磁化水高壓噴霧除塵技術治理城市PM2.5

何 淼，劉勝強，曾毅夫，葉明強

（“建筑節(jié)能與環(huán)境控制關鍵技術”協(xié)同創(chuàng)新中心，長沙 410100）

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(huán)境問題，城市PM2.5治理刻不容緩。

然而長期以來，如何有效治理PM2.5，一直是防塵領域的一大難題。在現(xiàn)有的各項防塵、降塵措施中，通常采用的降塵方式可歸納為兩大類：干法降塵和濕法降塵。干法降塵多采用集塵方式工作，且只能應用于特定環(huán)境中，應用受到很大限制。而濕法除塵在適用環(huán)境、成本費用、安裝操作等方面有明顯優(yōu)勢，較為通用[1]。但一般的濕法噴霧除塵技術是采用普通自來水且水壓較低，嚴重影響了噴霧降塵效果，總降塵效率僅為50%～60%，對PM2.5的降塵效率更低，只有20%～30%。因而如何提高對PM2.5的捕集效率，對于治理城市PM2.5污染具有十分重要的意義。本文提出的一種利用磁化水高壓噴霧除塵技術，能夠達到有效治理PM2.5的目的。

1 磁化水高壓噴霧除塵技術原理

1.1 磁化水技術

水是抗磁性物質，當對水施加一種外磁場時，水就會產(chǎn)生一個附加磁場，其方向與外磁場方向相反，由于外磁場與分子力的相互作用，削弱了分子間的內(nèi)聚力，改變了水分子的氫鍵聯(lián)系，迫使水的黏性下降，從而改變水的表面張力，同時水中存在的雜質在流經(jīng)磁場時也會被磁化，其中含電解質的離子磁化后產(chǎn)生的附加磁場的方向與外磁場方向相同，而非電解質的分子產(chǎn)生的附加磁場的方向與外磁場方向相反，這些磁力的相互作用最終促使水分子的內(nèi)聚力下降，黏滯力減弱，從而不同程度地改變了水的基本結構，成為磁化水[2]。

1.2 高壓噴霧技術

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，經(jīng)高壓管路將水送至高壓噴嘴霧化，形成飄飛的水霧，由于水霧顆粒是微米級的，極其細小，能夠吸附空氣中的雜質，達到降塵、加濕等多重功效，營造良好清新的空氣。高壓噴霧除塵系統(tǒng)的造價低，運行維護成本也低，經(jīng)濟實用，并可實現(xiàn)自動控制[3]。

1.3 磁化水高壓噴霧技術

磁化水高壓噴霧技術是針對磁化水和高壓噴霧技術特點，優(yōu)化組合兩種技術而成。磁化水相比普通水，黏度、表面張力降低，吸附、溶解能力增強，致使霧化程度得到提高；高壓噴霧技術相比低壓噴霧技術，霧化粒徑減小，霧滴分布均勻，霧滴荷質比增大，因此磁化水高壓噴霧技術可以顯著提高對粉塵尤其是PM2.5的捕集效率。

2 磁化水高壓噴霧除塵技術特點

磁化水高壓噴霧除塵技術綜合了磁化水以及高壓噴霧的優(yōu)點，具有普通水噴霧技術所沒有的優(yōu)勢[4-6]。

（1）磁化水降低水的表面張力

粉塵有疏水性和親水性之分，噴霧降塵的效果跟粉塵的這種特性有很大關系。在噴霧過程中，由于粉塵粒子與水霧粒子之間的接觸時間極短，因此噴霧水粒對粉塵粒子的濕潤能力跟霧化水的表面張力直接相關。水經(jīng)磁化處理，水分子鏈（團）的氫鍵發(fā)生畸變、斷裂，使液體分子間的平衡距離變大，引力常數(shù)變小，導致水體表面張力降低，改善水對粉塵的濕潤性能，更容易把粉塵顆粒包裹，使粉塵更容易沉降。

（2）磁化水減小了水的黏度

水的黏度變化會直接影響噴霧效果，黏度小噴出的霧粒就小，霧粒分布均勻。研究表明，經(jīng)磁化處理后水的黏度系數(shù)有下降的趨勢。磁場強度越高，水的黏度下降越明顯。

（3）磁化水增強了水霧的極性

水經(jīng)過磁化后，水中活性水分子增多，磁化水霧作為捕塵體具有很強的極性，容易與其它物質形成物理鍵而發(fā)生吸附，這種吸附由經(jīng)極化而加強的色散力、偶極子力等作用而形成，因此這種吸附不易解脫。同時粉塵在磁場作用下同樣可能導致極性加強，且粉塵由表往里往往呈現(xiàn)出多層次結構。這些因素導致水體與粉塵更容易發(fā)生相互吸附而除去粉塵。

（4）磁化水噴霧提高粉塵親水性能

由于塵粒內(nèi)部分子所受力不對稱，因此塵粒表面存在過剩能量——表面自由能，這種表面自由能導致塵粒會吸附空氣中的氣體和液體，導致塵粒表面形成一層阻礙水霧潤濕的氣體薄膜。塵粒越小，表面自由能越大，吸附氣體的活性越強，所形成的氣體薄膜越牢固，因此微細粉塵難以被水霧捕獲。破壞塵粒的氣體薄膜，可以提高噴霧除塵的效果，水蒸氣是一種最能被吸附在塵粒表面的氣體，并且當塵粒吸附水蒸氣形成薄膜時，塵粒變?yōu)橛H水性，有利于提高噴霧降塵效果，特別是對微細塵粒。

研究表明，水經(jīng)磁化處理后，在磁性保持時間內(nèi)，蒸發(fā)率明顯高于非磁化水，而去磁后，蒸發(fā)率卻低于非磁化水，并逐漸與非磁化水趨于一致。盡管磁化水和非磁化水的蒸發(fā)率受環(huán)境條件影響，但是，磁化水的蒸發(fā)率總是遠高于非磁化水。蒸發(fā)率的提高，不僅能顯著提高噴霧降塵局部中水蒸氣含量，同時也能增加噴霧降塵局部環(huán)境空氣中的濕度，有利于塵粒吸附水蒸氣形成薄膜，改善粉塵親水性，提高降塵效果。

（5）磁化水延長了水霧在空氣中的存留時間

研究表明，減小水滴粒徑可以提高噴霧降塵效果，但隨著水滴粒徑的減小，水滴極易蒸發(fā)，在未捕獲粉塵之前已汽化被氣流帶走。提高水滴在空氣中的存在時間，可以增加水滴與塵粒之間的碰撞機率，提高噴霧降塵效果。而水霧在空氣的存留時間隨相對濕度的增大以及空氣溫度的降低而大大增加，磁化水的蒸發(fā)率高有利于吸收空氣中的熱量，降低噴霧局部溫度，提高局部濕度，形成有利于水霧離子在空氣中存留的客觀環(huán)境條件。同時當磁化水霧去磁后，其蒸發(fā)率又大大降低。因此，在磁化水噴出形成水霧的過程中，首先是磁化水霧由較粗顆粒蒸發(fā)為較細顆粒，此時蒸發(fā)率高，降低了噴霧局部溫度，提高濕度，當水霧形成較細水粒后，此時磁性去除，蒸發(fā)率大幅度降低，水霧在空氣中又能夠保持較長的時間，從而提高了噴霧除塵的效果。

（6）高壓噴霧增強了水霧霧化效果

通過高壓以及精細噴嘴，高壓噴霧產(chǎn)生的水霧微粒非常細小，表面張力很小，這些微小霧化顆粒能長時間漂浮在空氣中與周圍的空氣融合，能迅速吸附空氣中的各種大小灰塵顆粒，從而有效控塵，營造良好清新的空氣環(huán)境，達到降塵、加濕等多重功效，對大型開闊范圍的控塵降塵有很好的效果。同時這種效果完全是一種霧化效果，絕不會產(chǎn)生水滴和潮濕。

（7）高壓噴霧沒有霧流衰減

普通低壓噴霧時，最初水流緊密，之后由于空氣的阻力就分散成霧粒，這些霧粒沿平行于霧流軸的方向運行。當霧粒距噴嘴一定距離而處于衰減區(qū)時，運動速度減慢并開始沉降。而高壓噴霧的霧流與之不同，從高壓噴嘴噴出的高速水流，在很短的距離上就分散成霧粒，并在霧粒后形成一種氣流，沒有低壓噴霧明顯的霧流衰減區(qū)。水流變成霧流的長度由噴霧壓力決定，壓力在2.5M～3MPa時，霧流的形式為實心圓錐形，隨著壓力的增加，霧流圓錐形部分的長度可明顯縮短，霧流變成圓柱形，并有強烈的渦流運動，壓力越高，圓柱長度越大，降塵效果越好。

（8）高壓噴霧水霧分布均勻

噴霧降塵好的一個主要條件是：水在整個霧流長度上都平均分布。普通噴霧時，實心圓錐形霧流能滿足要求，但這種霧流不能保證水的均勻分布，霧流中心水大，向外依次減小。而高壓噴霧在水壓力和氣流擾動力的共同作用下，水分分布均勻，除塵效好。

（9）高壓噴霧可提高水霧荷質比

相關研究表明，PM2.5除塵效率隨著水霧荷質比的提高而呈直線上升。可見，提高水霧荷質比是提高PM2.5降塵效率的重要途徑。高壓噴霧過程中，由于水霧荷電效應，使水霧粒子帶上了較高的電荷。研究表明，水霧電荷值在水壓力為7.5M～12.5MPa范圍內(nèi)，隨著水壓力的提高而顯著上升。因此，提高水壓力是提高水霧電荷值，即提高水霧荷質比的重要途徑，從而也是提高噴霧對PM2.5降塵效率的重要途徑，這也是高壓噴霧對PM2.5具有顯著降塵效果的原因。

3 影響磁化水高壓噴霧除塵的因素

從磁化水高壓噴霧除塵技術機理的分析可以看出，磁化水高壓噴霧除塵技術的降塵效果優(yōu)于普通噴霧的原因主要是經(jīng)過磁化后水的物理化學性質的變化，使得噴霧霧化程度提高，同時經(jīng)過高壓噴霧，霧化效果相應也得到提高。因此，影響水的基本性質變化和霧化效果都能影響磁化水高壓噴霧除塵技術的降塵效率[7-8]。

（1）水的流向和流速

流向：將水以一定的速度通過一個或多個磁路間隙，水流方向與磁力線成一定的角度，均可得到磁化水。而且當磁場與水流方向垂直時，磁作用最強、效果也最好。

流速：由于許多離子的抗磁性要強于水，水流切割磁力線時應有足夠的速度。要達到較佳的處理效果，磁化水流速應在一定范圍內(nèi)，此范圍可通過具體實驗獲得。

（2）磁場強度

研究表明，磁場強度在磁化水處理中起著非常重要的作用。根據(jù)大量有關文獻總結，磁感應強度達300mT時，磁化水的物理化學性能（包括表面張力等）有明顯改變，但磁感應強度與水的物理化學性能改變并非呈線性關系，需通過實驗進一步確定最佳的磁感應強度。

（3）磁化方式

按磁場形成的方式可將磁水器分為永磁式和電磁式兩種；按磁場位置又可將磁水器分為內(nèi)磁式和外磁式兩種。永磁式和電磁式磁水器在間隙磁場強度相同的情況下效果相同，但各有特點。

永磁式磁水器的最大優(yōu)點是不需能源，且結構簡單、操作維護方便，但其磁場強度受磁性材料和充磁技術的限制，并存在隨時間的延長或水溫的提高而退磁的現(xiàn)象。

電磁式磁水器的優(yōu)點是磁場強度容易調節(jié)，而且可達到很高的磁場強度，同時磁場強度不受時間和溫度的影響，穩(wěn)定性好，但其需要外界提供激磁電源。與內(nèi)磁式磁水器相比，外磁式磁水器可能具有更大的優(yōu)越性，其主要的優(yōu)點是檢修時不必停水及拆卸管道，也不易引起磁短路現(xiàn)象。

（4）水中可溶性雜質

一般水中都有雜質，水中的雜質以不同形式影響水的結構，乃至水的物理化學性質。水中的雜質可分為兩類：呈離子狀態(tài)存在于水中的電解質和呈分子形式存在于水中的非電解質。水中的非電解質越多，水的結構越穩(wěn)定，越不易磁化，相反，水中的電解質越多，水越易被磁化。

（5）霧滴粒度

水霧滴的粒徑根據(jù)噴霧除塵的要求確定。一般情況下，水霧滴的粒徑越小在空氣中分布的密度越大，與粉塵的接觸機會越多，降塵效果越好。當霧粒過大時，動量大，其質量也大，不易與粉塵相碰撞；霧粒過小時，易蒸發(fā)，即使粉塵與霧粒相碰撞，粉塵還沒落地，水分就已經(jīng)蒸發(fā)，起不到作用。由理論和實踐可知，霧滴粒徑在10～200μm時，降塵效果較好。

（6）霧粒速度

霧粒速度決定著與粉塵的接觸效果。如果相對速度大，兩者碰撞時的動量大，有利于克服水的表面張力，易將粉塵濕潤捕獲。霧粒速度快時，其動量大，與塵粒碰撞后迅速降落，減少了粉塵在空中的停留時間，并可有效防止水在空氣中蒸發(fā)。有資料表明，當霧粒達到0.1mm、水粒的速度提高到30m/s時，對2μm塵粒的降塵率可提高約50%。據(jù)觀測，霧粒速度一般應大于20m/s。

（7）噴霧密度

噴霧的密度是指在單位時間內(nèi)單位水霧流的截面的水耗量，噴霧的密度越大降塵效果越好。適當加大供水流量，可提高霧粒的運動速度與分布密度，增加霧粒與粉塵碰撞捕塵的機會。但流量達到一定程度后，繼續(xù)增加流量，對降塵效果的影響不明顯。一般在有效射程內(nèi)，噴霧密度平均在104～105粒/cm3的供水量比較適宜。同時，供水壓力增大，水霧粒徑小，霧化程度高，分布密度大。

（8）噴霧的覆蓋半徑

噴霧的覆蓋半徑對降塵效果的影響也非常大，噴霧的覆蓋半徑大時能增加霧滴同塵粒的碰撞機會，提高降塵效果。此外，粉塵濃度、粒徑、帶電性對捕塵效果也有影響。對于實際的降塵問題，粉塵中既有質量又有大小，慣性和截留的效應同時并存。

4 磁化水高壓噴霧技術展望

當前，我國環(huán)境狀況總體惡化的趨勢尚未得到根本遏制，環(huán)境矛盾日益凸顯，環(huán)保壓力持續(xù)加大。部分區(qū)域和城市大氣霧霾現(xiàn)象突出，許多地區(qū)的主要污染物排放量超過了環(huán)境容量，嚴重制約了社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，威脅了人民群眾身體健康。預計在未來相當長的時間內(nèi)，國家將會陸續(xù)出臺更多的政策措施，下大力氣治理P M2.5[9]。

磁化水高壓噴霧除塵技術將高壓噴霧除塵和水磁化技術相結合，具有設備簡單、安裝容易、性能可靠、成本低、一次性投入長期有效，以及對粉塵的捕塵性能好，能明顯提高普通噴霧對粉塵的去除效率等優(yōu)點，具有廣闊的發(fā)展前景和良好的社會經(jīng)濟效益，該技術的應用對于治理城市PM2.5污染、減少霧霾具有重大的現(xiàn)實意義。

[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]謝文慧，等.磁處理水機理的研究[J].磁能應用技術，1993（1）：37-41.

[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]蔣裕平.磁化水除塵的研究[J].科學技術與工程，2004，4（6）：494-496.

[5]顏士華，夏孝明，等.對磁化水噴霧降塵機理的認識[J].煤炭工程師，1997（2）：28-31.

[6]曹紹龍.高壓噴霧除塵技術及其應用[J].陜西煤炭，2008（1）：96-97.

[7]許冬花.自吸噴霧磁化降塵研究[D].江蘇大學碩士學位論文，2010.

[8]馬素平，寇子明.噴霧降塵機理的研究[J].煤炭學報，2005（3）：297-300.

[9]李麗珍，曹露，等.談中國PM2.5的污染來源及危害[J].能源與節(jié)能，2013（4）：77-78.