基于云式除尘技术工业方面应用探究对教学区沙尘的处理方法

基于云式除尘技术工业方面应用探究对教学区沙尘的处理方法

牛潇毅

兰州大学  甘肃省兰州市  730100

一、摘要兰州市春季沙尘暴天气多发而且对居民正常工作生活造成极大影响，但是目前对沙尘暴发生时对沙尘的处理技术落后,难以改变沙尘暴对居民影响的现实，且在沙尘暴发生期间以及发生后一段时间内污染指数都达到了影响居民身体健康的程度，防治工作形势非常严峻。兰州大学王博教授团队所提出并研发的云式除尘技术使用清洁高效的方法对工厂等粉尘严重的场景进行对粉尘的处理来降低它的浓度，使其达到安全浓度并排放，以及对PM2.5的吸收处理，基于对工厂粉尘以及PM2.5成功处理的思路，王博教授团队还研发出了便携式的云式除尘系统—— “云式肺宝”，所以我们打算通过分析王博教授团队的云式除尘系统，并且学习云式除尘系统的对粉尘和PM2.5的优秀处理方法，对云式除尘系统进行更适用于榆中校区教学区情况的改动，来类比解决兰州大学榆中校区的教学区的沙尘暴影响问题。

关键字：云式除尘系统；沙尘暴；粉尘；改进方法

二、设计内容

1、沙尘暴的成分与工厂粉尘、PM2.5等成分对比

根据资料显示，车间中的两种主要粉尘为高岭石以及拟薄水铝石[1],而兰州市的PM2.5中主要含有OC、EC、可溶性离子以及多环芳烃[2]。兰州市的沙尘暴的主要成分为沙尘颗粒, 除此之外还有沙尘颗粒上附着的地壳元素以及人为污染和工业废气所产生的Cu、V、Pb、Zn 和As等微量元素[3]，相比较之下工厂粉尘和PM2.5等的成分颗粒比较小而且大多为可溶性离子，但沙尘暴中的沙尘颗粒本来就比较大再加上其附着的离子水溶性稍差一些，所以就要考虑两种成分不同的粉尘的处理方法的不同，以及是否要对整个装置进行一定的调整。

2、云式除尘法

2.1、云式除尘法原理介绍

云式除尘是方法一种结合"云"物理学原理、碰撞团聚原理和旋风分离机理来收集细颗粒物的方法。采用电声换能超声波雾化的方法先将液态水雾化成微米级雾粒，以便构建一个湿度过饱和的环境，然后通过扰流场的帮助下使粉尘的细颗粒能够与水蒸汽充分混合形成以粉尘的细颗粒为凝结核的液滴，并使饱和水蒸汽在其表面附着、液化，然后细颗粒的粒径不断增大；由于液滴颗粒是在水蒸汽凝结后形成的，所以其对水的亲和力远远大于粉尘细颗粒本身，帮助他更加简单的与饱和水蒸汽结合；另一个很简单的问题就是，随着聚集的水蒸汽越来越多，液滴颗粒本身的质量和体积也在不断增大，这就大大降低了其流体曳力，使其收集粉尘细颗粒的效率不断提高，而且较大体积的粉尘也会有更大的可能性发生与粉尘细颗粒的碰撞继而发生合并、团聚等一系列的微物理反应，并释放出大量的负离子与粉尘的颗粒发生静电式反应，最后在超重力作用下实现沉降。

2.2、云式除尘系统主要设备介绍

2.2.1、云雾发生器

云雾发生器为整个系统提供了过饱和的水汽环境，是细颗粒物吸湿长大的主要发生位置，它也是决定整个云式除尘系统除尘效率的关键部分之一。此外，云雾发生器对于入口的大颗粒粉尘也有预先收集的作用，颗粒较大的粉尘与雾滴发生碰撞，并在重力的作用下被收集，然后通过云雾发生器底部的排灰口排出。为了进一步增加细颗粒物与过饱和水汽之间相互结合、相互作用的时间，对云雾发生器内部的构造进行了特殊的设计，使得细颗粒物在此环境下能够充分的团聚长大，这也为提高云式除尘系统的收集效率提供了保障。

2.2.2、云式除尘器

云式除尘器为整个除尘系统提供了超重力环境，是细颗粒物被收集的主要发生位置， 也是整个云式除尘系统的主体部分。外筒体构造了颗粒物快速沉降的第一级超重力场，实现颗粒物第一次分离捕集。 含尘气体沿中间筒体下方的进气孔进入中间筒体，绕中心筒体旋转上升，形成二级超重力场，实现颗粒物第二次分离捕集。中间筒体采用多个小型旋风分离器并联的设计方式， 并且小型旋风分离器出口均采用弯管设计，确保静压抽吸，使得每个小型旋风分离器进 风量和压强分布均匀，构造了粉尘颗粒快速沉降的第三极超重力场，实现颗粒物第三次 分离捕集。中心筒体、中间筒体、外筒体能够分别针对不同粒径范围的颗粒物实现三级分离改善了颗粒物的运动特性，大大缩短颗粒团聚、降落而被收集的时间，显著提高了 除尘效率。三层旋风分离结构相比目前大多使用的单独旋风分离器实现了很大改进，能够更加高效地对细颗粒物进行收集处理。

三、创新思路

3.1、云式除尘系统设备改进

根据云式除尘系统在兰州大学榆中校区的实际使用情况，首先由于榆中校区的天气常以晴天为主，而且榆中校区所处的海拔比较高，能接收到的太阳辐射比较多，所以为了在学校中降低设备使用成本，我们可以将云式除尘系统的能量供应改为以太阳能和风能混合的清洁能源，在天气晴朗、吸收辐射能量较多的时候采用太阳能提供动力的形式；在雾霾天气以及沙尘暴天气的时候采用风能提供动力的形式，这样可以尽可能利用榆中校区所处的地理位置优势来减少一定的经济支出。

根据前文对沙尘暴的沙尘与粉尘颗粒以及PM2.5的主要成分的对比，这几种颗粒的大小和亲水性都会影响与云雾发生器中雾化液体的结合程度，由于沙尘暴的沙尘颗粒较大、亲水性也较差，所以我们在将云式除尘系统在教学区使用的时候考虑模仿采用云式除尘系统在工业中使用的模式，即先使用分子筛排除掉一部分颗粒较大的沙尘，然后再对分子筛的尾气进行云式除尘法处理，这样不但可以降低进入云式除尘系统的粉尘浓度，同样可以防止系统内部被大颗粒沙尘堵塞的问题。

3.2、云式除尘系统用于教学区除沙尘可行性分析

根据中华人民共和国环境保护行业标准，环境空气质量功能区划分原则与技术方法以及中华人民共和国国家标准，环境空气质量标准，工业区与居民区同属二类区，根据这种标准，我们根据云式除尘技术在工业上的运用标准，即排出气体的粉尘浓度降低到20mg/m3以下[9]，就可以得到居民区或者教学区的环境空气质量标准。那么也就是说如果在实际取样操作的情况下，经过云式除尘技术处理过的沙尘在多次实验排出来后经过检测其浓度降低到20mg/m3以下，就可以说云式除尘系统在教学区沙尘暴后去除沙尘的想法是可行的；反之，如果在实验过程中最终得到结果有沙尘浓度大于20mg/m3以上的出现，就要考虑是实验本身误差还是实验猜想错误。

五、效益

1、社会效益

云式除尘技术在除尘方面有极大的贡献，无论是在工业工厂，还是在日常的教学居民区都极大的改善了居民以及工作人员的工作生活的日常环境，提高了对居民和工作人员身心健康的保障。同时改善了自然环境，提高了周边人民的生活环境质量，增加了人民生活的幸福感，也彻底贯彻了“以人为本”的基本理念，具有良好的社会效应。

2、经济效益

研究表明，云式除尘系统的雾化装置仅需要消耗少量的新鲜水来产生水雾，除尘器单位时间排出的灰浆体积量较小，整个运行过程基本无易损件，运行维护简单且耗费极低，适合于大多数日常场景，而且对日常沙尘暴的后续处理提供了简单的处理方法，节约了处理成本。

六、参考文献

[1]李思庆. 基于云式除尘技术的分子筛生产车间扬尘处理工艺优化设计与应用[D]. 兰州大学.

[2]李英红. 兰州市大气细颗粒物（PM_(2.5))化学成分污染特征及来源分析[D].兰州大学,2015.

[3]贾晓鹏,王海兵.甘肃河西地区大气沙尘成分及影响分析[J].中国沙漠,2009,29(01):156-161.

[4]王博, 潘仁湖, 夏博实,等. 一种新式PM2.5收集方法——云式除尘方法[C]// 2015年中国环境科学学会学术年会. 2015.

[5]杨柳,宋承明,蒋飞华,梁维军,方克勤,王博. 云式除尘技术在分子筛尾气处理过程中的应用[A]. 《环境工程》编辑部.环境工程2017增刊2[C].:工业建筑杂志社,2017:5.