煤烟型PM2.5冷凝湿式除尘器的创意设计

【摘 要】针对煤烟型pm2.5除尘技术问题，进行了一种新型冷凝湿式除尘器的创意设计.该除尘器首先对含PM2.5烟气进行冷凝，使PM2.5在饱和态高温烟气降温过程中，以PM2.5为凝结核进行凝结，形成以PM2.5为凝结核的小水滴.然后以PM2.5为凝结核的小水滴与水介质进行惯性碰撞，进行捕捉，最终实现水对PM2.5的除尘。

【关键词】PM2.5；湿式除尘器；煤烟型；创意设计

0 前言

PM2.5即细颗粒物，指环境空气中空气动力学当量直径小于等于 2.5 微米的颗粒物。PM2.5粒径小，面积大，活性强，易附带有毒、有害物质（例如，重金属、微生物等），且在大气中的停留时间长、输送距离远，对人体健康和大气环境质量造成很大影响[1]。煤烟型PM2.5是我国细颗粒污染的重要因素之一，也是我国雾霾天气污染的重要原因，对国家的环境保护、经济发展及国家政治发展带来了沉重负担和挑战。现阶段，应用比较广泛的高效除尘设备主要有电除尘器和袋除尘器和湿式除尘器等。这些传统的除尘器对直径10微米以上的颗粒物除尘效率可以达到95%以上，但对PM2.5的除尘效果较差，造成PM2.5的大量排放。目前，煤烟型PM2.5的治理已成为我国一项重要的政治经济工作任务，开发一套经济、实用、可广泛推广的有效降低PM2.5排放的新技术、新设备迫在眉睫。

1 煤烟型PM2.5冷凝湿式除尘器的设计思路

煤烟型PM2.5冷凝湿式除尘器采用冷凝-湿式除尘相结合的除尘思路。首先，对烟气进行冷凝，使PM2.5在饱和态高温烟气降温过程中，以PM2.5为凝结核进行凝结，改变PM2.5的极性，形成以PM2.5为凝结核的小水滴。然后，进入湿式除尘过程，利用以PM2.5为凝结核的小水滴与水介质进行惯性碰撞，进行捕捉。利用同极性相吸、同质相溶的性质，最终实现水对PM2.5的除尘。在此理论构思的基础上，开展煤烟型PM2.5冷凝湿式除尘器的创意设计。

2 煤烟型PM2.5冷凝湿式除尘器的结构设计

煤烟型PM2.5冷凝湿式除尘器的结构主要由PM2.5凝聚器和水环式除尘器两部分组成，如图1所示。其中，PM2.5凝聚器包括1烟气管道、2喷水装置、3文丘里收缩管、4文丘里喉管（文丘里喉管是由无数根细长金属管束构成，在管束四周充有冷却水）、5文丘里扩散管、6连接风管，水环式除尘器包括7水环泵泵体、8水环泵叶轮、9水环、10水环泵进气区、11水环泵气体压缩区、12水环泵排气区。

3 煤烟型PM2.5冷凝湿式除尘器的工作原理

煤烟型PM2.5主要成分包括煤炭灰分矿物细颗粒物[2]、重金属气化细颗粒物[3]、未燃烬炭细颗粒物[4]以及SOx、NOx细颗粒物前体物[5]等。其中，煤炭灰分矿物细颗粒物、重金属气化细颗粒物等具有较好的亲水性，易于被水捕捉；未燃烬炭细颗粒物具有疏水性，难以被水捕捉。本设计中，在雾化进水里添加有亲水-疏水双极活化剂。当活化剂与疏水的细颗粒物接触时，首先疏水极与疏水的细颗粒物相结合，然后亲水极再与水相结合，从而实现水对未燃烬炭细颗粒物的捕捉。在水环泵用水中添加有CaO等碱性物质，以利于吸收SOx、NOx细颗粒物前体物。

煤烟型PM2.5冷凝湿式除尘器的工作原理：含PM2.5烟气通过烟气管道进入文丘里收缩管后流速增大，进入喉管时流速达到最大值。水从收缩管口加入时，气液两相间相对流速很大，液滴在高速烟气气流冲击下，实现雾化。雾化后的烟气气流高速进入文丘里喉管，一方面高温烟气受冷却水的冷却作用，部分水蒸气以PM2.5颗粒为凝结核发生冷凝，转化成细小液滴；另一方面，高速烟气气流通过文丘里喉管的细长管束时，PM2.5颗粒与液滴，以及PM2.5颗粒、液滴与管束壁面发生激烈碰撞和凝聚，这样就使得被雾化的烟气湿度达到饱和，PM2.5颗粒充分被水湿润。在扩散管中，烟气气流速度减小，压力回升，以PM2.5颗粒为凝结核的凝聚作用进一步加快，凝聚成粒径较大的含尘液滴，从而完成了PM2.5颗粒的凝聚作用，完成凝聚作用的含PM2.5烟气经连接风管进入水环式湿式除尘器。在叶轮和水环构成的气体压缩区，含PM2.5烟气进一步被压缩，并进一步发生凝聚作用。以PM2.5颗粒为凝结核的液滴在高速的离心作用下，被甩向水环，并被水捕捉，同时水中添加有CaO等碱性物质，可以吸收SOx、NOx细颗粒物前体物，最终实现了对含PM2.5烟气的净化。当洁净烟气气流的在压缩作用下达到要求的气压时，经水环泵排气区排出水环泵式除尘器，并经水气分离器脱除水后进入烟道最终排放。水环泵内的水环经吸收PM2.5颗粒后变成污水，须经沉淀过滤PM2.5颗粒处理后可以实现循环利用。

4 结论

针对煤烟型PM2.5除尘技术问题，进行了一种新型冷凝湿式除尘器的创意设计。对该除尘器的设计思路和机械结构及工作原理进行了阐释。该除尘器首先对含PM2.5烟气进行冷凝，使PM2.5在饱和态高温烟气降温过程中，以PM2.5为凝结核进行凝结，形成以PM2.5为凝结核的小水滴。然后以PM2.5为凝结核的小水滴与水介质进行惯性碰撞，进行捕捉，最终实现水对PM2.5的除尘。

【参考文献】

[1]尹洧.大气颗粒物及其组成研究进展（上）[J].现代仪器，2012，18（2）：1-5.

[2]李伟芳，白志鹏，史建武，等.天津市环境空气中细粒子的污染特征与来源[J].环境科学研究，2010，23（4）：394-400.

[3]于扬，岑况，Stefan N，等.北京市大气可吸入颗粒物的化学成分和来源[J].地质通报，2012，31（1）：156-163.

[4]Cao J J， Lee S C， Ho K F， et al. Characteristics of carbonaceous aerosol in Pearl River Delta Region， China during 2001 winter period[J]. Atmos Environ， 2003， 37（11）： 1451-1460.

[5]Wang Y， Zhuang G S， Tang A H， et al. The ion chemistry and the source of PM2.5 aerosol in Beijing[J]. Atmos Environ， 2005， 39（21）： 3771-3784.