微米级喷雾抑尘系统的原理

谢国强 刘正强

摘 要：微米级喷雾抑尘技术是专门用来粉尘治理的一项技术，经过近些年的应用和发展，技术逐渐成熟，在我国也得到广泛的应用和推广。就目前而言，微米级喷雾抑尘系统大多应用在港口、钢铁、矿场、化工、火电等场所，具有占地小、设备投入小、运行费用低、操作简便等优点。该文首先对喷雾抑尘的机理及其影响因素进行研究，对微米级喷雾抑尘系统的系统结构、功能特点、装置设备等进行分析，对高压喷雾的荷电效应进行探讨，以此对微米级喷雾抑尘系统的原理进行研究。

关键词：微米级 喷雾抑尘系统 原理 因素

中图分类号：TM621 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）10（a）-0124-02

1 喷雾抑尘的机理及其影响因素

1.1 喷雾抑尘的机理

喷雾抑尘在诸多行业都有广泛应用，包括电厂大型喷雾燃料锅炉、农业生产喷雾杀虫、医用喷雾剂等，都离不开喷雾抑尘的重要作用，其中大部分雾化设备是利用喷嘴把液体雾化成雾滴群。在这个过程中，连续液体由于自身存在动能，或者和高速气体介质产生接触摩擦，或者因为外部施加的动能，破碎成具有一定直径的雾滴，现阶段能够实现雾化的形式较多，因此喷雾抑尘的机理也不尽相同，然而其物理实质却存在一定的类似，大体可以分为射流破碎和液膜破碎两种。这个过程之后，液体雾化把大块液体分成小雾滴，以此为基础，完成喷雾抑尘的作用。喷雾抑尘的机理总体而言涉及到以下几个方面，具体如下。

1.1.1 重力降尘

气流不断运动，粒径和密度较大的尘粒会由于重力作用而发生自然沉降，具体会受到尘粒大小、密度及气体流速等的影响。

1.1.2 惯性碰撞

尘粒在不断运动中和雾滴发生碰触，惯性作用导致其无法沿着气体流线绕过去，而发生碰撞，因此被雾滴捕集，其效率与气体速度、运动轨迹、附着能力有直接关系。

1.1.3 截留

以惯性碰撞理论为基础，认定其机理是尘粒仅仅具有大小之分，而无质量之分，所以尘粒会随着气体流线绕过雾滴，假如流线上尘粒和水滴表面之间的距离不大于粉尘半径，尘粒则会被截留附着。

1.1.4 扩散

如果含尘气流中粉尘粒径不大于2μm，尘粒会跟随气流运动而无法按照惯性碰撞和截留机理，因为气体分子热运动而发生不规则运动，气体分子撞击粉尘颗粒而使其扩散，让粉尘颗粒相当均匀地分布于气体空间。

1.1.5 静电捕集

静电捕集是存在大量带电荷的雾粒，通过电荷之间库仑力而捕集粉尘，其作用效率和粉尘介电常数、粉尘电荷量等有直接关系。

1.2 喷雾抑尘效率的影响因素

通过调查，分析发现，喷雾抑尘效率的影响因素包括以下几个方面：

（1）粉尘和雾滴的相对速度。

粉尘与雾滴的相对速度和碰撞时动量有直接关系，可以解决液体表面张力问题，如果水雾粒径超过0.1 mm，则水粒速度超过30 m/s，2μm的尘粒降尘率大约是55%。

（2）雾滴粒径。

喷雾雾滴粒径大小和喷雾抑尘效率有直接关系，如果水量一致，雾滴的尺寸、数量、表面积等对效率的影响很大。

（3）润湿性。

润湿性好，则亲水粒子能够快速被液体补集体收集，效率要比碰撞、截留以及扩散高很多，可以针对较难润湿的粉尘，通过增添润湿剂的方法，减小其表面张力，从而促进除尘效率的提升。

（4）耗水量。

含尘空气的耗水量和喷雾抑尘效率成正比。

（5）液体黏度和粉尘密度。

液体的黏度越大，喷雾抑尘的效率越低，粉尘密度越大，则喷雾抑尘效率越高。

（6）其他。

除此之外，还包括水雾作用范围、雾化效果、喷雾器安装位置、空气参与雾化作用的量、通风措施、粉尘浓度、带电性等对喷雾抑尘效率有一定的影响。

2 微米级喷雾抑尘技术

2.1 系统结构

微米级喷雾抑尘技术实际上包括诸多精密技术，比如计算机控制、精密机械加工、空气动力学及超音波振荡技术等，整套装置结构包括逻辑控制单元、多功能单元、水气处理单元、信号采集单元及气雾输出单元等。

（1）逻辑控制单元：逻辑控制单元主要是接受水气处理单元和信号采集单元的各种各样的数据信号，经过一系列运算处理之后，根据原本设定的程序对多功能单元及水气处理单元进行控制，这类单元各部分都是采用人机对话的方式，利用以太网实现系统内信号通信，并可以实现远程控制。

（2）多功能单元：多功能单元主要是接收逻辑控制单元发来的各种控制指令，从而对电动元件、气动元件、执行机构等设备进行控制，达到系统所需的水、气流量及压力，继而输送到各个气雾输出单元。此单元配备各类仪表，能够方便地在现场对各环节的运行状况进行查看，可以实现稳压、分流、分压、反吹等功能。

（3）水气处理单元：水气处理单元主要是接收从逻辑控制单元发出的各种控制指令，利用增压、稳压、过滤以及净化等手段，输出符合系统所需的水源与气源及反馈给逻辑控制单元各种状态信号。

（4）气雾输出单元：气雾输出单元主要是接收多功能单元输送的水气源，水源与气源混合，产生细小的雾化颗粒，从出口喷出，形成雾阵，吸附粉尘，从而产生高效的抑尘效果。

（5）信号采集单元：利用继电器对现场设备的状态信号进行收集，比如启动、运行、停止、故障及报警等，利用传感器采集现场各类数据信号，比如压力、温度、流量、电压以及电流等，并将信号反馈至逻辑控制单元，经过逻辑控制单元一系列运算处理之后，完成系统的闭环运行。

2.2 系统功能及特点

微米级喷雾抑尘技术功能包括以下几个方面：

（1）抑尘效率高：针对10 μm以下的可吸入粉尘治理效果高达97%；

（2）耗水量小：仅为传统水雾除尘用水量的1/8；

（3）对物料湿度影响小：物料湿度增加重量比0.02%～0.05%；

（4）避免二次污染：粉尘与气雾凝结后直接回到物料中，无需专门处理；

（5）延长设备使用寿命：减缓设备的磨损和老化。

微米级喷雾抑尘技术特点包括以下几个方面：

（1）集成自动化控制，真正实现无人值守；

（2）采用人机界面，操作直观简单；

（3）具有网络通讯功能，实现分布式控制；

（4）独特的自恒温技术，适用于冰点以下环境；

（5）全自动多级过滤技术，适用于水质较差的场合；

（6）特制的卷放装置，实现移动设备的跟踪抑尘；

（7）采用工业级设计，具有良好的防腐、防水、防尘效果。

2.3 装置设备

2.3.1 系统描述

微米级喷雾抑尘系统大部分设备安装于干雾间，气源通过空气压缩机供给，空气压缩机选择微油式空气压缩机。螺杆空压机出气口连接气路过滤器，气路过滤器连接储气罐，选择法兰连接的方式。整个系统管路的连接除和设备连接采用法兰连接外，管路之间的连接采用焊接方式。为确保系统用水水质，在现场提供的水管接口处进行自动过滤设备的安装。自动过滤装置根据进出水口的压差信号，自动把附着在滤网上的杂质清理掉，完成系统自动排污工作，在排污时，不影响系统用水量。水路管道上安装管道流量计，记录系统用水情况。管道流量计可以显示瞬时流量，并记录系统用水的累计流量。经过储气罐的压缩空气和自动过滤装置处理的水，直接进入微米级干雾机，经过干雾机内部的分配，将水和气通过管路输送到现场的各抑尘点处。

2.3.2 关键设备

微米级喷雾抑尘系统的关键设备包括以下几种：

（1）微米级干雾机是系统的控制关键，系统集成了各种各样的传感器、阀体及仪表等，通过微米级干雾机，一方面能把系统中的水、气分别输送到抑尘点；另一方面还能对系统的水压、气压、水流量及气流量等进行实时控制、调整及设定，确保系统始终处于最佳工作状态；

（2）雾化喷嘴的材质选择不锈钢，通过流体高速撞击金属的能量，使喷嘴前端的独特设备高频震荡，把雾化的液滴进行二次雾化，从而产生更小的雾化颗粒。万向节雾化喷嘴接收由水气分配器输送来的气、水后，将其转化成水滴直径为1～10μm的干雾，按微米级干雾机的控制指令喷向抑尘点；

（3）空气压缩机，比如螺杆式空压机等具有运行灵活、工作稳定可靠，而且节能静音、外形美观、操作方便以及维护简单等优点；

（4）除此之外，还包括电伴热系统、水箱以及储气罐等，都是微米级喷雾抑尘系统必不可少的关键设备。

2.3.3 电气控制系统

微米级干雾机设置专门的手动/自动切换开关，还配备了远程控制功能。进入系统前需要密码确认。设备具有自诊断功能，能显示故障信息并进行报警，故障信息通过接点输出，单一故障不会引起整个系统故障，发生严重故障时，切断相应部分电源，防止故障扩大。PLC控制系统预留部分扩容输入输出接口，并留有编程接口，方便以后的升级改造。

2.3.4 仪表及控制

微米级喷雾抑尘系统提供满足微米级喷雾抑尘启停、安全监视和经济运行所需的监控系统，比如仪表、一次检测元件或传感器、显示及控制用的操作面板等。微米级喷雾抑尘监控采用PLC装置；监控系统具有诊断功能；控制柜的高压控制采用脉冲控制；低压电源控制的系统既能自动控制，又能手动控制；控制系统有足够的富裕度，单一故障不能引起整个系统故障，也不能引起微米级喷雾抑尘系统保护的误动或拒动。

2.3.5 可编程控制器

系统中所有模件为插接式的，便于更换。系统中任一模件的故障不影响其他模件的运行。系统中设置自诊断功能，诊断至I/O模件级，以便在程控系统故障时，给出LED自诊断故障显示和音响报警。

（1）中央处理单元（CPU），为确保远程控装置安全、可靠、高效地运行，处理器设置足够容量的存储器，并预留40%的备用量；

（2）输入/输出（I/O）模件，系统内所有模件均为固态电路、标准化、模件化、插接式结构。能更换所有的I/O模件，而不用改变盘/柜与其它的连接线。机柜内提供I/O总量的10%为备用，同时在插槽上还有扩充15%I/O模件的空间；

（3）编程和组态，程控逻辑采用逻辑图或梯形图格式进行编程，采用的编程技术在监视逻辑状态方面具有最大的清晰度，并具有操作的灵活性和修改程序的方便性，所有程控逻辑均在可编程控器内完成。

2.4 微米级喷雾抑尘的方式

微米级喷雾抑尘的方式包括以下两种：一种是双流体水气混合体方式，也称为干雾除尘；另一种是单流体方式。单流体和双流体喷雾的方式都可以喷出3～20μm的细微雾滴颗粒，从而产生极强的吸附作用。

2.5 微米级喷雾特点

（1）因为水雾颗粒是3～10μm，因此在除尘点位置上形成浓密的雾池，具有很高的除尘效率，耗水量小，物料湿度增加重量比不大于1%，无二次污染；

（2）在起尘点进行粉尘治理，减小粉尘爆炸的概率，继而减少消防设备投入；

（3）占地面积比较小，且安装操作简便，全自动控制方式。

3 微米级喷雾抑尘系统的原理

干雾抑尘装置是利用干雾喷雾器产生的10 ?m以下的微细水雾颗粒（直径10 ?m以下的雾称干雾），使粉尘颗粒相互粘结、聚结增大，并在自身重力作用下沉降。粉尘可以通过水粘结而聚结增大，但那些最细小的粉尘只有当水滴很小（如干雾）或加入化学剂（如表面活性剂）减小水表面张力时才会聚结成团。如果水雾颗粒直径大于粉尘颗粒，那么粉尘仅随水雾颗粒周围气流而运动，水雾颗粒和粉尘颗粒接触很少或根本没有机会接触，则达不到抑尘作用；如果水雾颗粒与粉尘颗粒大小接近，粉尘颗粒随气流运动时就会与水雾颗粒碰撞、接触而粘结一起。水雾颗粒越小，聚结机率越大，聚结的粉尘团变大加重，于是很容易降落。水雾对粉尘的“过滤”作用就形成了。

微米级干雾抑尘装置是由压缩空气驱动的声波震荡器，通过高频声波将水高度雾化，“爆炸”成上千上万个1～10?m大小的水雾颗粒，其中小方格大小大约是2 ?m。压缩气流通过喷头共振室将水雾颗粒以柔软低速的雾状方式喷射到粉尘发生点，粉尘聚结而坠落，达到抑尘目的。

4 结语

综上所述，微米级喷雾抑尘系统的应用可以发挥抑制粉尘、净化空气的重要作用，特别适用于工作空气环境比较恶劣的火力发电、原料厂、翻车机系统等，该文对微米级喷雾抑尘系统的原理进行研究，从喷雾抑尘的机理为突破点，对微米级喷雾抑尘技术、设备、方式、特点等进行探讨，以期对于微米级喷雾抑尘系统的广泛应用起到一定的推进作用。

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