降霾除塵噴霧技術研究進展

王虹虹　范一鶴　李娜

摘要：指出了霧霾的治理引發了當今社會越來越多的關注，降霾防塵噴霧技術隨之發展起來，降霾防塵噴霧裝置的研發工作開始起步。就當前的降霾治理裝置的研發狀況進行了綜合分析，探討了已有噴霧技術在降塵方面的治理應用，闡述了噴霧除塵裝置的噴嘴設計原理，并總結了其設計要點，以期為霧霾治理裝置的設計帶來啟發。

關鍵詞：霧霾；除塵；噴霧；噴嘴

中圖分類號：TU834

文獻標識碼：A 文章編號：16749944（2017）10000803

1 引言

隨著現代工業、交通運輸、城市現代化建設等加速發展，工業設備、交通運輸設備、建筑施工揚塵等污染物的排放量日趨增大，我國城市霧霾天氣越來越嚴重。大氣環境質量重度污染會造成人群呼吸系統疾病頻發、視程障礙，甚至引發交通事故，對農作物生長以及輸變電設備等產生嚴重影響[1，2]。霧霾的治理引起了社會越來越多的關注，相應地降霾除塵噴霧技術日漸發展起來。

筆者將就當前的降霾治理裝置的研發進行綜合分析，并進一步探討已有噴霧技術在降塵方面的治理應用，總結降塵噴霧裝置的關鍵構件—噴嘴的設計原理與要點，為霧霾治理裝置的設計研發開啟思路。

3 降霾除塵技術的研發現狀

3.1 霧霾的形成

霧霾是一種天氣現象，是霧和霾的混合物。

霧是由大量懸浮在近地面空氣中的微小水滴或冰晶組成的氣溶膠系統[3]，當大氣中因懸浮的水汽凝結導致能見度低于1 km時，氣象學稱這種天氣現象為霧[4]。霧產生的條件[1]：低空濕度大，空氣接近飽和；大氣層很穩定，風速小，低空水汽不向周圍擴散；存在冷卻條件。

霾是空氣中的灰塵、硫酸、硝酸、有機碳氫化合物等粒子導致的大氣混濁，當水平能見度小于10.0 km時，這種非水性形成物組成的氣溶膠系統造成的視程障礙稱為霾或灰霾[1，5]。霾產生的條件[1]：控制當地的氣團性質穩定；空氣中存在大量灰塵、硫酸、有機碳氫化合物等細小霾粒子使大氣混濁。

2.2 噴霧降霾與除塵技術

2.2.1 噴霧降霾技術

由霧霾產生條件可知，對于霧霾防控主要是減少大氣中的霾粒子。首先必須從污染源頭上控制，其次是對污染物進行穩定化治理[1]。一方面，我國正在進行更為嚴格的污染源控制；另一方面，針對霧霾治理裝置的研發工作開始起步。

浙江大學俞紹才教授[6]首次提出噴水地球工程方法清除空氣污染來解決中國城市的霧霾問題，建議通過安裝高空噴水裝置向大氣噴水以遏制霧霾，達到清污效果。湖北嘉灃環保科技有限公司根據微粒的電沉聚特性，研究出一種降霾節水的新技術[7]，使含有水蒸氣與霧霾顆粒的空氣通過電場，在庫侖力的作用下移動吸附，最終實現回收水蒸氣及凈化空氣的目的。孫文婧[8]研發一類治霾照明一體化裝置，可根據PM2.5實時監測值自動啟動球狀水霧噴灑，在街道兩側實現照明和治霾的綜合功能。文獻[9]介紹了一類磁化水高壓噴霧除塵技術，將高壓噴霧除塵與磁化水技術相結合，可明顯提高普通噴霧對粉塵的去除效率，對于治理城市PM2.5污染、減少霧霾具有現實意義。

2.2.2 噴霧除塵技術

結合工業生產需求等，噴霧技術在除塵方面具有經濟、簡便、實用等優點，已得到廣泛應用，相關噴霧除塵裝置的研發將為霧霾治理提供重要參考。

在煤礦防塵研究中，段軍等[10]指出水噴霧防塵技術在同類綜合除塵方法中效果較顯著；曹紹龍[11]指出高壓噴霧除塵技術是一種行之有效的降塵技術， 有著廣泛的發展空間。孫新峰[12]將我國當前煤礦噴霧防塵技術的應用形式分為兩種：一種是在煤礦開采的機械上安裝噴霧裝置；另一種是利用多個噴霧器對粉塵含量比較大的地區進行噴霧處理，其噴頭之間形成的水幕凈化風流可使粉塵沉降。文獻[13]實現了液壓支架和放煤口自動噴霧控制粉塵功能，總粉塵降塵率達85%左右，呼吸塵降塵率達60%～70%。

在建筑施工降塵研究中，吳前昌[14]研發了一種高空噴淋降塵系統，將若干噴頭附著于塔式起重機，依靠塔吊旋轉使霧狀噴淋降塵面覆蓋整個塔吊旋轉半徑范圍，可對空氣中揚塵重點部位進行加強型噴霧灑水降塵。劉洋等[15]介紹了應用于建筑工地的一種同類型高空噴霧降塵裝置：利用建筑工地的塔機固定噴桿與噴嘴，通過塔機的回轉噴灑達到大面積噴霧降塵效果。

另外，張秋林等[16]研發的一種噴霧除塵裝置設置在鋼廠原燃料轉運堆放區域揚塵點上方，能夠顯著減少揚塵，改善工作環境。

3 噴霧裝置噴嘴的設計原理

噴霧技術對于城市霧霾治理是一類可行的方法，但針對霧霾治理裝置的研發工作尚處于起步階段，調研現有的噴霧裝置設計，特別是其關鍵構件—噴嘴的設計對于霧霾治理裝置的研發很有必要。噴嘴按其霧化原理及結構特點可分為：壓力噴嘴、超聲噴嘴、靜電噴嘴、兩相流噴嘴、旋轉噴嘴等[17]。

3.1 壓力噴嘴

壓力式細霧噴嘴是將噴嘴內的壓力轉化為液體的動能，通過氣液之間的強烈作用實現液體的霧化。陳斌等[18]對單相霧化噴嘴進行了試驗研究，詳細討論了壓力對霧化效果的影響。劉乃玲等[19]具體研究了壓力式細霧噴嘴的霧化特性，分析了影響霧化顆粒物平均直徑分布的影響參數，并利用因次分析得到了噴嘴霧化準則的關系式。

3.2 超聲噴嘴

超聲霧化技術是利用超聲波霧化器激發高度密集的亞微米級霧，可在很低的液體傳輸速率下獲得相對高的霧化質量。文獻[20]介紹超聲霧化技術是一種高效、節能、低成本的除塵技術。張小艷等[21]對水的超聲霧化技術進行了試驗研究，驗證了超聲霧化形成的微細水霧有利于呼吸性粉塵的捕集。

3.3 靜電噴嘴

靜電噴嘴是一種依靠電壓力促進流體變形、破碎和霧化的噴嘴。孟祥金等[22]介紹了氣力式靜電噴頭具有噴霧效果好、可靠性高的特點。袁穎等[23]分析了影響荷電水霧除塵器除塵效率的主要因素，明確地表達了過濾風速、噴霧量以及霧滴荷質比對除塵效率的貢獻情況。郭軍團等[24]綜述了荷電水霧技術的荷電方式與應用現狀，指出利用荷電水霧治理PM2.5顆粒物將具有更好的效果。

3.4 兩相流噴嘴

兩相流噴嘴指利用空氣動力促進射流破碎與霧化的噴頭。陳斌等[18]同時對兩相霧化噴嘴進行了試驗研究，得出了氣液兩相壓力對霧化粒子尺寸和流量的影響，并分析得到最佳的兩相壓力配比。徐方等[25]結合細水霧滅火要求和氣泡霧化技術特點，研制了新型氣泡霧化細水霧噴頭，并進行了噴頭流量特性的試驗研究，確定了流量與壓力和氣液質量比之間的變化規律。

3.5 旋轉噴嘴

旋轉噴嘴是利用離心作用和反作用力的推動使液體均勻地向四周散布。劉偉[26]研制出新型自旋轉噴霧噴頭，可使霧粒細密，噴射距離遠，有效改善除塵效果。朱興業等[27]通過仿真方式對組合旋轉式射流噴頭噴灑均勻性進行了分析，并指出噴灑系統布置的最佳組合間距。

4 噴霧裝置噴嘴的設計要點

噴嘴設計的核心是內流道設計，包括噴嘴腔內的流動和腔外射流破碎的流動[28]。因此，工作壓力與流量、水霧粒徑分布等特征參數對細水霧噴頭的性能具有非常重要的影響。

4.1 工作壓力與流量

通常認為在噴嘴出口孔徑一定的條件下，只有提高工作壓力才會使流量增加[28]。Sayinci[29]確定了不同噴嘴類型、噴霧壓力、噴嘴孔尺寸對流量系數的影響。張小艷等[21]研究了不同噴霧流量下的霧化特性，指出水量在一定范圍內增加時，霧滴數量明顯增加，但超過一定值時，水量的增加將阻礙霧化程度的提高。郭軍團等[24]指出在保證小液滴比例不減小的條件下，應盡可能增加噴霧流量。

4.2 水霧粒徑分布

王立軍等[30]研究指出對于任何噴頭，提高噴霧壓力都可使霧滴直徑減小；在相同噴霧量、相同壓力和相同霧錐角的情況下，空心錐霧噴頭產生的霧滴一般要比扁扇噴頭產生的霧滴小；噴霧量小的噴嘴產生的霧滴比噴霧量大的噴嘴小。劉乃玲等[19]分析指出水霧粒徑分布主要受噴孔直徑、噴霧壓力、液體的表面張力系數、空氣的密度、液體的粘性系數、液體的密度等參數的影響。

5 結論與展望

面對當前嚴峻的環境形勢，噴霧降霾除塵技術對于城市霧霾治理是一類可行的方法，開發相關噴霧裝置以有效緩解霧霾危害勢在必行。在此梳理了近年來關于除塵噴霧裝置的研發現狀，總結了噴霧噴嘴的設計要點，希望對于降霾除塵噴霧裝置的研發帶來更多的了解和啟發。

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