熊光婷，葛少成，孫麗英，龐星宇，劉 碩，陳 曦，年 軍

(太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院,山西 太原 030024)

煤炭作為我國(guó)基礎(chǔ)性能源，占能源消費(fèi)總量的56%，國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，2020 年、2021 年全國(guó)原煤產(chǎn)量分別達(dá)到39 億t、40.7 億t[1-2]。隨著煤礦開(kāi)采機(jī)械化程度的提高，煤礦井下粉塵產(chǎn)量增大，由煤礦粉塵所引發(fā)的塵肺病及爆炸事故死亡人數(shù)已遠(yuǎn)高于同期煤礦其他生產(chǎn)事故死亡人數(shù)總和[3]。因此高效防治煤礦粉塵迫在眉睫。

目前廣泛采用的控除塵技術(shù)主要有噴霧降塵、煤層注水、泡沫除塵等[4]。雖已有成效，但由于煤塵具有強(qiáng)疏水性，普通噴霧難以快速凝并對(duì)人體危害最大的呼吸性粉塵[4-5]。梁旺亮等[6]通過(guò)試驗(yàn)和工程應(yīng)用證明局部封閉性狀態(tài)的活性磁化水降塵措施，為粉塵治理提供了一種新型控除塵技術(shù)。王林等[7]通過(guò)數(shù)值模擬的方法，研究了影響荷電液滴群捕塵效率的因素，發(fā)現(xiàn)靜電沉積占主導(dǎo)地位時(shí)，噴霧密度對(duì)捕集效率影響不大，液滴荷電量越大，微細(xì)粉塵顆粒捕集效率越高。SANDIP K Pawar 等[8-9]從微觀角度研究液滴對(duì)粉塵的潤(rùn)濕性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究液滴與玻璃顆粒的碰撞，以改變碰撞參數(shù)和韋伯?dāng)?shù)來(lái)觀察碰撞的狀態(tài)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果用于粒子-液滴碰撞的未來(lái)理論和模擬研究。宋亮等[10-11]通過(guò)建立液滴與顆粒碰撞的物理模型，研究了粒徑比、潤(rùn)濕角、碰撞速度對(duì)碰撞結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)提高液滴碰撞速度一定程度上可以提高液滴潤(rùn)性，潤(rùn)濕角小于90°時(shí)，粒徑比越大，液滴在顆粒表面的展鋪范圍越大。近年來(lái)有學(xué)者提出將磁化水霧與荷電水霧協(xié)同應(yīng)用到噴霧降塵中，賈蕎溪等[12]采用交叉實(shí)驗(yàn)法，測(cè)量不同磁場(chǎng)強(qiáng)度、荷電電壓下的液滴表面張力，研究發(fā)現(xiàn)磁電耦合作用對(duì)液滴表面張力的改善效果最明顯。荊德吉等[13]基于K-H 液滴破碎模型及湍流k-ε的霧滴粒子場(chǎng)模型，研究4 種工況下霧滴粒子的速度分布與粒徑分布，發(fā)現(xiàn)磁電耦合作用下具有最佳霧滴粒子場(chǎng)。上述研究均是從宏觀或微觀的單一角度來(lái)研究液滴捕塵特性，并不能全面揭示液滴-煤塵顆粒的碰撞浸潤(rùn)機(jī)理。

在前人的研究基礎(chǔ)上，筆者將液滴碰撞球形顆粒的動(dòng)力學(xué)特征應(yīng)用到噴霧降塵中，從宏觀和微觀雙重角度來(lái)探究磁化荷電液滴碰撞浸潤(rùn)煤塵顆粒特性。宏觀上采用磁電耦合交叉實(shí)驗(yàn)的方法，探究磁化強(qiáng)度、荷電電壓對(duì)液滴表面張力的影響，并確定磁電耦合最佳參數(shù)；微觀上運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，通過(guò)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)液滴最大鋪展半徑系數(shù)、液膜中心高度系數(shù)以及液滴撞擊球形煤塵顆粒的形態(tài)變化，來(lái)分析磁化荷電液滴的霧化潤(rùn)濕性能。其研究成果對(duì)進(jìn)一步提高粉塵防治效率、改善液滴霧化潤(rùn)濕性具有重要的指導(dǎo)意義。

1 磁化荷電液滴除塵機(jī)理

水是抗磁性極性分子，在磁化器內(nèi)水流切割磁力線促使水分子電離，所產(chǎn)生的正負(fù)電荷產(chǎn)生相反的回旋運(yùn)動(dòng)，水分子極性增強(qiáng)，在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)作用下，原來(lái)締合鏈狀的水分子氫鍵畸變、斷裂，使液體之間平衡距離變大，引力變小，表面張力降低，從而水對(duì)煤塵潤(rùn)濕性提高[14]。對(duì)于完全不能潤(rùn)濕的煤塵顆粒，當(dāng)液滴在粉塵顆粒表面鋪展到如圖1 所示位置，便認(rèn)為可被捕捉[15]。

圖1 液滴捕捉疏水性煤塵顆粒形態(tài)Fig.1 Droplet capture of non-wetting coal dust particle states

在液滴與煤塵顆粒碰撞黏附過(guò)程中，由于液滴半徑遠(yuǎn)小于毛細(xì)作用長(zhǎng)度，此時(shí)表面張力占主導(dǎo)作用，重力影響可忽略不計(jì)。疏水性煤塵顆?？朔旱伪砻鎻埩λ龉16]為

式中，Wr為塵?？朔旱伪砻鎻埩λ龅墓?，J；σ為液滴的表面張力，mN/m。

煤塵顆粒即將接觸液滴時(shí)，必須具有的最小相對(duì)速度[16]為

式中，vr為液滴碰撞煤塵顆粒所具有的最小速度，m/s；ρr為粉塵顆粒密度，kg/m3。

可知vr正比于σ1/2，在磁場(chǎng)作用下，水的表面張力減小，從而引起vr、Wr減小，即磁化作用降低了液滴捕塵所需的功，減小了液滴包覆塵粒所需的最小速度。

液滴在空氣的霧化作用下通過(guò)噴嘴噴射出來(lái)后，其體積平均直徑[16]為

式中，B1為噴嘴常數(shù)；K1為常數(shù)，約1.78；ΔPN為噴嘴出口壓差，MPa；C0為流量系數(shù)，取0.80～0.95；ρ0為液滴密度，kg/m3。

上述公式說(shuō)明磁化作用下，水黏聚力下降，表面張力減小，此時(shí)液滴尺寸減小，從而提高了液滴的霧化性能[17-18]。

磁化液滴感應(yīng)荷電裝置如圖2(a)所示。電極環(huán)與噴嘴之間形成非勻強(qiáng)電場(chǎng)，磁化水通過(guò)噴嘴進(jìn)入非勻強(qiáng)電場(chǎng)，負(fù)電載流子被金屬噴嘴電極吸引至接地端，正電載流子經(jīng)噴嘴霧化后形成帶正電的荷電霧滴[19]。

圖2 磁化荷電液滴降塵原理Fig.2 Principle of magnetoelectric droplet dust removal

磁化液滴荷電+q，煤塵在高壓電場(chǎng)中與液滴發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在靜電感應(yīng)作用下，煤塵顆粒發(fā)生電子漂移運(yùn)動(dòng)，靠近液滴端的表面帶上同等荷電量-q，2 者間產(chǎn)生靜電吸引力[20]，如圖2(b)所示。

磁化荷電液滴與煤塵顆粒之間的吸引力Fi表示為

式中，εp為空氣中顆粒物介電常數(shù)，F(xiàn)/m；ε0為真空介電常數(shù)，F(xiàn)/m；εw為霧滴介電常數(shù)，F(xiàn)/m；dp為霧滴粒徑，mm；q為霧滴飽和荷電量，C；s為液滴與顆粒物的中心距離，m。

綜上，液滴在磁化作用下提高了潤(rùn)濕性能和霧化性能，再通過(guò)靜電感應(yīng)的方式進(jìn)行荷電，帶電液滴與煤塵顆粒之間產(chǎn)生靜電吸引力，磁化荷電液滴表面張力顯著下降，煤塵更易被黏附捕捉。

2 磁電耦合液滴表面張力交叉實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

2.1.1磁化荷電液滴表面張力測(cè)試系統(tǒng)

表面張力測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖3(a)所示。由TD2202型負(fù)電靜電駐極電壓、SDC-350 型表面張力測(cè)量?jī)x、控制分析系統(tǒng)3 部分構(gòu)成。采用接觸荷電的方式，負(fù)電靜電駐極電壓通過(guò)絕緣線路連接到接觸角測(cè)量針管上，自吸式注液管數(shù)字化控制注射進(jìn)程，從而使注液管內(nèi)的實(shí)驗(yàn)溶液荷電，最終通過(guò)Contact angle V3/V5全自動(dòng)三相分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和擬合。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 Experimental devices

2.1.2磁化荷電水霧降塵系統(tǒng)

課題組自主搭建的磁化荷電水霧降塵系統(tǒng)如圖3(c)所示。該系統(tǒng)由5 部分組成，其中噴霧子系統(tǒng)由跨音速氣動(dòng)噴嘴、空壓機(jī)、磁化水制備裝置及靜電感應(yīng)荷電裝置構(gòu)成。磁化水制備裝置包括臥式離心泵、智能電磁流量計(jì)、FSCN-DN25 磁化水裝置和儲(chǔ)水箱，通過(guò)改變磁化強(qiáng)度及磁化時(shí)間等參數(shù)制備磁化水，如圖3(b)所示。靜電感應(yīng)裝置包括高壓靜電直流發(fā)生器和電極環(huán)。發(fā)塵系統(tǒng)由HRH-DAG768 型粉塵氣溶膠發(fā)生器，2-2200 型無(wú)油空氣壓縮機(jī)2 部分組成，通過(guò)改變氣流量控制發(fā)塵質(zhì)量濃度。風(fēng)機(jī)系統(tǒng)由HTFC 靜音風(fēng)機(jī)和變頻箱組成，通風(fēng)機(jī)在變頻箱的控制下調(diào)節(jié)風(fēng)速。模擬巷道系統(tǒng)由透明亞克力板箱體拼接而成，內(nèi)部放有除霧器，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)與模擬巷道系統(tǒng)之間連接擴(kuò)散風(fēng)筒，進(jìn)行抽出式通風(fēng)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為測(cè)量誤差＜10%的CCHZ-1000 全自動(dòng)粉塵測(cè)定儀。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用多級(jí)循環(huán)磁化水實(shí)驗(yàn)裝置制備磁化水，選取疏水性晉城無(wú)煙煤為試驗(yàn)煤樣，利用表面張力測(cè)量?jī)x測(cè)定液滴在磁化、荷電、磁化荷電3 種工況下的表面張力。本實(shí)驗(yàn)磁強(qiáng)參數(shù)選取150、200、240、300、350、400、450、500 MT，荷電電壓參數(shù)選取1、2、3、4、5、6、7、8 kV。將2 組變量進(jìn)行交叉實(shí)驗(yàn)，每組測(cè)量3 次，取均值作為結(jié)果。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

磁化液滴表面張力變化如圖4(a)所示。可見(jiàn)液滴表面張力與磁化強(qiáng)度并非呈線性負(fù)相關(guān)，在磁強(qiáng)為150～350 MT 時(shí)，磁強(qiáng)越大，液滴表面張力越小，350 MT時(shí)表面張力達(dá)到最小值；在350～400 MT 時(shí)，表面張力增大；400 MT 后，液滴表面張力基本不變。

圖4 磁化、荷電、磁化荷電作用液滴表面張力變化規(guī)律Fig.4 Surface tension of droplets of Magnetization,Charge and Magnetoelectric changes regularity

荷電液滴表面張力變化如圖4(b)所示。表面張力隨荷電電壓的增大而減小，5 kV 后液滴表面張力急劇下降，電極環(huán)和噴嘴電極之間非均勻電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)增大，霧滴荷電效果增強(qiáng)。但當(dāng)荷電電壓增長(zhǎng)至8 kV 以上時(shí)，由于電極環(huán)表面粗糙且存在細(xì)微金屬顆粒，導(dǎo)致該處電荷密度增大，場(chǎng)強(qiáng)突變，周?chē)諝獗粨舸霈F(xiàn)電暈放電現(xiàn)象并產(chǎn)生大量負(fù)離子，與感應(yīng)荷電產(chǎn)生的帶正電的液滴相抵消，荷質(zhì)比明顯減小，感應(yīng)荷電效果減弱[21]。因此筆者不考慮8 kV 以上的情況。

磁化荷電液滴表面張力變化如圖4(c)所示。荷電電壓＞2 kV 時(shí)，液滴達(dá)到最小表面張力后，繼續(xù)增大磁強(qiáng)，表面張力大小基本不變。隨荷電電壓增大，液滴表面張力達(dá)到最小值所需的磁化強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。荷電電壓為5～6 kV 時(shí)，液滴表面張力在350 MT 達(dá)到最小值，當(dāng)荷電電壓＞7 kV 時(shí)，液滴表面張力急劇下降，并在300 MT 達(dá)到最小值。

依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到了3 種作用條件下液滴的最小表面張力，見(jiàn)表1。

表1 磁化、荷電、磁化荷電作用下液滴表面張力最小值Table 1 Minimum values of surface tension of liquid droplets under magnetisation,charge and magnetoelectric

相較于普通液滴，磁化作用、荷電作用、磁電耦合作用后液滴表面張力最小值分別降低了18.2%、78.1%、87.4%，可見(jiàn)磁化、荷電、磁電耦合作用對(duì)液滴浸潤(rùn)性改善能力大小關(guān)系為磁電耦合作用＞荷電作用＞磁化作用，并得到最佳耦合參數(shù)：在磁化強(qiáng)度300 MT，荷電電壓8 kV 時(shí)，液滴表面張力達(dá)到最小值9.20 mN/m。

3 磁化荷電液滴-球形煤塵顆粒碰撞數(shù)值模擬

3.1 幾何模型

筆者采用Comsol 兩相流模型，研究包含相初始化的瞬態(tài)。液滴碰撞球形煤塵顆粒模型如圖5(a)所示，液滴與球形煤塵顆粒正心碰撞，計(jì)算域Lx×Ly=180 μm×180 μm；液滴直徑和煤塵顆粒的直徑分別為d0和dr，dr=25 μm,d0分別設(shè)置為20.0 μm 和13.5 μm，液-塵粒徑比DTP=d0/dr，空氣標(biāo)記為紅色，液滴標(biāo)記為藍(lán)色，煤塵顆粒標(biāo)記為灰色，置于液滴正下方60 μm處，液滴被賦予相對(duì)碰撞速度v0，液滴為微流體，可忽略重力影響，邊界ABCD為開(kāi)放邊界。

圖5 幾何模型Fig.5 Geometric models

如圖5(b)定義液滴在顆粒表面的潤(rùn)濕弧長(zhǎng)為d，液膜最高點(diǎn)到煤塵顆粒表面最短距離為h。通過(guò)液滴碰撞煤塵顆粒的形態(tài)變化、最大鋪展半徑系數(shù)D*及液膜中心高度系數(shù)H*等參數(shù)，作為衡量液滴潤(rùn)濕霧化潤(rùn)濕性能的指標(biāo)。

無(wú)量綱參數(shù)D*和H*分別表示為

3.2 數(shù)值模型

Comsol 多物理場(chǎng)是一個(gè)交互式環(huán)境，使用有限元法求解方程，采用各種數(shù)值求解器進(jìn)行有限元分析和誤差控制。本模擬采用層流兩相流接口，研究包含相初始化的瞬態(tài)，跟蹤2 種不混流體之間的界面。求解方程為動(dòng)量守恒的納維-斯托克斯方程和質(zhì)量守恒的連續(xù)性方程。

本模擬中設(shè)定普通水滴黏度為1 mPa·s；普通水滴在煤塵(疏水性晉城無(wú)煙煤)顆粒表面接觸角為95°；普通水滴表面張力為72.83 mN/m；磁化荷電水滴黏度為0.81 mPa·s；磁化荷電水滴在煤塵顆粒表面接觸角為70°；磁化荷電水滴表面張力為9.20 mN/m；普通水滴密度為1 000 kg/m3；空氣黏度為0.018 mPa·s；空氣密度為1.225 kg/m3。在計(jì)算域內(nèi)，對(duì)于兩相流，根據(jù)質(zhì)量守恒，連續(xù)性方程為

根據(jù)動(dòng)量守恒，納維-斯托克斯方程為

其中，v為流體速度，m/s；t為時(shí)間，s；ρ為密度，kg/m3；T為溫度，K；μ為動(dòng)力黏度，Pa·s；p為壓力，Pa；Fi為黏性力，N；I為單位張量。各項(xiàng)分別對(duì)應(yīng)于慣性力(1)、壓力(2)、黏性力(3)、外力(4)。

根據(jù)霍夫曼經(jīng)驗(yàn)公式表達(dá)動(dòng)態(tài)接觸角對(duì)接觸線速度的依賴性，從而定義煤塵顆粒表面潤(rùn)濕壁性質(zhì)[22-25]：

其中，θd為動(dòng)態(tài)接觸角；θe為靜態(tài)接觸角；fh為霍夫曼經(jīng)驗(yàn)函數(shù)；Ca為毛系數(shù)。其中fh[22-25]表示為

Ca表示[22-25]為

式中，vcl為接觸線速度，m/s；μ為液滴動(dòng)力黏度，Pa·s。

3.3 結(jié)果與討論

根據(jù)磁電耦合表面張力交叉實(shí)驗(yàn)所得到的最小表面張力，在磁化荷電液滴與球形煤塵顆粒的碰撞捕捉模擬研究中，賦予液滴相對(duì)碰撞速度v0=4、8 m/s。通過(guò)查閱資料發(fā)現(xiàn)[26-27]當(dāng)液-塵粒徑比＞1 時(shí)，液滴的潤(rùn)濕性能基本不變。因此本模擬液塵比選取0.54 和0.80，用于對(duì)比普通水滴、磁化荷電液滴與煤塵顆粒碰碰撞過(guò)程中最大鋪展半徑系數(shù)(D*)、液膜中心高度系數(shù)(H*)及液滴在煤塵顆粒表面鋪展形態(tài)的變化規(guī)律。

3.3.1磁化荷電液滴D*及H*變化規(guī)律

圖6 為3 種工況下磁化荷電液滴與普通水滴D*、H*的變化規(guī)律對(duì)比。普通水滴碰撞過(guò)程會(huì)發(fā)生拉伸、分裂、聚合、回彈等現(xiàn)象，D*及H*曲線劇烈波動(dòng)。粒徑比不變時(shí)，速度越大，波動(dòng)越大；碰撞速度不變時(shí)，粒徑比越小，波動(dòng)越大。相反，磁化荷電液滴D*曲線線性增大到最大值后保持穩(wěn)定，H*曲線線性減小到最小值后保持穩(wěn)定。可見(jiàn)磁電耦合作用消除了相對(duì)碰撞速度和粒徑比變化對(duì)捕塵效果的不利影響。

圖6 3 種工況下普通水滴、磁化荷電液滴D*及H*變化規(guī)律對(duì)比Fig.6 Comparison of the variation laws of ordinary droplets,magnetoelectric droplets D* and H* under three working conditions

3.3.2磁化荷電液滴與煤塵碰撞形態(tài)變化

圖7 為3 種工況下普通水滴、磁化荷電液滴與煤塵顆粒的碰撞形態(tài)變化對(duì)比。

圖7 3 種工況下普通水滴、磁化荷電液滴與煤塵顆粒的碰撞形態(tài)變化Fig.7 Morphological changes of ordinary droplets,magnetized charged droplets under three working conditions

圖7(a)中普通水滴在疏水性煤塵顆粒上的鋪展范圍小，50.0 μs 時(shí)發(fā)生反彈，無(wú)法捕捉煤塵顆粒。而圖7(a)中磁化荷電液滴在煤塵顆粒的鋪展范圍線性增長(zhǎng)、鋪展速度加快，無(wú)反彈現(xiàn)象，在50.0 μs 時(shí)鋪展范圍達(dá)到最大，相較于普通水滴擴(kuò)大了44.98%。可見(jiàn)，磁化荷電作用下液滴表面張力減小，更易黏附在煤塵顆粒表面，潤(rùn)濕性能提高。

如圖7(b)所示，當(dāng)相對(duì)碰撞速度增大到8 m/s 時(shí)，普通水滴在煤塵顆粒表面的最大鋪展范圍基本不變，17.2 μs 時(shí)液滴分裂成3 部分，29.8 μs 時(shí)發(fā)生回彈。而在磁電耦合作用下，如圖7(b)所示，液滴在煤塵顆粒表面完全展鋪，且未發(fā)生分裂和回彈?？梢?jiàn)磁化荷電作用削弱了相對(duì)碰撞速度過(guò)大所導(dǎo)致的液滴的分裂和回彈效應(yīng)。

圖7(c)中普通水滴在17.3 μs 時(shí)液滴被拉長(zhǎng)，30.0 μs時(shí)液滴在剪切力的作用下開(kāi)始分裂，且分裂液滴體積占液滴總體積的一半，難以產(chǎn)生衛(wèi)星液滴，霧化性能差，50.0 μs 時(shí)由于慣性力大于毛細(xì)管力，分裂液滴迅速逃逸煤塵顆粒表面。而圖7(c)中磁化荷電液滴在煤塵顆粒表面的鋪展范圍顯著增大，17.3 μs 時(shí)液滴分裂呈狹長(zhǎng)狀、體積占比小，并產(chǎn)生多個(gè)衛(wèi)星液滴，霧化性能提高。這在噴霧降塵的應(yīng)用中，可以增大微細(xì)液滴濃度，液滴與煤塵顆粒碰撞的概率增大，捕塵效率提高。50.0 μs 時(shí)在毛細(xì)管力的作用下，液滴全部包覆在煤塵顆粒的表面。可見(jiàn)磁電耦合作用提高了液滴的霧化性能。

綜上所述，通過(guò)對(duì)比分析普通水滴、磁化荷電液滴與球形煤塵顆粒碰撞過(guò)程H*及D*的動(dòng)態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)磁電耦合作用消除了相對(duì)碰撞速度和粒徑比變化所導(dǎo)致的液滴反彈效應(yīng)。通過(guò)觀察液滴在球形煤塵顆粒表面的展鋪形態(tài)，發(fā)現(xiàn)磁化荷電液滴更易黏附在煤塵顆粒表面，包覆范圍擴(kuò)大了44.98%，表面張力減小，液滴潤(rùn)濕性能提高；且在磁電耦合作用下液滴更易分裂并產(chǎn)生衛(wèi)星液滴，霧化性能提高，從而使微細(xì)液滴質(zhì)量濃度增大，液滴與煤塵顆粒碰撞的概率增大，提高了捕塵效率。

3.4 模擬驗(yàn)證

模擬驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，采用團(tuán)隊(duì)自主搭建的磁化荷電水霧降塵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[28-29]，測(cè)定普通水霧、磁化水霧、荷電水霧、磁化荷電水霧4 種工況下的降塵效率。實(shí)驗(yàn)煤樣選取疏水性的晉城無(wú)煙煤，采用Malvern MS3000激光粒度儀測(cè)定粉塵粒徑分布區(qū)間為1～74 μm，其中直徑為6～30 μm 的煤塵占比達(dá)66.3%。選用項(xiàng)目組自行研發(fā)的孔徑為1 mm 的跨音速氣動(dòng)霧化噴嘴，供氣壓力為0.5 MPa，將無(wú)煙煤粉罐裝至粉塵發(fā)生器中，開(kāi)啟風(fēng)機(jī)使用變頻器調(diào)整巷道內(nèi)風(fēng)速達(dá)4 m/s，設(shè)置質(zhì)量流量為10 kg/min，進(jìn)給粉塵時(shí)間為1 min，為去除水霧影響在粉塵測(cè)定儀前后加上除霧器。在模擬巷道內(nèi)設(shè)置3 個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)定儀1 和2 進(jìn)行對(duì)照，測(cè)定儀3 確保粉塵完全沉降，保證實(shí)驗(yàn)安全。粉塵測(cè)定儀測(cè)定時(shí)間均為進(jìn)給結(jié)束后靜置3 min,每種工況重復(fù)3 組試驗(yàn)，取均值作為最終結(jié)果。

為便于分析普通水霧、磁化水霧、荷電水霧、磁化荷電水霧的降塵效果，驗(yàn)證磁化荷電水霧降塵所具備的優(yōu)越性，通過(guò)式(12)計(jì)算測(cè)點(diǎn)的的降塵效率，并取其平均值得到各噴霧降塵在整個(gè)模擬巷道上的降塵效率。

式中，C1為初始粉塵質(zhì)量濃度，mg/m3；C2為降塵后的粉塵質(zhì)量濃度，mg/m3；η為降塵效率，%。

圖8 為普通水霧、磁化水霧、荷電水霧、磁化荷電水霧降塵效率的對(duì)比關(guān)系。實(shí)驗(yàn)前全塵質(zhì)量濃度為437.68 mg/m3，呼吸性粉塵質(zhì)量濃度為264.73 mg/m3。應(yīng)用磁化荷電水霧降塵后粉塵質(zhì)量濃度大幅降低，呼吸性粉塵質(zhì)量濃度降幅顯著，模擬巷道內(nèi)全塵平均降塵效率達(dá)94.07%、呼吸性粉塵降塵效率達(dá)82.69%。相較于普通水霧降塵，全塵降塵效率提高39.16%，呼吸性粉塵降塵效率提高42.29%；與磁化水霧降塵相比其效率分別提高24.71%、26.34%；與荷電水霧降塵相比其效率分別提高20.89%、21.21%。可見(jiàn)磁化荷電水霧降塵具有顯著的優(yōu)越性。

圖8 4 種工況下降塵效率對(duì)比Fig.8 Comparison of dust reduction efficiency under four working conditions

圖9 為普通水霧和磁化荷電水霧的降塵效果對(duì)比，可知磁電耦合并非簡(jiǎn)單的疊加作用，而是在磁化作用降低水霧表面張力、黏度等參數(shù)的同時(shí)，荷電作用使水霧與煤塵顆粒之間產(chǎn)生相互吸引力，在磁和電的協(xié)同作用下，提高了水霧的霧化和潤(rùn)濕性能，從而提高降塵效率。

圖9 不同降塵技術(shù)后巷道環(huán)境Fig.9 Working environment after applying various dust control technology

4 結(jié)論

(1)磁化荷電液滴在磁化作用下水分子黏聚力下降，表面張力減??；同時(shí)在荷電的作用下液滴與煤塵顆粒之間產(chǎn)生靜電吸引力。2 者協(xié)同改善了液滴的霧化和潤(rùn)濕性能。

(2)磁化強(qiáng)度、荷電電壓與液滴表面張力之間并非呈線性負(fù)相關(guān)。磁化、荷電、磁電耦合作用對(duì)液滴浸潤(rùn)性改善能力大小關(guān)系為：磁電耦合作用＞荷電作用＞磁化作用，且磁電耦合作用存在最佳參數(shù)。以疏水性晉城無(wú)煙煤煤塵為例，在磁化強(qiáng)度300 MT，荷電電壓8 kV 時(shí)，液滴表面張力達(dá)到最小值9.20 mN/m。

(3)液滴與球形煤塵顆粒碰撞過(guò)程中，磁電耦合作用消除了相對(duì)碰撞速度和粒徑比變化所導(dǎo)致的液滴反彈效應(yīng)。相較于普通水滴，荷電磁化液滴更易分裂并產(chǎn)生衛(wèi)星液滴，即霧化性能提高，微細(xì)液滴濃度增大，液滴與煤塵顆粒碰撞概率增大；荷電磁化液滴最大鋪展范圍擴(kuò)大了44.98%，液滴潤(rùn)濕性能顯著提高。

(4)以疏水性-晉城無(wú)煙煤為例，磁化荷電水霧全塵、呼吸性粉塵平均降塵效率分別達(dá)到94.07%、82.69%，呼吸性粉塵質(zhì)量濃度明顯降低，相較于普通水霧降塵，其效率分別提高了39.16%、42.29%。