治理pm25雾霾的新理论新方法Word文档格式.docx

1、公布日：2016年10月12日 ）。前言空气污染、雾霾、pm2.5引发疾病，危害健康，影响寿命，成了当今中国人天天的话题和严重关切。更令人关注的是：环保专家和官方都言称：从国际经验看，中国治理雾霾需要3050年！生活在石家庄，秋、冬外出几乎每天都要戴口罩。我们一天有一半以上的时间在室内，过去为了健康提倡开户通风，现在成了关闭门窗防止污染。而一些专家又说，外面进入室内污染空气加之原有的室内污染空气，使室内的环境更加糟糕！面对10多亿中国人遇到的难题，我对空气净化和雾霾治理产生了兴趣。于是我购买了清风康华PM2.5测量仪开始了我的“研究”。首先，我测量的数据和网上报的数据很接近，说明清风康华PM2

2、.5测量仪是可用的。经过一段测量，发现了很多“有趣”的现象。现象一，室内的环境并不像说的那样更加糟糕。而是，关闭门窗情况下，室外PM2.5的值是轻度污染时，室内PM2.5的值是室外的三分之一左右；室外PM2.5的值是中度污染以上时，室内PM2.5的值是室外的四分之一或更高一些（和门、窗密封程度以及进出开门次数相关）。现象二，大部分小区的PM2.5的值是周围街道上PM2.5值的三分之二左右；小街道上PM2.5值是主干道PM2.5的值的三分之二左右；现象三、主干街道红绿灯十字路口处、密集停车的公交站PM2.5值远高于道路其他地方。（汽车尾气污染集中）。现象四，钢厂、发电厂等工厂的周边地区PM2.5

3、值是网报数值的几倍以上，（是污染的源头之一）。现象五，公交车上的PM2.5值是街道上的二分之一左右，而且车上人越多，PM2.5值越低。（人是很好的PM2.5“净化器”）。现象六，学校教室PM2.5值比楼道和周围环境低很多。（每个学生都是一个PM2.5“净化器”）。于是，我明白了治理空气污染一是治理源头，二是净化既成事实的污染空气（我们身边的污染空气）。实际上治理源头主要也是净化工业等排放的废气。中国几乎所有城市都对本地空气污染进行了分析，污染的来源大同小异。例如，北京2014年公布的是燃煤22.4% 、机动车31.1%、工业18.1% 、扬尘14.3 、餐饮14.1%石家庄市公布的环境空气PM

4、2.5来源中，一部分是区域污染传输贡献23%至30%。70%至77%来自石家庄本地污染，本地各类污染源排放分担率为：燃煤28.5%、工业生产25.2%、扬尘22.5%、机动车15.0%、其它生物质燃烧、餐饮、农业等占比8.8%。燃煤及工业生产相加，占了污染的50%，如果能有一种方法将燃煤、工业生产的pm2.5值大幅度降下来，又能对已被污染的空气净化，那么城市的空气就会变得清新。在我国，治理雾霾最大的难点也在于“煤炭”。国内的能源结构以煤炭为主，短期内恐无法下调煤炭的比重。中科院院士、国家气象局前局长秦大河分析，国家费了很大劲才将煤炭在能源消耗的占比从70%降到现在的66%，本世纪中叶将降到55

5、%左右。煤是二氧化碳排放的主要来源，煤的问题短时间解决不了，雾霾也难以治好。除此之外，他认为雾霾的根治需要重大科学技术的突破来助力。尽管在中美两国共同发表的中美气候变化联合声明里，中国明确将清洁能源使用率在2030年提高到20%左右。但他认为，这对彻底解决雾霾问题作用甚微。要解决雾霾，需要有重大发明。“可惜现在从教育到科学都做得不够，实用技术这部分也不够。” 基于以上认识，展开了我的学习与研究。目标就是如何将燃煤及工业生产的50%污染降下来，（比如，实现国家提倡的工业废气的超低排放）；如何对已被污染的空气净化，（比如，在污染集中地段、在人们活动集中场所安装高效净化装置）。一、空气净化方法目前，

6、空气净化的方法主要有：滤芯（滤网）方式（工业布袋除尘器、家用净化器）、静电吸附方式（大量用于工业除尘）、活性炭吸附方式已及光触媒、负离子净化等方式。这些方式都会使污染物堆积在净化装置上，不仅影响净化效果，还会造成二次污染。特别是占据市场80%的滤网式净化器，滤网一般无法清洗，需经常更换，既不方便、又不经济。用水或水溶液作为介质，使气液两相接触，进行吸附、吸收、净化应用广泛。其主要方法有两种：第一种是用液体湿润固体表面，形成液膜，液膜与污染气体接触，吸附、吸收气体中的污染物，达到使气体得到净化的目的。第二种是，直接喷淋，喷淋液柱（液滴）与气体接触，达到上述目的。上述第一种方法的典型案例是德国文塔

7、公司发明的文塔水洗空气净化器。图1 是其原理示意图。旋转叶片在水槽中湿润表面，形成水膜；风扇 将污染空气吹向叶片，污染物被水膜吸附，使空气得到净化。这种净化方法简单、适用，但受体积限制，叶片尺寸、数量不能太大，气水接触面积很小。德国文塔净化器的气水接触面积最大的仅8平方米，净化效率很低。 图1 图2第二个典型案例是工业除尘、脱硫、化工广泛应用的填料塔。图2 是填料塔的原理示意图。水泵 将喷淋液通过管道送至喷头，喷头喷出的液体湿润下方的填料 ，填料表面形成水膜；污染气体从进气口吹入塔内，污染气体掠过填料层，污染物被水膜吸附，使污染气体得到净化。上述两个案例净化方法的净化效率都取决于气、液两相的接

8、触面积。但受整体体积限制，不可能无限增大接触面积 ，特别是工业填料塔，增大气液两相的接触面积 ，就必须增加填料层厚度，这样会使气体运行阻力增大，增大气压降。因而，在一定体积下靠增大气液两相的接触面积提高净化效率是很困难的。工业除尘净化大量使用的填料塔，体积庞大、净化效率低是人们急待解决的问题。单纯喷淋实际应用较少，原因是喷淋液柱（滴）产生的气、液接触面积极小，净化效率极低。所以空气净化以及工业不采用单纯喷淋方法。增大气、液两相的接触面积是提高净化效率的关键。二、高速旋转喷淋净化理论、方法的探讨直接喷淋净化：喷淋液柱（液滴）与气体接触，达到净化空气，方法可行、效率极低。典型的例子是，在治理雾霾的

9、初期，很多城市出现了“水炮车”、“喷雾车”，北京还引进了一台“净化塔”（已宣布失败），利用高压喷出的水雾净化空气，但实际中都没得到应用。原因是喷出的水雾气水接触面积很小，（据资料介绍，每立方分米水只能产生2.4平方米气水接触面积）。局部的、短暂的、很小的气水接触面积不可能对一个城市的空气净化起多大作用。一位中国旅美学者曾建议中国城市在高楼上建设喷水装置“人工降雨”治理雾霾，显然在水资源浪费、能源消耗、净化效果、人们生活方便等方面都是不可行的。如何不浪费水资源、减小设备体积、使气水接触面积增大、提高水喷淋净化的效率是本文探讨的关键。高速旋转水喷淋净化机理分析与计算方法：建筑工地喷淋降尘的方法给了

10、我们启示，喷淋水枪在喷淋时固定不动与不停地晃动产生的净化效果是明显不同的，我給它起个名字叫“动态喷淋”，这也是本人高速旋转喷淋净化思路的起点。 图 3 图4 图5图 3 、图4分别表示，在筒体（容器）8中充满污染空气，一根水柱9对其净化（图3是垂直喷淋，图4是水平喷淋，图5是水平喷淋的俯视图）。水柱的直径为d ,长度为L ,则水柱的表面积：Sj=d L 。我们把 Sj 称作水柱的静态气液接触面积。（以下简称为静态接触面积）。在固定位置上，水柱表面吸附临近的污染物，使空气得到净化。远处的污染物则很难被吸附。如果在一定时间内吧水柱从位置A移动得到位置B，即从已经净化的污染浓度低位置移动到污染浓度高

11、的位置，吸附新位置水柱临近的污染物，就会使空气得到更好的净化。则在这一时段内空气净化的效率明显提高。在同一时段内，水柱位置变化越多，净化的效率就越高。如果一秒钟间内变化了 n个位置，则在不同位置上水柱和空气又产生了一个新的接触面积，我们把n个面积的和称为当量接触面积Sd： Sd= nSj= n d L 。如果上述动作重复了t秒，我们把t秒内水柱和空气接触面积的总和称为动态接触面积Sdt：Sdt= Sd d L = n td LSdt 和Sj的比：K=Sdt /Sj= n t由于空气净化效率和气水接触面积成正比，K值越大，净化效率越高。选择 n 和t可以使K值很大，使净化效率很高。如果使非常多的

12、水柱在容器内绕某一轴线高速旋转，则净化效率会更高。剩下的问题是用什么方法产生高速旋转喷淋水柱及产生高速旋转喷淋水柱装置的结构设计，针对具体装置如何进行计算，以及对理论计算的验证。三、高速旋转喷淋净化理论计算与实践本人对上述理论进行了实际的验证。为了产生喷淋水柱，实现水柱在一定时间内位置变化数n值大，本人制作了一个高速旋转喷淋净化装置进行了详细计算和试验。图 6A、图6B 是一个可高速旋转的喷淋器。水从供水管4进入，一端可与动力源连接，动力源可驱动其高速旋转。喷淋器由配水管14及喷淋管11组成，喷淋管下方、侧方开有足够多的喷水孔13（喷水孔总数为M），以满足喷淋净化的需要。图 7 是喷淋管上喷淋

13、孔的仰视图。喷淋管长度为R，喷淋管上喷淋孔的布置均匀分布,喷淋孔的直径为d，当一定压力的水柱入喷淋器时，水就会从喷淋孔喷射出去，设喷淋水柱的长度为。喷水孔就会形成总数为个直径为、长度为的喷淋水柱。 图6A 图6B 图7 图8 图8是将图 6的喷淋器应用的一个装置示意图。本装置由可高速旋转的喷淋器1，旋转驱动动力源2 ，供水管4 ，第一风口3、第二风口7，水泵5，水槽6，筒体8组成。喷淋器上端与动力源连接驱动其高速旋转。喷淋器上开有足够多的喷水孔，以满足喷淋净化的需要。喷水孔的直径为设计的喷淋水柱直径。水泵将水通过供水管送至喷淋管内腔，由于水的压力作用，水从喷水孔喷出，形成和喷淋管同步高速旋转的

14、喷淋水柱。高速旋转的喷淋水柱产生两个作用。一是高速旋转产生了极大的动态气水接触面积；二是喷淋水柱的高速旋转、喷射、撞击，水分子裂解，产生了大量可净化空气的负离子。污染空气从进风口进入外筒，掠过高速旋转的喷淋水柱区、从出风口流出。污染空气受到了二重净化，即；动态气水接触面吸附净化及负离子净化；使净化效率提高。上述装置的喷淋器1围绕中心线 OO 做旋转运动，单位时间内变化了n个位置，则每根喷淋水柱的当量接触面积为 ：Sd= nSj= n d L 。当喷淋器围绕中心线 OO 每秒旋转一周时，全部喷淋水柱的不重叠位置数量可近似计算为：（计算式推导略） W= M * 2（R2）d=M *Rd 式中 W

15、喷淋水柱的不重叠位置总数。 R喷淋管长度。 d喷淋水柱的直径。M喷淋孔总数所以，全部喷淋水柱的（每秒旋转一周时）当量接触面积： Sd= WSj= Wd L = d L M Rd 上述计算方法的前提是容器内污染空气处于静止状态。在实际应用中，污染空气在容器内是以一定速度V通过容器的。设H为有效净化高度，（图3 中有效净化高度H=L）。HV=t， t叫作气液两相接触吸附净化有效时间。t值越大，表示污染空气通过有效净化高度H时间越长；t值越小，表示污染空气通过有效净化高度H时间越短。所以，在喷淋水柱旋转、空气以速度V通过有效喷淋高度H时的动态接触面为：Sdt= W Sd HV= Wd L HV。 =

16、 d L M *Rd HV。 根据前述喷淋水柱气、水接触面积的计算方法，分别计算出喷淋水柱的静态接触面积和全部喷淋水在柱喷淋管旋转周时，空气运动速度为V时的动态接触面积：静态接触面积：j。动态接触面积：Sdt（Rd） （HV）。动态接触面积和静态接触面积之比：KSdtj=（R） （HV）。K可近似看作高速旋转与不旋转时净化效率的比值。上式中K值分别和N、（R）、（HV）成正比，值可以选得很大，比如选电动机转速每秒0转；（R）中为喷淋孔直径为 ，而R可以是501000，甚至更大；（HV）一般可设计为.5；按上述数值计算，K=157-157000。因此，K值是一个很大的数。因为净化效率和气水接触面

17、积成正比，按照上述理论与计算设计的高速旋转水喷淋空气净化装置净化效率应是同类设备（用喷淋湿润填料表面净化的喷淋塔、填充塔）的几十倍，甚至几百倍。在实际运转时，喷淋水柱的位置是连续变化的，不同的位置有无数多个；并且高速旋转造成气液撞击，使吸附更容易。所以，高速旋转喷淋产生的净化效果比用上述计算方法得出的结论还应好。本人对上述装置和计算，做了以下验证，由于受制作与试验条件限制，试验选择了以下数据：在图12所示装置中：空气运动速度V=3000mms,喷淋器喷淋孔总数M=200个喷淋管旋转速度为：5喷淋管长度R=100mm,喷淋水柱长度3，喷淋水柱直径喷淋净化有效高度H=300.（等于喷淋水柱长度）则

18、：j.*3*294200（平方毫米）0.942（平方米）。dt（R） （HV） .*3*5*2*（ 3.14 * 1002） *（3003000） 29578800（平方毫米） 29.57（平方米）动态接触面积和静态接触面积之比：K（R） （HV）5*100*（3003000）62这说明高速旋转喷淋水柱动态气、水接触面积是水柱不旋转状态下的62倍.对上述净化装置进行了许多次实际测试，测试结果如下：在30平方米房间里，室外PM2,5值为轻度或中度污染，关闭门窗，室内PM2,5值为80左右，开启净化装置。1.当喷淋器不旋转时，长时间运行2小时，室内PM2,5值几乎没有变化。2.当喷淋器旋转时，运行

19、半小时，室内PM2,5值降至35左右。3.运行一小时，室内PM2,5值降至26左右。4.之后继续运行，室内PM2,5值降至10左右后保持稳定。5.净化装置不停运行，室内PM2,5值降至10左右一直后保持稳定。 这一装置作为我家的空气净化器一直运行了半年多，效果极好。以上试验说明：高速旋转喷淋产生的净化效果是非常明显的。同时，试验也发现：喷淋水柱旋转时由于空气阻力作用，喷淋水柱并不保持计算中的直线状态，而是空间曲线状态，随着旋转速度变化，其形态随之变化，对气水接触面积影响是：设计合理的喷淋器结构及布置，选择合理的转速，气水接触面积会比按直线计算大。所以，上述按直线状态计算是一个保守算法。 如果将

20、上述装置及结构进行改进，可成为非常理想的空气净化器。下面给出一组改进具体数值计算加以说明设空气运动速度V=3000mms,设喷淋器喷淋孔总数M=600个.*3*61130400（平方毫米）1.13（平方米）。 .*3*6*（ 3.14 * 1002） *（3003000） 354945600（平方毫米） 354.9（平方米）*100*（3003000）314这说明高速旋转喷淋水柱动态气、水接触面积是水柱不旋转状态下的314倍。可以近似地认为高速旋转喷淋水柱净化效率是水柱不旋转状态下的314倍。 如果把上述（上节文字）中的一组数据作为本装置的技术参数，设计成一个空气净化器方案， 如图10：动力装

21、置改成一个轴流风机（16），（风扇转速20rs），风扇风速为3000mms. 则气液动态接触面积为：Sdt（R） （HV） 354.9（平方米）前述德国文塔公司生产的水洗空气净化器最大气液触面仅为8平方米。与其相比，比文塔水洗空气净化器体积小的本装置气水动态 接触面积是文塔净器的354.9844.36倍。即净化效率是文塔净化器的44.36倍。（这还不包括负离子净化部分）。四、应用高速旋转喷淋净化技术的工业喷淋塔与普通喷淋塔的比较为进一步说明高速旋转喷淋吸附净化技术的效果，以工业填料塔应用本发明为例，作进一步说明。图9 是应用高速喷淋技术设计的一个无填料喷淋净化塔方案示意图。设喷淋塔体（筒体8）

22、内径为2000mm . （塔高为6米，喷淋水柱长度L=H3500mm），喷淋器（1）设计为 喷水管长度R1000mm , 喷淋孔直径d=2mm ,喷淋孔总数为5000个。 空气流速V=3500mms。动力装置（2）（即喷淋器旋转动力）为电动机，转速N=12s，（750min）。根据前述动态气液接触面积Sdt计算公式;其动态接触面积为： 3.14*2*3500*12*5000*（3.14*10002）*（35003500） 2070515875000（平方毫米）2070515（平方米）图 2 中若是塔体内径、高度同上述无填料喷淋塔相同的普通填料塔示意图。设其塔体（筒体8）高度同样为6米，内径为2

23、000mm .。喷头为固定喷头，两层填料层总厚度为4米。填料总体积V=3.14*1*1*4=12.56（立方米）；选择目前世界最好、比表面积为500（平方米）（立方米）的填料。则填料形成的气水接触面积: Sp=12.56*500=6280（平方米）。 将无填料喷淋净化塔与普通填充塔作一比较：无填料喷淋塔动态气液接触面积; Sdt=2075515（平方米），普通填料塔气液接触面积：Sp=6280（平方米）。K=SdtSp=2075515 6280329 因为净化效率和气水接触面积成正比，从理论上讲，无填料喷淋净化塔净化效率是普通填料塔的329倍。（这仍然不包括无填料喷淋净化塔负离子净化的效果）。

24、这说明应用高速旋转喷淋技术的无填料喷淋净化塔体积可比普通填料塔做得很小。且净化效率极高。由于缺乏必要的经济条件及检测仪器等，对上述两项计算结果未能作实际数据验证。目前，治理雾霾的一个方面是治理工业燃煤炉窑废气，我国正在酝酿推行工业燃煤炉窑废气超低排放标准。数据显示,一台火电机组完成超低排放改造的费用高达数千万甚至数亿元,而后续的运行维护管理更是将增加约0.025元/千瓦时的费用。本技术应用的实施可使工业燃煤炉窑废气净化广泛使用的喷淋净化塔净化效率提高了几十倍，甚至几百倍。实施成本大幅降，本人请教了有关专家，认为有上述费用的5%-10%即可实施。无疑，本技术可以在治理雾霾方面有所贡献。中国年煤耗

25、量约36-38亿吨。以煤炭为主的能源结构短期无法改变，因此治理燃煤污染就成为当下的首要问题。燃煤分集中燃煤和散燃煤，大电厂按规定都需安装脱硫、脱硝和脱粉尘设备，但大量的水泥厂，钢厂、玻璃厂都未安装脱硫、脱硝和脱粉尘设备。并且，我国煤集中利用度不到50%，我国有近70万台中小锅炉散烧了几亿吨煤，（估计约6亿吨散烧煤左右）由于每一台中小锅炉安装脱硫脱硝装置成本太高，没有厂家或个人会安装。散烧一吨煤的污染是大型锅炉超净减排后的10-20倍左右;因此，散烧6亿吨煤的排放相当于约60-120亿吨集中燃烧产生的污。散煤燃烧是雾霾的第一元凶。本技术由于制造成本低廉，可以应用于治理散煤燃烧污染。五、高速旋转水

26、喷淋净化的实际应用方案：实际应用实例一：高速旋转水喷淋工业喷淋塔如前所述，图2是工业发电、炼钢、水泥、玻璃等工业燃煤炉窑废气除尘、脱硫、化工酸雾净化广泛应用的填料塔原理示意图。水泵 将喷淋液通过管道 送至喷头，喷头喷出的液体湿润下方的填料 ，填料表面形成水膜；净化效率取决于气、液两相的接触面积。但受整体体积限制，不可能无限增大接触面积 ，增大气液两相的接触面积 ，就必须增加填料层厚度，这样会使气体运行阻力增大，增大气压降。工业除尘净化大量使用的填料塔，体积庞大，大型发电厂的喷淋塔高度在50m在以上，最大直径达16m。提高净化效率、缩小体积是人们急待解决的问题。 图9图9是高速旋转喷淋技术应用于工业喷淋塔的无填料喷淋塔结构示意图；同现有喷淋塔相比，结构要简单得多，省去了原塔内的填料及其他附属装置，其组成部分主要有：水槽6、水泵5、供水管4、筒体8、第一风口3、动力驱动装置2、喷淋器1、第二风口7、鼓风机19。（实际应用中，由于净化对象污染气体所含成分不同，喷淋夜中增加的药剂不同，需另外增加辅助设备）。前面已对无填料喷淋塔益效作了详细的计算及说明。结论是：本技术的实施可使工业燃煤炉窑废气净化广泛使用