磁化水高压喷雾除尘技术治理城市PM2.5

何 淼，刘胜强，曾毅夫，叶明强

（“建筑节能与环境控制关键技术”协同创新中心，长沙 410100）

近年来，我国城市雾霾天气越来越严重，对公众健康和生活造成了严重的影响，PM2.5含量过高是导致雾霾天气的主要原因。PM2.5污染已成为城市突出的大气环境问题，城市PM2.5治理刻不容缓。

然而长期以来，如何有效治理PM2.5，一直是防尘领域的一大难题。在现有的各项防尘、降尘措施中，通常采用的降尘方式可归纳为两大类：干法降尘和湿法降尘。干法降尘多采用集尘方式工作，且只能应用于特定环境中，应用受到很大限制。而湿法除尘在适用环境、成本费用、安装操作等方面有明显优势，较为通用[1]。但一般的湿法喷雾除尘技术是采用普通自来水且水压较低，严重影响了喷雾降尘效果，总降尘效率仅为50%～60%，对PM2.5的降尘效率更低，只有20%～30%。因而如何提高对PM2.5的捕集效率，对于治理城市PM2.5污染具有十分重要的意义。本文提出的一种利用磁化水高压喷雾除尘技术，能够达到有效治理PM2.5的目的。

1 磁化水高压喷雾除尘技术原理

1.1 磁化水技术

水是抗磁性物质，当对水施加一种外磁场时，水就会产生一个附加磁场，其方向与外磁场方向相反，由于外磁场与分子力的相互作用，削弱了分子间的内聚力，改变了水分子的氢键联系，迫使水的黏性下降，从而改变水的表面张力，同时水中存在的杂质在流经磁场时也会被磁化，其中含电解质的离子磁化后产生的附加磁场的方向与外磁场方向相同，而非电解质的分子产生的附加磁场的方向与外磁场方向相反，这些磁力的相互作用最终促使水分子的内聚力下降，黏滞力减弱，从而不同程度地改变了水的基本结构，成为磁化水[2]。

1.2 高压喷雾技术

高压喷雾降尘技术是一种新型降尘技术。其原理是利用高压泵，经高压管路将水送至高压喷嘴雾化，形成飘飞的水雾，由于水雾颗粒是微米级的，极其细小，能够吸附空气中的杂质，达到降尘、加湿等多重功效，营造良好清新的空气。高压喷雾除尘系统的造价低，运行维护成本也低，经济实用，并可实现自动控制[3]。

1.3 磁化水高压喷雾技术

磁化水高压喷雾技术是针对磁化水和高压喷雾技术特点，优化组合两种技术而成。磁化水相比普通水，黏度、表面张力降低，吸附、溶解能力增强，致使雾化程度得到提高；高压喷雾技术相比低压喷雾技术，雾化粒径减小，雾滴分布均匀，雾滴荷质比增大，因此磁化水高压喷雾技术可以显著提高对粉尘尤其是PM2.5的捕集效率。

2 磁化水高压喷雾除尘技术特点

磁化水高压喷雾除尘技术综合了磁化水以及高压喷雾的优点，具有普通水喷雾技术所没有的优势[4-6]。

（1）磁化水降低水的表面张力

粉尘有疏水性和亲水性之分，喷雾降尘的效果跟粉尘的这种特性有很大关系。在喷雾过程中，由于粉尘粒子与水雾粒子之间的接触时间极短，因此喷雾水粒对粉尘粒子的湿润能力跟雾化水的表面张力直接相关。水经磁化处理，水分子链（团）的氢键发生畸变、断裂，使液体分子间的平衡距离变大，引力常数变小，导致水体表面张力降低，改善水对粉尘的湿润性能，更容易把粉尘颗粒包裹，使粉尘更容易沉降。

（2）磁化水减小了水的黏度

水的黏度变化会直接影响喷雾效果，黏度小喷出的雾粒就小，雾粒分布均匀。研究表明，经磁化处理后水的黏度系数有下降的趋势。磁场强度越高，水的黏度下降越明显。

（3）磁化水增强了水雾的极性

水经过磁化后，水中活性水分子增多，磁化水雾作为捕尘体具有很强的极性，容易与其它物质形成物理键而发生吸附，这种吸附由经极化而加强的色散力、偶极子力等作用而形成，因此这种吸附不易解脱。同时粉尘在磁场作用下同样可能导致极性加强，且粉尘由表往里往往呈现出多层次结构。这些因素导致水体与粉尘更容易发生相互吸附而除去粉尘。

（4）磁化水喷雾提高粉尘亲水性能

由于尘粒内部分子所受力不对称，因此尘粒表面存在过剩能量——表面自由能，这种表面自由能导致尘粒会吸附空气中的气体和液体，导致尘粒表面形成一层阻碍水雾润湿的气体薄膜。尘粒越小，表面自由能越大，吸附气体的活性越强，所形成的气体薄膜越牢固，因此微细粉尘难以被水雾捕获。破坏尘粒的气体薄膜，可以提高喷雾除尘的效果，水蒸气是一种最能被吸附在尘粒表面的气体，并且当尘粒吸附水蒸气形成薄膜时，尘粒变为亲水性，有利于提高喷雾降尘效果，特别是对微细尘粒。

研究表明，水经磁化处理后，在磁性保持时间内，蒸发率明显高于非磁化水，而去磁后，蒸发率却低于非磁化水，并逐渐与非磁化水趋于一致。尽管磁化水和非磁化水的蒸发率受环境条件影响，但是，磁化水的蒸发率总是远高于非磁化水。蒸发率的提高，不仅能显著提高喷雾降尘局部中水蒸气含量，同时也能增加喷雾降尘局部环境空气中的湿度，有利于尘粒吸附水蒸气形成薄膜，改善粉尘亲水性，提高降尘效果。

（5）磁化水延长了水雾在空气中的存留时间

研究表明，减小水滴粒径可以提高喷雾降尘效果，但随着水滴粒径的减小，水滴极易蒸发，在未捕获粉尘之前已汽化被气流带走。提高水滴在空气中的存在时间，可以增加水滴与尘粒之间的碰撞机率，提高喷雾降尘效果。而水雾在空气的存留时间随相对湿度的增大以及空气温度的降低而大大增加，磁化水的蒸发率高有利于吸收空气中的热量，降低喷雾局部温度，提高局部湿度，形成有利于水雾离子在空气中存留的客观环境条件。同时当磁化水雾去磁后，其蒸发率又大大降低。因此，在磁化水喷出形成水雾的过程中，首先是磁化水雾由较粗颗粒蒸发为较细颗粒，此时蒸发率高，降低了喷雾局部温度，提高湿度，当水雾形成较细水粒后，此时磁性去除，蒸发率大幅度降低，水雾在空气中又能够保持较长的时间，从而提高了喷雾除尘的效果。

（6）高压喷雾增强了水雾雾化效果

通过高压以及精细喷嘴，高压喷雾产生的水雾微粒非常细小，表面张力很小，这些微小雾化颗粒能长时间漂浮在空气中与周围的空气融合，能迅速吸附空气中的各种大小灰尘颗粒，从而有效控尘，营造良好清新的空气环境，达到降尘、加湿等多重功效，对大型开阔范围的控尘降尘有很好的效果。同时这种效果完全是一种雾化效果，绝不会产生水滴和潮湿。

（7）高压喷雾没有雾流衰减

普通低压喷雾时，最初水流紧密，之后由于空气的阻力就分散成雾粒，这些雾粒沿平行于雾流轴的方向运行。当雾粒距喷嘴一定距离而处于衰减区时，运动速度减慢并开始沉降。而高压喷雾的雾流与之不同，从高压喷嘴喷出的高速水流，在很短的距离上就分散成雾粒，并在雾粒后形成一种气流，没有低压喷雾明显的雾流衰减区。水流变成雾流的长度由喷雾压力决定，压力在2.5M～3MPa时，雾流的形式为实心圆锥形，随着压力的增加，雾流圆锥形部分的长度可明显缩短，雾流变成圆柱形，并有强烈的涡流运动，压力越高，圆柱长度越大，降尘效果越好。

（8）高压喷雾水雾分布均匀

喷雾降尘好的一个主要条件是：水在整个雾流长度上都平均分布。普通喷雾时，实心圆锥形雾流能满足要求，但这种雾流不能保证水的均匀分布，雾流中心水大，向外依次减小。而高压喷雾在水压力和气流扰动力的共同作用下，水分分布均匀，除尘效好。

（9）高压喷雾可提高水雾荷质比

相关研究表明，PM2.5除尘效率随着水雾荷质比的提高而呈直线上升。可见，提高水雾荷质比是提高PM2.5降尘效率的重要途径。高压喷雾过程中，由于水雾荷电效应，使水雾粒子带上了较高的电荷。研究表明，水雾电荷值在水压力为7.5M～12.5MPa范围内，随着水压力的提高而显著上升。因此，提高水压力是提高水雾电荷值，即提高水雾荷质比的重要途径，从而也是提高喷雾对PM2.5降尘效率的重要途径，这也是高压喷雾对PM2.5具有显著降尘效果的原因。

3 影响磁化水高压喷雾除尘的因素

从磁化水高压喷雾除尘技术机理的分析可以看出，磁化水高压喷雾除尘技术的降尘效果优于普通喷雾的原因主要是经过磁化后水的物理化学性质的变化，使得喷雾雾化程度提高，同时经过高压喷雾，雾化效果相应也得到提高。因此，影响水的基本性质变化和雾化效果都能影响磁化水高压喷雾除尘技术的降尘效率[7-8]。

（1）水的流向和流速

流向：将水以一定的速度通过一个或多个磁路间隙，水流方向与磁力线成一定的角度，均可得到磁化水。而且当磁场与水流方向垂直时，磁作用最强、效果也最好。

流速：由于许多离子的抗磁性要强于水，水流切割磁力线时应有足够的速度。要达到较佳的处理效果，磁化水流速应在一定范围内，此范围可通过具体实验获得。

（2）磁场强度

研究表明，磁场强度在磁化水处理中起着非常重要的作用。根据大量有关文献总结，磁感应强度达300mT时，磁化水的物理化学性能（包括表面张力等）有明显改变，但磁感应强度与水的物理化学性能改变并非呈线性关系，需通过实验进一步确定最佳的磁感应强度。

（3）磁化方式

按磁场形成的方式可将磁水器分为永磁式和电磁式两种；按磁场位置又可将磁水器分为内磁式和外磁式两种。永磁式和电磁式磁水器在间隙磁场强度相同的情况下效果相同，但各有特点。

永磁式磁水器的最大优点是不需能源，且结构简单、操作维护方便，但其磁场强度受磁性材料和充磁技术的限制，并存在随时间的延长或水温的提高而退磁的现象。

电磁式磁水器的优点是磁场强度容易调节，而且可达到很高的磁场强度，同时磁场强度不受时间和温度的影响，稳定性好，但其需要外界提供激磁电源。与内磁式磁水器相比，外磁式磁水器可能具有更大的优越性，其主要的优点是检修时不必停水及拆卸管道，也不易引起磁短路现象。

（4）水中可溶性杂质

一般水中都有杂质，水中的杂质以不同形式影响水的结构，乃至水的物理化学性质。水中的杂质可分为两类：呈离子状态存在于水中的电解质和呈分子形式存在于水中的非电解质。水中的非电解质越多，水的结构越稳定，越不易磁化，相反，水中的电解质越多，水越易被磁化。

（5）雾滴粒度

水雾滴的粒径根据喷雾除尘的要求确定。一般情况下，水雾滴的粒径越小在空气中分布的密度越大，与粉尘的接触机会越多，降尘效果越好。当雾粒过大时，动量大，其质量也大，不易与粉尘相碰撞；雾粒过小时，易蒸发，即使粉尘与雾粒相碰撞，粉尘还没落地，水分就已经蒸发，起不到作用。由理论和实践可知，雾滴粒径在10～200μm时，降尘效果较好。

（6）雾粒速度

雾粒速度决定着与粉尘的接触效果。如果相对速度大，两者碰撞时的动量大，有利于克服水的表面张力，易将粉尘湿润捕获。雾粒速度快时，其动量大，与尘粒碰撞后迅速降落，减少了粉尘在空中的停留时间，并可有效防止水在空气中蒸发。有资料表明，当雾粒达到0.1mm、水粒的速度提高到30m/s时，对2μm尘粒的降尘率可提高约50%。据观测，雾粒速度一般应大于20m/s。

（7）喷雾密度

喷雾的密度是指在单位时间内单位水雾流的截面的水耗量，喷雾的密度越大降尘效果越好。适当加大供水流量，可提高雾粒的运动速度与分布密度，增加雾粒与粉尘碰撞捕尘的机会。但流量达到一定程度后，继续增加流量，对降尘效果的影响不明显。一般在有效射程内，喷雾密度平均在104～105粒/cm3的供水量比较适宜。同时，供水压力增大，水雾粒径小，雾化程度高，分布密度大。

（8）喷雾的覆盖半径

喷雾的覆盖半径对降尘效果的影响也非常大，喷雾的覆盖半径大时能增加雾滴同尘粒的碰撞机会，提高降尘效果。此外，粉尘浓度、粒径、带电性对捕尘效果也有影响。对于实际的降尘问题，粉尘中既有质量又有大小，惯性和截留的效应同时并存。

4 磁化水高压喷雾技术展望

当前，我国环境状况总体恶化的趋势尚未得到根本遏制，环境矛盾日益凸显，环保压力持续加大。部分区域和城市大气雾霾现象突出，许多地区的主要污染物排放量超过了环境容量，严重制约了社会经济可持续发展，威胁了人民群众身体健康。预计在未来相当长的时间内，国家将会陆续出台更多的政策措施，下大力气治理P M2.5[9]。

磁化水高压喷雾除尘技术将高压喷雾除尘和水磁化技术相结合，具有设备简单、安装容易、性能可靠、成本低、一次性投入长期有效，以及对粉尘的捕尘性能好，能明显提高普通喷雾对粉尘的去除效率等优点，具有广阔的发展前景和良好的社会经济效益，该技术的应用对于治理城市PM2.5污染、减少雾霾具有重大的现实意义。

[1]卢鉴章.我国煤矿粉尘防治技术的新进展[J].煤炭科学技术，1996，24（7）：1-5.

[2]谢文慧，等.磁处理水机理的研究[J].磁能应用技术，1993（1）：37-41.

[3]张安明，郭社科.高压喷雾的原理及其应用[J].煤矿安全，1998（4）：2-5.

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[5]颜士华，夏孝明，等.对磁化水喷雾降尘机理的认识[J].煤炭工程师，1997（2）：28-31.

[6]曹绍龙.高压喷雾除尘技术及其应用[J].陕西煤炭，2008（1）：96-97.

[7]许冬花.自吸喷雾磁化降尘研究[D].江苏大学硕士学位论文，2010.

[8]马素平，寇子明.喷雾降尘机理的研究[J].煤炭学报，2005（3）：297-300.

[9]李丽珍，曹露，等.谈中国PM2.5的污染来源及危害[J].能源与节能，2013（4）：77-78.