磁化荷電液滴除塵機理及碰撞浸潤煤塵數值仿真

熊光婷，葛少成，孫麗英，龐星宇，劉 碩，陳 曦，年 軍

(太原理工大學 安全與應急管理工程學院,山西 太原 030024)

煤炭作為我國基礎性能源，占能源消費總量的56%，國家統計局數據統計顯示，2020 年、2021 年全國原煤產量分別達到39 億t、40.7 億t[1-2]。隨著煤礦開采機械化程度的提高，煤礦井下粉塵產量增大，由煤礦粉塵所引發的塵肺病及爆炸事故死亡人數已遠高于同期煤礦其他生產事故死亡人數總和[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，但由于煤塵具有強疏水性，普通噴霧難以快速凝并對人體危害最大的呼吸性粉塵[4-5]。梁旺亮等[6]通過試驗和工程應用證明局部封閉性狀態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。王林等[7]通過數值模擬的方法，研究了影響荷電液滴群捕塵效率的因素，發現靜電沉積占主導地位時，噴霧密度對捕集效率影響不大，液滴荷電量越大，微細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粉塵的潤濕性，通過實驗研究液滴與玻璃顆粒的碰撞，以改變碰撞參數和韋伯數來觀察碰撞的狀態，并將實驗結果用于粒子-液滴碰撞的未來理論和模擬研究。宋亮等[10-11]通過建立液滴與顆粒碰撞的物理模型，研究了粒徑比、潤濕角、碰撞速度對碰撞結果的影響，發現提高液滴碰撞速度一定程度上可以提高液滴潤性，潤濕角小于90°時，粒徑比越大，液滴在顆粒表面的展鋪范圍越大。近年來有學者提出將磁化水霧與荷電水霧協同應用到噴霧降塵中，賈蕎溪等[12]采用交叉實驗法，測量不同磁場強度、荷電電壓下的液滴表面張力，研究發現磁電耦合作用對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的霧滴粒子場模型，研究4 種工況下霧滴粒子的速度分布與粒徑分布，發現磁電耦合作用下具有最佳霧滴粒子場。上述研究均是從宏觀或微觀的單一角度來研究液滴捕塵特性，并不能全面揭示液滴-煤塵顆粒的碰撞浸潤機理。

在前人的研究基礎上，筆者將液滴碰撞球形顆粒的動力學特征應用到噴霧降塵中，從宏觀和微觀雙重角度來探究磁化荷電液滴碰撞浸潤煤塵顆粒特性。宏觀上采用磁電耦合交叉實驗的方法，探究磁化強度、荷電電壓對液滴表面張力的影響，并確定磁電耦合最佳參數；微觀上運用數值模擬的方法，通過動態監測液滴最大鋪展半徑系數、液膜中心高度系數以及液滴撞擊球形煤塵顆粒的形態變化，來分析磁化荷電液滴的霧化潤濕性能。其研究成果對進一步提高粉塵防治效率、改善液滴霧化潤濕性具有重要的指導意義。

1 磁化荷電液滴除塵機理

水是抗磁性極性分子，在磁化器內水流切割磁力線促使水分子電離，所產生的正負電荷產生相反的回旋運動，水分子極性增強，在旋轉運動作用下，原來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，從而水對煤塵潤濕性提高[14]。對于完全不能潤濕的煤塵顆粒，當液滴在粉塵顆粒表面鋪展到如圖1 所示位置，便認為可被捕捉[15]。

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

在液滴與煤塵顆粒碰撞黏附過程中，由于液滴半徑遠小于毛細作用長度，此時表面張力占主導作用，重力影響可忽略不計。疏水性煤塵顆粒克服液滴表面張力所做功[16]為

式中，Wr為塵粒克服液滴表面張力所做的功，J；σ為液滴的表面張力，mN/m。

煤塵顆粒即將接觸液滴時，必須具有的最小相對速度[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噴嘴噴射出來后，其體積平均直徑[16]為

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

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

磁化液滴感應荷電裝置如圖2(a)所示。電極環與噴嘴之間形成非勻強電場，磁化水通過噴嘴進入非勻強電場，負電載流子被金屬噴嘴電極吸引至接地端，正電載流子經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，煤塵在高壓電場中與液滴發生相對運動，在靜電感應作用下，煤塵顆粒發生電子漂移運動，靠近液滴端的表面帶上同等荷電量-q，2 者間產生靜電吸引力[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，F/m；ε0為真空介電常數，F/m；εw為霧滴介電常數，F/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濕性能和霧化性能，再通過靜電感應的方式進行荷電，帶電液滴與煤塵顆粒之間產生靜電吸引力，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驗

2.1 實驗裝置

2.1.1磁化荷電液滴表面張力測試系統

表面張力測量實驗平臺如圖3(a)所示。由TD2202型負電靜電駐極電壓、SDC-350 型表面張力測量儀、控制分析系統3 部分構成。采用接觸荷電的方式，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，自吸式注液管數字化控制注射進程，從而使注液管內的實驗溶液荷電，最終通過Contact angle V3/V5全自動三相分析軟件進行數據分析和擬合。

圖3 實驗裝置Fig.3 Experimental devices

2.1.2磁化荷電水霧降塵系統

課題組自主搭建的磁化荷電水霧降塵系統如圖3(c)所示。該系統由5 部分組成，其中噴霧子系統由跨音速氣動噴嘴、空壓機、磁化水制備裝置及靜電感應荷電裝置構成。磁化水制備裝置包括臥式離心泵、智能電磁流量計、FSCN-DN25 磁化水裝置和儲水箱，通過改變磁化強度及磁化時間等參數制備磁化水，如圖3(b)所示。靜電感應裝置包括高壓靜電直流發生器和電極環。發塵系統由HRH-DAG768 型粉塵氣溶膠發生器，2-2200 型無油空氣壓縮機2 部分組成，通過改變氣流量控制發塵質量濃度。風機系統由HTFC 靜音風機和變頻箱組成，通風機在變頻箱的控制下調節風速。模擬巷道系統由透明亞克力板箱體拼接而成，內部放有除霧器，風機系統與模擬巷道系統之間連接擴散風筒，進行抽出式通風。監測系統為測量誤差＜10%的CCHZ-1000 全自動粉塵測定儀。

2.2 實驗方法

采用多級循環磁化水實驗裝置制備磁化水，選取疏水性晉城無煙煤為試驗煤樣，利用表面張力測量儀測定液滴在磁化、荷電、磁化荷電3 種工況下的表面張力。本實驗磁強參數選取150、200、240、300、350、400、450、500 MT，荷電電壓參數選取1、2、3、4、5、6、7、8 kV。將2 組變量進行交叉實驗，每組測量3 次，取均值作為結果。

2.3 實驗結果與分析

磁化液滴表面張力變化如圖4(a)所示。可見液滴表面張力與磁化強度并非呈線性負相關，在磁強為150～350 MT 時，磁強越大，液滴表面張力越小，350 MT時表面張力達到最小值；在350～400 MT 時，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，電極環和噴嘴電極之間非均勻電場場強增大，霧滴荷電效果增強。但當荷電電壓增長至8 kV 以上時，由于電極環表面粗糙且存在細微金屬顆粒，導致該處電荷密度增大，場強突變，周圍空氣被擊穿，出現電暈放電現象并產生大量負離子，與感應荷電產生的帶正電的液滴相抵消，荷質比明顯減小，感應荷電效果減弱[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，液滴達到最小表面張力后，繼續增大磁強，表面張力大小基本不變。隨荷電電壓增大，液滴表面張力達到最小值所需的磁化強度呈下降趨勢。荷電電壓為5～6 kV 時，液滴表面張力在350 MT 達到最小值，當荷電電壓＞7 kV 時，液滴表面張力急劇下降，并在300 MT 達到最小值。

依據實驗結果得到了3 種作用條件下液滴的最小表面張力，見表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%，可見磁化、荷電、磁電耦合作用對液滴浸潤性改善能力大小關系為磁電耦合作用＞荷電作用＞磁化作用，并得到最佳耦合參數：在磁化強度300 MT，荷電電壓8 kV 時，液滴表面張力達到最小值9.20 mN/m。

3 磁化荷電液滴-球形煤塵顆粒碰撞數值模擬

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。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分別設置為20.0 μm 和13.5 μm，液-塵粒徑比DTP=d0/dr，空氣標記為紅色，液滴標記為藍色，煤塵顆粒標記為灰色，置于液滴正下方60 μm處，液滴被賦予相對碰撞速度v0，液滴為微流體，可忽略重力影響，邊界ABCD為開放邊界。

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濕弧長為d，液膜最高點到煤塵顆粒表面最短距離為h。通過液滴碰撞煤塵顆粒的形態變化、最大鋪展半徑系數D*及液膜中心高度系數H*等參數，作為衡量液滴潤濕霧化潤濕性能的指標。

無量綱參數D*和H*分別表示為

3.2 數值模型

Comsol 多物理場是一個交互式環境，使用有限元法求解方程，采用各種數值求解器進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，跟蹤2 種不混流體之間的界面。求解方程為動量守恒的納維-斯托克斯方程和質量守恒的連續性方程。

本模擬中設定普通水滴黏度為1 mPa·s；普通水滴在煤塵(疏水性晉城無煙煤)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。在計算域內，對于兩相流，根據質量守恒，連續性方程為

根據動量守恒，納維-斯托克斯方程為

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

根據霍夫曼經驗公式表達動態接觸角對接觸線速度的依賴性，從而定義煤塵顆粒表面潤濕壁性質[22-25]：

其中，θd為動態接觸角；θe為靜態接觸角；fh為霍夫曼經驗函數；Ca為毛系數。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為液滴動力黏度，Pa·s。

3.3 結果與討論

根據磁電耦合表面張力交叉實驗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，賦予液滴相對碰撞速度v0=4、8 m/s。通過查閱資料發現[26-27]當液-塵粒徑比＞1 時，液滴的潤濕性能基本不變。因此本模擬液塵比選取0.54 和0.80，用于對比普通水滴、磁化荷電液滴與煤塵顆粒碰碰撞過程中最大鋪展半徑系數(D*)、液膜中心高度系數(H*)及液滴在煤塵顆粒表面鋪展形態的變化規律。

3.3.1磁化荷電液滴D*及H*變化規律

圖6 為3 種工況下磁化荷電液滴與普通水滴D*、H*的變化規律對比。普通水滴碰撞過程會發生拉伸、分裂、聚合、回彈等現象，D*及H*曲線劇烈波動。粒徑比不變時，速度越大，波動越大；碰撞速度不變時，粒徑比越小，波動越大。相反，磁化荷電液滴D*曲線線性增大到最大值后保持穩定，H*曲線線性減小到最小值后保持穩定。可見磁電耦合作用消除了相對碰撞速度和粒徑比變化對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*變化規律對比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變化對比。

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 時發生反彈，無法捕捉煤塵顆粒。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、鋪展速度加快，無反彈現象，在50.0 μs 時鋪展范圍達到最大，相較于普通水滴擴大了44.98%。可見，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，潤濕性能提高。

如圖7(b)所示，當相對碰撞速度增大到8 m/s 時，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 時液滴分裂成3 部分，29.8 μs 時發生回彈。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，且未發生分裂和回彈。可見磁化荷電作用削弱了相對碰撞速度過大所導致的液滴的分裂和回彈效應。

圖7(c)中普通水滴在17.3 μs 時液滴被拉長，30.0 μs時液滴在剪切力的作用下開始分裂，且分裂液滴體積占液滴總體積的一半，難以產生衛星液滴，霧化性能差，50.0 μs 時由于慣性力大于毛細管力，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 時液滴分裂呈狹長狀、體積占比小，并產生多個衛星液滴，霧化性能提高。這在噴霧降塵的應用中，可以增大微細液滴濃度，液滴與煤塵顆粒碰撞的概率增大，捕塵效率提高。50.0 μs 時在毛細管力的作用下，液滴全部包覆在煤塵顆粒的表面。可見磁電耦合作用提高了液滴的霧化性能。

綜上所述，通過對比分析普通水滴、磁化荷電液滴與球形煤塵顆粒碰撞過程H*及D*的動態變化，發現磁電耦合作用消除了相對碰撞速度和粒徑比變化所導致的液滴反彈效應。通過觀察液滴在球形煤塵顆粒表面的展鋪形態，發現磁化荷電液滴更易黏附在煤塵顆粒表面，包覆范圍擴大了44.98%，表面張力減小，液滴潤濕性能提高；且在磁電耦合作用下液滴更易分裂并產生衛星液滴，霧化性能提高，從而使微細液滴質量濃度增大，液滴與煤塵顆粒碰撞的概率增大，提高了捕塵效率。

3.4 模擬驗證

模擬驗證實驗，采用團隊自主搭建的磁化荷電水霧降塵實驗系統[28-29]，測定普通水霧、磁化水霧、荷電水霧、磁化荷電水霧4 種工況下的降塵效率。實驗煤樣選取疏水性的晉城無煙煤，采用Malvern MS3000激光粒度儀測定粉塵粒徑分布區間為1～74 μm，其中直徑為6～30 μm 的煤塵占比達66.3%。選用項目組自行研發的孔徑為1 mm 的跨音速氣動霧化噴嘴，供氣壓力為0.5 MPa，將無煙煤粉罐裝至粉塵發生器中，開啟風機使用變頻器調整巷道內風速達4 m/s，設置質量流量為10 kg/min，進給粉塵時間為1 min，為去除水霧影響在粉塵測定儀前后加上除霧器。在模擬巷道內設置3 個測點，測定儀1 和2 進行對照，測定儀3 確保粉塵完全沉降，保證實驗安全。粉塵測定儀測定時間均為進給結束后靜置3 min,每種工況重復3 組試驗，取均值作為最終結果。

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，驗證磁化荷電水霧降塵所具備的優越性，通過式(12)計算測點的的降塵效率，并取其平均值得到各噴霧降塵在整個模擬巷道上的降塵效率。

式中，C1為初始粉塵質量濃度，mg/m3；C2為降塵后的粉塵質量濃度，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比關系。實驗前全塵質量濃度為437.68 mg/m3，呼吸性粉塵質量濃度為264.73 mg/m3。應用磁化荷電水霧降塵后粉塵質量濃度大幅降低，呼吸性粉塵質量濃度降幅顯著，模擬巷道內全塵平均降塵效率達94.07%、呼吸性粉塵降塵效率達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%。可見磁化荷電水霧降塵具有顯著的優越性。

圖8 4 種工況下降塵效率對比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比，可知磁電耦合并非簡單的疊加作用，而是在磁化作用降低水霧表面張力、黏度等參數的同時，荷電作用使水霧與煤塵顆粒之間產生相互吸引力，在磁和電的協同作用下，提高了水霧的霧化和潤濕性能，從而提高降塵效率。

圖9 不同降塵技術后巷道環境Fig.9 Working environment after applying various dust control technology

4 結論

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

(2)磁化強度、荷電電壓與液滴表面張力之間并非呈線性負相關。磁化、荷電、磁電耦合作用對液滴浸潤性改善能力大小關系為：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。以疏水性晉城無煙煤煤塵為例，在磁化強度300 MT，荷電電壓8 kV 時，液滴表面張力達到最小值9.20 mN/m。

(3)液滴與球形煤塵顆粒碰撞過程中，磁電耦合作用消除了相對碰撞速度和粒徑比變化所導致的液滴反彈效應。相較于普通水滴，荷電磁化液滴更易分裂并產生衛星液滴，即霧化性能提高，微細液滴濃度增大，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大了44.98%，液滴潤濕性能顯著提高。

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