磁化荷电水雾最佳降尘参数确定实验研究*

2022-12-14葛少成孙丽英陈景序张小伟

中国安全生产科学技术 2022年11期

李哲，葛少成，孙丽英，陈曦，陈景序，张小伟

(1.太原理工大学安全与应急管理工程学院，山西太原 030024；2.内蒙古科技大学矿业与煤炭学院，内蒙古包头 014010)

0 引言

煤炭作为我国主要能源之一，其产量由2015—2022年呈连续增长趋势，且我国采煤方式以综采为主[1]，不可避免的造成粉尘扩散。危害矿井工作人员身体健康的同时也对安全生产造成不良影响，因此必须对粉尘进行有效防控。煤矿井下采用的降尘方式主要有通风除尘[2]、泡沫除尘[3]、喷雾除尘[4]等，其中喷雾除尘因其操作简便、性能优越被广泛应用，但降尘效果相对有限[5]。国内外学者针对井下除尘这一问题做了大量研究与实验，旨在达到理想的降尘效果。

近年来，不断有专家学者提出在喷雾降尘基础上采用磁化水溶液[6]和静电喷雾除尘[7]2种方式，以此来提高喷雾降尘效率。聂百胜等[8]认为磁化水溶液在一定磁强范围内可以有效改善水的表面张力；秦波涛等[9]研发煤矿降尘用水磁化装置，解决了综采工作面工作时粉尘外溢的问题；Wang等[10]认为磁化会使水分子中氢键作用减弱；Sung等[11]认为经过磁化处理过的水溶液电导率更低，蒸发率更高；Toledo等[12]认为经过磁化的液态水分子会由大分子团簇破裂成小分子团簇；吴琨等[13]认为荷质比能够很好地表征水雾荷电性能；李林[14]认为水雾荷电在135 ℃仍可以促进超细颗粒物团聚，以规避二次扬尘，进而大幅改善井下作业环境；Balachandran等[15]认为水雾荷电之后更容易去除细小颗粒；Kroll等[16]认为在一定温度下，带电球形颗粒可以吸引附近颗粒物；崔琳等[17]研究建立影响雾滴荷电效果的线性方程。

综上，本文提出新型磁化荷电水雾降尘方法，通过液滴在磁化、荷电时的受力分析揭示其雾化机理，进一步研究清水通过磁化、荷电后表面张力和粒径的变化规律，确定最佳降尘参数。研究结果对提高降尘效率，使井下工人拥有更好的生产环境，降低罹患尘肺病的风险具有重要意义。

1 雾化机理

磁化水溶液是水溶液以一定速度流经磁场并做切割磁力线运动，从而使溶液本身理化性质发生改变。这时增加外加磁场使抗磁性物质建立起与原磁场方向相反的附加磁矩，原子磁矩的内部平衡被打破，内部的微观电流发生改变，如式(1)所示：

(1)

式中：i为附加电流，A；ωL为电子附加运动的角频率，rad/s。

电子绕原子核转动的角速度受到影响，导致每个原子产生与其自身磁场方向截然相反的附加磁矩，附加磁矩的计算公式如式(2)所示：

(2)

(3)

式中：U为磁场势能，J；θ为外加磁场与本身磁场的夹角，°。

(4)

抗磁性分子还另受斥力如式(5)所示：

(5)

(6)

(7)

其中：μ为磁导率，H/m。

(8)

本文实验采用感应荷电的方式。在金属喷嘴前方放置1个施加直流高压的感应环，此时金属喷嘴与感应环之间形成非均匀电场，基于电感应原理，溶液与喷嘴接触处形成偶电层，此时液体受压力作用从金属喷嘴喷出，进入非均匀电场，液体离开喷嘴的过程即为液体受静电力破碎的过程，同时带上与施加直流高压相反的电荷，与施加电压相同的电荷通过接地线导入地面。水雾荷电原理如图1所示。

图1 水雾荷电原理Fig.1 Principle of water mist charging

磁化水溶液通过电场时，液滴在电场中荷电，打破了液滴原有的内部平衡，以致荷电液滴不稳定。研究表明：液滴荷电量均遵循Rayleigh极限，即荷电量达到一定值时液滴发生破碎，磁化水溶液内聚能减弱。雾滴破碎所做表面功越少，更易达到Rayleigh极限。

Rayleigh极限计算公式如式(9)所示：

(9)

式中：qmax为雾滴带电量的最大值，C；ε0为真空介电常数；σ为液滴表面张力，mN/m；r为液滴粒径，μm。

水溶液受磁场作用使煤尘润湿性增强，受电场作用使煤尘与雾滴之间相互吸引如图2所示，再通过超音速汲水虹吸雾化喷头破碎成更小更均匀的雾滴，与煤尘接触面积增大，吸引煤尘的同时更好地浸润粉尘，提高降尘效率。

图2 液滴吸附粉尘颗粒物示意Fig.2 Schematic diagram of droplet adsorption of dust particles

2 实验方法及装置

2.1 实验平台搭建

磁化荷电喷雾雾化粒径测试系统如图3所示，测试系统由供电装置、喷雾装置和测试装置3部分构成。

图3 磁化荷电喷雾雾化粒径测试系统Fig.3 Test system for atomization particle size of magnetized water charged spray

周群[18]通过实验证明，当水以4 m/s的速度通过管道时，其磁化效果最好，故设置清水通过多级磁化水循环装置的流速控制为4 m/s，以获取磁化水溶液。供电装置由TD2202型负电静电驻极电压和绝缘材质电极环构成，电极环通过三脚架固定在喷嘴前方，静电驻地电压为本系统提供可调节荷电电压；喷雾装置由2-2200型无油空气压缩机、水箱和虹吸喷嘴构成，空压机外连接可调控压力的阀门和观测表以实现对本系统内管路压力的实时监控，水箱内放置磁化水溶液；测试装置由德国新帕泰克有限公司HELOS (H4116) & UNIVERSAL型喷雾激光粒度分析仪和计算机分析控制系统构成，计算机分析控制系统使用PAQXOS 4.1测量软件，该软件可定义、控制整个测量过程，并同时处理测量的粒度分布数据、显示结果并打印报告。

接触角测量仪实验平台由TD2202型负电静电驻极电压、东菀市盛鼎精密仪器有限公司SDC-350型接触角测量仪、外接控制系统及分析软件4部分构成。其中，测量滴管采用1 mL的自动吸液注液管，分析不同溶液时，注液管内放置不同溶液，滴液精度为0.01 μL，软件数字化控制其注射进程，分析软件采用Contact angle V3/V5全自动三相分析软件，该软件能够动态实时跟踪拟合数据，具备完善的分析计算功能和拟合方法。采用接触式高压荷电的方式，负电静电驻极电压通过绝缘线路连接到接触角测量针管上，针管处带上电压进而溶液带上电荷，如图4所示。

图4 接触角测量仪实验平台Fig.4 Experimental platform of contact angle measuring instrument

自主搭建的自动化可视多因素耦合的除尘实验平台如图5所示，该平台主要包括4个部分：发尘系统、风机及模拟巷道系统、测尘系统和喷雾捕尘系统。发尘系统由HRH-DAG768型粉尘气溶胶发生器和2-2200型无油空气压缩机组成，该系统通过原动机将机械能转化为气体压力能，通过调控气体流量来控制发尘浓度，实现对不同浓度粉尘场的控制；风机及模拟巷道系统采用亚克力板和刚性骨架构建0.8 m×1 m×1.5 m(长×宽×高)的模拟巷道，采用压入式通风在巷道与风机之间连接扩散风筒，确保粉尘能在模拟巷道中均匀扩散；测尘装置为CCHZ-1000全自动粉尘测定仪，其测量误差<10%，采样流量为2 L/min，可测呼吸性粉尘和全尘；喷雾装置由超音速汲水虹吸雾化喷头、水箱等组成。

图5 自动化可视多因素耦合的除尘实验平台Fig.5 Automated visual multi-factor coupling dust removal experimental platform

2.2 实验方案

采用接触角测量仪实验平台测试液滴在磁化、荷电、磁化荷电条件下水的表面张力。本文实验磁强参数选用150，200，250，300，350，400，450，500 mT；荷电电压参数为0，1，2，3，4，5，6，7，8 kV；磁化荷电参数选用磁强参数与荷电电压参数两两相匹配，每组实验测试3次，求其平均值为结果。

采用磁化荷电喷雾雾化粒径测试系统测试磁化、荷电、磁化荷电条件下雾滴粒径大小。本文实验磁强参数选用与上述实验一致，荷电电压参数选用0，3，6，9，12，15 kV；磁化荷电参数选用磁强参数与荷电电压参数两两相组合。因煤尘带负电[19]，故感应荷电时选用负极静电驻地荷电电压。喷嘴选用孔径为1.0 mm的超音速汲水虹吸雾化喷头[20],气相压力为0.45 MPa，喷嘴与激光粒度分析仪相距0.6 m。雾滴荷质比随电极环直径增大而减小，但若电极环过小，雾滴喷溅至电极环上会造成电极环放电[21]，故电极环直径选用60 mm，电极间距选为15 mm。每组实验测试3次，求其平均值为结果。

3 实验结果分析

3.1 磁场与电场对溶液表面张力的影响

通过接触角测量实验平台探究表面张力的变化如图6 所示。在150～350 mT内水溶液的表面张力随磁化强度的增大而减小，在350 mT时达到最低，而后在350～400 mT时表面张力随磁化强度的增大而增大，450～500 mT时变化缓慢，趋于平稳。由实验结果可知，清水经过磁场后表面张力均有所减小，但其变化规律并非呈线性变化，而是呈现多极值增减变化趋势，证明存在最佳磁化强度。

图6 磁场作用下溶液表面张力变化Fig.6 Change in surface tension of solution under magnetic field

溶液通过电场带上电荷时表面张力变化如图7所示：表面张力随荷电电压的增大而减小，在5 kV之后减速明显增大。由实验结果可知液滴受到电场力时，表面张力作用减小，电场力越大作用越明显。

图7 电场作用下溶液表面张力变化Fig.7 Change in surface tension of solution under electric field

当荷电电压增至8 kV时液滴内电荷量q达到Rayleigh极限，液滴内部稳定状态被彻底打破，液滴发生破裂，即不再汇聚成滴，此时的表面张力极小，如图8所示。表面张力值随着荷电电压的增大而减小，荷电电压越大表面张力值越佳，故本文实验不再考虑8 kV及以上荷电电压时表面张力值的变化。

图8 8 kV时液滴形状变化Fig.8 Droplet shape change at 8 kV

图9 磁化荷电下溶液表面张力变化Fig.9 Change in the surface tension of the solution under magnetized charge

磁化荷电时表面张力变化结果如图9所示，150～350 mT之间都呈现出下降趋势，且荷电电压越高其初始表面张力越小，均在350 mT时表面张力达到最小值；在350～400 mT时不同荷电电压的表面张力呈现上升趋势，400～500 mT时表面张力随磁化强度的增加而减小。由实验结果可知荷电电压越大其表面张力越小，当荷电电压一定时，磁化强度在350 mT时表面张力最小。实验中溶液先受到磁场力的作用，加快水分子之间氢键的断裂，使水分子间氢键的数量变少，大分子团聚分散成小分子，导致水分子之间间距增大，溶液内聚力减弱；而后液滴再受到电场力的作用，使液滴带上电荷，此时溶液内聚力已被减弱故其受力平衡更快被打破，液滴被拉长，更易破碎。相比磁化水溶液和荷电溶液，磁化荷电时溶液表面张力变化更明显。周群[18]通过分子模拟软件和傅里叶红外光谱仪证实：溶液的理化性质并非随着磁场强度的增大而增大，而是存在最佳磁化强度，结合本文实验结果得到其最佳磁化强度为350 mT。

3.2 磁场与电场对粒径的影响

在探究磁场对雾滴粒径影响的实验中，采用磁化荷电喷雾雾化粒径测试系统，在水箱内放置不同磁化强度的磁化水溶液测量雾滴粒径变化规律，如图10 所示。在150～350 mT内雾滴粒径随磁化强度增大而减弱，在350 mT时达到最小，350～400 mT时出现缓慢上升趋势，在400～500 mT时出现缓慢下降趋势。

图10 磁场作用下液滴粒径变化Fig.10 Variation of droplet size under magnetic field

在探究电场对雾滴粒径影响的实验中，将水箱内的磁化水溶液更换为清水，再通过磁化荷电雾化系统探究粒径的变化规律，本文实验选用索太尔平均直径(SMD)来表示粒径大小。实验结果如图11所示，0～3 kV时粒径随荷电电压增大而减小，在3 kV时达到最小值，3～6 kV时出现上升趋势，9～12 kV变化缓慢。

图11 电场作用下液滴粒径变化Fig.11 Variation of droplet size under electric field

在磁化荷电时雾滴粒径的变化如图12所示，150～350 mT时不同荷电电压下的雾滴粒径均呈现下降趋势，且均在350 mT时粒径达到最小；350～400 mT时不同荷电电压的雾滴粒径出现缓慢上升趋势，而后在400～500 mT时，基本趋于稳定。由实验结果可知荷电电压为9 kV、磁化强度为350 mT时雾滴粒径最小。喷雾降尘时液滴破碎为雾滴，此时需克服表面张力做功，由上文静态实验可知，液滴经过磁化荷电后表面张力已被减弱，液滴雾化时需作表面功减小，雾滴破碎更小更均匀，与尘粒接触面积和机率增大，捕尘效率提升。但电压过高时液滴出现相互吸引现象，液滴开始凝并，粒径再次呈现增大趋势。

图12 磁化荷电时液滴粒径变化Fig.12 Droplet size changes when magnetized and charged

由雾滴分布频度可知，磁化水溶液在雾化作用下的喷嘴雾滴粒径频度较分散，众数集中在30～33 μm，随着磁化强度增大，雾滴粒径中心出现左移趋势，且在350 mT时达到最小；静电喷雾作用下的雾滴粒径频度分布更加分散，众数集中在28～30 μm，且随着荷电电压的增大，其频度几乎不发生变化。磁化水荷电时雾滴粒径频度分布最为集中且均匀，众数集中在25～28 μm，且存在最佳磁化强度和荷电电压。结合上述实验结果得出最佳雾化参数为磁化强度350 mT，荷电电压9 kV，如图13所示。

图13 不同场下粒径频度变化Fig.13 Frequency variation of particle size under different fields

4 降尘效率实验

由上述实验可知最佳雾化参数为磁化强度350 mT、荷电电压9 kV，通过自主搭建的自动化可视多因素耦合除尘实验平台测试其降尘效率，实验煤样选取为非浸润性的晋城无烟煤。因井下造成尘肺病的主要原因为微细粉尘，故本文实验粉尘浓度范围设定为200目以下，风速设定为2 m/s，发尘速率为15 g/min。为去除水雾影响在粉尘测定仪前后加上除雾器，在模拟巷道前后两端设置2个捕尘点，第1个捕尘点为测点，第2个捕尘点确保使粉尘完全沉降，增加实验安全性。

由粉尘测定仪测得初始和处理后的粉尘浓度，并计算降尘效率，降尘效率计算如式(10)所示：

(10)

式中：η为降尘效率，%；C为初始粉尘浓度，mg/m3；c为降尘后粉尘浓度，mg/m3。

除尘前粉尘的全尘初始浓度为660.5 mg/m3；呼尘的初始浓度为399.5 mg/m3，仅使用清水降尘时其全尘降尘效率为54.7%，呼尘降尘效率为40.51%；通过磁化荷电降尘后，全尘浓度为47.62 mg/m3，呼尘浓度为85.53 mg/m3，其降尘效率达到92.79%，78.59%，与清水相比降尘效率提高69.63%，94.01%，如图14所示。与磁化水降尘相比全尘降尘效率提高31.58%，呼尘降尘效率提高34.66%，与静电喷雾降尘相比全尘降尘效率提高41.53%，呼尘降尘效率提高48.47%。观察磁化荷电水雾降尘效果，如图15所示。降尘前箱体内部空气浑浊，可见度低。使用磁化荷电水雾降尘后，箱体内空气洁净，可见度高。