探讨超声波雾化除尘的可行性

摘要：超声波雾化是一种新型的雾化技术, 能够有效地捕集微细粒子, 此技术在捕集可吸入颗粒方面有广阔的应用前景。因此, 加快对该技术的研究应用, 符合我国的环境保护政策。本文首先介绍了超声波雾化除尘的原理，进而对超声波雾化除尘效率进行了阐述，最后探讨了超声波雾化除尘的优点，以供同行参考。

关键词：超声波，雾化除尘，可行性

中图分类号： TG234.6 文献标识码： A

前言

灰尘超声波雾化技术并不需要将含尘气流抽出后再加以处理，但直接抑制尘埃的产尘点，避免了除尘因素的影响。同时，由于细滴，用水量少，抑制尘埃的材料加湿只有0.1％〜0.5％，因此无法影响工艺流程。除了具有简化尘管理工作、抑尘技术无需清灰，避免了二次污染，从而改善了除尘管理人员的工作条件、抑尘系统占据空间很少，可节省厂房内有效空间，降低基建投资、抑尘系统不需要风机、除尘器和通风管道，比一般除尘系统节省30% ～ 50% 投资，安装时间可减少70%、与一般除尘器相比，抑尘技术可节省50%能耗，大幅度降低除尘运营成本等优点。

1、超声波雾化除尘的原理

超声波雾化技术是八十年代开发出一种新的除尘技术。其原理是应用压缩空气腔的影响产生超声波，超声波把水雾化成直径只有1〜50μm的微细液滴，液滴尘埃局限在本地生产的捕获点，凝聚细小的灰尘，使尘埃落定迅速下降到，实现本地除尘。

图1 超声雾化除尘原理图

超声雾化捕尘器和其他许多除尘技术一样也需要水，但是超生雾化有着与众不同的特点。其基本原理主要有空气动力学原理。

1.1空气动力学原理

根据空气动力学的原理，含尘气流绕过液滴，由于惯性流液滴周围的尘埃粒子相撞的偏差被捕获，即通过惯性碰撞，拦截尘埃微粒和液滴，从而实现捕获，捕捉是一个与液滴直径有关的过程。雾滴大时, 尘粒仅仅是随绕流绕过雾滴而未被捕集。雾滴与尘粒粒径相近时, 更容易与尘粒相撞而捕集到粉尘。超声波雾化正是应用这一原理产生微细粉尘粒径相近的雾滴来捕集粉尘。具体的见机理图2

雾滴捕集粉尘机理

1.2水雾活塞原理

图2水雾活塞示意图

1.3 微观“云”物理学原理

微观“云”物理学原理, 又称为蒸汽相变团聚机理。超声波雾化机理主要涉及到捕获的尘埃云形成的微观背景知识，云微物理特征核理论，增长理论，云滴的凝结，沉淀宏观特征和动力学特性等。图3为微观云物理学的降水过程图。核化理论是超声波雾化除尘所涉及到的主要的微观云物理学知识, 而所涉及的过程主要是图3的前半部分, 即水蒸气+凝结核=极微细液固滴(凝结核表面形成超薄的水膜) 的过程。一般温度条件下, 气态水变为液态水的过程, 必须要核的帮助。核的来源广泛, 但并不是任何固体微粒都能起到核的作用。即使那些能起到核作用的固体微粒, 也必须尺度较小, 能较长时间悬浮在空中。可吸入颗粒物的粒径小于10um , 满足微观云物理学上“核”的要求。

当超声波水雾喷入灰尘空间时，因为墨滴的大小是小的，可以在很短的一段时间内蒸发，喷雾区域水蒸汽迅速饱，过饱和的水蒸汽凝结在尘土中的大量的灰尘颗粒，悬浮在区域上，此后就开始了凝聚和并合的微物理过程。这主要是由于水的相变和云滴形成所导致的温度、 浓度变化, 加之喷雾流引起的含尘空气运动, 使携带着粉尘粒子的云滴和其它水雾粒子相互碰撞、凝并进而增重下沉, 形成“雨” 降落下来。另外由于水蒸气在呼吸性粉尘表面的凝结, 不仅改善了粉尘的亲水性能, 而且也增大了粉尘的体积与重量, 这都对粉尘捕集起着促进作用。这种机理对抑制亚微米及微米级的粉尘特别有效。

图3微观云物理学的降水过程示意图

1.4 捕集水雾的凝并沉降

对于微细水雾捕集呼吸性粉尘, 灰尘和薄雾由于有非常小的颗粒尺寸, 而且呼吸性粉尘一般润湿性很差, 这样的常规方法是难以实现高效率捕集的, 有必要使用某些措施，以提高碰撞的概率，使颗粒凝固成较大的颗粒，从而有利于实现沉降分离。根据悬浮颗粒相互接触所需条件来看, 颗粒间一般通过以下多种途径发生凝并,如冷凝凝并、 动力凝并与沉降等。

冷凝凝并。微细水雾捕尘机理表明, 水蒸气冷凝要以悬浮粒子为核, 且冷凝作用的发生还会造成捕尘空间中温度与浓度的不均匀变化, 这都为粒子的沉降创造了条件。冷凝是一种多方面凝并机理并存的综合作用过程, 主要包括水蒸气凝结和浓度梯度、温度梯度凝并。

动力凝并与沉降。动力凝并是指依靠外力作用, 使含尘区内各种粒子相互并和的过程。在含尘空间中喷射水雾, 捕集尘粒, 正是对这种动力凝并机理的应用。在这种情况下, 水滴或是依靠惯性力, 或是依靠自重力、 扩散力等与含尘区内的粉尘粒子相互凝并。

2、超声波雾化除尘效率

当水雾粒具有一定运动速度时, 水雾粒是通过惯性碰撞机理、拦截捕尘机理、布朗扩散机理的综合作用来降尘的。雾化除尘效率为:

根据卡尔弗特提出碰撞捕集效率计算公式:

从以上两式可看出: 液滴直径越小, 则斯托克斯准数就越大, 惯性碰撞的捕集效率就越高尘粒的密度和粒度越大, 气液相对速度越高。另一方面, 水雾粒数越高, 雾化除尘的效率就越高。水雾粒数从宏观的角度可以用液气比。

对CW 型超声雾化器除尘效率进行测定。测定在实验风管中进行, 发尘粒径是为3 Lm 的Al2O3 标准粒子, 用滤膜称重法测尘, 在雾化器前后等动力采样, 万分之一天平称重。测定结果见图4。

图4发尘质量浓度对除尘效率的影响

另外,采样流量Q= 20 L/ min, 采样时间t= 2 min 的条件下, 测定系统的除尘效率, 结果见图5。

图5汽水比对除尘效率的影响

由图5可见, 超声雾化除尘系统在较小的汽水比范围内除尘效率已超过90%, 与传统的喷雾相比汽水比小10 倍以上, 这说明超声雾化除尘系统用水量很少。

3、超声波雾化除尘技术的优点

3.1 节省用水量。超声波雾化除尘用水量大大减少, 只需传统湿式除尘用水量的0. 1%, 甚至更小。由于雾化效果好, 水的利用率大大提高。与此同时, 需处理的出水量也少, 对环境的后续影响较小。

3.2 后续处理。由于用水量少, 捕集沉降下来的粉尘以类似“泥饼”形式存在, 故后续处理设备简单, 易于处理和运输。

3.3 微细水雾有利于呼吸性粉尘的捕集。传统湿式除尘技术由于其产生的液滴粒径较大, 许多亚微米级的呼吸性粉尘没能很好地被拦截和捕集而直接排放到大气中去, 效果不理想。而超声波雾化除尘技术能很好地解决上述问题。经超声波雾化除尘后, 呼吸性粉尘的捕集效率由原来的35%上升到80%以上。

3.4 节省运行成本。由于用水量较少, 系统的配套设施如水泵、管道等, 也可以选择小型的, 节省了厂房内的有效空间, 降低基建投资。超声波雾化除尘系统的压力损失小, 与一般除尘器相比, 此捕尘技术可节约1/ 2 能耗, 大幅度降低除尘运营成本, 节省投资。另外, 安装成本低, 捕尘性能稳定可靠, 维修量小, 维修费用低。虽然初期需增加超声波雾化设备的投资, 但从长远来说, 却能节省项目的整体费用。

结语

超声波雾化技术对于可吸入颗粒物具有良好的捕集效果, 与传统喷淋除尘技术相比, 效率由35 % 提高至80 % 以上, 另外, 具有用水量小(传统用水量的0.1% )、后续处理简单等优点,在可吸入颗粒物控制技术方面具有广泛的应用前景。

参考文献

[1] 张小艳, 王小文. 超声雾化性能的试验研究与回归分析. 工业安全与环保, 2002, 28( 2) : 8- 13.

[2] 徐立成, 孙和平. 超声雾化抑尘器及其应用. 工业安全与防尘,1995, 21( 5) : 13- 15.

[3] 张小艳. 微细水雾除尘系统设计及试验研究. 工业安全与环保,2001, 27( 8) : 1- 4.