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采用高压微雾系统解决养殖场排放废气净化空气除臭的作用
发布时间:2021-09-17 11:59:55  浏览:

在工业和民用领域,我们经常可以看到利用高压水雾,来去除工业生产过程中及工程施工作业过程中所产生的粉尘的有效案例。因而,在畜牧养殖业,也大可采取这种方法,来处理畜禽舍排出气体中的粉尘和臭气成分,从而解决养殖场周边因气味引起的居民投诉问题。由于高压水雾设备有着投资少、安装便捷、运行成本低等优点,在近几年的国内环保压力下,许多养殖场都采用了这种实惠的除尘除臭方案。但根据现有的反馈,有大量客户在使用后,感觉这套方案的实际除臭效果有限,或是持续作用时间过短。究其原因,无外乎设备本身的性能问题,以及配套组件选用时的设计问题。有鉴于此,本文将以高压水雾除尘的机理为出发点,通过分析猪舍废气的特点,并结合高压水雾系统的部分参数指标,来进一步探讨如何优化高压水雾设备在养殖场废气净化中的使用效果,供正在使用和准备采用高压水雾除臭的朋友参考。
一.           高压水雾除尘(除臭)的原理
新瑞佳-高压水雾系统是通过增压设备(高压泵),将经过过滤的清水送入高压管道,并通过雾化喷嘴,喷射出大量的、具有一定冲击速度的水雾化颗粒。雾化设备根据雾化工艺可分为压力雾化、气流雾化及超声雾化等几种工艺;根据雾粒的粒径大小分为干雾、细雾、微雾、水雾等。干雾和细雾多用于消毒和加湿,这些在养殖场也经常使用,雾化消毒时一般在水中会添加一些药剂及化学制剂;在某些干燥地区或干燥的季节通过喷雾实现加湿或降温效果。还有在水中添加生物或化学除臭剂,通过喷雾设备形成细雾,在舍内达到去除氨气和臭味的目的。在雾化除尘领域,通常是采用微雾和水雾。本文讨论的内容涉及的就是利用高压产生的微雾和水雾实现除尘除臭的这一领域。当采用高压水雾设备产生具有一定初速度的雾化水滴颗粒,进入含有粉尘的气流中时,便会藉由惯性,撞击气体中的固体颗粒物,迅速的捕集、吸附、凝结,最终形成包裹着颗粒物的固液混合颗粒,在重力的作用下沉降到地面,从而实现除尘。畜禽舍排出的废气,主要是由粉尘和臭气物质组成,粉尘中,又以饲料粉尘居多——有数据表明,猪舍空气中≥7μm的粉尘颗粒,有91%都是来源于饲料①;而臭气物质的成分则更加复杂,据相关文献描述,这类臭气成分多达200~300种。不过在这之中,占比较多的仍是氨气,硫化氢其次,其余的臭气物质,则多属于有机臭气成分,虽然它们的占比很小,但臭气阈值却很低,人们也很容易闻到它所散发出的臭味。好在,这些臭气物质并不是以气态独立存在于废气之中,而主要是附着在粉尘之上,以气溶胶的形态悬浮于空气中。所以,高压水雾系统净化畜禽舍废气的本质是通过去除粉尘气溶胶的机理,达到除臭的目标。关于高压水雾除尘,国内外的科研人员,已经通过大量的实验研究,确认水雾颗粒与粉尘气溶胶在微观层面上,能够藉由惯性碰撞、截留、布朗扩散、重力效应、电荷效应等多种作用力的相互影响下,实现除尘。(如图1所示) (图1)喷雾降尘机理由于以上几种作用的相互关系太过复杂,在这里不再展开,从结论上说就是:气雾颗粒与粉尘气溶胶的几种相互作用力并不是同时发生的,而是会根据实际的应用场景、处理物的影响,而发生不同的相互作用。但总的来说,“惯性碰撞”和“截留”在其中起到的作用是最大的,两者的具体效果,则取决于实际情况下,粉尘气溶胶颗粒的大小和雾粒的性质(粒径、运动速度及单位体积内雾粒的密度等)因素。

一.           空气颗粒物的概念划分
为了便于理解,在这里我们先把“粉尘”、“总悬浮颗粒物”以及“气溶胶”这三个概念梳理一下。首先是粉尘:在国际标准化组织的规定中,粒径<75μm固体粒子的悬浮体被统称为“粉尘”。这个概念比较笼统,通常只用于工业通风除尘领域,再加上近些年大众对大气污染物的关注,所以我们更常听见的其实是诸如“悬浮颗粒物(PM)”、“PM10”、“PM2.5”这些空气动力学和环境气象学领域的描述。而悬浮颗粒物,就是悬浮在大气中的固体或液体颗粒状物质的总称:粒径小于100μm的颗粒物被称为TSP(Total Suspended Particulate),也就是“总悬浮微粒”,又称“总悬浮颗粒物”;而粒径小于10μm的则被称为PM10(Particulate Matter 10),即“可吸入颗粒”;粒径小于2.5μm的,就是我们所熟知的PM2.5(Particulate Matter 2.5)了。所以说,TSP和PM10在粒径上存在着包含关系,即“PM10为TSP的一部分”。而气溶胶,则是指悬浮于气体中的,粒径在0.001~100µm的固体或液体微小粒子所形成的胶溶状态分散体系。因此,气溶胶也可以看作是总悬浮颗粒物(TSP)中的一部分。说到这里,就有必要强调一下“粒径”这个概念了。虽然粒径是用来描述颗粒物的大小的,但上文中的颗粒物“粒径“,并不是指颗粒物本身的真实直径,严格意义上讲,其实是空气动力学中的当量直径Dp ,这一点在这里也不再展开,感兴趣的可以自行查阅。

二.           猪舍空气中颗粒物的特点那么测量颗粒物粒径的主要目的,其实就是为了研究颗粒物的运动特性。大气中的颗粒物,小的能有0.001μm,大的则可以达到1000μm以上。作为对比,粒径大于50μm的颗粒物,在自然条件下受重力作用影响,会很快沉降到地面,只能在大气中滞留几分钟~几小时左右;而粒径为0.1μm的颗粒,不但会大幅削减自身的重力影响,在大气中滞留相当长的时间,而且还能漂浮到很远的地方。所以一般情况下,习惯上把10μm以上的称作“降尘”,10μm以下的称作“浮尘”。国内外对猪舍内及其排出气体的颗粒污染物和气溶胶颗粒物的研究有很多,比如黄凯、唐倩等著的《冬季不同类型猪舍内颗粒物与微生物气溶胶浓度分布规律研究》②中,就通过实地测量,记录了冬季妊娠舍、分娩舍、保育舍这三种猪舍的舍内空气颗粒物(TSP、PM10、PM4、PM2.5、PM1)的质量浓度(见下表2)。从数据我们可以看出,在猪舍内,不同粒径的颗粒物中,PM10以下的浮尘约占44%,而大于PM10的降尘则明显占比更多。此外,许稳、刘学军等著的《不同阶段猪舍氨气和颗粒物污染特征及其动态》③中也指出,猪舍空气中的颗粒物以10-100μm的降尘为主,在保育舍和育肥舍中分别占总悬浮颗粒物质量浓度的82%和63%;刘杨等在《育肥舍气溶胶产生规律和减排方法研究》④论文中也总结道:猪舍空气中的颗粒物粒径分布,均以10~100μm所占比例最高,在四个季节中占比均已超过60%,春季甚至超过75%。虽然以上数据中的数值均有所偏差,但已经能够确定猪舍排出的废气中,颗粒物及气溶胶的粒径以10-100μm降尘比例最多,其次是PM10(浮尘)。 综上所述,采用高水喷雾除臭设备净化猪舍排放废气的核心目标应该是通过高压喷雾产生的雾滴,最大限度的捕集不易沉降的PM10,同时加快粒径范围在10-100μm这些可沉降粉尘的沉降速度。

三.           除尘(除臭)效果的影响因素

除尘效率的影响因素除了粉尘气溶胶颗粒的大小之外,另一重要因素是高压喷雾产生的雾粒的物理参数,包括雾粒的粒径、雾粒的运动速度及雾粒的密度。对于高压水雾除尘的研究结果证明,当粉尘颗粒物粒径不变时,雾粒的粒径越小,捕集的效果就越好,这是因为在相同的体积空间,雾滴粒径越小,雾滴的数量就越多,与粉尘颗粒物撞击的机率越高;而雾滴粒径越大,雾滴的数量越少,与粉尘颗粒物的碰撞机率就降低。但当雾粒粒径小到一定数值后,随着雾粒粒径的变小,雾粒的蒸发也会变快,捕集的效果就又会变差了,所以如何确定雾粒的粒径,就成为了影响除尘效果的核心问题。在这里还需要特别说明一下,雾粒的“总捕集率”和喷雾系统的“总降尘率”其实不是一回事:降尘率是指包含粉尘颗粒的液滴和包含气雾颗粒的气流的分离效率,追求的是最终的降尘结果。而当雾粒直径过小时,虽然从过程上讲,雾粒的“总捕集率”会上升,但由于蒸发等因素,从结果上无法对粉尘进行有效捕集,所以实际上的“总降尘率”是不增反降的。此外还有一点要考虑的是,已经被捕集的尘粒,处于饱和状态时受温度的影响较大,饱和液滴此时容易破裂蒸发,所以也会导致最终尘粒捕集失败。由此可见,雾粒过大或过小,都会影响到降尘的效果,对于粒径大小已经确定的尘粒,我们也需要对症下药,选用除尘率最佳的雾滴。由于PM10以下的粉尘会影响人的呼吸道健康,所以此前的研究人员,主要都在研究这一范围内的颗粒物。从结论上说,针对PM10以下的颗粒物,美国研究人员测得效果最佳的雾滴粒径是100-200μm;而前苏联的学者则认为40-100μm的雾粒更容易和粉尘碰撞,从而达到最佳捕尘的效果。近年来计算流体力学(CFD)技术的应用,使得国内的研究人员也通过模拟和实验,测得在综合环境下,粒径在100μm左右的雾粒捕尘能力最强;而当把环境湿度限定在不容易汽化的前提下时,粒径在50μm左右的雾粒,对捕获呼吸性粉尘的效果最佳。参考以上数据之后我们大致可以认定,为了达到理想的捕尘效果,猪舍排气净化除臭选用的高压雾化系统的雾粒粒径应该在50-100μm之间。雾粒的运动速度,在理论上讲提高雾粒的运动速度会加强气流的涡流运动强度,涡流运动强度与雾粒运动速度的平方成正比,因此涡流运动强度的提升,能够提高雾粒与粉尘颗粒的碰撞次数,使除尘效率提高。这一点可以简单理解为雾粒速度提高后,雾粒获得了更多的动能,所以拉长了在粉尘气流中运动的距离和时间,提高了粉尘与雾粒的碰撞次数,并最终获得了更佳的除尘效果。而增加单位体积内雾粒的密度,其实质也是提高雾粒与粉尘颗粒的碰撞次数,提高降尘效率。雾粒的粒径、速度和密度这几个参数是相互关联的,就单个雾化喷嘴来说,当确定了雾粒的粒径范围,那么就要选定喷嘴类型和工作压力,随之雾滴的初始速度和流量等也就基本确定了。根据高压喷嘴的特性,高压雾化系统的压力越高,雾化颗粒的粒径就越小,单位体积内雾粒的密度越高,喷嘴的流量就越大;但并不是压力越高越好,因为压力的提高到一定数值后,除尘的效率提高的程度有限,但耗水量确实成倍的提高,设备能耗也大幅增加,设备投资和运行成本都不经济。有关这点前文也有论述。设备的水流量除了需要根据排放废气的总量及对除臭效率的设定来计算,但还有另一重要方面,就是用户对水消耗量的认可范围,因为高压水雾消耗的水量是一次性损耗的,不能循环使用。
结论

        以上通过对高压水雾除尘机理的研究分析,可以认为利用高压水雾设备净化畜禽舍废气中的臭气的核心点是控制雾化水滴颗粒的粒径范围、运动速度和密度,即雾化水滴的粒径在50-100μm之间的集中度越高、与废气气流的相对速度越大、单位体积废气里雾粒的密度越高,那么除尘除臭的效率就会越高。实际设计和应用中就是要通过这几个核心参数来配置高压水雾设备,同时要满足用户对除尘效率、水的消耗量及投资利用率的要求。河南新瑞佳实业有限公司专业生产高压微雾除臭系统功能、养殖场喷淋除臭消毒系统,可为养殖企业定制除臭系统。

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