磁化荷電水霧最佳降塵參數確定實驗研究*

李 哲，葛少成，孫麗英，陳 曦，陳景序，張小偉

(1.太原理工大學 安全與應急管理工程學院，山西 太原 030024；2.內蒙古科技大學 礦業(yè)與煤炭學院，內蒙古 包頭 014010)

0 引言

煤炭作為我國主要能源之一，其產量由2015—2022年呈連續(xù)增長趨勢，且我國采煤方式以綜采為主[1]，不可避免的造成粉塵擴散。危害礦井工作人員身體健康的同時也對安全生產造成不良影響，因此必須對粉塵進行有效防控。煤礦井下采用的降塵方式主要有通風除塵[2]、泡沫除塵[3]、噴霧除塵[4]等，其中噴霧除塵因其操作簡便、性能優(yōu)越被廣泛應用，但降塵效果相對有限[5]。國內外學者針對井下除塵這一問題做了大量研究與實驗，旨在達到理想的降塵效果。

近年來，不斷有專家學者提出在噴霧降塵基礎上采用磁化水溶液[6]和靜電噴霧除塵[7]2種方式，以此來提高噴霧降塵效率。聶百勝等[8]認為磁化水溶液在一定磁強范圍內可以有效改善水的表面張力；秦波濤等[9]研發(fā)煤礦降塵用水磁化裝置，解決了綜采工作面工作時粉塵外溢的問題；Wang等[10]認為磁化會使水分子中氫鍵作用減弱；Sung等[11]認為經過磁化處理過的水溶液電導率更低，蒸發(fā)率更高；Toledo等[12]認為經過磁化的液態(tài)水分子會由大分子團簇破裂成小分子團簇；吳琨等[13]認為荷質比能夠很好地表征水霧荷電性能；李林[14]認為水霧荷電在135 ℃仍可以促進超細顆粒物團聚，以規(guī)避二次揚塵，進而大幅改善井下作業(yè)環(huán)境；Balachandran等[15]認為水霧荷電之后更容易去除細小顆粒；Kroll等[16]認為在一定溫度下，帶電球形顆粒可以吸引附近顆粒物；崔琳等[17]研究建立影響霧滴荷電效果的線性方程。

綜上，本文提出新型磁化荷電水霧降塵方法，通過液滴在磁化、荷電時的受力分析揭示其霧化機理，進一步研究清水通過磁化、荷電后表面張力和粒徑的變化規(guī)律，確定最佳降塵參數。研究結果對提高降塵效率，使井下工人擁有更好的生產環(huán)境，降低罹患塵肺病的風險具有重要意義。

1 霧化機理

磁化水溶液是水溶液以一定速度流經磁場并做切割磁力線運動，從而使溶液本身理化性質發(fā)生改變。這時增加外加磁場使抗磁性物質建立起與原磁場方向相反的附加磁矩，原子磁矩的內部平衡被打破，內部的微觀電流發(fā)生改變，如式(1)所示：

(1)

式中：i為附加電流，A；ωL為電子附加運動的角頻率，rad/s。

電子繞原子核轉動的角速度受到影響，導致每個原子產生與其自身磁場方向截然相反的附加磁矩，附加磁矩的計算公式如式(2)所示：

(2)

(3)

式中：U為磁場勢能，J；θ為外加磁場與本身磁場的夾角，°。

(4)

抗磁性分子還另受斥力如式(5)所示：

(5)

(6)

(7)

其中：μ為磁導率，H/m。

(8)

本文實驗采用感應荷電的方式。在金屬噴嘴前方放置1個施加直流高壓的感應環(huán)，此時金屬噴嘴與感應環(huán)之間形成非均勻電場，基于電感應原理，溶液與噴嘴接觸處形成偶電層，此時液體受壓力作用從金屬噴嘴噴出，進入非均勻電場，液體離開噴嘴的過程即為液體受靜電力破碎的過程，同時帶上與施加直流高壓相反的電荷，與施加電壓相同的電荷通過接地線導入地面。水霧荷電原理如圖1所示。

圖1 水霧荷電原理Fig.1 Principle of water mist charging

磁化水溶液通過電場時，液滴在電場中荷電，打破了液滴原有的內部平衡，以致荷電液滴不穩(wěn)定。研究表明：液滴荷電量均遵循Rayleigh極限，即荷電量達到一定值時液滴發(fā)生破碎，磁化水溶液內聚能減弱。霧滴破碎所做表面功越少，更易達到Rayleigh極限。

Rayleigh極限計算公式如式(9)所示：

(9)

式中：qmax為霧滴帶電量的最大值，C；ε0為真空介電常數；σ為液滴表面張力，mN/m；r為液滴粒徑，μm。

水溶液受磁場作用使煤塵潤濕性增強，受電場作用使煤塵與霧滴之間相互吸引如圖2所示，再通過超音速汲水虹吸霧化噴頭破碎成更小更均勻的霧滴，與煤塵接觸面積增大，吸引煤塵的同時更好地浸潤粉塵，提高降塵效率。

圖2 液滴吸附粉塵顆粒物示意Fig.2 Schematic diagram of droplet adsorption of dust particles

2 實驗方法及裝置

2.1 實驗平臺搭建

磁化荷電噴霧霧化粒徑測試系統如圖3所示，測試系統由供電裝置、噴霧裝置和測試裝置3部分構成。

圖3 磁化荷電噴霧霧化粒徑測試系統Fig.3 Test system for atomization particle size of magnetized water charged spray

周群[18]通過實驗證明，當水以4 m/s的速度通過管道時，其磁化效果最好，故設置清水通過多級磁化水循環(huán)裝置的流速控制為4 m/s，以獲取磁化水溶液。供電裝置由TD2202型負電靜電駐極電壓和絕緣材質電極環(huán)構成，電極環(huán)通過三腳架固定在噴嘴前方，靜電駐地電壓為本系統提供可調節(jié)荷電電壓；噴霧裝置由2-2200型無油空氣壓縮機、水箱和虹吸噴嘴構成，空壓機外連接可調控壓力的閥門和觀測表以實現對本系統內管路壓力的實時監(jiān)控，水箱內放置磁化水溶液；測試裝置由德國新帕泰克有限公司HELOS (H4116) & UNIVERSAL型噴霧激光粒度分析儀和計算機分析控制系統構成，計算機分析控制系統使用PAQXOS 4.1測量軟件，該軟件可定義、控制整個測量過程，并同時處理測量的粒度分布數據、顯示結果并打印報告。

接觸角測量儀實驗平臺由TD2202型負電靜電駐極電壓、東菀市盛鼎精密儀器有限公司SDC-350型接觸角測量儀、外接控制系統及分析軟件4部分構成。其中，測量滴管采用1 mL的自動吸液注液管，分析不同溶液時，注液管內放置不同溶液，滴液精度為0.01 μL，軟件數字化控制其注射進程，分析軟件采用Contact angle V3/V5全自動三相分析軟件，該軟件能夠動態(tài)實時跟蹤擬合數據，具備完善的分析計算功能和擬合方法。采用接觸式高壓荷電的方式，負電靜電駐極電壓通過絕緣線路連接到接觸角測量針管上，針管處帶上電壓進而溶液帶上電荷，如圖4所示。

圖4 接觸角測量儀實驗平臺Fig.4 Experimental platform of contact angle measuring instrument

自主搭建的自動化可視多因素耦合的除塵實驗平臺如圖5所示，該平臺主要包括4個部分：發(fā)塵系統、風機及模擬巷道系統、測塵系統和噴霧捕塵系統。發(fā)塵系統由HRH-DAG768型粉塵氣溶膠發(fā)生器和2-2200型無油空氣壓縮機組成，該系統通過原動機將機械能轉化為氣體壓力能，通過調控氣體流量來控制發(fā)塵濃度，實現對不同濃度粉塵場的控制；風機及模擬巷道系統采用亞克力板和剛性骨架構建0.8 m×1 m×1.5 m(長×寬×高)的模擬巷道，采用壓入式通風在巷道與風機之間連接擴散風筒，確保粉塵能在模擬巷道中均勻擴散；測塵裝置為CCHZ-1000全自動粉塵測定儀，其測量誤差<10%，采樣流量為2 L/min，可測呼吸性粉塵和全塵；噴霧裝置由超音速汲水虹吸霧化噴頭、水箱等組成。

圖5 自動化可視多因素耦合的除塵實驗平臺Fig.5 Automated visual multi-factor coupling dust removal experimental platform

2.2 實驗方案

采用接觸角測量儀實驗平臺測試液滴在磁化、荷電、磁化荷電條件下水的表面張力。本文實驗磁強參數選用150，200，250，300，350，400，450，500 mT；荷電電壓參數為0，1，2，3，4，5，6，7，8 kV；磁化荷電參數選用磁強參數與荷電電壓參數兩兩相匹配，每組實驗測試3次，求其平均值為結果。

采用磁化荷電噴霧霧化粒徑測試系統測試磁化、荷電、磁化荷電條件下霧滴粒徑大小。本文實驗磁強參數選用與上述實驗一致，荷電電壓參數選用0，3，6，9，12，15 kV；磁化荷電參數選用磁強參數與荷電電壓參數兩兩相組合。因煤塵帶負電[19]，故感應荷電時選用負極靜電駐地荷電電壓。噴嘴選用孔徑為1.0 mm的超音速汲水虹吸霧化噴頭[20],氣相壓力為0.45 MPa，噴嘴與激光粒度分析儀相距0.6 m。霧滴荷質比隨電極環(huán)直徑增大而減小，但若電極環(huán)過小，霧滴噴濺至電極環(huán)上會造成電極環(huán)放電[21]，故電極環(huán)直徑選用60 mm，電極間距選為15 mm。每組實驗測試3次，求其平均值為結果。

3 實驗結果分析

3.1 磁場與電場對溶液表面張力的影響

通過接觸角測量實驗平臺探究表面張力的變化如圖6 所示。在150～350 mT內水溶液的表面張力隨磁化強度的增大而減小，在350 mT時達到最低，而后在350～400 mT時表面張力隨磁化強度的增大而增大，450～500 mT時變化緩慢，趨于平穩(wěn)。由實驗結果可知，清水經過磁場后表面張力均有所減小，但其變化規(guī)律并非呈線性變化，而是呈現多極值增減變化趨勢，證明存在最佳磁化強度。

圖6 磁場作用下溶液表面張力變化Fig.6 Change in surface tension of solution under magnetic field

溶液通過電場帶上電荷時表面張力變化如圖7所示：表面張力隨荷電電壓的增大而減小，在5 kV之后減速明顯增大。由實驗結果可知液滴受到電場力時，表面張力作用減小，電場力越大作用越明顯。

圖7 電場作用下溶液表面張力變化Fig.7 Change in surface tension of solution under electric field

當荷電電壓增至8 kV時液滴內電荷量q達到Rayleigh極限，液滴內部穩(wěn)定狀態(tài)被徹底打破，液滴發(fā)生破裂，即不再匯聚成滴，此時的表面張力極小，如圖8所示。表面張力值隨著荷電電壓的增大而減小，荷電電壓越大表面張力值越佳，故本文實驗不再考慮8 kV及以上荷電電壓時表面張力值的變化。

圖8 8 kV時液滴形狀變化Fig.8 Droplet shape change at 8 kV

圖9 磁化荷電下溶液表面張力變化Fig.9 Change in the surface tension of the solution under magnetized charge

磁化荷電時表面張力變化結果如圖9所示，150～350 mT之間都呈現出下降趨勢，且荷電電壓越高其初始表面張力越小，均在350 mT時表面張力達到最小值；在350～400 mT時不同荷電電壓的表面張力呈現上升趨勢，400～500 mT時表面張力隨磁化強度的增加而減小。由實驗結果可知荷電電壓越大其表面張力越小，當荷電電壓一定時，磁化強度在350 mT時表面張力最小。實驗中溶液先受到磁場力的作用，加快水分子之間氫鍵的斷裂，使水分子間氫鍵的數量變少，大分子團聚分散成小分子，導致水分子之間間距增大，溶液內聚力減弱；而后液滴再受到電場力的作用，使液滴帶上電荷，此時溶液內聚力已被減弱故其受力平衡更快被打破，液滴被拉長，更易破碎。相比磁化水溶液和荷電溶液，磁化荷電時溶液表面張力變化更明顯。周群[18]通過分子模擬軟件和傅里葉紅外光譜儀證實：溶液的理化性質并非隨著磁場強度的增大而增大，而是存在最佳磁化強度，結合本文實驗結果得到其最佳磁化強度為350 mT。

3.2 磁場與電場對粒徑的影響

在探究磁場對霧滴粒徑影響的實驗中，采用磁化荷電噴霧霧化粒徑測試系統，在水箱內放置不同磁化強度的磁化水溶液測量霧滴粒徑變化規(guī)律，如圖10 所示。在150～350 mT內霧滴粒徑隨磁化強度增大而減弱，在350 mT時達到最小，350～400 mT時出現緩慢上升趨勢，在400～500 mT時出現緩慢下降趨勢。

圖10 磁場作用下液滴粒徑變化Fig.10 Variation of droplet size under magnetic field

在探究電場對霧滴粒徑影響的實驗中，將水箱內的磁化水溶液更換為清水，再通過磁化荷電霧化系統探究粒徑的變化規(guī)律，本文實驗選用索太爾平均直徑(SMD)來表示粒徑大小。實驗結果如圖11所示，0～3 kV時粒徑隨荷電電壓增大而減小，在3 kV時達到最小值，3～6 kV時出現上升趨勢，9～12 kV變化緩慢。

圖11 電場作用下液滴粒徑變化Fig.11 Variation of droplet size under electric field

在磁化荷電時霧滴粒徑的變化如圖12所示，150～350 mT時不同荷電電壓下的霧滴粒徑均呈現下降趨勢，且均在350 mT時粒徑達到最?。?50～400 mT時不同荷電電壓的霧滴粒徑出現緩慢上升趨勢，而后在400～500 mT時，基本趨于穩(wěn)定。由實驗結果可知荷電電壓為9 kV、磁化強度為350 mT時霧滴粒徑最小。噴霧降塵時液滴破碎為霧滴，此時需克服表面張力做功，由上文靜態(tài)實驗可知，液滴經過磁化荷電后表面張力已被減弱，液滴霧化時需作表面功減小，霧滴破碎更小更均勻，與塵粒接觸面積和機率增大，捕塵效率提升。但電壓過高時液滴出現相互吸引現象，液滴開始凝并，粒徑再次呈現增大趨勢。

圖12 磁化荷電時液滴粒徑變化Fig.12 Droplet size changes when magnetized and charged

由霧滴分布頻度可知，磁化水溶液在霧化作用下的噴嘴霧滴粒徑頻度較分散，眾數集中在30～33 μm，隨著磁化強度增大，霧滴粒徑中心出現左移趨勢，且在350 mT時達到最??；靜電噴霧作用下的霧滴粒徑頻度分布更加分散，眾數集中在28～30 μm，且隨著荷電電壓的增大，其頻度幾乎不發(fā)生變化。磁化水荷電時霧滴粒徑頻度分布最為集中且均勻，眾數集中在25～28 μm，且存在最佳磁化強度和荷電電壓。結合上述實驗結果得出最佳霧化參數為磁化強度350 mT，荷電電壓9 kV，如圖13所示。

圖13 不同場下粒徑頻度變化Fig.13 Frequency variation of particle size under different fields

4 降塵效率實驗

由上述實驗可知最佳霧化參數為磁化強度350 mT、荷電電壓9 kV，通過自主搭建的自動化可視多因素耦合除塵實驗平臺測試其降塵效率，實驗煤樣選取為非浸潤性的晉城無煙煤。因井下造成塵肺病的主要原因為微細粉塵，故本文實驗粉塵濃度范圍設定為200目以下，風速設定為2 m/s，發(fā)塵速率為15 g/min。為去除水霧影響在粉塵測定儀前后加上除霧器，在模擬巷道前后兩端設置2個捕塵點，第1個捕塵點為測點，第2個捕塵點確保使粉塵完全沉降，增加實驗安全性。

由粉塵測定儀測得初始和處理后的粉塵濃度，并計算降塵效率，降塵效率計算如式(10)所示：

(10)

式中：η為降塵效率，%；C為初始粉塵濃度，mg/m3；c為降塵后粉塵濃度，mg/m3。

除塵前粉塵的全塵初始濃度為660.5 mg/m3；呼塵的初始濃度為399.5 mg/m3，僅使用清水降塵時其全塵降塵效率為54.7%，呼塵降塵效率為40.51%；通過磁化荷電降塵后，全塵濃度為47.62 mg/m3，呼塵濃度為85.53 mg/m3，其降塵效率達到92.79%，78.59%，與清水相比降塵效率提高69.63%，94.01%，如圖14所示。與磁化水降塵相比全塵降塵效率提高31.58%，呼塵降塵效率提高34.66%，與靜電噴霧降塵相比全塵降塵效率提高41.53%，呼塵降塵效率提高48.47%。觀察磁化荷電水霧降塵效果，如圖15所示。降塵前箱體內部空氣渾濁，可見度低。使用磁化荷電水霧降塵后，箱體內空氣潔凈，可見度高。

圖14 不同場降塵效率對比Fig.14 Comparison of dust reduction efficiency under different fields

圖15 不同場降塵后箱體狀態(tài)Fig.15 State of box after dust reduction under different fields

5 結論

1)清水經磁化荷電后潤濕性增強，霧滴帶上電荷更易吸引煤塵，霧化后的溶液破碎更小更均勻，與煤塵碰撞幾率增大，降塵效率可進一步提高。

2)磁化荷電后的表面張力初始值隨初始荷電電壓變化，其初始荷電電壓越大初始表面張力越小，而后隨磁化強度的增加出現先下降再上升而后平穩(wěn)的趨勢，證明磁化荷電存在最佳參數。

3)磁化荷電下的霧滴粒徑相比磁化水溶液與靜電噴霧均較小，且在9 kV和350 mT時達到最小值，此時的粒徑頻度分布最為集中且均勻，其眾數集中在25～28 μm。

4)磁化荷電下的除塵效率相比清水全塵降塵效率提高69.63%、呼塵降塵效率提高94.01%；與磁化水溶液降塵相比全塵降塵效率提高31.58%，呼塵降塵效率提高34.66%；與靜電噴霧除塵相比全塵降塵效率提高41.53%，呼塵降塵效率提高48.47%。