磁電耦合微霧除塵技術(shù)

馬紀(jì)闖

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新123000）

在未來較長的一段時間內(nèi)，粉塵污染依然會是環(huán)境污染的關(guān)鍵問題。在目前來看，工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展速度相當(dāng)驚人，隨著工業(yè)的高速發(fā)展導(dǎo)致了粉塵污染的問題日益嚴(yán)重。如果不加以治理，空氣環(huán)境將受到嚴(yán)重的污染，危害人類的健康、生物的存活，同時高濃度的粉塵會加速機器設(shè)備的磨損，導(dǎo)致生產(chǎn)機器故障，存在重大安全隱患[1]。

根據(jù)國家衛(wèi)計委通報，2018 年全國共報告各類職業(yè)病新病例23497 例，職業(yè)性塵肺病19468 例，由此可見由此可見塵肺病為當(dāng)今職業(yè)病的主要病種，導(dǎo)致塵肺病的主要原因是工業(yè)粉塵，解決粉塵問題刻不容緩。現(xiàn)階段我國針對粉塵污染的主要治理手段中最有效、最易于實施的治理方法是是噴霧降塵，但介于粉塵自身的疏水特性及普通水噴霧所形成的霧滴粒徑較大，使得傳統(tǒng)水噴霧降塵效率較低，大面積噴霧同時亦會導(dǎo)致工作環(huán)境惡化。這種方式雖然比較經(jīng)濟、簡便，但除塵效率不高，除塵效果并不理想。

1 磁電耦合降塵技術(shù)提出

據(jù)了解，目前最普及的除塵方式為濕式水霧降塵，普遍采用的噴霧降塵是建立在重力沉降機理上的一種簡單降塵方法[2]。這種降塵方法有很大的弊端，主要原因有兩點：

（1）不同粉塵理化性質(zhì)差異大，普通的濕式水霧捕塵效率低，特別是對于微細顆粒物粉塵。

（2）常用的噴霧除塵技術(shù)的基礎(chǔ)理論缺乏詳盡研究，還不能經(jīng)定量描述噴霧除塵的作用機理，應(yīng)用技術(shù)存在一定的盲目性；導(dǎo)致噴霧系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置大多依靠驗、主觀判斷，影響了噴霧降塵的效果。

如何有效提高水霧的除塵效率？如何增強對呼吸性粉塵的捕塵效率？如何改善對憎水性粉塵的除塵效率？如何解決粉塵理化特性差異所引起的除塵效率不穩(wěn)定問題？這些問題隨著人們對微細顆粒物的廣泛關(guān)注，作業(yè)環(huán)境衛(wèi)生要求不斷提高，城市霧霾問題己成為社會關(guān)注焦點的背景下，成為當(dāng)前水霧除塵領(lǐng)域亟待解決的現(xiàn)實難題。近年來隨著微納米科學(xué)研究領(lǐng)域的不斷深入與拓展，這些技術(shù)發(fā)展為推動水霧除塵機理深入研究提供了技術(shù)保障與發(fā)展契機，為開展水霧除塵機理研究創(chuàng)造了客觀條件。

因此，本文提出在磁-電耦合的作用下霧滴捕塵的機理及其效能的優(yōu)化，進而提出一種新型的除塵技術(shù)，該新型的除塵技術(shù)提高了水霧對粉塵的捕捉率，從粉塵的特性入手，改變粉塵的特性，優(yōu)化水霧除塵效率，改善作業(yè)環(huán)境，減輕粉塵污染危害。

2 磁電耦合降塵技術(shù)分析

在傳統(tǒng)除塵原理的濕式除塵和靜電除塵的基礎(chǔ)上，基于帶電磁化水霧與帶電粉塵耦合的情況下，可使粉塵和水霧在磁電吸附力的作用下充分交融并沉降，不僅對大粒徑的粉塵有著良好的吸附效果，對粒徑較小的粉塵也有著明顯的捕獲效果，并且磁化水的蒸發(fā)速度更慢，在空氣中滯留時間更長，進而能夠取得更好的除塵凈化效果。

以下將從粉塵在磁-電耦合下水霧捕塵機理為研究對象，從多方面研究如何提高水霧的捕塵率。

2.1 塵粒-霧滴碰撞凝并過程

固-液顆粒之間的耦合作用力種類復(fù)雜、性質(zhì)各異，固-液顆粒耦合過程有別于固-固顆粒粘附過程，具有固、液作用的雙重特性，細霧顆粒的形狀、濕潤性能、表面張力可隨著耦合過程的變化而變化，加上微細顆粒物與細霧顆粒實際耦合過程中是由多種不同性質(zhì)的作用力共同存在，相互作用。

研究粉塵與水霧顆粒之間耦合發(fā)生過程影響因素，包括粉塵顆粒物與水霧顆粒相對運動角度，水霧的表面張力以及靜態(tài)、動態(tài)塵霧耦合過程的作用力變化規(guī)律。重點研究在粉塵在水霧表面張力變化過程中塵霧耦合的作用規(guī)律，確定最佳的捕塵參數(shù)。

2.2 磁-電耦合下的水霧物化性能

磁化水降塵法是指通過外加磁場削弱分子間的內(nèi)聚力，增強水的霧化效果、加大捕捉煤塵的機率，而且磁化后的水，表面張力下降，對粉塵的浸潤和吸附能力增強。

宋穩(wěn)亞等針對磁化水的溶解能力、霧化效果及除塵效率，通過搭建磁化水與霧化實驗平臺進行研究，實驗結(jié)果顯示被磁化的水溶解速率更快、霧化水粒徑更小、除塵效果更好[3]。水磁化后粘度降低，水的內(nèi)摩擦力降低，液滴與粉塵碰撞時易于滑動、脫離，這一定程度上降低了磁化水捕塵能力隨磁化效果加強而增長的梯度[4]。

水的磁化效果與磁感應(yīng)強度呈現(xiàn)無規(guī)律變化關(guān)系，且變化幅度較大，在水中加入表面活性劑后，隨著磁感應(yīng)強度的改變，不但表面張力顯著減小，物理性質(zhì)的變化幅度也會變小。通過荷電電壓、氣相射流壓力、液相射流壓力、電極間距、電極環(huán)直徑、噴嘴孔徑、液滴荷電量、液滴粒徑和液體流量等量變參數(shù)，改變噴霧過程中液滴荷質(zhì)比。研究高效磁化后水的表面張力、黏度和密度隨感應(yīng)強度和磁化時間的變化規(guī)律，改進水霧的捕塵效率。

2.3 水霧在磁-電作用下的粉塵捕捉機理

傳統(tǒng)噴霧水霧脫塵通過慣性碰撞、攔截捕集和擴散捕集共同作用實施捕塵，其中慣性碰撞和攔截捕集起主要作用。然而，微細顆粒物慣性小，與水霧碰撞后運動軌跡發(fā)生改變，繞開霧滴。

另外，霧滴粒徑較大，與微細顆粒物接觸面積小，攔截捕集效率低。而荷電水霧脫塵增加了靜電捕集作用，在靜電感應(yīng)力存在時，霧滴表面張力降低，使霧滴進一步破碎，粒徑減小、數(shù)目增多，顯著增加了霧滴與顆粒物的接觸面積；同時加大了微細顆粒物之間的凝聚力，凝聚成大顆粒物，在重力作用下沉降，達到脫除目的；最重要的是，荷電水霧在鏡像力的作用下，使粉塵帶上與液滴相反電荷，促進了微細顆粒物的團聚沉降。

在磁場和靜電作用下細霧顆粒的物化性質(zhì)改變，提高對憎水性微細顆粒物的濕潤耦合能力、提高細霧顆粒的抗蒸發(fā)能力，延長細霧顆粒的有效捕塵時間。同時在磁場和靜電雙重作用下塵霧顆粒之間的濕潤性、表面張力、粘附能力以及耦合作用力得到改善，從提高對疏水性粉塵的濕潤耦合能力、延長粉塵的有效捕塵時間和強化細霧捕塵耦合聯(lián)結(jié)強度三個方面，對塵霧耦合作用過程進行強化、弱化控制。

3 磁電耦合降塵技術(shù)發(fā)展趨勢

現(xiàn)代工業(yè)機械化的發(fā)展導(dǎo)致工業(yè)生產(chǎn)中粉塵污染更為嚴(yán)重，普通的單一的除塵技術(shù)不能有效防治粉塵污染，特別是水霧除塵技術(shù)。但從目前應(yīng)用情況來看，濕式水霧除塵方法的總塵除塵效率一般為50%～60%，呼吸性粉塵效率一般只有20%～30%，存在除塵效率不高的問題。所以開發(fā)新型的除塵方法是必然的，2013 年，陳宜華研究了電極環(huán)直徑、電極間距、荷電電壓對荷質(zhì)比的影響，不同荷質(zhì)比值對微細粉塵的除塵效率，總結(jié)荷電水霧除塵優(yōu)點[5]。

磁-電耦合除塵技術(shù)在此基礎(chǔ)上進一步改良完善可以更好更有效的解決粉塵污染問題。若磁-電耦合噴霧降塵技術(shù)成功實施，以某企業(yè)為例，預(yù)計塵肺病的發(fā)病率以每年10%～15%的比例逐年下降，所以高效的降塵技術(shù)必將是以后企業(yè)主流的降塵技術(shù)。

綜上所述，落實粉塵治理工作是工業(yè)發(fā)展的重中之重，是提高企業(yè)管理水平，從防治事故向創(chuàng)建健康工作環(huán)境、關(guān)注生命向關(guān)愛健康的轉(zhuǎn)變。同時粉塵濃度的降低，提高了設(shè)備的開機率，減少了人身事故和機械事故，增加作業(yè)時間，也為企業(yè)提高了安全效益高效的降塵技術(shù)，降低企業(yè)的成本，改善工人的工作環(huán)境減少資源的浪費，磁-電耦合降塵技術(shù)為粉塵高污染企業(yè)提供有效的治理技術(shù)。

雖然該技術(shù)還在發(fā)展階段，但是除塵效率相比較傳統(tǒng)方式有著較大優(yōu)勢。此技術(shù)為設(shè)計出新型高效的除塵裝置提供了有力的技術(shù)指導(dǎo)，新型的除塵技術(shù)的應(yīng)用還在一定層次上影響著除塵方式未來的發(fā)展方向。