好的參數關系，驗證了模型的準確性。