风力雾化技术

风力雾化技术除霾降尘

1.见的除霾方法

随着我国工业化、城镇化持续推进，大气污染加剧，雾霾天气频发，由此而引发的巨大健康风险令人担忧，人们对清洁空气的渴望日趋强烈。雾霾通常由多种污染源混合作用形成，比如工业排放、汽车尾气、建筑扬尘、垃圾焚烧，甚至火山喷发等。除此之外，源于广大农村土壤、水源严重污染导致以微生物为主的二次气溶胶颗粒也是雾霾不可忽视的污染源，甚至可能是导致我国雾霾爆发式形成与扩散的关键因素。

在对大气污染物进行沉降时，较难去除的是微细粉尘（PM2.5）,这种粉尘由于粒径小、重量轻，表面积大、吸附性强，作为数十种有害物质载体在长期悬浮穿梭于空气中，很难被人工捕捉沉降。

目前捕集与清除大气中微细粉尘方案的技术原理大致分为以下几种：

（1）过滤除尘：把含有粉尘粒子的空气流经过滤粉尘物质，通过过滤物质来沉降粉尘颗粒。

（2）机械除尘：通过粒子间的惯性力与重力共同作用让悬浮颗粒与空气分离。

（3）电除尘：依靠使用高压电源来发出较强的空间电场，空气中的粉尘颗粒因为外加电场的作用下产生感应荷电，被荷电了的粉尘颗粒在这种情况下会顺着电流方向被沉降到集尘极板上实现降尘。

（4）湿式除尘：通过悬浮颗粒和水雾水粒的碰触，运用水雾与悬浮颗粒的碰撞及其结合作用使较小颗粒的粉尘变大而沉降。

2. 风力雾化技术除尘原理

风力雾化技术便是利用系统工作时不断喷射和扩散的细微水雾，形成小范围雾化区，细水雾依靠惯性碰撞、截留捕获、重力沉降等方式捕捉空气中悬浮的粉尘，使污染颗粒物、尘埃等凝结而沉降，实现除霾降尘的效果。

人们很早就懂得，使用普通喷射水雾在沉降微细粉尘方面效率并不高，主要原因在于大气中微细粉尘相对普通水雾太小，这些微细粉尘化学活性、吸附能力强，容易在表面形成气膜，阻碍水雾对粉尘的湿润。按空气动力学理论，直径与悬浮颗粒越接近的水雾越能够有效沉降空间里面的悬浮颗粒。当水滴直径变小时，水雾分散性好，颗粒数多，拦截粉尘概率大，碰撞机率也高，然而，当水雾越来越细时，水雾在还没实现粉尘沉降前，便在相对湿度未饱和的空间内汽化，存留时问太短，其除尘效果当然也差。

后来，美国学者斯考温格德与布朗通过多年探究后指出，即使细水雾在捕捉到粉尘之前已经汽化，仍然会对粉尘的沉降起到重要作用。他们将云物理的理论引入了水雾除尘技术中。此时冷凝化作用在降尘中发挥主要作用，此时的水粒将会不停的蒸发汽化，这样空间里面的相对湿度很快达到过饱和，饱和之后的水蒸汽便会以悬浮的小颗粒粉尘作为载体迅速凝聚，此时粉尘粒径不断增加，当粉尘直径达到 10~20 μm 就会落下或轻易地被一般水雾除去，这在这个理论条件为背景下，人们展开了细水雾除尘的新探索。

3. 不同工作压力下的水雾除尘系统

水雾除尘根据喷雾水压可以分为低压和高压系统。低压水雾通常是指喷雾水压在 1~2MPa 左右，这种情况下水雾喷射不均匀，雾化效果差，并且会引起水使用过多，低压水雾除尘设备可以很好地沉降空气中直径大于 10 μm 的液态或固态粒子，同时对于沉降一些气体状态的污染物，净化效率一般为 80~90%。但对颗粒直径在 5 μm 以下的悬浮颗粒，沉降效果不是十分理想。

高压系统的喷雾水压在 3.45MPa 以上，雾化效果好，1升水在高压系统下雾化后形成的表面积至少比传统喷雾高出100倍，当雾滴直径减小到10μm时每升水的表面积达到600平方米，表面能增大，吸尘效率提高。雾滴在空气中的沉降速度也受到雾滴直径的影响，直径100μm的雾滴自由下落速度为0.35m/s，直径10μm雾滴自由下落速度为0.003 m/s，高压系统下的雾化增加了雾滴在空气中漂移的时间和距离，除尘范围相应提高。

以上所描述的高压细水雾除尘效率高，但能耗大，工程造价高，严重影响该技术的推广应用，为此，不断有新的技术措施被引入水雾除尘系统中，以增强造价更低的低压水雾除尘系统的工作效率。

（风力雾化技术的水压是什么范围？）

4. 水雾除尘系统常见的增强措施

水雾除尘系统中用以增强雾滴对粉尘捕集效率的技术措施主要有：

（1）荷电

提高单颗水雾粒的荷电量能显著改变单颗水雾粒对微细粉尘的捕集效率，荷电后的雾粒对微细粉尘的捕集效率显著提高,且随着荷电量的提高而显著上升。

（2）磁化

近些年来由于磁化技术的发展，磁化水（在磁场作用下而被磁化的水）成为一种非常有吸引力的工作介质。研究表明，磁化水捕捉呼吸性粉尘的效率和捕捉全部粉尘的效率要高于未经磁化自来水的捕尘效率，自来水捕获全尘和呼尘的最大效率分别为 69%和 73%，经过磁化的水捕获全尘和呼尘的效率分别为 72%和 87%。

（3）超声波

研究指出，在局部密闭的产尘点中安装利用压缩空气驱动的超声波雾化器能提高水的雾化性能，在气压为 0.45 Mpa，水量为 40 L/h 时，雾流中粒径小于 50 µm 的雾滴比例可达 80%以上，所以，超声波技术将能在除尘工程上发挥极大的作用。

风力雾化技术农业灌溉

对农业生产来说，水的供应在很大程度上决定了植物生长的好坏，风力雾化技术适应于江、河、湖、海、池塘、水库、水井等多种水源条件，适用于平原、山区、河谷、丘陵地区，是一种高效节水灌溉方式。

1. 灌溉原理

风力雾化技术在风力驱动下形成气爆水雾，是另一种形式的“灌溉”，其灌溉动力是风而不是电，灌溉对象不是土壤而是空气，通过增加地表空气湿度来切断土壤水分蒸发损失的推动力。

2. 主要优势

（1）增加空气湿度，提高灌溉水利用率

人造雾化带增加风体湿度，从而降低了地表风速和气流湍动，防止因水分的流失干燥加剧坡体土层的沙化。同时以风体为天然的水分传输“管道”，通过土壤与风的水分交换，增加土层湿度，实现生态绿色“灌溉”，提高淡水资源在农业灌溉方面的利用率。

（2）促进水分凝结，减少叶面蒸腾

风力雾化灌溉区夜间温度下降可以促进水分凝结。凝结水发生在日落至黎明，具有重要的生理意义，一方面可以缩短白天叶面蒸腾，被叶子吸收后可补充作物水分；另一方面，凝结水降落在地面上可部分补充土壤水因蒸发等各种原因引起的损失。这在北方农业生产中将发挥很大作用，在冬季，风力雾化区域雾化水在地面结冰形成“人工冻土区”，春季回暖“冰融供水”，滋润土地，给作物生长创造适宜条件。

（3）改善耕地状况，防止土地盐碱化

本技术的实施使区域内的空气湿度相对平衡，提高耕地均匀抗旱能力，避免如沟灌、喷灌时由于土壤表面高差引起的高处受水不足、低处积水过多、灌溉不均衡问题。另外，对于有可能发生次生盐碱化的耕地，可以减少因灌溉引起的向土壤表层的积盐量，防止盐斑的产生。

3. 灌溉效益分析

风力雾化技术应用于农业灌溉能够减少能源消耗，降低灌溉成本。据测算，我国拥有大、中、小型固定灌排泵站50余万座，配套机井418万眼，各种农用水泵593万台，机电灌排动力保有量达7019.6万kW，我国机电灌排年均耗电160亿kWŸh，年均耗油200万t，可见农业灌溉过程能耗巨大。

对于机电抽水灌溉，其能源消耗包括泵站内的各种能量损失，如动力机、传动设备、水泵、管道等部分的能量损失，以及整个灌水过程水流通过输配水管渠送往田间的水量和能量损失。抽水灌溉的水量是通过能量换来的，机电抽水工程通过泵站把水提升到所需高度，必须消耗电能。抽水灌溉的年耗电费（F）用可以通过下式进行计算：

式中，C—电价（元/kWŸh）

—水的密度，灌溉水=1000（kg/m）

—灌溉定额（m/亩）

—泵站净扬程（m）

—灌溉面积（亩）

μ—泵站效率（%）

假设泵站效率μ=50%，电价C=0.5元/kWŸh，对面积A=500亩，H=100m，m=250 m/亩的灌溉区，则每年需要电费3.4万元。而风力雾化灌溉系统运行过程中几乎不消耗电力，这将极大地节约灌溉成本。

风力雾化灌溉方式尤其适用于丘陵地区。一般丘陵地区山脚有水源但风能有限，而山顶风力大、水源不足。因为没有灌溉渠道，丘陵地区灌溉十分困难，只能靠小塘堰或水库汇集雨水，再抽水灌溉农田。部分山岭地由于地势较高，要么架设长距离的输电线路，要么使用柴油机驱动抽水泵抽水，耗油耗能，生产安全性低、成本高。

据此可以将风力雾化系统安装在开阔、风力充足的地方，风叶在风能作用下压缩空气，通过气管传输高压气到气压扬水机，将山谷水提到高处进行雾化灌溉。

风力雾化技术生态修复

风是世界上最清洁、最廉价的能源，但持续干燥的风是土地干旱、生态恶化的第一驱动因素。一些特定的地气界面结构，直接影响了流过地气界面的风的湿度参数，进而改变地气界面的水汽传递过程，形成“焚风”、“V形风”、“山谷、河谷风”、“河岸风”，最终造成区域生态环境快速退化。 。

风力雾化技术能在特定的地表构型因素条件下快速调整风体湿度参数，协调风体湿度参数与地表构型因子之间的耦合关系，强化风体向土地“送水”过程，变干风为湿风，变风抽水为风送水，实现“干风抽水—风体增湿—人造冻土固沙—土壤增湿—土壤修复—生态种植”的综合修复路径，实现良性循环的生态。系统不消耗电能，可实现能量自给，因此该技术易于在荒野、无人区实施，形成本土化解决方案。

根据工程实际，该技术的实施首先要在需要修复区域测试风体气压、温度、湿度、风速等流动参数与性质参数，计算出风与土壤之间水分传递的时空特征，找到风与土地间水分传递方向的切换临界区域，也称生态敏感点；其次，在该临界区域内建立向风体补充水分的技术设施，安装抽水装置，抽取河水至高处位置，通过风力雾化系统将水雾化，利用持续流动的风把水雾带到风面扫到的区域，从而将补充水分导向河岸及周边区域。将水分保存在大气中，使其随着风在小区域内进行流动，实现了将淡水资源固定在修复区域、增加淡水在陆地停留时间的效果。

在化石能源不断减少、环境持续恶化和全球气候变暖的背景下,以低能耗、低污染、低排放为基础的“低碳经济”已成为全球的热点，21世纪也因此成为化石能源和新能源与可再生能源交替更迭的时期。

中国一直非常重视可再生能源的开发和利用，进入2000年以来，国家层面的水电、风电、太阳能保持齐头并进的发展趋势。至2012年，水电累计装机占整个可再生能源装机的75%，风电累计装机占22%，太阳能装机占3%，形成了以水电为主、风能次之、太阳能为补充的可再生能源开发和利用格局。

风力雾化技术集空气净化、节水灌溉、生态修复和于一体，最大限度利用清洁再生能源——风能，随着粮食危机、环境危机、能源危机日益加剧，作为一种风能利用和环境治理相结合的新技术，风力雾化技术实现节能减排，具有巨大潜力和广阔前景。

风力雾化技术利用气液两相之间相互作用来实现雾化过程，液体在高速气流作用下通过喷嘴时形成射流，在气动力、惯性力、表面张力和粘性力的作用下分裂破碎为各种形状、大小的液块和丝状液滴，在气液混合过程中随着流体减速、变形发生液滴二次破碎并产生更小尺寸的液滴。喷嘴结构、气流状态、环境状态、液滴表面张力等因素直接决定了液滴最终的尺寸以及在喷雾场中的分布情况。

雾化特性指喷嘴结构、工作参数、雾化剂及雾化介质的物性等因素对喷嘴雾化性能的影响规律。为了全面评价喷嘴雾化性能，提出了多项指标参数，主要包括：雾化细度、雾化均匀度，以及雾化锥角等。

雾化喷嘴雾化细度

雾化后的液滴大小反映了雾化的颗粒细度，是评定雾化质量的重要指标。一般来说，雾滴的颗粒越细，就越易加热、蒸发和燃烧。但是雾化过细也不好，燃料由喷嘴喷出后会马上被气流带走，在某一区域形成过浓的混合物；而在油滴无法射到的地方，混合物的浓度却很低。浓度场的这种分布会缩小燃烧稳定性范围，降低燃烧效率。由于液滴直径的大小是不均匀的，最大和最小有时可相差 50～100 倍，因此只能用液滴平均直径概念来表示雾化细度。人们提出了多种平均直径的计算方法，常用的是质量中间直径（MMD）和索太尔平均直径（SMD 或 D32）。

D32相当于液雾内全部液滴的容积与总表面积的比值，它真实反映了液滴群的蒸发条件，因此对评价雾化质量具有重要意义，被广泛用作燃料喷嘴的重要评价指标。

雾化喷嘴雾化均匀度

雾化均匀度是指燃料雾化后油滴尺寸的均匀程度。雾化均匀度较差，则大液滴数目较多，这对燃烧是不利的。但过分均匀也是不合理的，因为这会使大部分油液滴集中在某一区域，而使燃烧室容积得不到充分利用，也使燃烧稳定性受到影响。人们常用液滴尺寸的分布来描述雾化均匀度。

雾化喷嘴雾化锥角

从喷嘴喷射出来的燃油喷雾炬是呈中空锥体状的，它是由许多悬浮于周围空气中的，或是在其中运动的细小雾滴组成。一般把喷嘴的出口到喷雾炬外包络线的两条切线之间的夹角定义为喷雾锥角。喷雾锥角的大小在很大程度上决定了燃料在燃烧空间的分布情况，应根据燃烧室尺寸和燃料与空气的混合条件来选择喷雾锥角。较大的喷嘴锥角不但可以把燃料充分供应到空气中，而且能够从周围吸入较多的空气，使其进入到喷雾炬中参加燃料的破碎过程。但是过大的锥角会把燃料喷射到火焰管壁上去，造成积炭和不完全燃烧。当然锥角不宜过小，否则会使燃油液滴不能有效地分布到整个燃烧室空间，过多的喷射到缺氧的回流区中，造成与空气的不良混合，发生析炭，产生排气冒烟。此外喷雾锥角的大小还影响到火焰外形的长短，如角度较大，火焰则短而粗；反之，则细而长。