一种适用于低温环境的细颗粒物净化系统及方法与流程

本发明涉及大气污染治理技术领域，具体涉及一种适用于低温环境的细颗粒物净化系统及方法。

背景技术：

近年来，随着全球工业化进程的不断扩大，产生了大量的工业废气、废物，对环境造成了极大污染。随着我国经济转型的大力推进，环境治理特别是大气污染治理已经上升到国家战略层面，要求分区施测改善大气环境治理。对大气环境造成的污染物种类繁多，其中细颗粒物粉尘是危害最大的污染物之一。

细颗粒物具有粒径小，沉降速度慢，停留时间长，化学活性、吸附能力强等特点，是造成大气能见度降低，雾、霾等天气的重要成因。细颗粒物污染治理问题是全社会广泛重视和关注的问题。细颗粒物治理的传统方法有：袋式除尘、静电除尘、洒水除尘等。湿式除尘与其它除尘方法相比，由于自身结构简单、沉降效果好、总造价低而应用广泛。但传统湿式除尘装置的主要缺点是：液滴低温结冰，在对低温环境的细颗粒物进行净化处理时，液滴凝结为固体冰粒，冰粒直接落下，导致其与细颗粒物的碰撞概率降低，凝并率低下，不能有效去除细颗粒物，传统的湿式除尘装置难以适用于低温环境。因此，开发一种可在低温条件使用、工艺简单、净化效果好的去除细颗粒物的系统尤为重要。

技术实现要素：

针对以上背景技术中提到的不足和缺陷，本发明的目的在于，提供一种适用于在低温环境下去除细颗粒物、净化效果好的细颗粒物净化系统及方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种适用于低温环境的细颗粒物净化系统，包括细颗粒物检测仪、处理器、气液两相流云雾喷嘴、供水装置和供气装置；

所述细颗粒物检测仪的输出端与处理器的输入端电信号连接，用于采集环境中的细颗粒物浓度信息；若环境中的细颗粒物浓度未超过规定值，间隔一段时间再重新采集环境中的细颗粒物浓度信息；若环境中的细颗粒物浓度超过规定值，生成细颗粒物浓度信号，并将所述细颗粒物浓度信号传送至处理器；

所述供水装置的出水端和供气装置的出气端分别与所述气液两相流云雾喷嘴的进水口和进气口相连通；

所述处理器的输出端分别与供水装置和供气装置电信号连接，处理器根据所述细颗粒物浓度信号通过光耦器件控制开启供水装置和供气装置，分别向气液两相流云雾喷嘴内供水和供气；

所述气液两相流云雾喷嘴用于向环境中喷射细小液滴，高速含能气流在气液两相流云雾喷嘴内将水流打碎成细小液滴，从气液两相流云雾喷嘴喷出；细小液滴捕捉环境中的细颗粒物，细颗粒物迅速增重并在重力作用下沉降，即实现对环境中细颗粒物的净化。

作为优选的方案，所述供水装置的供水压力为0.1mpa～0.3mpa，供水流量为2kg/h～5kg/h；

作为优选的方案，所述供气装置的供气压力为0.1mpa～0.3mpa，供气流量为30l/min～40l/min。

作为优选的方案，细小液滴的平均粒径在10μm以下。

作为优选，细颗粒物检测仪采用直读式测尘仪，处理器采用通用型单片机。

作为优选的方案，所述供水装置包括水箱，所述水箱短连接水泵，所述水泵与处理器的输出端电信号连接，水泵的输出端通过供水管路与所述气液两相流云雾喷嘴的进水口相连通。

进一步优选，该供水管路为防爆尼龙管，其管径为6mm～9.52mm。

作为优选的方案，所述供气装置包括储气罐，所述储气罐通过供气管路与所述气液两相流云雾喷嘴的进气口相连通，所述储气罐的输入端连接一空压机，所述空压机与处理器的输出端电信号连接。

进一步优选，该供气管路为防爆尼龙管，其管径为6mm～9.52mm。

作为优选的方案，所述气液两相流云雾喷嘴包括一气水混合腔，所述进水口和进气口均与所述气水混合腔相连通，气水混合腔上设有细液滴喷射腔。

作为优选的方案，所述进水口和进气口之间安装一支线通气管路，所述支线通气管路的一端与进气口相连通，另一端与进水口相连通，支线通气管路上安装一单向止回阀，所述单向止回阀的输入端与进气口相连通，单向止回阀的输出端与进水口相连通。

通过在气液两相流云雾喷嘴的进水口和进气口之间安装支线通气管路，在该支线通气管路上安装单向止回阀，该单向止回阀允许气流从进气口经支线通气管路通向进水口，而不允许水流从进水口经支线通气管路通向进气口。在气液两相流云雾喷嘴喷雾前，支线通气管路通入气流将云雾喷嘴进水端管路中残留的液体压回水箱，防止残留液体低温结冰堵塞进水端管路。

作为优选的方案，所述处理器的输出端连接至一光耦器件的输入端，所述光耦器件的输出端分别与供水装置和供气装置电信号连接。通过设置光耦器件可起到电气隔离的作用，提高信噪比、提高处理器工作的可靠性。

进一步优选，该支线通气管路呈倒“u”型，为防爆尼龙管，其管径同样为6mm～9.52mm。

作为一个总的技术构思，本发明另一方面提供了一种细颗粒物净化方法，该净化方法采用上述的净化系统对环境中的细颗粒物进行净化，具体包括以下步骤：

s1、细颗粒物检测仪采集环境的细颗粒物浓度信息，若细颗粒物浓度未超过设定值，间隔一定时间重新采集环境的细颗粒物浓度信息，若细颗粒物浓度超过设定值，生成细颗粒物浓度信号，并将所述细颗粒物浓度信号传送至处理器；

s2、处理器接收细颗粒物浓度信号，并根据所述细颗粒物浓度信号通过光耦器件控制供水装置和供气装置分别向气液两相流云雾喷嘴内供水和供气；

s3、高速含能气流在气液两相流云雾喷嘴内将水流打碎成细小液滴，从气液两相流云雾喷嘴喷出；

s4、细小液滴捕捉环境中的细颗粒物，细颗粒物迅速增重并在重力作用下沉降，即实现对环境中细颗粒物的净化。

进一步优选的方案为，步骤s1中，细颗粒物检测仪采集环境的细颗粒物浓度信息，当环境的细颗粒物浓度未超过工业卫生标准规定值时，30min后细颗粒物检测仪再次检测环境的细颗粒物浓度；当环境的细颗粒物浓度超过工业卫生标准规定值时，生成细颗粒物浓度信号，并将细颗粒物浓度信号传送至处理器。

作为进一步优选，所述工业卫生标准规定值参考gbz2-2002《工作场所有害因素职业接触限值》。

作为优选的方案，所述步骤s2中，供水装置的供水压力为0.1mpa～0.3mpa，供水流量为2kg/h～5kg/h。

作为优选的方案，所述步骤s2中，供气装置的供气压力为0.1mpa～0.3mpa，供气流量为30l/min～40l/min。

作为优选的方案，所述步骤s3中，细小液滴的平均粒径在10μm以下。

作为优选的方案，所述步骤s2中，供气装置的供气启动时间比供水装置的供水启动时间提前30s～120s。

本发明的净化系统及净化方法适用于对环境温度为-25℃～0℃的细颗粒物进行净化；所净化的细颗粒物包括但不限于粉煤灰、硫酸钙、二氧化硅、石墨、碳酸钙、氯化钠、二次颗粒物中的一种或多种。其中，粉煤灰可以是煤燃烧后的烟气中捕集下来的颗粒物，含有sio2、al2o3、cao、mgo中的至少一种。所净化的细颗粒物的等效粒径可以在10μm以下。细小液滴与细颗粒物的作用时间为5min～15min。

传统的湿式喷雾法在低温条件去除细颗粒物时，由于液滴遇冷凝结成固体大冰粒直接落下，与细颗粒物碰撞概率降低，凝并率低下，导致去除率不佳。本发明首次采用两相流气液内混式喷雾方式；通过高速含能气流在气液两相流云雾喷嘴内将水流打碎，产生大量粒径在10微米以下的细小液滴；细小液滴从气液两相流云雾喷嘴喷出进入环境中，快速增大环境湿度，这些细小液滴满足液滴过冷存在的条件；低温时，过冷液滴能够以液态微粒形式长时间悬浮于空气中，细小液滴捕捉环境中的细颗粒物，细颗粒物迅速增重并在重力作用下沉降，由于细小液滴是以液态微粒形式存在的，其在空气中的悬浮时间比固体冰粒长得多，使得液滴与细颗粒物碰撞的概率升高且凝并率增大，从而大大提高了细颗粒物的去除效果。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明采用两相流气液内混式喷雾方式，产生大量粒径在10微米以下的细小液滴，这些细小液滴满足液滴过冷存在的条件，在低温下能够以液态微粒形式长时间悬浮于空气中，本发明避免了液滴的结冰，保证了过冷液滴捕捉细颗粒物的高效性，且流程简单，对设备要求低，可大力推广并应用于寒冷冬季细颗粒物的治理。

(2)本发明进一步通过在气液两相流云雾喷嘴的进水口和进气口之间安装支线通气管路，在支线通气管路上安装单向止回阀，在气液两相流云雾喷嘴喷雾前，支线通气管路通入气流将云雾喷嘴进水端管路中残留的液体压回水箱，避免了残留液体低温结冰堵塞进水端管路。

附图说明

图1为本发明净化系统的结构示意简图。

图2为本发明净化系统中气液两相流云雾喷嘴的结构示意简图。

图3为本发明净化方法的流程示意图。

图例说明：

1、细颗粒物检测仪；2、处理器；3、气液两相流云雾喷嘴；4、供水装置；5、供气装置；31、进水口；32、进气口；33、气水混合腔；34、细液滴喷射腔；35、支线通气管路；36、单向止回阀；41、水箱；42、水泵；51、储气罐；52、空压机。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

需要特别说明的是，当某一元件被描述为“固定于、固接于、连接于或连通于”另一元件上时，它可以是直接固定、固接、连接或连通在另一元件上，也可以是通过其他中间连接件间接固定、固接、连接或连通在另一元件上。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例1：

一种本发明的细颗粒物净化系统，该细颗粒物净化系统适用于多种环境下的细颗粒物净化，尤其适用于在低温环境下(如-25℃～0℃)对空气中的细颗粒物进行净化处理。其结构示意简图如图1和图2所示，由图1和图2可见，其主要包括细颗粒物检测仪1、处理器2、气液两相流云雾喷嘴3、供水装置4和供气装置5。其中，细颗粒物检测仪1的输出端与处理器2的输入端电信号连接，用于采集环境中的细颗粒物浓度信息，生成与细颗粒物浓度有关的电信号，并将该电信号传送至处理器2；供水装置4的出水端和供气装置5的出气端分别与气液两相流云雾喷嘴3的进水口31和进气口32相连通；处理器2的输出端分别与供水装置4和供气装置5电信号连接，处理器2根据接收的与细颗粒物浓度有关的电信号通过光耦器件控制开启供水装置4和供气装置5分别向气液两相流云雾喷嘴3内供水和供气。采用光耦器件起到电气隔离的作用。供气装置5提供的高速含能气流在气液两相流云雾喷嘴3内将水流打碎成细小液滴，细小液滴从气液两相流云雾喷嘴3喷出；细小液滴满足液滴过冷存在的条件，能够以液态微粒形式长时间悬浮于空气中，捕捉环境中的细颗粒物，细颗粒物迅速增重并在重力作用下沉降，实现对环境中细颗粒物的净化。相比于传统的湿式喷雾法，本发明的净化系统产生的细小液滴以过冷液滴形式悬浮在空气中，大大延长了液滴与细颗粒物碰撞的概率，增大了凝并率，大大提高了细颗粒物的去除效果，适合于在低温环境下使用。

本实施例中，供水装置4的供水压力优选为0.1mpa～0.3mpa，供水流量优选为2kg/h～5kg/h；供气装置5的供气压力优选为0.1mpa～0.3mpa，供气流量优选为30l/min～40l/min。在此优选的压力及流量条件下可以更好地产生大量过冷液滴，进一步提高净化系统净化去除细颗粒物的效果。通过气液两相流云雾喷嘴3喷出的细小液滴的平均粒径在10μm以下。

本实施例中，供水装置4包括水箱41，该水箱41短连接水泵42，水泵42与处理器2的输出端电信号连接，水泵42的输出端通过供水管路与气液两相流云雾喷嘴3的进水口31相连通，水泵42用于将水箱41内的水泵送到气液两相流云雾喷嘴3的进水端。该供水管路优选采用防爆尼龙管，其管径优选为6mm～9.52mm。供气装置5包括储气罐51，该储气罐51通过供气管路与气液两相流云雾喷嘴3的进气口32相连通，在储气罐51的输入端连接有一空压机52，空压机52与处理器2的输出端电信号连接。利用该空压机52向储气罐51内压入空气，储气罐51内的压缩空气经供气管路通入气液两相流云雾喷嘴3的进气端。该供气管路优选采用防爆尼龙管，其管径优选为6mm～9.52mm。

本实施例中，气液两相流云雾喷嘴3包括一个气水混合腔33，进水口31和进气口32均与该气水混合腔33相连通，在气水混合腔33上还设有细液滴喷射腔34。压缩空气和压力水流分别经进气口32和进水口31进入气水混合腔33内，高速含能气流在气水混合腔33内将水流打碎，产生大量细小液滴从细液滴喷射腔34喷出。

本实施例中，处理器2的输出端连接至一光耦器件(图中未示出)的输入端，该光耦器件的输出端分别与供水装置4和供气装置5电信号连接。通过设置光耦器件可起到电气隔离的作用，提高信噪比、提高处理器2工作的可靠性。

本实施例中，在进水口31和进气口32之间安装一根支线通气管路35，该支线通气管路35的一端与进气口32相连通，另一端与进水口31相连通。在支线通气管路35上安装有一个单向止回阀36，该单向止回阀36的输入端与气液两相流云雾喷嘴3的进气口32相连通，单向止回阀36的输出端与气液两相流云雾喷嘴3的进水口31相连通。该支线通气管路35呈倒“u”型，优选采用防爆尼龙管，其管径同样优选为6mm～9.52mm。在气液两相流云雾喷嘴3喷雾前，通过该支线通气管路35通入气流将云雾喷嘴进水端管路中残留的液体压回水箱41，防止残留液体低温结冰堵塞进水端管路。

该细颗粒物净化系统对各种细颗粒物均具有良好的去除效果。所净化的细颗粒物可以是粉煤灰、硫酸钙、二氧化硅、石墨、碳酸钙、氯化钠、二次颗粒物等中的一种或多种。所净化的细颗粒物的等效粒径可以在10μm以下。尤其适合于低温环境下细颗粒物的去除。所用的细颗粒物检测仪1优选为直读式测尘仪，而处理器2则优选采用通用型单片机。

该细颗粒物净化系统的工作原理如下(以-25℃～0℃环境下为例)：

细颗粒物检测仪1采集环境的细颗粒物浓度信息，环境的细颗粒物浓度未超过工业卫生标准规定值时，细颗粒物检测仪1在30min后再次检测环境的细颗粒物浓度；当环境的细颗粒物浓度超过工业卫生标准规定值时，细颗粒物检测仪1生成细颗粒物浓度(电压信号)，并将该细颗粒物浓度信号传送至处理器2；处理器2接收该信号后，通过一光耦器件控制开启供气装置5向气液两相流云雾喷嘴3内供气，供气压力维持在0.1mpa～0.3mpa，供气流量控制在30l/min～40l/min；供气30s～120s后，处理器2通过光耦器件控制开启供水装置4向气液两相流云雾喷嘴3内供水，供水压力为0.1mpa～0.3mpa，供水流量为2kg/h～5kg/h；高速含能气流在气液两相流云雾喷嘴3内将水流打碎成细小液滴，细小液滴从气液两相流云雾喷嘴3喷入空气中；过冷的细小液滴在低温环境下以液滴形式悬浮在空气中，悬浮液滴捕捉环境中的细颗粒物，细颗粒物迅速增重并在重力作用下沉降，即实现对环境中细颗粒物的净化。

实施例2：

一种本发明的细颗粒物净化方法实例，其净化流程示意图如图3所示，具体包括以下步骤：

将环境实验室温度设置为-15℃，细颗粒物检测仪1每隔30分钟对环境大气采一次样，判断样本中细颗粒物浓度值是否超过4mg/m³。若未超过，细颗粒物检测仪1循环监测周围环境大气细颗粒物浓度值；若超过，细颗粒物检测仪1生成细颗粒物浓度信号，并将该细颗粒物浓度信号传递到处理器2。该细颗粒物检测仪1优选采用直读式测尘仪，而处理器2则优选采用通用型单片机。处理器2接收该信号后作出反馈，通过光耦作用控制供气装置5工作，进气压力0.3mpa，进气流量38.5l/min；供气30s后，处理器2通过光耦作用控制供水装置4开始工作，进水压力0.25mpa，进水流量40l/min。液态水流进入气水混合腔33，被含能高速气体打碎以细小液滴形式经细液滴喷射腔34喷射到空中；细小液滴平均粒径dn90＝6.43μm，大量的细小液滴与空气中的细颗粒物相互作用5min，细颗粒物迅速增重并在自身重力作用下快速沉降。细颗粒物检测仪1测得净化后空气中细颗粒物浓度为1.04mg/m³。

实施例3：

一种本发明的细颗粒物净化方法实例，其净化流程示意图如图3所示，具体包括以下步骤：

将环境实验室温度设置为-10℃，细颗粒物检测仪1每隔30分钟对环境大气采一次样，判断样本中细颗粒物浓度值是否超过4mg/m³。若未超过，细颗粒物检测仪1循环监测周围环境大气细颗粒物浓度值；若超过，细颗粒物检测仪1生成细颗粒物浓度信号，并将信号传递到处理器2。该细颗粒物检测仪1优选采用直读式测尘仪，而处理器2则优选采用通用型单片机。处理器2接收该信号后作出反馈，通过光耦作用控制供气装置5工作，进气压力0.25mpa，进气流量36.4l/min；供气30s后，处理器通2过光耦作用控制供水装置4开始工作，进水压力0.25mpa，进水流量40l/min。液态水流进入气水混合腔33，被含能高速气体打碎以细小液滴形式经细液滴喷射腔34喷射到空中，细小液滴平均粒径dn90＝9.69μm，大量的细小液滴与空气中的细颗粒物相互作用5min，细颗粒物迅速增重并在自身重力作用下快速沉降。细颗粒物检测仪1测得净化后空气中细颗粒物浓度为0.96mg/m³。

实施例4：

一种本发明的细颗粒物净化方法实例，其净化流程示意图如图3所示，具体包括以下步骤：

将环境实验室温度设置为0℃，细颗粒物检测仪1每隔30分钟对环境大气采一次样，判断样本中细颗粒物浓度值是否超过4mg/m³。若未超过，细颗粒物检测仪1循环监测周围环境大气细颗粒物浓度值；若超过，细颗粒物检测仪1生成细颗粒物浓度信号，并将信号传递到处理器2。该细颗粒物检测仪1优选采用直读式测尘仪，而处理器2则优选采用通用型单片机。处理器2接收该信号后作出反馈，通过光耦作用控制供气装置5工作，进气压力0.2mpa，进气流量31.5l/min；供气30s后，处理器2通过光耦作用控制供水装置4开始工作，进水压力0.25mpa，进水流量40l/min。液态水流进入气水混合腔33，被含能高速气体打碎以细小液滴形式经细液滴喷射腔34喷射到空中，细小液滴平均粒径dn90＝15.46μm，大量的细小液滴与空气中的细颗粒物相互作用5min，细颗粒物迅速增重并在自身重力作用下快速沉降。细颗粒物检测仪1测得净化后空气中细颗粒物浓度为1.28mg/m³。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。