基本介紹
- 中文名：風力霧化技術
- 外文名： wind powered atomization
- 優點：低碳節能、生態環保
- 套用領域：除霾降塵 農業灌溉 生態修復
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技術原理
風力霧化技術利用氣液兩相之間相互作用來實現霧化過程，液體在高速氣流作用下通過噴嘴時形成射流，在氣動力、慣性力、表面張力和粘性力的作用下分裂破碎為各種形狀、大小的液塊和絲狀液滴，在氣液混合過程中隨著流體減速、變形發生液滴二次破碎並產生更小尺寸的液滴。噴嘴結構、氣流狀態、環境狀態、液滴表面張力等因素直接決定了液滴最終的尺寸以及在噴霧場中的分布情況。
套用領域
除霾降塵
1.見的除霾方法
隨著我國工業化、城鎮化持續推進，大氣污染加劇，霧霾天氣頻發，由此而引發的巨大健康風險令人擔憂，人們對清潔空氣的渴望日趨強烈。霧霾通常由多種污染源混合作用形成，比如工業排放、汽車尾氣、建築揚塵、垃圾焚燒，甚至火山噴發等。除此之外，源於廣大農村土壤、水源嚴重污染導致以微生物為主的二次氣溶膠顆粒也是霧霾不可忽視的污染源，甚至可能是導致我國霧霾爆發式形成與擴散的關鍵因素。
在對大氣污染物進行沉降時，較難去除的是微細粉塵（PM2.5）,這種粉塵由於粒徑小、重量輕，表面積大、吸附性強，作為數十種有害物質載體在長期懸浮穿梭於空氣中，很難被人工捕捉沉降。
目前捕集與清除大氣中微細粉塵方案的技術原理大致分為以下幾種：
（1）過濾除塵：把含有粉塵粒子的空氣流經過濾粉塵物質，通過過濾物質來沉降粉塵顆粒。
（2）機械除塵：通過粒子間的慣性力與重力共同作用讓懸浮顆粒與空氣分離。
（3）電除塵：依靠使用高壓電源來發出較強的空間電場，空氣中的粉塵顆粒因為外加電場的作用下產生感應荷電，被荷電了的粉塵顆粒在這種情況下會順著電流方向被沉降到集塵極板上實現降塵。
（4）濕式除塵：通過懸浮顆粒和水霧水粒的碰觸，運用水霧與懸浮顆粒的碰撞及其結合作用使較小顆粒的粉塵變大而沉降。
2. 風力霧化技術除塵原理
風力霧化技術便是利用系統工作時不斷噴射和擴散的細微水霧，形成小範圍霧化區，細水霧依靠慣性碰撞、截留捕獲、重力沉降等方式捕捉空氣中懸浮的粉塵，使污染顆粒物、塵埃等凝結而沉降，實現除霾降塵的效果。
人們很早就懂得，使用普通噴射水霧在沉降微細粉塵方面效率並不高，主要原因在於大氣中微細粉塵相對普通水霧太小，這些微細粉塵化學活性、吸附能力強，容易在表面形成氣膜，阻礙水霧對粉塵的濕潤。按空氣動力學理論，直徑與懸浮顆粒越接近的水霧越能夠有效沉降空間裡面的懸浮顆粒。當水滴直徑變小時，水霧分散性好，顆粒數多，攔截粉塵機率大，碰撞機率也高，然而，當水霧越來越細時，水霧在還沒實現粉塵沉降前，便在相對濕度未飽和的空間內汽化，存留時問太短，其除塵效果當然也差。
後來，美國學者斯考溫格德與布朗通過多年探究後指出，即使細水霧在捕捉到粉塵之前已經汽化，仍然會對粉塵的沉降起到重要作用。他們將雲物理的理論引入了水霧除塵技術中。此時冷凝化作用在降塵中發揮主要作用，此時的水粒將會不停的蒸發汽化，這樣空間裡面的相對濕度很快達到過飽和，飽和之後的水蒸汽便會以懸浮的小顆粒粉塵作為載體迅速凝聚，此時粉塵粒徑不斷增加，當粉塵直徑達到 10~20 μm 就會落下或輕易地被一般水霧除去，這在這個理論條件為背景下，人們展開了細水霧除塵的新探索。
3. 不同工作壓力下的水霧除塵系統
水霧除塵根據噴霧水壓可以分為低壓和高壓系統。低壓水霧通常是指噴霧水壓在 1~2MPa 左右，這種情況下水霧噴射不均勻，霧化效果差，並且會引起水使用過多，低壓水霧除塵設備可以很好地沉降空氣中直徑大於 10 μm 的液態或固態粒子，同時對於沉降一些氣體狀態的污染物，淨化效率一般為 80~90%。但對顆粒直徑在 5 μm 以下的懸浮顆粒，沉降效果不是十分理想。
高壓系統的噴霧水壓在 3.45MPa 以上，霧化效果好，1升水在高壓系統下霧化後形成的表面積至少比傳統噴霧高出100倍，當霧滴直徑減小到10μm時每升水的表面積達到600平方米，表面能增大，吸塵效率提高。霧滴在空氣中的沉降速度也受到霧滴直徑的影響，直徑100μm的霧滴自由下落速度為0.35m/s，直徑10μm霧滴自由下落速度為0.003 m/s，高壓系統下的霧化增加了霧滴在空氣中漂移的時間和距離，除塵範圍相應提高。
以上所描述的高壓細水霧除塵效率高，但能耗大，工程造價高，嚴重影響該技術的推廣套用，為此，不斷有新的技術措施被引入水霧除塵系統中，以增強造價更低的低壓水霧除塵系統的工作效率。
（風力霧化技術的水壓是什麼範圍？）
4. 水霧除塵系統常見的增強措施
水霧除塵系統中用以增強霧滴對粉塵捕集效率的技術措施主要有：
（1）荷電
提高單顆水霧粒的荷電量能顯著改變單顆水霧粒對微細粉塵的捕集效率，荷電後的霧粒對微細粉塵的捕集效率顯著提高,且隨著荷電量的提高而顯著上升。
（2）磁化
近些年來由於磁化技術的發展，磁化水（在磁場作用下而被磁化的水）成為一種非常有吸引力的工作介質。研究表明，磁化水捕捉呼吸性粉塵的效率和捕捉全部粉塵的效率要高於未經磁化自來水的捕塵效率，自來水捕獲全塵和呼塵的最大效率分別為 69%和 73%，經過磁化的水捕獲全塵和呼塵的效率分別為 72%和 87%。
（3）超音波
研究指出，在局部密閉的產塵點中安裝利用壓縮空氣驅動的超音波霧化器能提高水的霧化性能，在氣壓為 0.45 Mpa，水量為 40 L/h 時，霧流中粒徑小於 50 µm 的霧滴比例可達 80%以上，所以，超音波技術將能在除塵工程上發揮極大的作用。
農業灌溉
對農業生產來說，水的供應在很大程度上決定了植物生長的好壞，風力霧化技術適應於江、河、湖、海、池塘、水庫、水井等多種水源條件，適用於平原、山區、河谷、丘陵地區，是一種高效節水灌溉方式。
1. 灌溉原理
風力霧化技術在風力驅動下形成氣爆水霧，是另一種形式的“灌溉”，其灌溉動力是風而不是電，灌溉對象不是土壤而是空氣，通過增加地表空氣濕度來切斷土壤水分蒸發損失的推動力。
2. 主要優勢
（1）增加空氣濕度，提高灌溉水利用率
人造霧化帶增加風體濕度，從而降低了地表風速和氣流湍動，防止因水分的流失乾燥加劇坡體土層的沙化。同時以風體為天然的水分傳輸“管道”，通過土壤與風的水分交換，增加土層濕度，實現生態綠色“灌溉”，提高淡水資源在農業灌溉方面的利用率。
（2）促進水分凝結，減少葉面蒸騰
風力霧化灌溉區夜間溫度下降可以促進水分凝結。凝結水發生在日落至黎明，具有重要的生理意義，一方面可以縮短白天葉面蒸騰，被葉子吸收後可補充作物水分；另一方面，凝結水降落在地面上可部分補充土壤水因蒸發等各種原因引起的損失。這在北方農業生產中將發揮很大作用，在冬季，風力霧化區域霧化水在地面結冰形成“人工凍土區”，春季回暖“冰融供水”，滋潤土地，給作物生長創造適宜條件。
（3）改善耕地狀況，防止土地鹽鹼化
本技術的實施使區域內的空氣濕度相對平衡，提高耕地均勻抗旱能力，避免如溝灌、噴灌時由於土壤表面高差引起的高處受水不足、低處積水過多、灌溉不均衡問題。另外，對於有可能發生次生鹽鹼化的耕地，可以減少因灌溉引起的向土壤表層的積鹽量，防止鹽斑的產生。
3. 灌溉效益分析
風力霧化技術套用於農業灌溉能夠減少能源消耗，降低灌溉成本。據測算，我國擁有大、中、小型固定灌排泵站50餘萬座，配套機井418萬眼，各種農用水泵593萬台，機電灌排動力保有量達7019.6萬kW，我國機電灌排年均耗電160億kWh，年均耗油200萬t，可見農業灌溉過程能耗巨大。
對於機電抽水灌溉，其能源消耗包括泵站內的各種能量損失，如動力機、傳動設備、水泵、管道等部分的能量損失，以及整個灌水過程水流通過輸配水管渠送往田間的水量和能量損失。抽水灌溉的水量是通過能量換來的，機電抽水工程通過泵站把水提升到所需高度，必須消耗電能。抽水灌溉的年耗電費（F）用可以通過下式進行計算：
式中，C—電價（元/kWh）
—水的密度，灌溉水=1000（kg/m）
—灌溉定額（m/畝）
—泵站淨揚程（m）
—灌溉面積（畝）
μ—泵站效率（%）
假設泵站效率μ=50%，電價C=0.5元/kWh，對面積A=500畝，H=100m，m=250 m/畝的灌溉區，則每年需要電費3.4萬元。而風力霧化灌溉系統運行過程中幾乎不消耗電力，這將極大地節約灌溉成本。
風力霧化灌溉方式尤其適用於丘陵地區。一般丘陵地區山腳有水源但風能有限，而山頂風力大、水源不足。因為沒有灌溉渠道，丘陵地區灌溉十分困難，只能靠小塘堰或水庫匯集雨水，再抽水灌溉農田。部分山嶺地由於地勢較高，要么架設長距離的輸電線路，要么使用柴油機驅動抽水泵抽水，耗油耗能，生產安全性低、成本高。
據此可以將風力霧化系統安裝在開闊、風力充足的地方，風葉在風能作用下壓縮空氣，通過氣管傳輸高壓氣到氣壓揚水機，將山谷水提到高處進行霧化灌溉。
生態修復
風是世界上最清潔、最廉價的能源，但持續乾燥的風是土地乾旱、生態惡化的第一驅動因素。一些特定的地氣界面結構，直接影響了流過地氣界面的風的濕度參數，進而改變地氣界面的水汽傳遞過程，形成“焚風”、“V形風”、“山谷、河谷風”、“河岸風”，最終造成區域生態環境快速退化。 。
風力霧化技術能在特定的地表構型因素條件下快速調整風體濕度參數，協調風體濕度參數與地表構型因子之間的耦合關係，強化風體向土地“送水”過程，變乾風為濕風，變風抽水為風送水，實現“乾風抽水—風體增濕—人造凍土固沙—土壤增濕—土壤修復—生態種植”的綜合修復路徑，實現良性循環的生態。系統不消耗電能，可實現能量自給，因此該技術易於在荒野、無人區實施，形成本土化解決方案。
根據工程實際，該技術的實施首先要在需要修復區域測試風體氣壓、溫度、濕度、風速等流動參數與性質參數，計算出風與土壤之間水分傳遞的時空特徵，找到風與土地間水分傳遞方向的切換臨界區域，也稱生態敏感點；其次，在該臨界區域內建立向風體補充水分的技術設施，安裝抽水裝置，抽取河水至高處位置，通過風力霧化系統將水霧化，利用持續流動的風把水霧帶到風面掃到的區域，從而將補充水分導向河岸及周邊區域。將水分保存在大氣中，使其隨著風在小區域內進行流動，實現了將淡水資源固定在修復區域、增加淡水在陸地停留時間的效果。
套用展望
在化石能源不斷減少、環境持續惡化和全球氣候變暖的背景下,以低能耗、低污染、低排放為基礎的“低碳經濟”已成為全球的熱點，21世紀也因此成為化石能源和新能源與可再生能源交替更迭的時期。
中國一直非常重視可再生能源的開發和利用，進入2000年以來，國家層面的水電、風電、太陽能保持齊頭並進的發展趨勢。至2012年，水電累計裝機占整個可再生能源裝機的75%，風電累計裝機占22%，太陽能裝機占3%，形成了以水電為主、風能次之、太陽能為補充的可再生能源開發和利用格局。
風力霧化技術集空氣淨化、節水灌溉、生態修復和於一體，最大限度利用清潔再生能源——風能，隨著糧食危機、環境危機、能源危機日益加劇，作為一種風能利用和環境治理相結合的新技術，風力霧化技術實現節能減排，具有巨大潛力和廣闊前景。
