微细气溶胶粒子净化方法概论.docx

1、微细气溶胶粒子净化方法概论微细气溶胶粒子净化方法概论摘要：随着大气环境的恶化,大气污染的研究越来越受到人们的关注。大气气溶胶在全球气候的变化中起着重要的作用,且主导了区域大气灰霾污染的形成,已成为目前大气污染研究的一个焦点。大气气溶胶的研究涉及大气科学的各个领域,具有很强的综合性。本文从微细气溶胶的基本概念出发，讨论其来源与基本特性，总结近年来气溶胶的研究发展趋势，列举出常用气溶胶净化设备的原理和特点，着重讨论两种常用净化设备的优劣，并最终得出自己的结论。关键词：气溶胶；雾霾；净化purification method of aerosol particlesAbstract：The stud

2、y on air pollution draws more and more attention during recent years as the worsening of atmospheric environment. The research of aerosol became a focus point as aerosol playing an important role in the changing of global climate and formation of atmospheric haze. Aerosol research involves various f

3、ields of atmospheric science. In this paper, starting from the basic concept of fine aerosol，discussing its source and basic characteristics, summarizing the research development trend of aerosol in recent years, List of commonly used aerosol purification principle and characteristics of equipment,

4、Discuss the pros and cons of two kinds of commonly used purification equipment, And finally to draw my own conclusions.Key words: aerosol; haze; purification 1 前言微细气溶胶粒子是指悬浮在大气中的直径10-3-101m的固体或液体粒子。大气中的气溶胶粒子的自然来源主要是海洋、土壤和生物圈以及火山等1,2。在城市大气中，由于汽车尾气和燃煤排放出大量污染气体可通过气-粒转化过程形成二次气溶胶。 由于其粒子尺度小、平均寿命长。已对城市大气环境

5、产生显著影响。首先, 微米尺度的气溶胶粒子对人的呼吸系统产生重要影响，气溶胶对人体和其他生物的生理健康也有其特有的影响3,4,5。其次高浓度的气溶胶可以通过降低大气的能见度从而影响飞机的正常起落。气溶胶还与其他环境问题如臭氧层的破坏、酸雨的形成、烟雾事件的发生等密切相关6,7。随着经济的高速发展,我国多处城市出现了严重的雾霾现象，持续不断的雾霾已经对人们工作和健康造成了严重的影响，因此微细气溶胶的净化与治理迫在眉睫，本文就此目的，较全面的总结了国际上及国内微细气溶胶的最新研究成果和微细气溶胶净化方法的讨论，最终得出自己的观点。2 气溶胶的基本概念2.1 气溶胶的组成气溶胶主要是由含碳化合物（煤

6、飞灰及其有机物），可溶性离子（硫酸盐，硝酸盐以及铵离子）和几乎不溶的无机物（元素氧化物等）等三部分组成。由于来源不同，形成过程也不同，故其成分不一，特别是城市大气受污染源的影响，气溶胶的成分变动较大。但是非城市大气气溶胶的成分比较稳定，大体上与地区的土壤成分有关。大气中二氧化硫转化形成的硫酸盐，是气溶胶的主要成分之一。其转化过程尚未完全明白，已知二氧化硫可在均相条件下（在气相中），或在水滴、碳颗粒和有机物颗粒表面等多相条件下（在液相或固相表面上）转化成三氧化硫，再与水反应生成硫酸，并和金属氧化物的微尘反应而生成硫酸盐。硫是气溶胶内最重要的元素，其含量能反映污染物的全球性迁移、传输和分布的状况。

7、2.2 气溶胶的来源和性质 同大多数环境物质来源一样,大气中气溶胶的来源也可以分为两类:自然源和人为源。自然源主要有火山的喷发、海水的溅沫、地面的扬尘、生物体的燃烧等。人为源则主要是指人类生产生活活动所造成的,如燃料的使用、工厂工业排放以及交通运输工具的尾气排放等。对流层中的气溶胶粒子主要是污染源的直接排放及一些气态前提物质如二氧化硫、氮氧化物、碳氢化合物等通过气粒转化生成的8。平流层气溶胶主要是由火山爆发时大量的火山灰和二氧化硫气体注入平流层形成的。正因如此,对流层气溶胶一般具有浓度大、粒子尺度谱范围宽、空间分布复杂和随时间的变化较快等特点。平流层气溶胶粒子的浓度衰减较为缓慢,一般要经过好几

8、年时间扩散与沉降,其浓度才接近背景值。 大气气溶胶主要有三个方面的性质:物理属性、化学属性及光学属性。物理属性主要有气溶胶的粒径、粒子的形状和颗粒粒子谱分布(包括尺度谱和质量谱)等,目前国内许多大气气溶胶数学模式的分析都是针对其物理属性来进行的;化学性质主要表现为气溶胶粒子中化学元素的丰度(或浓度)以及气溶胶粒子成分在大气中所发生的各种化学变化过程,如一些亚硫酸盐或亚硝酸盐粒子在大气中发生氧化反应转变为硫酸盐或硝酸盐粒子等;光学属性主要是指气溶胶的消光系数、散射系数、吸收系数等9。光学厚度是气溶胶光学属性研究中的一个重要参数,可由消光系数求出。该参数除受气溶胶尺度谱的影响外,还与气溶胶的物理特

9、性、化学吸收特性及光谱特性等有关10。3 气溶胶的研究3.1 气溶胶的研究意义气溶胶与环境问题,如臭氧层的破坏、雨的形成、烟雾，雾霾事件的发生等密切相关。此外,气溶胶对人体和其他生物的生理健康也有特定的影响。20 世纪世界十大公害事件有八次是由烟尘或气态污染物质引起的。流行病学研究发现,人体肺部功能的下降、呼吸系统疾病的增多和正在逐年增加的死亡率与大气中气溶胶粒子浓度的上升存在着紧密的联系11。3.2 气溶胶的研究现状及趋势回顾几十年来气溶胶的研究历程,研究重心不断发生变化。过去着重于一次颗粒物(在气溶胶颗粒的生命周期内,它一直保持一种态) 研究,20 世纪50 年代后,逐渐从总悬浮颗粒物(T

10、SP) 转向可吸入颗粒物PM10 ( 10m) ,90 年代后期,更重视二次颗粒物(在气溶胶颗粒的存在期间,它会从一种态向另一种态转换) 的问题12。现今则更侧重于PM2. 5 ( 2.5m) 、亚微米(10 - 7m) ,甚至超细的颗粒(nm) 。以前较多地针对人为源,现今生物源、天然源都作为重要排放源来探讨。近年来,城市和区域环境的气溶胶特性的研究得到进一步重视和加强。对气溶胶颗粒的成分除一般无机元素外,还开始重视元素碳、有机碳、有机化合物13。有些研究还对生物气溶胶(细菌、病菌、霉菌等) 、元素存在形态进行分析鉴定,大大丰富了气溶胶特性研究的内容。在研究气溶胶细粒子的过程中,相关采样与分

11、析测试技术也得到了不断改进和提高14。4 气溶胶净化设备及其原理4.1 静电除尘器4.1.1 静电除尘器的工作原理静电除尘器的工作原理是利用高压电场使烟气发生电离，气流中的粉尘荷电在电场作用下与气流分离。负极由不同断面形状的金属导线制成，叫放电电极。正极由不同几何形状的金属板制成，叫集尘电极。静电除尘器的性能受粉尘性质、设备构造和烟气流速等三个因素的影响。粉尘的比电阻是评价导电性的指标，它对除尘效率有直接的影响。比电阻过低，尘粒难以保持在集尘电极上，致使其重返气流。比电阻过高，到达集尘电极的尘粒电荷不易放出，在尘层之间形成电压梯度会产生局部击穿和放电现象15。4.1.2静电除尘器的类型静电除尘

12、器按集尘极形式不同，通常分为板式静电除尘器和管式静电除尘器。按内部荷电区和分离区布置分单区电除尘器(荷电与分离在同一区内完成)和双压电除尘器(荷电与分离分别在两个区完成)16。按气流流动分卧式电除尘器(气流水平运动)和立式电除尘器(气流垂直运动)。按清灰方式分干式电除尘器(振打清灰)和湿式电除尘器(集尘极上的粉尘靠水流排出)17。4.1.3静电除尘器的优缺点电除尘器是利用电场产生的电力使尘粒从气流中分离的设备。电除尘器是一种干式高效除尘器，它的优点是： a. 用于微粒控制，对粒径12m的尘粒，效率可达9899；b.在电除尘器内，尘粒从气流中分离的能量，不是供给气流，而是直接供给尘粒的，因此，和

13、其它的高效除尘器相比。电除尘器的阻力较低，仅为100200Pa； c.可以处理高温（在400以下）的气体;d.适用于大型的工程，处理的气体量愈大，它的经济效果愈明显18。 电除尘器的缺点是： a.设备庞大，占地面积大； b.耗用钢材多，一次投资大； c.结构较复杂，制造、安装的精度要求高； d.对粉尘的比电阻有一定要求19。4.2 布袋除尘器4.2.1布袋除尘器的工作原理含尘气体由灰斗上部进风口进入后，在挡风板的作用下，气流向上流动，流速降低，部分大颗粒粉尘由于惯性力的作用被分离出来落入灰斗。含尘气体进入中箱体经滤袋的过滤 净化，粉尘被阻留在滤袋的外表面，净化后的气体经滤袋口进入上箱体，由出风

14、口排出。随着滤袋表面粉尘不断增加，除尘器进出口压差也随之上升。当除尘器阻力达到设定值时，控制系统发出清灰指令，清灰系统开始工作20。首先电磁阀接到信号后立即开启，使小膜片上部气室的压缩空气被排放，由于小膜片两端受力的改变，使被小膜片关闭的排气通道开启，大膜片上部气室的压缩空气由此通道排出，大膜片两端受力改变，使大膜片动作，将关闭的输出口打开， 气包内的压缩空气经由输出管和喷吹管喷入袋内，实现清灰。当控制信号停止后，电磁阀关闭，小膜片、大膜片相继复位，喷吹停止。4.2.2布袋除尘器分类主要是袋据其结构等,如滤袋形状,过滤方向,进风口位置以及清灰方式进行分类.按滤袋开头分类:1.圆袋式除尘器;2.

15、扁袋式除尘器；按过滤方向分类:1.内滤式袋式除尘器;2.外滤式袋式除尘器；按进气口位置分类1.下进风袋式除尘器2.上进风袋式除尘器.214.2.3布袋除尘器的性能特点a.采用脉冲喷吹清灰技术,清灰能力强,除尘效率高,排放浓度低,漏风率小,能耗少,钢耗少,占地面积少,运行稳定可靠,经济效益好.适用于冶金建材,机械,化工,电力,轻工行业的烟气除尘； b.箱体采用气密性设计,密封性好,检查门用优良的密封材料，制作过程中以煤油检漏，漏风率很低； c.进、出口风道布置紧凑,气流阻力小； d.采用分室停风脉冲喷吹清灰,清灰周期长,消耗低,可成倍提高滤袋与阀片的寿命; e.可实现不停机换袋,检修不影响设备正

16、常运行22.4.3湿式除尘器4.3.1湿式除尘器的工作原理湿式除尘器的除尘原理属于短程机制，主要是在除尘器内含尘气体与水接触有如下过程：温暖粒与预先分散的水膜或雾状液相接触；含尘气体冲击水层产生鼓泡形成细小水滴或水膜；较大的粒子在与水滴碰撞时被捕集，捕集效率取决于粒子的惯性及扩散程度23。因为水滴与气流间有相对运动，并由于水滴周围有环境气膜作用，所以气体与水滴接近时，气体改变流向绕过水滴而尘粒受惯性力和扩散的作用，保持原轨迹运动与水滴相撞。这样，在范围内尘粒都有可能与水滴相撞，然后由于水的作用凝聚成大颗粒，被水流带起。4.3.2湿式除尘器的分类湿式除尘器的类型，从不同角度有不同的分类。 按结构

17、型式分类：1.贮水式；2. 加压水喷淋式；3. 强制旋转喷淋式 按能耗大小分类：1. 低能耗型；2.高能耗型按气液接触方式分类：1.整体接触式；2.分散接触式4.3.3湿式除尘器的优缺点优点：1.由于气体和液体接触过程中同时发生传质和传热的过程，因此这类除尘器既具有除尘作用，又具有烟气降温和吸收有害气体的作用；2.适用于入理高温。高温、易燃易爆和有害气体；3.运行正常进，净化效率高；4.可用于雾尘集聚之粉尘、气体；5.排气量衡定；6.结构简单、占地面积小。投资低；7.运行安全、操作及维修方便。缺点：1.从湿式除尘器中排出的泥浆要进行处理，否则会造成二次污染；2.当净化有侵蚀性气体时，化学侵蚀性

18、转移到水中，因此污水系统要用防腐材料保护；3不合用于疏水性烟尘；对于粘性烟尘轻易使管道、叶片等发生堵塞；4.与干式除尘器比拟需要消耗水，并且处理难题，在严寒地区应采用防冻措施24。4.4机械除尘器4.4.1机械除尘器的工作原理机械除尘器有沉降室，惯性除尘器和旋风除尘器三个类别。沉降室工作利用的是重力，所谓重力就是地球对物体的吸引力。在重力作用下含尘气体中的粉尘在沉降室被分离出来。惯性除尘器分离粉尘利用的是惯性力。惯性力是反映物质自身运动状态的力，受到外力时物质改变运动状态。在相同的作用力下惯性小的物体比惯性大的物体容易改变运动状态，即得到的加速度比较大，这对惯性小的粉尘分离是有利的。旋风除尘器

19、利用的是离心力。所谓离心力是指做圆周运动的物体对施于它的向心分离力。它是依据在旋转体的反作用力，利用离心力分离非均相系统的分离过程通称离心分离。它是依据在旋转过程中质量大的、旋转速度快的物质获得的离心力也大的原理进行工作的。4.4.2机械除尘器的分类机械除尘器通常指以质量力重力、惯性力和离心力等沉降机理除去含尘气体中粉尘粒子的除尘器，主要包括重力沉降室、惯性除尘器和旋风除尘器等。惯性除尘器是使含尘气流与挡板相撞，或使气流急剧地改变方向，借助其中粉尘粒子的惯性力使粒子分离并捕集的一种除尘装置。利用惯性分离原理，可以做成各种各样惯性除尘器。归纳起来， 大致可以分为以下几类。a.挡板式惯性除尘器挡板

20、式惯性除尘器结构简单，只是在沉降指中增加若干排小挡条或设数排多孔板，以提高对粉尘的惯性分离效率。采用槽形挡板组成的惯性除尘器可以有效地防止已被捕集的粉尘被气流冲刷而再次飞扬，这种除尘器也称为迷宫式除尘器，含尘气流由两板之间的缝隙以较高的速度喷出，流向下一排槽形板中的凹部。气流沿圆弧状的边沿绕到下一排，而粉尘则碰撞到槽内沿板面落入下部灰斗。清灰可采用振打或水冲洗。沿气流方向设置的槽形板一般为36排，有时还可以设更多排。b.气流折转式惯性除尘器 这种除尘器主要是依靠含尘气流作急剧的折转，在惯性作用下使粉尘分离。有折转90后排出的，有折转180后排出的，有时进气管也做成渐扩形式，以降低进气管出口的气

21、流速度，减小由气流冲击而引起的二次扬尘。 c. 百叶式惯性除尘器 百叶式惯性除尘器中有很多叶片，含尘气体进入除尘器后，按百叶的方向折转使粉尘分离，然后气流由排气管排出。 旋风除尘器经历了百年的发展历程，由于不断改进和为了适应各种有应用场合，出现了很多类型，因而可以根据不同的特点和要求来进行分类。根据对旋风除尘器要求的效率和处理风量不同，可分为两类：通用旋风除尘器和高效旋风除尘器。高效除尘器一般制成小直径筒体，处理同样风量时，消耗钢材较多，因而造价也高。大流量旋风除尘器，其筒体较大，单个除尘器所处理的风量较大，因而处理单位风量所消耗的钢材较少。按清灰方式可分为干式和湿式两种。在旋风除尘器中，粉尘

22、被分离到除尘器筒体内壁上后，直接依靠重力和旋转气流的推力而落入灰斗中，称为干式清灰。如果通过喷水或淋水的方法，将内壁上的粉尘冲洗到灰斗中，则称为湿式清灰。属于湿式清灰的旋风除尘有水膜除尘器和中心喷水旋风除尘器等。由于采用湿式清灰，消除了返弹、冲刷等引起的二次扬尘，因而除尘效率可显著提高。按进气方式和排灰方式，旋风除尘器可分为以下四类：切向进气，切向出气，轴向进气，轴向出气。5影响气溶胶净化设备的主要因素与改进方法5.1 提高静电除尘器效率的措施与方法由静电除尘器除尘过程来看，提高除尘效率可以从三个阶段着手。第一阶段：从烟尘进入着手。在静电除尘里，粉尘的捕集跟粉尘的自身参数有关：如粉尘的比电阻、

23、介电常数和密度、气体的流速、温度和湿度、电场的伏安特性以及收尘极的表面状态等等。在烟尘进入静电除尘之前先加一级除尘器，除去一些大颗粒、比重大的粉尘。如用旋风除尘，烟尘以高速经过旋风分离器，使含尘气体沿轴线螺旋向下旋转，利用离心力，除掉较粗颗粒的粉尘，有效控制了进入电场的初始含尘浓度。还可用水膜除尘，水雾用来控制粉尘的比电阻和介电常数，使烟气进入除尘器后有更强的荷电能力。但是要控制好除尘的水用量，防止结露25。第二阶段：从烟尘处理着手。通过挖掘静电除尘本身的除尘潜力，着重解决静电除尘器本身在除尘过程中的缺陷和问题，以有效的提高除尘效率。主要措施包括以下几种。(1)改善不均匀的烟气流速分布，调整气

24、流分布装置的技术参数 26。(2)注重收尘系统的保温，保证保温层的材料和厚度。收尘器外部的保温层，会直接影响收尘气体的的温度，由于外部环境中含有一定量的水分，气体的温度一旦低于露点会产生结露现象。由于结露，粉尘粘附在集尘极和电晕极上，即使振打也不能有效地使其脱落。粘附的粉尘量达到一定程度时，就会阻止电晕极产生电晕，从而使收尘效率下降，电收尘器不能正常工作27。另外，由于结露会造成收尘器的电极系统及壳体和贮斗产生腐蚀，从而缩短使用寿命。(3)改善收尘系统的密封，保证收尘系统的漏风率低于3。电收尘器通常为负压操作，因此在使用中必须注意密封，减少漏风以保证其工作性能28。因为外部空气的进入，会带来以

25、下三个不利的后果：降低收尘器内气体的温度，有可能产生结露，尤其是在气温低的冬季，引起上述结露而产生的问题。增大电场风速，使含尘气体在电场中的停留时间缩短，从而降低收尘效率。如果是集灰斗和排灰口处漏风，则漏入的空气直接将已沉降下的粉尘吹起，扬入气流中，造成严重的二次扬尘，导致收尘效率降低。29(4)根据烟气的化学成分，调节电极板的材料，以便增加电极板的耐腐蚀强度，防止极板腐蚀，造成短路。第三阶段：从尾气处理着手。可以在静电除尘后也加入三级除尘，如采用布袋除尘，可以较为彻底的除去些颗粒较小的粉尘，提高净化的效果，以达到无污染排敖的目的。305.2影响布袋除尘器效率的因素分析5.2.1气布比的选择气

26、布比又称表面过滤速度，是单位时间处理含尘气体的体积与滤布面积之比，有毛气布比和净气布比之分。前者指袋式除尘器入口的体积与除尘器的滤布总面积之比，后者指入口气体的体积与运行滤袋的滤布面积之比。对于小型袋式除尘器，两者差别较大。气布比是重要的设计参数，是决定除尘器性能和经济性的重要指标。315.2.2滤料的质量滤料作为布袋除尘器的核心部件，其性能和质量的好坏直接关系到布袋除尘器的运行效果和使用寿命。32目前市场上有各种各样的滤料，其性能用途各有不同，即便是相同的材料，不同厂家生产的产品，性能上也会有很大的差别。5.2.3清灰方式布袋除尘器运行一定时间后要及时清灰，清灰时又不能破坏初层，以免除尘效率

27、下降。布袋除尘器的清灰方式主要有三种，分别是脉冲反吹法、逆气流反吹法以及机械振动法。336 电除尘器和布袋除尘器的综合比较6.1基本性能对比袋式除尘器具有除尘效率高（可以永久保证粉尘排放浓度低于50mg/m3，甚至可达20mg/m3 以下）、结构简单、性能可靠、占地面积小等优点；可用于净化高温、含有油雾、水雾及粘结性强的粉尘时对滤料有相应要求。而电除尘器可以适应处理大的烟气量，可用于高温（可高达400）、高压和高湿（相对湿度可达100%）的场合，能连续运转，具有低阻的特点，电除尘器压力损失仅200300Pa；可电除尘器设备庞大、耗钢多、除尘效率受粉尘比电阻影响大，最适宜的范围是比电阻为1104

28、51010cm 的粉尘，受气体温、湿度等的操作条件影响较大。346.2运行可靠性对比布袋除尘器：（1）能长期保证50mg/m3（或更低）的粉尘排放浓度，不受入口粉尘浓度、比电阻的影响；（2）主要配套件:滤料的设计使用寿命30000 小时左右，电磁脉冲阀的使用寿命达100 万次以上；（3）利用离线功能实现检修、维护，不影响除尘系统的正常运行；（4）所有运转设备均设检测报警装置，能在第一时间发现故障并报警。 电除尘器：（1）投运初期可保持正常运行，并达到预期的除尘效率，但受入口烟气状况的影响；（2）运行一段时间后，电极可能发生变形，引起电场变化，除尘效率因而降低；（3）维护、检修只能在除尘系统停机

29、后才能实现。356.3维护方便性对比布袋除尘器：（1）一旦发生故障，能及时从控制系统获得报警及指示；（2）故障仓室能离线（系统保持正常运行）进行维护检修；（3）故障检修均在机外执行，无须进入除尘器内部；（4）日常维护中对破损滤袋能进行封闭措施（滤袋破损率在5%以下时），以便进一步减少日常工作量36。电除尘器:（1）由于电除尘器不具备离线检修功能，一旦发生故障，只能停机检修，否则只能带病运行；（2）检修时员工需进入除尘器内部，工作环境恶劣；（3）除尘器内部装置损坏程度及位置完全依靠人力完成检查工作，检修劳动强度大。7 结论通过文章的描述，对微细气溶胶基本特性和概念有了更为具体的理解，研究有机气溶

30、胶对人体健康、气候、能见度的影响以及与大气氧化剂反应形成的二次有机气溶胶都具有非常重要的意义。通过对于电除尘器和布袋除尘器的综合比较，看出布袋除尘器和电除尘器各有自己的优势和劣势。目前，国际上对于微细气溶胶粒子的研究非常明确，而国内还有所欠缺，有待我们进一步去探索。近几年，我国部分地区空气污染严重，使得我们对于气溶胶净化方法的研究迫在眉睫。参考文献:1 王明星, 大气化学第二版北京气象出版社,1999.2 刘毅、王明星、张仁健, 中国气溶胶研究进展, 气候与环境研究,1999,4(4),406414.3 车风翔, 生物气溶胶与人体健康, 第六届全国气溶胶学术会议论文集,1997,12-21.4

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