打开文本图片集

摘  要：工厂生产过程中产生的粉尘含有有害物质，工厂如果将这些粉尘直接排放至外界，对环境和人体都会造成极大损害。本文简单介绍了我国发展先进除尘技术的必要性，进而对传统的除尘技术和超声波干雾除尘技术原理进行了简单介绍;最后，本文从工业设计中人机和环境的关系入手分析了模块化超声波除尘设备的设计要点，并从模块化的思路入手对超声波干雾除尘设备的设计和技术进行了研究。

关键词：粉尘;除尘技术;超声波干雾除尘;模块化

引言：模块化设计理念主张将产品结构、设计过程进行重新的组合、安排，这样的设计理念在大规模生产背景下有效在产品批量化生产的同时兼顾了用户需求的个性化，在产品的种类、成本和性能间实现了最大程度的兼顾，十分符合现代工业生产理念。同时，模块化能在满足用户多样需求的同时促进系统各个部件的高标准化。因此，超声波干雾除尘系统采用模块化的理念更新技术需要引起除尘设备设计师的重视和深入研究。

一、发展除尘技术的必要价值

近年来，中国经济取得了突飞猛进式的发展，国民生产总值与日俱增，国民生活水平也得到了天翻地覆的变化。经济发展的良好势头需要充足的资源、良的环境来支持，同样，人类的身心健康也需要环境来保障。环境问题关系到上至国家发展，下至国民幸福感，但是我国经济增长的同时己经对环境造成了众多难以修复的污染，因此环境问题成为我国亟待解决的最大问题之一。

工厂生产过程中产生的大量粉尘是造成环境污染的原因之一。目前，我国将许多污染严重的产业和工厂进行了整顿和设备升级，工厂自身也开始积极更换设备、购买或投资研发先进的环保型粉尘处理设备。工程将模块化超声波技术为基础的除尘设备应用至生产线的后续产物处理中，不仅能改善工厂生产环境、促进设备运行稳定，而且减轻对环境的污染。

颗粒物的粒径决定了其对人体和环境的危害程度[1]。有研究表明，对于气体动力学当量直径大于10微米的颗粒物，基本可以被人体的鼻腔阻止;气体动力学当量直径小于10微米的颗粒物，可无视鼻腔粘膜和纤毛的阻止作用进入咽喉，沉积在呼吸道的不同位置;pm2.5又常常被称作可入肺泡颗粒物，它可穿过鼻腔粘膜、呼吸道的重重阻挠进入人体肺泡。根据细颗粒物在人体呼吸系统中不同器官的沉积比例，pm2.5以下直径的颗粒物会随着呼吸进入人体内无法排出，最终沉积在肺泡位置。因此，pm2.5对人身健康的危害最直接。而这些细颗粒物因为其低质量和小气体动力学当量直径，能够长期漂浮在大气中，自然沉降落地的速度十分缓慢，又因为其具有很大的比表面积，表面上容易富集多环芳烃、细菌和病毒等有毒物质、致癌物质以及微量有毒元素。这些细颗粒物即便不进入血液循环系统，一旦在人体沉积，会造成炎症，其携带的各种有毒物质、有毒元素也会对人体造成十分严重的危害。很多呼吸道疾病、慢性病以及心脑血管疾病发病率与pm2.5的浓度有着很大的相关性。因此，国家和相关企业应持续关注粉尘处理问题，发展先进的粉尘处理技术。

此外，细颗粒物不仅对人体健康危害严重，还会对能见度造成严重的影响。例如，漂浮在空中的细颗粒物能够减弱到达地面的太阳能辐射;细颗粒物的表面能够附着多种氧化剂能够促进酸雨的形成;在某些光辐射条件下，会形成光化学污染。地域能见度下降和雾霾现象是我国最近几年来影响十分恶劣的环境问题，已经成为我国主要的大气污染现象。这些问题造成的其他危害也十分严重，如能见度不足导致发生车祸、酸雨导致建筑被侵蚀倒塌等。因此，国家发展先进的除尘技术，有助于从源头消除隐患，促进社会生活和谐。

二、传统除尘技术

我国现有且被各行各业广泛应用的除尘设备主要有机械式、过滤式、湿式和静电除尘设备。

机械式除尘器主要利用重力和惯性作用进行气固两相分离，对于大颗粒的脱除效果良好，但难以把细颗粒物（微米级、亚微米级）从烟尘气体中分离出来，分离效率十分低下。

湿式除尘器利用含尘气体与液体的相互碰撞将颗粒物从含尘气体中分离出来，与此同时，通过往液体中添加一定试剂形成溶液，在脱除颗粒物的可同时也可脱除部分气态污染物。此技术能处理湿度较高、温度较高的气流，也会大大降低着火、爆炸的威胁。但湿式除尘器的后续处理问题比较复杂，存在各种风险，如除尘设备和管道的腐蚀问题、除尘后产生的污泥和污水处理问题等。此外，湿式除尘设备在工作过程中还必须考虑极端天气情况下设备冻结的问题。再则，要提高颗粒物的脱除效率，则需要使洗涤液更好地分散，能耗增大。

过滤式除尘器是借助多孔介质将颗粒物拦截，用颗粒层或纤维层充当多孔介质，对气体进行处理，阻挡颗粒物通过，分离效率较高，但设备压降大，能耗高，纤维层还会受到腐蚀性气体的损害，每隔一段时间都要对颗粒层和纤维层进行维护和替换，使用成本较高。

静电除尘器主要是利用带电粒子在电场作用下产生运动的原理进行除尘工作。除尘器首先设置高压电场环境，使颗粒物在通过该环境后带电;颗粒物在带电后会受电场力的影响产生不同的加速度和不同的运动，最终在电场力作用下被除尘设备捕获。静电除尘设备的除尘效果主要影响因素是粉尘颗粒的比电阻大小，过高的比电阻或者过低的比电阻都不利于颗粒物的脱除，对于亚微米级颗粒，由于其难以荷电，脱除效率也相对较低。

以上几种传统除尘设备有着各自的优缺点和适用场合，如下图2-1显示了各种除尘设备的效率，但其除尘效率都会随着颗粒物的粒径变化而有所改变。

三、超声波除尘技术原理

超声波干雾除尘技术主要运用到云物理学核凝聚理论和空气动力学斯蒂芬流输运相关理论[2]。

从物理学角度解释，水雾颗粒在表面张力的影响作用下，水雾颗粒与粉尘颗粒大小相近时两者互相吸附、过滤、凝结的概率最大。含尘气体在除尘设备中首先会发生如下物理化学过程：水蒸气向细颗粒物流动，水蒸气吸附于细颗粒上，水蒸气以细颗粒为凝结核进行凝结，细尘颗粒在凝结长大的同时会放热，形成温度梯度和浓度梯度，粒子中可溶性成分溶解，细颗粒间、细颗粒与液滴间会发生碰撞等多重物理化学过程。

简单来说，在整个过程中，除尘设备中的空气首先受到了压缩，整个设备内部压力增大;此时共振腔装置内部的原本正常的液态水流受压力影响，出现了超声共振现象，而后水流在超声波的作用下转化为浓密的细小雾粒。经过超声波作用形成的雾粒肉眼不可见，直径能达到微米级。这些超声波设备形成的雾粒大小和设备产生的粉尘大小相近，且飘散在产尘点附近充满粉尘的封闭式环境中。根据物理学相关原理，这些干雾将在惯性和表面张力的作用下捕捉并凝聚空间中和自身大小相近的粉尘。粉尘的体积在干雾吸附和凝聚作用中迅速增加，最终因过重而无法继续漂浮，干雾除尘的效果就此实现。

从空气动力学角度解释需要考虑粉尘和干雾的相对速度。如下图3-1显示了除尘效率随粉尘流速的变化。

当干雾颗粒处于直径较大的状态下，空间内会出现微雨或是雾露。雨滴随着空间中流动的空气，表面会产生附面层。此时空气在遇到雨滴时二者不会发生碰撞或是吸附，而是从雨滴的前驻点绕开到雨滴尾部位置，产生微小的干扰气流，并在雨滴两侧形成一定的向上的力。这样的情况下，空气中的粉尘即使遇到雨滴，也会由于干扰气流影响导致二者互相排斥远离，无法吸附。如果雾粒的直径很大，有时在雨滴和粉尘相遇时由于速度偏大，雨滴的前表面会出现推力，气流会沿着雨滴方向运动。这种情况下同样会出现附面层，主要位于雨滴侧面，导致粉尘无法顺利吸附，而是从雨滴侧面绕过;同时，在雨滴尾部会由于气流作用出现尾涡，致使粉尘最终离雨滴越来越远。而当水雾粒子的直径和粉尘大小相差不多，雾粒处于干雾状态时，粉尘和雾粒相遇后则不会出现扰流，二者会借助力的作用互相吸附在一起，使得粉尘极其容易得到湿润。

四、模块化超声除尘设备设计

1.模块与模块化定义

模块代表着独立单元，这些独立单元有着不同的功能，通过一定组合后能组成一个完整系统[4]。模块是可以独立设计、自由创新的，有充分的自主性，但须遵守共同的设计规则;模块是系统的组成部分，且模块之间会相互关联，越是复杂的系统关联程度越强。

目前有许多设备开始引入在生产、制造中采用模块化的理念，目的是为了获得最佳效益。模块化可以将一个整体系统有依据地科学划分为不同独立单元，达到简化系统、结构的规范化与柔性化、生产的社会化和专业化、提高综合效益等。相比整机设计，模块化将产品进行了合理拆分，将生产标准精细到部件及子系统级。模块化的产品设计方式相当于“庖丁解牛”，能够使产品设计和生产周期缩短、整个设计过程更加清晰简化，能更好地满足现代产业对多样化产品的需求。工业设计模块化使设备结构更加灵活可变，促进了设备各个部件的规范，也提高了工业产品对市场的适应能力。模块化是一种设计方法，也是一个活动过程，从模块化系统的初步形成、发展、完善、成熟和更新，直至这个模块系统废止。

伴随着时代和科技的发展和系统复杂程度的增加，现代模块化已经形成了一个复杂的知识系统，其应用领域也超出了产品开发设计的范围，这也导致现代的“模块化”概念难以用简单的话语概括。

2.模块化超声波干雾除尘设备

从模块化设计理念出发，超声波干雾抑尘除尘装置可以分为六大部分;分别是干雾主机、压缩空气系统、电控系统、水气驱动分配系统、喷雾组件和水气连接管线。其中，空气压缩系统又包括了空压机、储气罐等结构;水气驱动分配系统主要包括含水气驱动箱、疏水器等设备[5]。

水气驱动分配系统的功能主要是在工厂设备需要除尘抑尘的位置喷出干雾，大多被安装在工厂需要抑尘除尘位置周围;水气分配器的内部装有各种管路以及各种阀门，其中的阀门主要用来控制内部气体和水流的输送、调节设备内部压力，如电磁阀、调压阀等;其中的管道用来连接终端的喷雾装置，这些喷雾装置安装在需要抑尘的部位，控制抑尘工作。

除尘器作为超声波抑尘设备的关键模块之一，进口部位的烟道为了配合反应塔出口形状，同样选择了圆形口径;这样的圆形管道可以有效避免灰尘堆积在设备内部造成堵塞。

五、结语

综上所述，超声波干雾除尘技术主要依靠云物理学原理和空气动力学原理实现，是一项十分科学有效的除尘技术。该技术采用模块化的手段进行设备开发，对超声波除尘设备的优化和发展有着十分深远的意义。

参考文献：

[1]陈泊豪. 超声波雾化除尘机理的实验探究[D].兰州大学，2014.

[2]吴剑恒.微米级干雾抑尘除尘技术在燃煤电厂的应用[J].电力学报，2021，36（04）：325-348.

[3]陈昌虎，徐新民，毕净，金天，邹新富，虞伟军.电厂超声波干雾抑尘除尘系统的应用与效果[J].科技创新与应用，2016：20-22.

[4]秦为军.除尘器模块化设计及改造[J].中国环保产业，2020：50-52.

[5]郭鹏鹏. 超声无损检测系统的模块化设计与实现[D].东南大学，2021.