磁化荷电液滴除尘机理及碰撞浸润煤尘数值仿真

2023-10-18熊光婷葛少成孙丽英庞星宇

煤炭学报 2023年9期

熊光婷，葛少成，孙丽英，庞星宇，刘硕，陈曦，年军

(太原理工大学安全与应急管理工程学院,山西太原 030024)

煤炭作为我国基础性能源，占能源消费总量的56%，国家统计局数据统计显示，2020 年、2021 年全国原煤产量分别达到39 亿t、40.7 亿t[1-2]。随着煤矿开采机械化程度的提高，煤矿井下粉尘产量增大，由煤矿粉尘所引发的尘肺病及爆炸事故死亡人数已远高于同期煤矿其他生产事故死亡人数总和[3]。因此高效防治煤矿粉尘迫在眉睫。

目前广泛采用的控除尘技术主要有喷雾降尘、煤层注水、泡沫除尘等[4]。虽已有成效，但由于煤尘具有强疏水性，普通喷雾难以快速凝并对人体危害最大的呼吸性粉尘[4-5]。梁旺亮等[6]通过试验和工程应用证明局部封闭性状态的活性磁化水降尘措施，为粉尘治理提供了一种新型控除尘技术。王林等[7]通过数值模拟的方法，研究了影响荷电液滴群捕尘效率的因素，发现静电沉积占主导地位时，喷雾密度对捕集效率影响不大，液滴荷电量越大，微细粉尘颗粒捕集效率越高。SANDIP K Pawar 等[8-9]从微观角度研究液滴对粉尘的润湿性，通过实验研究液滴与玻璃颗粒的碰撞，以改变碰撞参数和韦伯数来观察碰撞的状态，并将实验结果用于粒子-液滴碰撞的未来理论和模拟研究。宋亮等[10-11]通过建立液滴与颗粒碰撞的物理模型，研究了粒径比、润湿角、碰撞速度对碰撞结果的影响，发现提高液滴碰撞速度一定程度上可以提高液滴润性，润湿角小于90°时，粒径比越大，液滴在颗粒表面的展铺范围越大。近年来有学者提出将磁化水雾与荷电水雾协同应用到喷雾降尘中，贾荞溪等[12]采用交叉实验法，测量不同磁场强度、荷电电压下的液滴表面张力，研究发现磁电耦合作用对液滴表面张力的改善效果最明显。荆德吉等[13]基于K-H 液滴破碎模型及湍流k-ε的雾滴粒子场模型，研究4 种工况下雾滴粒子的速度分布与粒径分布，发现磁电耦合作用下具有最佳雾滴粒子场。上述研究均是从宏观或微观的单一角度来研究液滴捕尘特性，并不能全面揭示液滴-煤尘颗粒的碰撞浸润机理。

在前人的研究基础上，笔者将液滴碰撞球形颗粒的动力学特征应用到喷雾降尘中，从宏观和微观双重角度来探究磁化荷电液滴碰撞浸润煤尘颗粒特性。宏观上采用磁电耦合交叉实验的方法，探究磁化强度、荷电电压对液滴表面张力的影响，并确定磁电耦合最佳参数；微观上运用数值模拟的方法，通过动态监测液滴最大铺展半径系数、液膜中心高度系数以及液滴撞击球形煤尘颗粒的形态变化，来分析磁化荷电液滴的雾化润湿性能。其研究成果对进一步提高粉尘防治效率、改善液滴雾化润湿性具有重要的指导意义。

1 磁化荷电液滴除尘机理

水是抗磁性极性分子，在磁化器内水流切割磁力线促使水分子电离，所产生的正负电荷产生相反的回旋运动，水分子极性增强，在旋转运动作用下，原来缔合链状的水分子氢键畸变、断裂，使液体之间平衡距离变大，引力变小，表面张力降低，从而水对煤尘润湿性提高[14]。对于完全不能润湿的煤尘颗粒，当液滴在粉尘颗粒表面铺展到如图1 所示位置，便认为可被捕捉[15]。

图1 液滴捕捉疏水性煤尘颗粒形态Fig.1 Droplet capture of non-wetting coal dust particle states

在液滴与煤尘颗粒碰撞黏附过程中，由于液滴半径远小于毛细作用长度，此时表面张力占主导作用，重力影响可忽略不计。疏水性煤尘颗粒克服液滴表面张力所做功[16]为

式中，Wr为尘粒克服液滴表面张力所做的功，J；σ为液滴的表面张力，mN/m。

煤尘颗粒即将接触液滴时，必须具有的最小相对速度[16]为

式中，vr为液滴碰撞煤尘颗粒所具有的最小速度，m/s；ρr为粉尘颗粒密度，kg/m3。

可知vr正比于σ1/2，在磁场作用下，水的表面张力减小，从而引起vr、Wr减小，即磁化作用降低了液滴捕尘所需的功，减小了液滴包覆尘粒所需的最小速度。

液滴在空气的雾化作用下通过喷嘴喷射出来后，其体积平均直径[16]为

式中，B1为喷嘴常数；K1为常数，约1.78；ΔPN为喷嘴出口压差，MPa；C0为流量系数，取0.80～0.95；ρ0为液滴密度，kg/m3。

上述公式说明磁化作用下，水黏聚力下降，表面张力减小，此时液滴尺寸减小，从而提高了液滴的雾化性能[17-18]。

磁化液滴感应荷电装置如图2(a)所示。电极环与喷嘴之间形成非匀强电场，磁化水通过喷嘴进入非匀强电场，负电载流子被金属喷嘴电极吸引至接地端，正电载流子经喷嘴雾化后形成带正电的荷电雾滴[19]。

图2 磁化荷电液滴降尘原理Fig.2 Principle of magnetoelectric droplet dust removal

磁化液滴荷电+q，煤尘在高压电场中与液滴发生相对运动，在静电感应作用下，煤尘颗粒发生电子漂移运动，靠近液滴端的表面带上同等荷电量-q，2 者间产生静电吸引力[20]，如图2(b)所示。

磁化荷电液滴与煤尘颗粒之间的吸引力Fi表示为

式中，εp为空气中颗粒物介电常数，F/m；ε0为真空介电常数，F/m；εw为雾滴介电常数，F/m；dp为雾滴粒径，mm；q为雾滴饱和荷电量，C；s为液滴与颗粒物的中心距离，m。

综上，液滴在磁化作用下提高了润湿性能和雾化性能，再通过静电感应的方式进行荷电，带电液滴与煤尘颗粒之间产生静电吸引力，磁化荷电液滴表面张力显著下降，煤尘更易被黏附捕捉。

2 磁电耦合液滴表面张力交叉实验

2.1 实验装置

2.1.1磁化荷电液滴表面张力测试系统

表面张力测量实验平台如图3(a)所示。由TD2202型负电静电驻极电压、SDC-350 型表面张力测量仪、控制分析系统3 部分构成。采用接触荷电的方式，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，自吸式注液管数字化控制注射进程，从而使注液管内的实验溶液荷电，最终通过Contact angle V3/V5全自动三相分析软件进行数据分析和拟合。

图3 实验装置Fig.3 Experimental devices

2.1.2磁化荷电水雾降尘系统

课题组自主搭建的磁化荷电水雾降尘系统如图3(c)所示。该系统由5 部分组成，其中喷雾子系统由跨音速气动喷嘴、空压机、磁化水制备装置及静电感应荷电装置构成。磁化水制备装置包括卧式离心泵、智能电磁流量计、FSCN-DN25 磁化水装置和储水箱，通过改变磁化强度及磁化时间等参数制备磁化水，如图3(b)所示。静电感应装置包括高压静电直流发生器和电极环。发尘系统由HRH-DAG768 型粉尘气溶胶发生器，2-2200 型无油空气压缩机2 部分组成，通过改变气流量控制发尘质量浓度。风机系统由HTFC 静音风机和变频箱组成，通风机在变频箱的控制下调节风速。模拟巷道系统由透明亚克力板箱体拼接而成，内部放有除雾器，风机系统与模拟巷道系统之间连接扩散风筒，进行抽出式通风。监测系统为测量误差＜10%的CCHZ-1000 全自动粉尘测定仪。

2.2 实验方法

采用多级循环磁化水实验装置制备磁化水，选取疏水性晋城无烟煤为试验煤样，利用表面张力测量仪测定液滴在磁化、荷电、磁化荷电3 种工况下的表面张力。本实验磁强参数选取150、200、240、300、350、400、450、500 MT，荷电电压参数选取1、2、3、4、5、6、7、8 kV。将2 组变量进行交叉实验，每组测量3 次，取均值作为结果。

2.3 实验结果与分析

磁化液滴表面张力变化如图4(a)所示。可见液滴表面张力与磁化强度并非呈线性负相关，在磁强为150～350 MT 时，磁强越大，液滴表面张力越小，350 MT时表面张力达到最小值；在350～400 MT 时，表面张力增大；400 MT 后，液滴表面张力基本不变。

图4 磁化、荷电、磁化荷电作用液滴表面张力变化规律Fig.4 Surface tension of droplets of Magnetization,Charge and Magnetoelectric changes regularity

荷电液滴表面张力变化如图4(b)所示。表面张力随荷电电压的增大而减小，5 kV 后液滴表面张力急剧下降，电极环和喷嘴电极之间非均匀电场场强增大，雾滴荷电效果增强。但当荷电电压增长至8 kV 以上时，由于电极环表面粗糙且存在细微金属颗粒，导致该处电荷密度增大，场强突变，周围空气被击穿，出现电晕放电现象并产生大量负离子，与感应荷电产生的带正电的液滴相抵消，荷质比明显减小，感应荷电效果减弱[21]。因此笔者不考虑8 kV 以上的情况。

磁化荷电液滴表面张力变化如图4(c)所示。荷电电压＞2 kV 时，液滴达到最小表面张力后，继续增大磁强，表面张力大小基本不变。随荷电电压增大，液滴表面张力达到最小值所需的磁化强度呈下降趋势。荷电电压为5～6 kV 时，液滴表面张力在350 MT 达到最小值，当荷电电压＞7 kV 时，液滴表面张力急剧下降，并在300 MT 达到最小值。

依据实验结果得到了3 种作用条件下液滴的最小表面张力，见表1。

表1 磁化、荷电、磁化荷电作用下液滴表面张力最小值Table 1 Minimum values of surface tension of liquid droplets under magnetisation,charge and magnetoelectric

相较于普通液滴，磁化作用、荷电作用、磁电耦合作用后液滴表面张力最小值分别降低了18.2%、78.1%、87.4%，可见磁化、荷电、磁电耦合作用对液滴浸润性改善能力大小关系为磁电耦合作用＞荷电作用＞磁化作用，并得到最佳耦合参数：在磁化强度300 MT，荷电电压8 kV 时，液滴表面张力达到最小值9.20 mN/m。

3 磁化荷电液滴-球形煤尘颗粒碰撞数值模拟

3.1 几何模型

笔者采用Comsol 两相流模型，研究包含相初始化的瞬态。液滴碰撞球形煤尘颗粒模型如图5(a)所示，液滴与球形煤尘颗粒正心碰撞，计算域Lx×Ly=180 μm×180 μm；液滴直径和煤尘颗粒的直径分别为d0和dr，dr=25 μm,d0分别设置为20.0 μm 和13.5 μm，液-尘粒径比DTP=d0/dr，空气标记为红色，液滴标记为蓝色，煤尘颗粒标记为灰色，置于液滴正下方60 μm处，液滴被赋予相对碰撞速度v0，液滴为微流体，可忽略重力影响，边界ABCD为开放边界。

图5 几何模型Fig.5 Geometric models

如图5(b)定义液滴在颗粒表面的润湿弧长为d，液膜最高点到煤尘颗粒表面最短距离为h。通过液滴碰撞煤尘颗粒的形态变化、最大铺展半径系数D*及液膜中心高度系数H*等参数，作为衡量液滴润湿雾化润湿性能的指标。

无量纲参数D*和H*分别表示为

3.2 数值模型

Comsol 多物理场是一个交互式环境，使用有限元法求解方程，采用各种数值求解器进行有限元分析和误差控制。本模拟采用层流两相流接口，研究包含相初始化的瞬态，跟踪2 种不混流体之间的界面。求解方程为动量守恒的纳维-斯托克斯方程和质量守恒的连续性方程。

本模拟中设定普通水滴黏度为1 mPa·s；普通水滴在煤尘(疏水性晋城无烟煤)颗粒表面接触角为95°；普通水滴表面张力为72.83 mN/m；磁化荷电水滴黏度为0.81 mPa·s；磁化荷电水滴在煤尘颗粒表面接触角为70°；磁化荷电水滴表面张力为9.20 mN/m；普通水滴密度为1 000 kg/m3；空气黏度为0.018 mPa·s；空气密度为1.225 kg/m3。在计算域内，对于两相流，根据质量守恒，连续性方程为

根据动量守恒，纳维-斯托克斯方程为

其中，v为流体速度，m/s；t为时间，s；ρ为密度，kg/m3；T为温度，K；μ为动力黏度，Pa·s；p为压力，Pa；Fi为黏性力，N；I为单位张量。各项分别对应于惯性力(1)、压力(2)、黏性力(3)、外力(4)。

根据霍夫曼经验公式表达动态接触角对接触线速度的依赖性，从而定义煤尘颗粒表面润湿壁性质[22-25]：

其中，θd为动态接触角；θe为静态接触角；fh为霍夫曼经验函数；Ca为毛系数。其中fh[22-25]表示为

Ca表示[22-25]为

式中，vcl为接触线速度，m/s；μ为液滴动力黏度，Pa·s。

3.3 结果与讨论

根据磁电耦合表面张力交叉实验所得到的最小表面张力，在磁化荷电液滴与球形煤尘颗粒的碰撞捕捉模拟研究中，赋予液滴相对碰撞速度v0=4、8 m/s。通过查阅资料发现[26-27]当液-尘粒径比＞1 时，液滴的润湿性能基本不变。因此本模拟液尘比选取0.54 和0.80，用于对比普通水滴、磁化荷电液滴与煤尘颗粒碰碰撞过程中最大铺展半径系数(D*)、液膜中心高度系数(H*)及液滴在煤尘颗粒表面铺展形态的变化规律。

3.3.1磁化荷电液滴D*及H*变化规律

图6 为3 种工况下磁化荷电液滴与普通水滴D*、H*的变化规律对比。普通水滴碰撞过程会发生拉伸、分裂、聚合、回弹等现象，D*及H*曲线剧烈波动。粒径比不变时，速度越大，波动越大；碰撞速度不变时，粒径比越小，波动越大。相反，磁化荷电液滴D*曲线线性增大到最大值后保持稳定，H*曲线线性减小到最小值后保持稳定。可见磁电耦合作用消除了相对碰撞速度和粒径比变化对捕尘效果的不利影响。

图6 3 种工况下普通水滴、磁化荷电液滴D*及H*变化规律对比Fig.6 Comparison of the variation laws of ordinary droplets,magnetoelectric droplets D* and H* under three working conditions

3.3.2磁化荷电液滴与煤尘碰撞形态变化

图7 为3 种工况下普通水滴、磁化荷电液滴与煤尘颗粒的碰撞形态变化对比。

图7 3 种工况下普通水滴、磁化荷电液滴与煤尘颗粒的碰撞形态变化Fig.7 Morphological changes of ordinary droplets,magnetized charged droplets under three working conditions

图7(a)中普通水滴在疏水性煤尘颗粒上的铺展范围小，50.0 μs 时发生反弹，无法捕捉煤尘颗粒。而图7(a)中磁化荷电液滴在煤尘颗粒的铺展范围线性增长、铺展速度加快，无反弹现象，在50.0 μs 时铺展范围达到最大，相较于普通水滴扩大了44.98%。可见，磁化荷电作用下液滴表面张力减小，更易黏附在煤尘颗粒表面，润湿性能提高。

如图7(b)所示，当相对碰撞速度增大到8 m/s 时，普通水滴在煤尘颗粒表面的最大铺展范围基本不变，17.2 μs 时液滴分裂成3 部分，29.8 μs 时发生回弹。而在磁电耦合作用下，如图7(b)所示，液滴在煤尘颗粒表面完全展铺，且未发生分裂和回弹。可见磁化荷电作用削弱了相对碰撞速度过大所导致的液滴的分裂和回弹效应。

图7(c)中普通水滴在17.3 μs 时液滴被拉长，30.0 μs时液滴在剪切力的作用下开始分裂，且分裂液滴体积占液滴总体积的一半，难以产生卫星液滴，雾化性能差，50.0 μs 时由于惯性力大于毛细管力，分裂液滴迅速逃逸煤尘颗粒表面。而图7(c)中磁化荷电液滴在煤尘颗粒表面的铺展范围显著增大，17.3 μs 时液滴分裂呈狭长状、体积占比小，并产生多个卫星液滴，雾化性能提高。这在喷雾降尘的应用中，可以增大微细液滴浓度，液滴与煤尘颗粒碰撞的概率增大，捕尘效率提高。50.0 μs 时在毛细管力的作用下，液滴全部包覆在煤尘颗粒的表面。可见磁电耦合作用提高了液滴的雾化性能。

综上所述，通过对比分析普通水滴、磁化荷电液滴与球形煤尘颗粒碰撞过程H*及D*的动态变化，发现磁电耦合作用消除了相对碰撞速度和粒径比变化所导致的液滴反弹效应。通过观察液滴在球形煤尘颗粒表面的展铺形态，发现磁化荷电液滴更易黏附在煤尘颗粒表面，包覆范围扩大了44.98%，表面张力减小，液滴润湿性能提高；且在磁电耦合作用下液滴更易分裂并产生卫星液滴，雾化性能提高，从而使微细液滴质量浓度增大，液滴与煤尘颗粒碰撞的概率增大，提高了捕尘效率。

3.4 模拟验证

模拟验证实验，采用团队自主搭建的磁化荷电水雾降尘实验系统[28-29]，测定普通水雾、磁化水雾、荷电水雾、磁化荷电水雾4 种工况下的降尘效率。实验煤样选取疏水性的晋城无烟煤，采用Malvern MS3000激光粒度仪测定粉尘粒径分布区间为1～74 μm，其中直径为6～30 μm 的煤尘占比达66.3%。选用项目组自行研发的孔径为1 mm 的跨音速气动雾化喷嘴，供气压力为0.5 MPa，将无烟煤粉罐装至粉尘发生器中，开启风机使用变频器调整巷道内风速达4 m/s，设置质量流量为10 kg/min，进给粉尘时间为1 min，为去除水雾影响在粉尘测定仪前后加上除雾器。在模拟巷道内设置3 个测点，测定仪1 和2 进行对照，测定仪3 确保粉尘完全沉降，保证实验安全。粉尘测定仪测定时间均为进给结束后静置3 min,每种工况重复3 组试验，取均值作为最终结果。

为便于分析普通水雾、磁化水雾、荷电水雾、磁化荷电水雾的降尘效果，验证磁化荷电水雾降尘所具备的优越性，通过式(12)计算测点的的降尘效率，并取其平均值得到各喷雾降尘在整个模拟巷道上的降尘效率。

式中，C1为初始粉尘质量浓度，mg/m3；C2为降尘后的粉尘质量浓度，mg/m3；η为降尘效率，%。

图8 为普通水雾、磁化水雾、荷电水雾、磁化荷电水雾降尘效率的对比关系。实验前全尘质量浓度为437.68 mg/m3，呼吸性粉尘质量浓度为264.73 mg/m3。应用磁化荷电水雾降尘后粉尘质量浓度大幅降低，呼吸性粉尘质量浓度降幅显著，模拟巷道内全尘平均降尘效率达94.07%、呼吸性粉尘降尘效率达82.69%。相较于普通水雾降尘，全尘降尘效率提高39.16%，呼吸性粉尘降尘效率提高42.29%；与磁化水雾降尘相比其效率分别提高24.71%、26.34%；与荷电水雾降尘相比其效率分别提高20.89%、21.21%。可见磁化荷电水雾降尘具有显著的优越性。