摘要：指出了雾霾的治理引发了当今社会越来越多的关注，降霾防尘喷雾技术随之发展起来，降霾防尘喷雾装置的研发工作开始起步。就当前的降霾治理装置的研发状况进行了综合分析，探讨了已有喷雾技术在降尘方面的治理应用，阐述了喷雾除尘装置的喷嘴设计原理，并总结了其设计要点，以期为雾霾治理装置的设计带来启发。
关键词：雾霾；除尘；喷雾；喷嘴
中图分类号：TU834
文献标识码：A 文章编号：16749944（2017）10000803
1 引言
随着现代工业、交通运输、城市现代化建设等加速发展，工业设备、交通运输设备、建筑施工扬尘等污染物的排放量日趋增大，我国城市雾霾天气越来越严重。大气环境质量重度污染会造成人群呼吸系统疾病频发、视程障碍，甚至引发交通事故，对农作物生长以及输变电设备等产生严重影响[1，2]。雾霾的治理引起了社会越来越多的关注，相应地降霾除尘喷雾技术日渐发展起来。
笔者将就当前的降霾治理装置的研发进行综合分析，并进一步探讨已有喷雾技术在降尘方面的治理应用，总结降尘喷雾装置的关键构件—喷嘴的设计原理与要点，为雾霾治理装置的设计研发开启思路。
3 降霾除尘技术的研发现状
3.1 雾霾的形成
雾霾是一种天气现象，是雾和霾的混合物。
雾是由大量悬浮在近地面空气中的微小水滴或冰晶组成的气溶胶系统[3]，当大气中因悬浮的水汽凝结导致能见度低于1 km时，气象学称这种天气现象为雾[4]。雾产生的条件[1]：低空湿度大，空气接近饱和；大气层很稳定，风速小，低空水汽不向周围扩散；存在冷却条件。
霾是空气中的灰尘、硫酸、硝酸、有机碳氢化合物等粒子导致的大气混浊，当水平能见度小于10.0 km时，这种非水性形成物组成的气溶胶系统造成的视程障碍称为霾或灰霾[1，5]。霾产生的条件[1]：控制当地的气团性质稳定；空气中存在大量灰尘、硫酸、有机碳氢化合物等细小霾粒子使大气混浊。
2.2 喷雾降霾与除尘技术
2.2.1 喷雾降霾技术
由雾霾产生条件可知，对于雾霾防控主要是减少大气中的霾粒子。首先必须从污染源头上控制，其次是对污染物进行稳定化治理[1]。一方面，我国正在进行更为严格的污染源控制；另一方面，针对雾霾治理装置的研发工作开始起步。
浙江大学俞绍才教授[6]首次提出喷水地球工程方法清除空气污染来解决中国城市的雾霾问题，建议通过安装高空喷水装置向大气喷水以遏制雾霾，达到清污效果。湖北嘉沣环保科技有限公司根据微粒的电沉聚特性，研究出一种降霾节水的新技术[7]，使含有水蒸气与雾霾颗粒的空气通过电场，在库仑力的作用下移动吸附，最终实现回收水蒸气及净化空气的目的。孙文婧[8]研发一类治霾照明一体化装置，可根据PM2.5实时监测值自动启动球状水雾喷洒，在街道两侧实现照明和治霾的综合功能。文献[9]介绍了一类磁化水高压喷雾除尘技术，将高压喷雾除尘与磁化水技术相结合，可明显提高普通喷雾对粉尘的去除效率，对于治理城市PM2.5污染、减少雾霾具有现实意义。
2.2.2 喷雾除尘技术
结合工业生产需求等，喷雾技术在除尘方面具有经济、简便、实用等优点，已得到广泛应用，相关喷雾除尘装置的研发将为雾霾治理提供重要参考。
在煤矿防尘研究中，段军等[10]指出水喷雾防尘技术在同类综合除尘方法中效果较显著；曹绍龙[11]指出高压喷雾除尘技术是一种行之有效的降尘技术， 有着广泛的发展空间。孙新峰[12]将我国当前煤矿喷雾防尘技术的应用形式分为两种：一种是在煤矿开采的机械上安装喷雾装置；另一种是利用多个喷雾器对粉尘含量比较大的地区进行喷雾处理，其喷头之间形成的水幕净化风流可使粉尘沉降。文献[13]实现了液压支架和放煤口自动喷雾控制粉尘功能，总粉尘降尘率达85%左右，呼吸尘降尘率达60%～70%。
在建筑施工降尘研究中，吴前昌[14]研发了一种高空喷淋降尘系统，将若干喷头附着于塔式起重机，依靠塔吊旋转使雾状喷淋降尘面覆盖整个塔吊旋转半径范围，可对空气中扬尘重点部位进行加强型喷雾洒水降尘。刘洋等[15]介绍了应用于建筑工地的一种同类型高空喷雾降尘装置：利用建筑工地的塔机固定喷杆与喷嘴，通过塔机的回转喷洒达到大面积喷雾降尘效果。
另外，张秋林等[16]研发的一种喷雾除尘装置设置在钢厂原燃料转运堆放区域扬尘点上方，能够显著减少扬尘，改善工作环境。
3 喷雾装置喷嘴的设计原理
喷雾技术对于城市雾霾治理是一类可行的方法，但针对雾霾治理装置的研发工作尚处于起步阶段，调研现有的喷雾装置设计，特别是其关键构件—喷嘴的设计对于雾霾治理装置的研发很有必要。喷嘴按其雾化原理及结构特点可分为：压力喷嘴、超声喷嘴、静电喷嘴、两相流喷嘴、旋转喷嘴等[17]。
3.1 压力喷嘴
压力式细雾喷嘴是将喷嘴内的压力转化为液体的动能，通过气液之间的强烈作用实现液体的雾化。陈斌等[18]对单相雾化喷嘴进行了试验研究，详细讨论了压力对雾化效果的影响。刘乃玲等[19]具体研究了压力式细雾喷嘴的雾化特性，分析了影響雾化颗粒物平均直径分布的影响参数，并利用因次分析得到了喷嘴雾化准则的关系式。
3.2 超聲喷嘴
超声雾化技术是利用超声波雾化器激发高度密集的亚微米级雾，可在很低的液体传输速率下获得相对高的雾化质量。文献[20]介绍超声雾化技术是一种高效、节能、低成本的除尘技术。张小艳等[21]对水的超声雾化技术进行了试验研究，验证了超声雾化形成的微细水雾有利于呼吸性粉尘的捕集。
3.3 静电喷嘴
静电喷嘴是一种依靠电压力促进流体变形、破碎和雾化的喷嘴。孟祥金等[22]介绍了气力式静电喷头具有喷雾效果好、可靠性高的特点。袁颖等[23]分析了影响荷电水雾除尘器除尘效率的主要因素，明确地表达了过滤风速、喷雾量以及雾滴荷质比对除尘效率的贡献情况。郭军团等[24]综述了荷电水雾技术的荷电方式与应用现状，指出利用荷电水雾治理PM2.5颗粒物将具有更好的效果。
3.4 两相流喷嘴
两相流喷嘴指利用空气动力促进射流破碎与雾化的喷头。陈斌等[18]同时对两相雾化喷嘴进行了试验研究，得出了气液两相压力对雾化粒子尺寸和流量的影响，并分析得到最佳的两相压力配比。徐方等[25]结合细水雾灭火要求和气泡雾化技术特点，研制了新型气泡雾化细水雾喷头，并进行了喷头流量特性的试验研究，确定了流量与压力和气液质量比之间的变化规律。
3.5 旋转喷嘴
旋转喷嘴是利用离心作用和反作用力的推动使液体均匀地向四周散布。刘伟[26]研制出新型自旋转喷雾喷头，可使雾粒细密，喷射距离远，有效改善除尘效果。朱兴业等[27]通过仿真方式对组合旋转式射流喷头喷洒均匀性进行了分析，并指出喷洒系统布置的最佳组合间距。
4 喷雾装置喷嘴的设计要点
喷嘴设计的核心是内流道设计，包括喷嘴腔内的流动和腔外射流破碎的流动[28]。因此，工作压力与流量、水雾粒径分布等特征参数对细水雾喷头的性能具有非常重要的影响。
4.1 工作压力与流量
通常认为在喷嘴出口孔径一定的条件下，只有提高工作压力才会使流量增加[28]。Sayinci[29]确定了不同喷嘴类型、喷雾压力、喷嘴孔尺寸对流量系数的影响。张小艳等[21]研究了不同喷雾流量下的雾化特性，指出水量在一定范围内增加时，雾滴数量明显增加，但超过一定值时，水量的增加将阻碍雾化程度的提高。郭军团等[24]指出在保证小液滴比例不减小的条件下，应尽可能增加喷雾流量。
4.2 水雾粒径分布
王立军等[30]研究指出对于任何喷头，提高喷雾压力都可使雾滴直径减小；在相同喷雾量、相同压力和相同雾锥角的情况下，空心锥雾喷头产生的雾滴一般要比扁扇喷头产生的雾滴小；喷雾量小的喷嘴产生的雾滴比喷雾量大的喷嘴小。刘乃玲等[19]分析指出水雾粒径分布主要受喷孔直径、喷雾压力、液体的表面张力系数、空气的密度、液体的粘性系数、液体的密度等参数的影响。
5 结论与展望
面对当前严峻的环境形势，喷雾降霾除尘技术对于城市雾霾治理是一类可行的方法，开发相关喷雾装置以有效缓解雾霾危害势在必行。在此梳理了近年来关于除尘喷雾装置的研发现状，总结了喷雾喷嘴的设计要点，希望对于降霾除尘喷雾装置的研发带来更多的了解和启发。
参考文献：
[1]
张军英， 王兴峰. 雾霾的产生机理及防治对策措施研究[J]. 环境科学与管理， 2013， 38（10）：157～159（165）.
[2]孙文君， 曹 宁， 李 群， 等. 基于雾霾影响因子对绿色宜居环境的设计研究[J]. 绿色科技， 2017（1）：49～51.
[3]姚丽华. 气象学[M]. 北京： 中国林业出版社， 1992.
[4]中国气象局. 地面气象观测规范[M]. 北京：气象出版社， 2003.
[5]王润清. 雾霾天气气象学定义及预防措施[J]. 现代农业科技， 2012（7）：44.
[6]Yu Shaocai. Water spray geoengineering to clean air pollution for mitigating haze in China’s cities [J].Environmental Chemistry Letters， 2014， 12（1）：109～116.
[7]陈 远.降霾节水有了新技术[J]. 化工管理，2013（9）：69.
[8]孙文婧.治霾照明一体化装置：CN203940330U[P]. 2014-11-12.
[9]何 淼，劉胜强， 曾毅夫， 等. 磁化水高压喷雾除尘技术治理城市PM2.5[J]. 中国环保产业， 2015（11）：24～27.
[10]段 军，王炳方，王光武.水喷雾防尘技术在水峪矿的研究与应用[J].内蒙古煤炭经济，2015（8）：152～154.
[11]曹绍龙.高压喷雾除尘技术及其应用[J].陕西煤炭，2008（1）：96～97.
[12]孙新锋.煤矿综采工作面防尘技术现状与发展[J].内蒙古煤炭经济，2015（7）：49～50.
[13] 张顶立，张延松.我国综采放顶煤粉尘控制技术的研究与发展[J].中国安全科学学报，1997，7（2）：34～39.
[14]吴前昌.基于塔吊高空喷淋降尘系统设计与施工技术[J].建筑安全，2015（12）：10～13.
[15]刘 洋，李 静.建筑工地除尘装置的设计分析[J].建设机械技术与管理，2012（9）：105～108.
[16]张秋林， 江青芳， 何益先，等.一种喷雾除尘装置：CN105107313A[P].2015-12-02.
[17]曹建明. 喷雾学[M]. 北京： 机械工业出版社， 2005.
[18]陈 斌， 郭烈锦， 张西民， 等. 喷嘴雾化特性实验研究[J]. 工程热物理学报， 2001， 22（2）：237～240.
[19]刘乃玲， 张 旭. 压力式细雾喷嘴雾化特性的研究[J]. 同济大学学报， 2005， 33（12）：1677～1679 （1684）.
[20]徐立成， 孙和平. 超声雾化抑尘器及其应用[J] . 工业安全与防尘， 1995，（5）：13～15.
[21]张小艳， 郭 强， 李 全. 微细水雾除尘技术的实验研究[J]. 环境污染与防治， 2003， 25（4）： 234～236.
[22]孟祥金， 贾首星， 汤智辉，等. 气力式静电喷头的研究及现状浅析[J]. 新疆农机化， 2009（3）：15～18.
[23]袁 颖，王京刚，吴 琨. 荷电水雾除尘器捕尘效率的实验研究[J].环境污染与防治，2005， 27（1）：12～14.
[24]郭军团， 曾毅夫， 叶明强， 等. 荷电水雾技术对城市PM2.5的治理[J]. 中国环保产业，2015（12）：24～27.
[25]徐 方， 魏 东， 梁 强. 气泡雾化细水雾喷头的研制及其流量特性[J]. 消防科学与技术， 2010，29（7）：588～593.
[26]刘 伟. 煤矿降尘用新型自旋转喷雾喷头的研制[J] .矿山机械， 2006， 34（3）：32～33.
[27]朱兴业， 刘俊萍， 袁寿其.旋转式射流喷头结构参数及组合间距对喷洒均匀性的影响[J].农业工程学报，2013， 29（6）：66～72.
[28]吴晓伟，刘东岳，吴一红. 高压细水雾喷头的特征参数分析及设计要点[J]. 消防技术与产品信息， 2005（12）：16～18.
[29]Sayinci B. Effect of strainer type， spray pressure， and orifice size on the discharge coefficient of standard flat-fan nozzles [J]. Turkish Journal of Agriculture and Forestry， 2015， 39（5）：1～13.
[30]王立軍， 姜明海， 孙文峰， 等. 喷雾机设计中喷头的选型[J]. 农机化研究，2005（2）：151～153.