繆寶成，邱進(jìn)偉

(安徽理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

煤塵在礦井中危害巨大[1]，若不加以治理，不僅增加礦井工人患?jí)m肺病的風(fēng)險(xiǎn)，還易造成瓦斯煤塵爆炸事故，引起巷道的破壞，人員傷亡。針對(duì)粉塵危害的問(wèn)題，目前的防塵方法主要有煤層注水，噴霧降塵和隔離粉塵源等。但隨著對(duì)礦井開(kāi)采需求增加，粉塵治理難度越來(lái)越大，對(duì)降塵效率的要求越來(lái)越高。近來(lái)許多學(xué)者針對(duì)粉塵防治情況進(jìn)行了相應(yīng)的研究，宮麗虹等人基于纖維柵之間的水膜形成與破碎理論[2]對(duì)影響濕式振動(dòng)纖維柵降塵性能的因素進(jìn)行了分析[3]，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了噴水量、纖維柵結(jié)構(gòu)對(duì)除塵效率的影響[4]。葛世友等人設(shè)計(jì)出濕式纖維柵高壓噴霧除塵系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)除塵效率與纖維柵層數(shù)成正相關(guān)，但長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)導(dǎo)致纖維柵孔隙堵塞，使除塵效率下降[5]。李迎超等人設(shè)計(jì)出一種除塵系統(tǒng)，以?xún)艋枇统龎m效率為參照因素，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)分別對(duì)噴嘴角度、纖維絲直徑、纖維絲間距、纖維柵層數(shù)、纖維柵間距等多種因素進(jìn)行研究，確定了除塵系統(tǒng)的最佳運(yùn)行參數(shù)[6]。田迎春等人基于PLC設(shè)計(jì)出礦山溜井自動(dòng)除塵控制系統(tǒng)，對(duì)無(wú)線控制系統(tǒng)的的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)均進(jìn)行了全面的論述[7]。

為進(jìn)一步提高降塵效率和除塵自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)智能、環(huán)保、高效、安全除塵的目的，本文提出了激振器纖維柵振動(dòng)及噴霧除塵自動(dòng)控制系統(tǒng)。通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分析了回風(fēng)巷工作面激振器振動(dòng)纖維柵捕塵攔截、高壓云霧沉降粉塵的作用機(jī)理，對(duì)影響激振器纖維柵及噴霧自動(dòng)控制系統(tǒng)除塵效率的各因素進(jìn)行了試驗(yàn)研究，旨在獲得適宜的激振器纖維柵結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)。

1 除塵機(jī)理

1.1 激振器纖維柵除塵機(jī)理

激振器是一種電—?jiǎng)幼儞Q器，附加在某些機(jī)械設(shè)備上用以產(chǎn)生激勵(lì)力的裝置。能使被激物件獲得一定形式和大小的振動(dòng)量[8]。激振過(guò)程中粒子在聲波影響下產(chǎn)生聲凝聚效應(yīng)的聲振動(dòng)頻率為：

(1)

式中，F(xiàn)m為粒子間的振動(dòng)頻率，Hz；μ為流體動(dòng)力粘滯系數(shù)，Pa·s；ρD為大粒子的密度，kg/m3；ρd為小粒子密度，kg/m3；D為大粒子直徑，m；d為小粒子直徑，m。

當(dāng)含塵氣流通過(guò)纖維柵時(shí)，通過(guò)的風(fēng)流會(huì)引起纖維柵振動(dòng)，但這種振動(dòng)無(wú)法調(diào)節(jié)。將激振器與纖維柵結(jié)合，利用激振器可以改變纖維柵的振動(dòng)頻率和幅度。當(dāng)含塵氣流通過(guò)纖維柵時(shí)，其中的一部分粉塵與水粒子接觸而被捕集；另一部分是被纖維絲振動(dòng)攔截。纖維的共振響應(yīng)與纖維絲本身的長(zhǎng)度、固有頻率[9]、阻尼比、旋渦脫落頻率(Sr數(shù))及流體的作用力有關(guān)。根據(jù)振動(dòng)方程[10]，纖維絲產(chǎn)生的阻力為：

(2)

式中，utt為弦柵橫向加速度，m/s2；uxx為弦柵縱向加速度，m/s2；F為弦柵所受的張力，N；ρ為弦柵的質(zhì)量密度，kg/m3；CD為弦柵擾流阻力系數(shù)；ρ1為氣流密度，kg/L；v為箱體風(fēng)速，m/s；A為弦柵在迎風(fēng)面方向的投影面積，m2；L為纖維絲長(zhǎng)度，m。

當(dāng)粉塵濃度較高但風(fēng)速較低時(shí)，僅僅依靠風(fēng)流旋渦引起的不可控纖維絲共振無(wú)法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單高效除塵。利用激振器產(chǎn)生可調(diào)節(jié)的周期變化的激振力帶動(dòng)纖維柵上的每根纖維絲振動(dòng)，并結(jié)合粉塵傳感器進(jìn)行反饋?lái)憫?yīng)，便可根據(jù)不同粉塵濃度來(lái)調(diào)節(jié)激振器振動(dòng)頻率，當(dāng)粉塵濃度較大時(shí)，振動(dòng)頻率升高，增強(qiáng)振動(dòng)纖維柵對(duì)含塵氣流中粉塵的攔截效率。當(dāng)振動(dòng)纖維柵中的纖維絲捕獲粉塵或含塵水滴時(shí)，在高壓噴霧的水霧凝聚成水滴時(shí)，激振器的振動(dòng)可使含塵水滴在纖維絲上形成下降水流，從而捕獲沉降粉塵并清洗纖維柵，保持纖維柵高效除塵。

1.2 高壓噴霧除塵機(jī)理

噴霧降塵技術(shù)是重力沉降、慣性碰撞、截留效應(yīng)、擴(kuò)散效應(yīng)等共同作用的除塵方法[11]；在氣流是穩(wěn)定層流的情況下，重力沉降[12]現(xiàn)象降塵效率的計(jì)算公式如下：

(3)

(4)

式中，ηG為重力沉降降塵效率，%；G為粒子重力，N；ρw為霧滴密度，kg/m3；g為重力加速度，g=9.8m/s2；v為箱體風(fēng)速，m/s；μ為流體動(dòng)力粘滯系數(shù)，Pa·s；dw為霧滴當(dāng)量直徑，m。

基于射流破碎理論、液膜破碎霧化理論[13]，高壓噴霧噴出的射流速度高、動(dòng)能大，因此水流在離開(kāi)噴口后便會(huì)很快霧化，在壓力和氣流共同作用下，霧化顆粒持續(xù)向前運(yùn)動(dòng)[14]。

(5)

式中，M為水膜的質(zhì)量，kg；vc為風(fēng)流沿垂直于纖維絲的水平速度，m/s；Δt2為水膜破碎時(shí)間，s；Δp為水膜形成時(shí)所受的壓力，N；Fb為纖維絲與水膜之間的摩擦力，N。

高壓還能使水霧帶有較高的正負(fù)電電荷，顯著提高了單個(gè)水霧顆粒對(duì)微細(xì)粉塵的捕集效率。

2 除塵系統(tǒng)效果實(shí)驗(yàn)研究

2.1 激振器纖維柵研制

選用1m×1m不銹鋼邊框，纖維絲材質(zhì)為自潤(rùn)性較好的聚乙烯纖維，豎直平行排列，并均勻纏繞在不銹鋼邊框上[15]。激振器纖維柵設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 激振器纖維柵設(shè)計(jì)

2.2 無(wú)線紅外自動(dòng)控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)包括2個(gè)紅外熱釋傳感器，1臺(tái)ZPW3.7-Z型自動(dòng)控制裝置主機(jī)，2個(gè)XHL-FS-DN15-DC12V-X3A電動(dòng)球閥。球閥主要技術(shù)參數(shù)為：環(huán)境溫度為-20～+60℃；動(dòng)作時(shí)間為7～10s；電源電壓為DC 24V；工作電流為50～180mA。

無(wú)線紅外自動(dòng)球控制系統(tǒng)的總體電路設(shè)計(jì)如圖2所示。該系統(tǒng)主要由單片機(jī)、電機(jī)控制電路、紅外檢測(cè)電路等部分組成[16]。

圖2 總體電路設(shè)計(jì)

通過(guò)單片機(jī)循環(huán)檢測(cè)紅外信號(hào)，當(dāng)人經(jīng)過(guò)紅外熱釋傳感器時(shí)，檢測(cè)到紅外信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)進(jìn)行算法運(yùn)算，輸出控制信號(hào)，電力電子開(kāi)關(guān)開(kāi)啟大扭力電機(jī)，電動(dòng)球閥關(guān)閉，噴霧停止；當(dāng)人離開(kāi)第二個(gè)熱釋傳感器時(shí)，監(jiān)測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)過(guò)濾放大后傳輸?shù)綀?zhí)行單元，電動(dòng)球閥開(kāi)啟?？刂葡到y(tǒng)如圖3所示。該控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)延時(shí)控制(0～2min)，定時(shí)控制噴頭工作時(shí)間(0～60min)，運(yùn)行狀態(tài)下為常開(kāi)。

圖3 控制系統(tǒng)組成

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由管道系統(tǒng)、噴霧裝置、風(fēng)水聯(lián)動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)、激振器纖維柵裝置，粉塵發(fā)生裝置，粉塵采樣裝置和自動(dòng)控制系統(tǒng)組成。

實(shí)驗(yàn)裝置主體由1m×1m×3.6m的亞克力板和1m×1m×0.4m的除塵復(fù)合設(shè)備組成。除塵復(fù)合設(shè)備內(nèi)有高壓噴霧系統(tǒng)，纖維柵插板和激振器裝置。選用實(shí)心圓錐體噴嘴，孔徑為1.6mm，額定流量2.6L/min，額定壓力3MPa。選用目數(shù)為200目、密度716g/cm3、水分0.5m3/%的煤粉進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。加壓裝置采用2JET-35G型增壓水泵，公稱(chēng)壓力為3MPa。采用CCZ-20A型礦用粉塵采樣器，采樣時(shí)間統(tǒng)一為2min，流量為20L/min，粉塵濃度測(cè)定位置一般為纖維柵上風(fēng)側(cè)2m和下風(fēng)側(cè)1m處，并忽略這一距離內(nèi)的自由沉降。粉塵的采樣由除塵復(fù)合設(shè)備主體兩側(cè)孔內(nèi)粉塵采樣儀內(nèi)部采樣濾膜和抽氣機(jī)來(lái)完成。采用濾膜取樣稱(chēng)重法測(cè)定除塵器效率，萬(wàn)分之一電子天平進(jìn)行稱(chēng)重。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1—粉塵發(fā)射器；2—發(fā)射器支架；3—粉塵擴(kuò)散器；4—進(jìn)氣管道；5—畢托管；6—U型水柱計(jì)；7—粉塵采樣管；8—粉塵采樣頭；9—粉塵采樣器；10—空氣壓縮機(jī)；11—儲(chǔ)氣罐；12—風(fēng)機(jī)；13—高壓水泵；14—降塵器支架；15—管道支撐架；16—蓄水池；17—高壓噴頭；18—激振器纖維柵；19—可視窗口圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.4 實(shí)驗(yàn)方案

經(jīng)過(guò)理論分析，影響除塵效率的主要因素為風(fēng)速、噴霧量、纖維填充率以及激振器振動(dòng)頻率 4個(gè)主要因素。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料的研究，對(duì)于影響因素的選取值見(jiàn)表1，利用SPSS軟件設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)見(jiàn)表2，選用4因素3水平的L9(34)正交實(shí)驗(yàn)方案[17]。

表1 各因素不同水平值

表2 正交實(shí)驗(yàn)

3 除塵效率影響因素

3.1 過(guò)濾風(fēng)速

過(guò)濾風(fēng)速與除塵效率的關(guān)系如圖5所示，在3～4m/s的范圍內(nèi)，除塵效率隨過(guò)濾風(fēng)速的升高而增加，這是由于在一定范圍內(nèi)，風(fēng)速的升高增強(qiáng)了振動(dòng)纖維柵對(duì)粉塵的慣性碰撞和捕集，從而提高了粉塵的凈化效率。當(dāng)風(fēng)速增加到某一值時(shí)，除塵效率最大，在本實(shí)驗(yàn)中該值趨近4m/s。當(dāng)風(fēng)速?gòu)?m/s繼續(xù)增大時(shí)，除塵效率反而變小，這是因?yàn)橐驊T性作用而被捕集的粒子被完全捕獲，過(guò)濾風(fēng)速的增大不會(huì)再增加慣性捕集的粒子數(shù)，甚至?xí)ё咭驯徊都牧Ｗ?。?dāng)風(fēng)速提高而振動(dòng)頻率變化較小時(shí)，纖維柵對(duì)粉塵的接觸并捕獲時(shí)間變短，而且對(duì)擴(kuò)散作用而言，風(fēng)速越大捕集效率越低，因此綜合捕集效率降低。

圖5 風(fēng)速對(duì)除塵效率的影響

3.2 噴霧量

噴霧量與除塵效率的關(guān)系曲線如圖6所示。鑒于噴霧量對(duì)粉塵捕獲沉降的影響，選取300L/(h·m2)，450L/(h·m2)和600L/(h·m2)的噴霧量分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，風(fēng)速為4m/s，纖維填充率為70%的平均凈化風(fēng)阻最小，故選取該參數(shù)進(jìn)行了降塵效果的測(cè)定。由圖6可以看出，當(dāng)噴霧量600L/(h·m2)時(shí)除塵效率較高。那是因?yàn)閲婌F量越大，單位時(shí)間內(nèi)噴射的水霧粒子越多，噴霧粒子越容易捕獲粉塵，增大了粉塵被捕集的概率；更大的噴霧量也能使更多的噴霧粒子在振動(dòng)纖維柵網(wǎng)上停留，有利于形成水膜；大的水霧量能更高效地在纖維絲上形成液滴水流，噴霧量過(guò)小在振動(dòng)纖維柵形成的水流低，從而影響纖維柵的除塵效率。

圖6 噴霧量對(duì)除塵效率的影響

當(dāng)噴霧量為700L/(h·m2)，纖維填充率60%，風(fēng)速4m/s時(shí)，振動(dòng)纖維柵凈化阻力高達(dá)98.16Pa，除塵率為94.21%。該組合不僅凈化阻力較大，除塵率也有下降趨勢(shì)。

3.3 纖維填充率

充填率對(duì)除塵效率的影響如圖7所示。實(shí)驗(yàn)選擇纖維直徑為0.8mm、橫向間距為1.5倍直徑的纖維柵網(wǎng)。在風(fēng)壓為3MPa、垂直風(fēng)速4m/s的條件下，分別測(cè)量了60%，70%和80%三種纖維柵充填率的降塵效率。由圖7可知，隨著纖維柵充填率增加，纖維柵除塵效率隨著激振器振動(dòng)頻率的增加而增加。這是因?yàn)槔w維柵的充填率增加，提高纖維絲與粉塵的接觸概率，更密集的纖維絲形成水膜的效果更好，纖維絲振動(dòng)時(shí)在平面內(nèi)產(chǎn)生更大的接觸面積和更廣的造膜范圍，對(duì)粉塵的捕獲效果大大提升。當(dāng)纖維填充率增加至90%、激振器振動(dòng)頻率為600Hz、風(fēng)速4m/s時(shí)，纖維柵凈化阻力高達(dá)124.32Pa，除塵率為95.02%，該組合凈化阻力較大，且該組合的除塵率與A2B3C3D3的除塵率相比并無(wú)上升趨勢(shì)。

圖7 充填率對(duì)除塵效率的影響

3.4 激振器振動(dòng)頻率

在充填率為70%，Q=300L/(h·m2)，v=4m/s的實(shí)驗(yàn)條件下，激振器的振動(dòng)頻率與凈化效率關(guān)系圖8所示。在100～1000Hz的振動(dòng)頻率范圍內(nèi)，振動(dòng)頻率為600～700Hz時(shí)，單層振動(dòng)纖維柵的除塵效率最高，可達(dá)94.9%。振動(dòng)頻率為800～1000Hz時(shí)，纖維絲振動(dòng)幅度明顯變小，且出現(xiàn)纖維絲分布不均現(xiàn)象，影響纖維造膜，導(dǎo)致過(guò)濾效率下降。

圖8 激振器振動(dòng)頻率對(duì)除塵效率的影響

將不同激振器振動(dòng)頻率下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式(6)，并對(duì)其進(jìn)行曲線擬合(圖8)，擬合曲線數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

y=A+Bx+Cx2

(6)

表3 擬合曲線數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

1)激振器纖維柵振動(dòng)及噴霧除塵自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)合了激振器纖維柵除塵機(jī)理和高壓噴霧除塵機(jī)理；利用高壓噴霧的產(chǎn)生的細(xì)小液滴對(duì)粉塵進(jìn)行大范圍的預(yù)捕集，在通過(guò)纖維柵過(guò)濾體時(shí)，在激振器振動(dòng)和纖維柵各層水膜和層間水膜的影響下，快速?zèng)_刷粘附在纖維柵上的粉塵。利用紅外線自動(dòng)控制系統(tǒng)，提高除塵自動(dòng)化水平，達(dá)到了智能、高效除塵的目的。

2)通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了噴霧量、激振器振動(dòng)頻率和纖維絲填充率對(duì)纖維柵降塵率的影響規(guī)律；結(jié)合高壓細(xì)水霧對(duì)煤塵捕獲情況的微觀特征，確定激振器頻率、纖維絲填充率、噴霧量等影響因素對(duì)除塵率的最優(yōu)組合：過(guò)濾風(fēng)速4m/s，噴霧壓力3MPa，噴嘴個(gè)數(shù)4個(gè)，噴霧量450L/(h·m2)，激振器振動(dòng)頻率600Hz；噴霧位置為纖維柵上風(fēng)側(cè)上方；纖維柵體參數(shù)為：纖維直徑0.8mm，間距1.5倍直徑，該實(shí)驗(yàn)除塵控制系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行的除塵效率在93%以上。