壓電式超聲霧化降塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其試驗(yàn)研究

曹帥，韓光超 , ，徐林紅，江進(jìn)國(guó)，盧祿華，彭清圍

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢） 機(jī)械與電子信息學(xué)院，武漢 430070；2.廈門三燁清潔科技股份有限公司 福建廈門 361102；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)深圳研究院，廣東深圳 518057）

散料一般定義為堆積在一起的大量未經(jīng)包裝的塊狀、粒狀和粉狀物料。目前，在我國(guó)眾多電廠、水泥廠等主要采用傳送帶方式來(lái)運(yùn)輸散料。在散料運(yùn)輸過(guò)程中，傳送帶的導(dǎo)料槽、落料口等地方容易產(chǎn)生高濃度的粉塵，甚至引起爆炸，對(duì)工人身體健康和生產(chǎn)安全造成嚴(yán)重危害?，F(xiàn)在主要采用霧化降塵技術(shù)來(lái)抑制散料傳送過(guò)程中產(chǎn)生的各種粉塵。

目前，常用的霧化降塵方法包括：微細(xì)水霧降塵、聲波霧化降塵、磁化水降塵和預(yù)荷電噴霧降塵等[1-3]。Peng 等[4]設(shè)計(jì)了一種超聲噴霧裝置，該裝置由多個(gè)高壓噴嘴組成，最遠(yuǎn)有效作用距離為3.03 m；Li 等[5]揭示了流體動(dòng)力式超聲波噴嘴內(nèi)氣體流動(dòng)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)噴氣的馬赫數(shù)會(huì)直接影響超聲激振振幅大小；楊超[6]對(duì)流體動(dòng)力式超聲霧化噴嘴進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，基于拉瓦爾噴管原理設(shè)計(jì)了一種新型噴嘴，使氣流速度更快，霧滴顆粒的算數(shù)平均直徑可細(xì)化到10 μm 以內(nèi)，并利用15 ～ 65 μm 的霧滴對(duì)粒徑為0 ～45 μm 煤粉進(jìn)行抑塵試驗(yàn)，驗(yàn)證了當(dāng)粉塵粒徑大小與霧滴粒徑大小相接近的時(shí)候，兩者更容易結(jié)合，降塵效率更高。劉旭[7]設(shè)計(jì)了一種L 型雙級(jí)諧振腔式低頻超聲霧化噴嘴，霧化粒徑最小可達(dá)11.4 μm。Zhou 等[8]研究了液滴直徑與捕獲顆粒大小之間的關(guān)系，認(rèn)為40 ～ 160 μm 可作為捕集煤塵的基本液滴尺寸，捕獲呼吸性粉塵的最佳液滴尺寸為15 ～70 μm。目前，對(duì)超聲霧化降塵技術(shù)的研究多是采用氣液兩相超聲霧化噴嘴，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，需要高壓供水，使用維護(hù)較復(fù)雜。采用壓電式超聲霧化方式，只需常壓水管即可實(shí)現(xiàn)水顆粒的超聲霧化，降低使用成本，是一種有益的嘗試[9]。因此，基于壓電式超聲霧化降塵方法，設(shè)計(jì)了一套30 kHz 超聲霧化系統(tǒng)和配套霧化降塵試驗(yàn)系統(tǒng)，并采用單因素試驗(yàn)研究多種霧化降塵參數(shù)對(duì)工業(yè)散料霧化降塵效果的影響規(guī)律。

1 超聲霧化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的超聲霧化系統(tǒng)包括超聲換能器、超聲變幅桿、超聲霧化噴嘴及超聲波發(fā)生器。超聲變幅桿及超聲霧化噴嘴的材料參數(shù)如表1 所示。

1.1 超聲變幅桿的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的超聲霧化噴嘴需要實(shí)現(xiàn)較大的超聲振幅，故采用放大系數(shù)較大的階梯形變幅桿結(jié)構(gòu)，變幅桿的頻率設(shè)定為30 kHz，根據(jù)縱波波動(dòng)方程可計(jì)算變幅桿總長(zhǎng)[10]。

式中：K為波數(shù)，rad/m； ω為圓頻率，rad/s；f為諧振頻率，Hz；c為圓棒中縱波的傳播速度，m/s；E為彈性模量，Pa； ρ為材料密度，kg/m3。

為了降低不同截面之間的應(yīng)力集中，變幅桿兩截面之間采用圓弧過(guò)渡結(jié)構(gòu)，圓弧半徑設(shè)為3 mm。采用ANSYS 軟件進(jìn)行仿真優(yōu)化，最終確定變幅桿大端長(zhǎng)度為51 mm，直徑為32 mm；小端長(zhǎng)度為36 mm，直徑為20 mm。面積截面系數(shù)N=D/d=1.6；放大系數(shù)Mp=N2=2.56，由于法蘭盤處振幅為零，所以在此處設(shè)立入水孔。

1.2 霧化噴嘴仿真設(shè)計(jì)

已有研究表明，當(dāng)工具長(zhǎng)度為波長(zhǎng)的1/4 時(shí)，末級(jí)變幅桿長(zhǎng)度不需要經(jīng)過(guò)修整便可以使工作達(dá)到較佳狀態(tài)[11]。因此，本裝置中的霧化噴嘴的長(zhǎng)度初步設(shè)計(jì)為1/4 波長(zhǎng)，L= 43.25 mm。為了獲得盡可能大的噴霧面積，將霧化噴嘴設(shè)計(jì)成喇叭型，通過(guò)喇叭型噴嘴外表面的高頻諧振，使水滴霧化并向喇叭四周呈圓錐體形噴出。采用ANSYS 軟件對(duì)不同角度的喇叭口噴嘴振動(dòng)特性進(jìn)行模態(tài)仿真，喇叭口角度為60°，90°和120°時(shí)的噴嘴模態(tài)仿真結(jié)果如圖1a）、圖1b）和圖1c）所示。結(jié)果表明，當(dāng)喇叭口角度為60°時(shí)，噴嘴的有效振動(dòng)面積為36.8 cm2，由于角度最小，所以噴霧覆蓋面積最??；當(dāng)喇叭口角度為90°時(shí)，噴嘴的有效振動(dòng)面積為32.5 cm2，噴霧覆蓋面積適中；當(dāng)喇叭口角度為120°時(shí)，噴嘴的有效振動(dòng)面積最小，為21.8 cm2，所以霧化量最小。因此，確定噴嘴喇叭口角度90°為最佳角度，變幅桿和霧化噴嘴的整體振動(dòng)模態(tài)仿真圖如圖1d）所示。

圖1 噴嘴模態(tài)仿真圖Fig.1 Nozzle mode simulation

優(yōu)化設(shè)計(jì)后的超聲霧化噴嘴總長(zhǎng)度為60 mm，在變幅桿凸臺(tái)處開孔作為入水口，在變幅桿和霧化噴嘴的中間設(shè)置通水管道，通水管道直徑為4 mm，均勻設(shè)置4 個(gè)出水口，直徑為2 mm，喇叭口直徑為48 mm，霧化工具頭半剖結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

圖2 霧化噴嘴半剖結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of atomizing nozzle's half profile

超聲霧化系統(tǒng)裝配圖如圖3 所示，超聲波發(fā)生器是將50 Hz 的市電轉(zhuǎn)換為與超聲波換能器相匹配的30 kHz 的高頻交流電，超聲換能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為高頻機(jī)械振動(dòng)，超聲變幅桿將超聲換能器傳遞出來(lái)的超聲振幅進(jìn)一步放大滿足超聲霧化需求，超聲霧化噴嘴根部均勻設(shè)置出4 個(gè)出水口，使得水流通過(guò)喇叭口噴嘴外表面的高頻振動(dòng)實(shí)現(xiàn)顆粒的超聲霧化。

圖3 超聲霧化系統(tǒng)裝配圖Fig.3 Assembly of ultrasonic atomization system

2 霧化降塵試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲霧化系統(tǒng)降塵效率的檢測(cè)，本文研制了一套霧化降塵試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由產(chǎn)塵裝置、抑塵裝置、粉塵濃度檢測(cè)裝置、風(fēng)速檢測(cè)裝置以及抑塵倉(cāng)組成，每個(gè)部分搭配不同的試驗(yàn)檢測(cè)儀器，三維結(jié)構(gòu)示意圖如圖4 所示。

圖4 霧化降塵試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of atomizing dust removal test system

系統(tǒng)中的產(chǎn)塵裝置采用廣州標(biāo)誠(chéng)機(jī)械設(shè)備有限公司的螺旋定量給料機(jī)實(shí)現(xiàn)勻速等量送粉，然后通過(guò)風(fēng)扇使粉塵均勻的飄散在抑塵倉(cāng)內(nèi)。抑塵裝置為自行設(shè)計(jì)的30 kHz 喇叭型超聲霧化系統(tǒng)。粉塵濃度檢測(cè)裝置采用江蘇順欣儀器儀表有限公司的CCZ20 型礦用粉塵采樣儀，該裝置基于等速取樣原理，抽取一定體積煙氣通過(guò)已知重量的捕塵裝置，并根據(jù)濾膜采樣前后的重量差和采樣氣體體積，計(jì)算出總體粉塵濃度。風(fēng)速測(cè)量裝置采用深圳市聚茂源科技有限公司的GM8902 + 風(fēng)速檢測(cè)儀。抑塵倉(cāng)采用亞克力板和角鋼組合而成，框架的尺寸為0.8 m ×0.6 m × 3 m。最終組裝完成的霧化降塵試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖如圖5 所示。

圖5 霧化降塵試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.5 A real atomizing dust removal test system

3 霧化降塵試驗(yàn)方案與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)方案

粉體物料采用不同篩孔直徑的篩網(wǎng)進(jìn)行篩分，除煤粉采用不同顆粒直徑外，試驗(yàn)所用細(xì)沙和黃土的粉體物料均為0 ～ 180 μm 粒徑，粉塵濃度計(jì)算公式為

式中：c為空氣中總的粉塵濃度，mg/m3；m2為采樣后的濾膜質(zhì)量，g；m1為采樣前的濾膜質(zhì)量，g；Q為采樣流量，L/min；t為采樣時(shí)間，min。

試驗(yàn)采用單因素試驗(yàn)方案，研究入口水流量、風(fēng)速、粉塵種類（細(xì)沙粉塵、煤炭粉塵、黃土粉塵）、煤粉顆粒直徑以及噴嘴安裝角度對(duì)降塵效率的影響。

入口水流量分別采用10 L/h、20 L/h、30 L/h、40 L/h、50 L/h；風(fēng)速采用風(fēng)速檢測(cè)儀進(jìn)行測(cè)量，設(shè)定4 種風(fēng)速，分別為1.25 m/s、1.7 m/s、2.1 m/s、2.5 m/s，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速來(lái)改變風(fēng)速；當(dāng)變量因素為粉塵顆粒直徑時(shí)，試驗(yàn)中采用45 ～ 250 目篩網(wǎng)，篩選的煤粉粉塵粒徑范圍分別為<58 μm，58 ～ 106 μm，106 ～180 μm，180 ～ 325 μm；噴嘴安裝角度從入塵口方向開始到出塵口方向結(jié)束，依次設(shè)置為45°、30°、0、-30°、-45°。根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出粉塵濃度，與未進(jìn)行噴霧抑塵的粉塵濃度進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，噴嘴的抑塵效率[12]表達(dá)式為

式中：ε 為抑塵效率，%；ci為噴霧抑塵后粉塵濃度，mg/m3；c0為無(wú)噴霧粉塵濃度，mg/m3。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 入口水流量對(duì)降塵效率影響的研究

當(dāng)風(fēng)速為2.1 m/s，煤粉粒徑在0 ～ 180 μm 之間，噴嘴安裝角度為0 時(shí)，入口水流量對(duì)降塵效率影響規(guī)律如圖6 所示。

圖6 入口水流量與降塵效率關(guān)系曲線圖Fig.6 Relationship between inlet water flow and dust removal efficiency

試驗(yàn)結(jié)果表明，降塵效率在流量為10 ～ 50 L/h的閉區(qū)間內(nèi)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在30 L/h 時(shí)降塵效率達(dá)到最大值，最大值為75.9%；在10 L/h 時(shí)降塵效率達(dá)到最小值，最小值為34.5%。分析原因如下：超聲霧化噴嘴具有霧化能力極限值，當(dāng)超過(guò)此值時(shí)就會(huì)出現(xiàn)明顯霧化顆粒不均勻甚至有少量水無(wú)法霧化的現(xiàn)象，從而降塵效率會(huì)降低，當(dāng)?shù)陀诖酥禃r(shí)霧化的顆粒數(shù)量太少，降塵效率也會(huì)較低。從試驗(yàn)分析可知30 L/h 是霧化能力極限值。因此，綜上可得30 L/h 時(shí)可實(shí)現(xiàn)對(duì)水的充分超聲霧化且霧化粒徑較均勻，降塵效率較高。

3.2.2 風(fēng)速對(duì)降塵效率影響的研究

當(dāng)入水口流量為30 L/h, 煤粉粒徑在0 ～ 180 μm之間，噴嘴安裝角度為0 時(shí)，風(fēng)速大小對(duì)降塵效率影響規(guī)律如圖7 所示。

圖7 風(fēng)速大小與降塵效率關(guān)系曲線Fig.7 Relationship between wind speed and dust removal efficiency

試驗(yàn)結(jié)果表明，降塵效率隨著風(fēng)速的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)風(fēng)速為2.1 m/s 時(shí)降塵效率最高。煤塵潤(rùn)濕是煤顆粒表面的氣體被流體（氣體/液體）取代的過(guò)程，對(duì)于煤塵的沉降具有十分重要的意義。理想的潤(rùn)濕是由最初的兩相（固-氣和液-氣）平衡狀態(tài)經(jīng)過(guò)三相接觸狀態(tài)（固-液-氣），最后達(dá)到兩相平衡（氣-液和固-液）。Kollipara 等[13]采用固定時(shí)間潤(rùn)濕法和絕對(duì)時(shí)間潤(rùn)濕來(lái)評(píng)估煤塵的潤(rùn)濕性，發(fā)現(xiàn)液滴與煤顆粒間的接觸時(shí)間是改善煤塵潤(rùn)濕性的重要因素，接觸時(shí)間從10 s 增加到25 s，煤塵的潤(rùn)濕性約提高了 3% ～ 27%。在此次試驗(yàn)條件下，當(dāng)風(fēng)速大于2.1 m/s 時(shí)液滴與煤顆粒間的接觸時(shí)間變短，煤塵濕潤(rùn)性降低，降塵效率降低；當(dāng)風(fēng)速為2.1 m/s時(shí)煤塵達(dá)到了理想的濕潤(rùn)性，因此降塵效率最高。

3.2.3 不同種類的粉塵對(duì)降塵效率影響的研究

當(dāng)風(fēng)速為2.1 m/s，入水口流量為30 L/h，3 種粉塵粒徑在0 ～ 180 μm 之間，噴嘴安裝角度為0 時(shí)，不同種類粉塵對(duì)降塵效率影響規(guī)律如圖8 所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，相比較于煤粉和沙子，黃土的降塵效率略高，降塵效率可以達(dá)到80%，而煤粉跟沙子的降塵效率差別不大。由文獻(xiàn)[14]可知，黃土的顆粒比重為2.51 ～ 2.84，沙子的比重為1.47 ～ 2.9，褐煤的比重為1.05～ 1.2。相比較于其它兩種粉塵，黃土中的有機(jī)質(zhì)表面能大，持水性強(qiáng)，它的形態(tài)主要為聚集于大孔孔壁或分散于粘粒中，當(dāng)其呈分散分布時(shí)，構(gòu)成土的膠結(jié)成分，受水侵蝕時(shí)，會(huì)吸收大量水分，而使土崩解[15]。在此次實(shí)驗(yàn)中也可得出黃土粉塵的親水性更好，更容易與霧滴顆粒結(jié)合，從而更容易實(shí)現(xiàn)降塵。

3.2.4 煤粉不同顆粒直徑對(duì)降塵效率影響的研究

當(dāng)風(fēng)速為2.1 m/s，入水口流量為30 L/h，噴嘴安裝角度為0 時(shí)，煤粉不同顆粒直徑對(duì)降塵效率影響規(guī)律如圖9 所示。

圖9 煤粉顆粒直徑與降塵效率關(guān)系曲線Fig.9 Relationship between pulverized coal particle diameter and dust removal efficiency

試驗(yàn)結(jié)果表明，在霧滴顆粒不變的情況下，隨著粉塵顆粒的不斷增大，降塵效率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在106 ～ 180 μm 的粉塵粒徑時(shí)達(dá)到了最大值73.9%。當(dāng)粒徑較小時(shí)，煤塵微觀特性發(fā)生變化，一方面表面zeta 電位和吸附特性的變化直接作用于降塵過(guò)程，另一方面表面形貌、比表面積、孔結(jié)構(gòu)、官能團(tuán)等性質(zhì)以潤(rùn)濕性為媒介，間接地影響煤塵的沉降，二者共同作用阻礙了顆粒間的粘附團(tuán)聚，最終導(dǎo)致小粒徑煤塵的沉降效果不佳[16]。當(dāng)霧滴粒徑大小與粉塵粒徑大小相近時(shí)，兩者更容易相撞而實(shí)現(xiàn)團(tuán)聚，從而更容易實(shí)現(xiàn)降塵。試驗(yàn)結(jié)果表明本文所設(shè)計(jì)超聲霧化噴嘴所噴出的霧滴粒徑主要分布在106 ～ 180 μm 范圍內(nèi)。而當(dāng)粉塵在180 ～ 320 μm 這個(gè)粒徑范圍內(nèi)時(shí)降塵效率最差，則表明當(dāng)霧滴粒徑比粉塵粒徑小時(shí)，降塵效果最差。

3.2.5 噴嘴安裝角度對(duì)降塵效率影響的研究

當(dāng)風(fēng)速為2.1 m/s，入水口流量為30 L/h, 煤粉粒徑在0 ～ 180 μm 之間，噴嘴安裝角度對(duì)降塵效率影響規(guī)律如圖10 所示。

圖10 超聲霧化噴嘴安裝角度與降塵效率關(guān)系曲線Fig.10 Relationship between ultrasonic atomizing nozzle installation angle and dust removal efficiency

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著安裝角度從45°減小到0，該噴嘴的降塵效率呈現(xiàn)一直增大的趨勢(shì)，安裝角度在0 時(shí)達(dá)到最大，降塵效率最大為81%，這是因?yàn)榘惭b不同角度的霧化降塵效率變化與噴嘴形成的水霧形狀密切相關(guān)，安裝角度在0 時(shí)，超聲霧化噴嘴噴出水霧的覆蓋區(qū)域面積最大，如圖11a）所示，當(dāng)粉塵經(jīng)過(guò)霧區(qū)的時(shí)候，粉塵與霧滴接觸的數(shù)量多時(shí)間長(zhǎng)，增加了煤塵濕潤(rùn)性，所以降塵效率最高；當(dāng)噴嘴安裝角度逐漸增大時(shí)，噴霧覆蓋的區(qū)域面積減小，這與噴嘴的設(shè)計(jì)特征有關(guān)，在45°時(shí)，超聲噴嘴噴霧覆蓋區(qū)域面積如圖11b）所示，當(dāng)粉塵經(jīng)過(guò)霧區(qū)的時(shí)候，粉塵容易直接從霧中穿過(guò)，粉塵與霧滴接觸的數(shù)量少時(shí)間短，煤塵濕潤(rùn)性降低，所以降塵效率最低。

圖11 安裝角度Fig.11 Ultrasonic nozzle mounting angle

4 結(jié)論

1）本文所設(shè)計(jì)超聲霧化降塵試驗(yàn)系統(tǒng)可滿足不同霧化降塵方式的降塵效率測(cè)試研究需求。

2）相比較于煤粉跟沙子，超聲霧化降塵方式對(duì)黃土粉塵的降塵效率略高，當(dāng)顆粒粒徑為107 ～ 180 μm范圍內(nèi)，且噴嘴安裝角度為0 時(shí)的煤粉粉塵降塵效率最高。

3）當(dāng)入口水流量為30 L/h 時(shí)，煤粉的超聲霧化降塵效率最高為75.9%；當(dāng)風(fēng)速為2.1 m/s 時(shí)，降塵效率最高為61.1%。