磁电耦合下喷嘴雾化特性及降尘效率研究_荆德吉.pdf

文章编号:1009-6094(2023)06-1944-08磁电耦合下喷嘴雾化特性及降尘效率研究荆德吉1,2,于 涛1,2,张 天1,2,任帅帅1,2,马明星1,2,马纪闯1,2(1 辽宁工程技术大学安全科学与工程学院,辽宁阜新 123000;2 矿山热动力灾害与防治教育部重点试验室(辽宁工程技术大学),辽宁阜新 123000)摘 要:为了探究磁电耦合作用下喷雾的降尘效果,对雾滴施加不同磁场强度与荷电电压进行交叉试验,测得未磁化未荷电、仅磁化作用、仅荷电作用及磁电耦合作用 4 种工况条件下的雾滴表面张力最小值,构建基于 KH 液滴破碎模型及湍流 模型的雾滴粒子场模型,利用 COMSOL 软件对以上 4 种工况条件下的雾滴粒子运动轨迹进行数值模拟,得到各工况条件下雾滴粒子的速度分布及粒径分布情况。结果表明:磁电耦合作用下的喷雾具有最佳雾滴粒子场,有99.5%的雾滴粒子粒径小于 45 m,其中超过 92%的雾滴粒子粒径小于 10 m;通过雾化降尘试验对以上 4 种工况条件下的降尘效率进行测定,得到磁电耦合作用下喷雾对全尘的降尘效率为 97.84%,对呼尘的降尘效率为 95.82%。关键词:安全卫生工程技术;雾滴;磁电耦合;粒径;降尘效率中图分类号:X513 文献标志码:ADOI:10.13637/j.issn.1009-6094.2021.2324收稿日期:20220106作者简介:荆德吉,教授,博士,从事粉尘防治理论与技术研究,jingdeji 。基金项目:国家自然科学基金青年基金项目(51704146);辽宁省自然科学基金项目(2020MS304)0 引 言粉尘污染问题是影响职业健康和安全生产的关键因素1 3,现阶段针对降尘应用最为广泛的是湿式除尘技术,但由于部分粉尘高疏水性的特点,普通的水雾很难对其进行捕捉,粉尘污染仍未得到很好的抑制4 6。目前,在改善水雾润湿性方面运用最多的是水磁化技术和水雾荷电技术7 9。1997 年,颜士华等10提出了磁化水可以改变水的表面张力,进而改善水雾与尘粒的接触和凝并条件这一新理论。2014年,陈梅岭等11首先对新型磁水器进行了试验和测定,并得出磁感应强度为 170 mT、水压为 2 MPa 时,降尘效果最佳,比非磁化水的降尘率高 16.36%。Gaunt 等12通过试验发现,带电喷雾使小颗粒(Cbr,则液滴发生破碎,其中 Cb=0.5。2)连续相模型。湍流动能 方程为t()+xi(ui)=xi+t|xi+G+Gb-YM+S(5)耗散率 方程为t()+xi(ui)=xi+t|xi+G+C1(G-C3Gb)-C22+S(6)式中 为湍流动能,J;为耗散率,%;和 分别为 和 的普朗系数;ui指瞬时速度,m/s;t是湍动黏度,Pas;G是由于平均速度梯度引起的湍动能 的产生项;G是由于平均速度梯度引起的湍动能 的产生项;S和 S分别为 方程和 方程的源项;Gb是由于浮力引起的湍动能 的产生项;YM代表波动膨胀对湍流耗散率的影响;xi为颗粒第 i 秒的位移量,m;为流体动力黏度,Pas;C1=1.44,C2=1.92,C3=0.09,=1.0,=1.3。2.3 模型条件设定按照模型参数进行模拟设置,具体模型边界条件设定见表 2。2.4 不同工况条件下的雾滴粒子仿真模拟选取 4 种工况条件下液滴表面张力最小值(即未磁化未荷电时为 73.774 mN/m,仅磁化作用时为71.265 mN/m,仅荷电作用时为 71.125 mN/m,磁电耦合作用时为 67.076 mN/m)对雾滴粒子场进行仿真模拟。模拟结果见图 3。对比 4 种工况条件下模拟的雾滴粒子轨迹 xz截面图(图 3),图中颜色代表雾滴粒子的速度,可以发现:雾滴粒子由喷嘴喷出 0.01 s 时,4 种工况条件下的雾滴粒子速度均逐渐衰减,在喷雾上部,相比于其他工况,仅磁化作用时仍有部分速度在 120 m/s左右的雾滴粒子存在。在喷雾中部,4 种工况条件下的大部分雾滴粒子的速度在 60 m/s 左右,在其中混有部分速度在 80 100 m/s 的雾滴粒子。在喷雾底部,图 3(a)和(b)的雾滴速度整体呈现衰减趋势,但其中仍混有部分速度较高的粒子,喷雾出现了粒子运动轨迹不连续的情况;图 3(c)和(d)的大部分雾滴粒子速度已衰减至 20 m/s 以下,但磁电耦合作用时仍有一部分速度在 60 m/s 左右的雾滴粒子混于其中,即基于磁电耦合作用时的喷雾底部仍有部分粒子维持了一定的速度,以满足雾滴与尘粒结合所需的碰撞速度,且喷雾为整体连续的状态。表 2 模型条件设定Table 2 Model condition setting参数名称设定值大气压力/Pa101 325温度/K293.15粒子类型液滴/气泡粒子密度/(kgm-3)1 000粒子动力黏度/(Pas)0.001KH 模型系数10每次破碎释放的最大粒子数10粒子初始速度/(ms-1)150速度空间粒子数200粒子初始粒径/mm0.1湍流法向流入速度/(ms-1)0.01湍流强度(中)0.05湍流长度基于几何壁条件冻结3 雾粒仿真模拟结果分析根据不同工况条件下的雾滴粒子仿真模拟结果,绘制出 4 种工况条件下的粒子速度分布及粒径分布情况(图 4 中直方图为粒子在当前速度 粒径下的数量占比,折线代表粒子在当前速度和粒径下的累积占比),并对相应工况的模拟结果进行分析。6491 Vol.23 No.6 安全 与 环 境 学 报 第 23 卷第 6 期图 3 4 种工况条件下的粒子轨迹 xz 截面图Fig.3 Cross sections of particle trajectories xz under four working conditions 对比 4 种工况条件下的粒子速度分布及粒径分布的模拟结果发现,未磁化未荷电时速度在 60 m/s以下的粒子分布较为均匀,而在仅磁化作用时的粒子分布波动较大,在仅磁化作用时获得了更多速度高于 120 m/s 的粒子,约占粒子总数的 11%。未磁化未荷电与仅磁化作用条件下的粒子粒径分布均集中于 40 m 以下,但小于 10 m 的粒子数仅磁化作用条件下约占 90%,未磁化未荷电时仅占 87%。对比仅荷电作用与磁电耦合作用时的粒子速度,对于速度高于90 m/s 的粒子数仅荷电作用占23%,而磁电耦合作用只占 13%。因此,仅荷电作用具有较多的高速粒子,但同等条件下,磁电耦合作用下的粒子分布于各速度段更为均匀,形成的喷雾更为稳定。对比两种工况条件下的粒径分布,仅荷电作用时粒径小于 48 m 的粒子占粒子总数的 99.5%,小于 10m 的粒子约为 87%。而磁电耦合作用时粒径小于45 m 的粒子占总数的 99.5%,其中小于 10 m 的粒子更是达到了 92%。4 控尘性能试验对未磁化未荷电、仅磁化作用(磁场强度 300mT)、仅荷电作用(荷电电压 9 kV)、磁电耦合作用(磁场强度 300 mT、荷电电压 9 kV)4 种工况条件进行喷雾降尘效果试验研究,并与模拟结果进行比较分析17 18。4.1 试验平台设计及仪器雾化降尘试验系统主要包括发尘、喷雾及除尘3 个部分。使用的试验仪器主要包括粉尘发生装置JP50L 型空气压缩机(浙江圣帕空压机制造有限公司),以及降尘效果试验所用的 JDT08A/JDB08A 型高压喷雾机(深圳旭日环保设备公司)、磁化器(长治市海门科技开发有限公司)、CCZ20 型粉尘采样器(常熟市德虞矿山机电有限公司)。图 5 和 6分别为喷雾降尘效果试验实物图与平台连接示意图。4.2 试验设计雾化降尘试验设置了 4 组对比试验,即对比普通水雾、磁化水雾、荷电水雾及磁电耦合水雾对全尘及呼尘的沉降能力,并对各工况条件下的质量浓度变化进行分析,得到各工况条件下的降尘效率,总结磁电耦合水雾与其他 3 种水雾条件相比的优势所在19 20,同时,进一步对仿真模拟的结果进行了验证,也为现场应用的实现提供一定的基础。4.3 试验结果与分析通过记录各工况条件下的质量浓度变化,计算各工况条件下的降尘效率,降尘效率计算公式为=0-t0 100%(7)式中 为粉尘的除尘效率,%;0为粉尘初始质量浓度,mg/m3;t为 t 时间的粉尘质量浓度,mg/m3。4.3.1 4 种工况条件下的试验结果分析本次试验先只开启发尘装置发尘 60 s,待煤尘稳定并充满降尘装置时,将此时的质量浓度作为试74912023 年6 月 荆德吉,等:磁电耦合下喷嘴雾化特性及降尘效率研究Jun.,2023图 4 4 种工况条件下粒子速度分布与粒径分布情况Fig.4 Particle velocity distribution and particle size distribution under four operating conditions验的初始质量浓度(全尘的初始质量浓度记为 0,呼尘的初始质量浓度记为 0)。发尘结束后,开启喷雾装置开始降尘,选取装置内粉尘质量浓度变化明显的 3 个时间点 60 s、180 s、300 s,分别记录喷雾装置开启 60 s、180 s、300 s 时的全尘质量浓度 1、2、3及呼尘质量浓度 1、2、3。其变化情况见表 3。从表 3 可以发现,在不同工况条件下,全尘与呼尘的质量浓度随降尘时间的增加,整体呈现逐渐降低的趋势,且在降尘时间为 60 s 时,各工况条件下的粉尘质量浓度均具有最大降幅,且此时全尘和呼尘的质量浓度的降幅由小到大的排序为未磁化未荷电、仅磁化作用、仅荷电作用和磁电耦合作用。由此可见,对于全尘和呼尘的沉降,磁电耦合作用下的水雾效果更为明显,且对于呼尘的去除作用更为显著。8491 Vol.23 No.6 安全 与 环 境 学 报 第 23 卷第 6 期4.3.2 4 种工况条件下的除尘效率分析根据全尘及呼尘质量浓度变化的测定结果,通过式(7)计算出 4 种工况条件下在降尘时间为 60 s、180 s、300 s 时喷雾对全尘及呼尘的沉降效率,结果见表 4。表 3 不同工况条件下的全尘及呼尘质量浓度变化Table 3 Changes of total dust and respiratory dust mass concentration under different working conditions工况条件全尘质量浓度/(mgm-3)呼尘质量浓度/(mgm-3)01230123未磁化未荷电384.15139.25102.7663.4169.6428.2916.479.75仅磁化作用379.4491.6759.8425.2370.3217.1110.246.36仅荷电作用382.9270.2736.1913.1571.0313.527.094.98磁电耦合作用381.6742.9415.788.2670.388.315.832.94表 4 全尘与呼尘的沉降效率Table 4 Dust reduction efficiency of full dust and exhaled dust工况条件降尘效率/%60 s180 s300 s全尘呼尘全尘呼尘全尘呼尘未磁化未荷电63.7559.3873.2576.3583.4986.00仅磁化作用75.8475.6784.2385.4493.3590.96仅荷电作用81.6580.9790.5590.0296.5792.99磁电耦合作用88.7588.1995.8791.7297.8495.82通过对 4 种工况条件下的水雾进行降尘效果试验研究,结果表明:喷雾时间为300 s 时,磁电耦合水雾对全尘的降尘效率为 97.84%,对呼尘的降尘效率为 95.82%,相比其他工况,磁电耦合作用时,水雾具有最佳降尘效果。当磁化与荷电对雾滴进行双图 5 试验系统仿真平台实物图Fig.5 Physical drawing of simulation platform ofexperimental system重作用时,相对于单独作用情况下雾滴表面张力的降低表现出二者的协同作用,能够获得与普通水雾、磁化