葛少成，孫麗英，荊德吉，姜彥吉，陳景序，陳 曦

(1. 遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000；2. 礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室(遼寧工程技術大學)，遼寧 阜新 123000)

0 引言

粉塵是工業(yè)生產(chǎn)中常見的危害，不僅時刻威脅著安全生產(chǎn)，也對人的身體健康產(chǎn)生了巨大的影響[1-3]。傳統(tǒng)降塵手段，如機械式、濕式和靜電降塵能夠很好地控制總粉塵危害，但對微細粉塵的控制效果并不好。水霧荷電除塵結合了濕式除塵與靜電除塵，是一種新式的凈化微塵技術，相比于其他降塵方式，具有一些獨特的優(yōu)點，如液滴尺度更小、霧化流場可以通過電參數(shù)調節(jié)、能夠去除有毒有害氣體等[4]。因此，水霧荷電降塵是未來降塵技術的主要發(fā)展方向之一，而如何提高水霧荷電性能，從而提升微細粉塵的控制效率，是亟待解決的問題。

國內外許多學者對影響水霧荷電性能的因素進行了研究。楊超珍等[5-7]建立了感應充電過程的電學模型，探討了電極結構參數(shù)、電極環(huán)直徑、電極環(huán)位置對荷電效果的影響；代亞猛等[8]研究了不同孔徑噴嘴對霧化性能的影響；Carroz等[9]通過試驗，研究了噴嘴孔徑、感應面積、氣體流量、液體壓力、流體的導電性和電壓對噴霧荷電效果的影響。雖然研究人員在水霧荷電過程的影響因素方面做了大量實驗研究，但現(xiàn)有相關研究均是基于固定其余因素水平不變條件下的單因素影響特性研究，而考慮多因素作用時，僅將多組單因素實驗得出的結果進行擬合式線性疊加，這會造成擬合結果與實際情況的偏差。針對此問題，本文設計了氣液兩相水霧荷電正交實驗，在考慮多因素相互作用的情況下，對實驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，這樣不僅能夠通過測試分析準確得出水霧荷電過程中荷質比的變化規(guī)律，而且也能為相關研究提供新的思路與方法，具有一定的實際指導意義。

1 氣液兩相感應荷電噴霧原理

圖1為氣液兩相射流破裂感應荷電原理圖。利用伯努力原理，液體在高速氣體作用下破碎霧化。同時，在噴嘴電極(接地)前放置一個環(huán)形電極，對電極環(huán)施加負高壓，使其與接地的噴嘴之間形成電場。由靜電感應理論[10]可知，液體和噴嘴接觸處將會產(chǎn)生很厚的偶電層。偶電層中的負電荷通過接地的噴嘴導入地面，正電荷在負高壓電極環(huán)吸引下遷移到液體表面，從而形成帶有正電荷的霧化液滴，水霧感應荷電過程完成。

圖1 射流破裂感應荷電原理Fig.1 Induction charge principle of fluidic rupture

2 氣液兩相噴霧荷質比影響因素實驗

2.1 實驗裝置

實驗采用網(wǎng)狀目標法測量液滴荷質比，該方法操作簡便，對實驗環(huán)境要求不高，可以在實際工程應用中，實現(xiàn)連續(xù)、實時地檢測與監(jiān)控。實驗裝置包括：供電系統(tǒng)、噴霧裝置和測量裝置3部分，如圖2所示。其中，供電系統(tǒng)由負高壓靜電發(fā)生器和無銹鋼材質電極環(huán)組成，電極環(huán)使用絕緣塑料棒固定于高度可調的三腳架上，通過靜電發(fā)生器供電產(chǎn)生電場；噴霧裝置由空氣壓縮機、氣動隔膜泵、水箱和氣液兩相噴嘴組成，空氣壓縮機上有2個排氣口，分別實現(xiàn)氣路供氣以及為液路供水提供動力，氣液兩相管路分別裝有壓力表、流量計與控制閥門，最終匯合于氣液兩相噴嘴，通過觀測表的示值、調節(jié)控制閥門能夠實現(xiàn)對管路壓力及流量的精確控制，從而改變流量和粒徑的大?。粶y量裝置由金屬錐形筒、金屬網(wǎng)和微安表組成，錐形筒中內置金屬網(wǎng)，微安表連接錐形筒壁與大地，同時設置回流管收集液滴。圖3為該裝置的實物圖。

當荷電液滴群體到達網(wǎng)狀接收裝置后，電荷聚集在金屬網(wǎng)上，金屬網(wǎng)與地面構成回路時，能夠產(chǎn)生微電流，用精密微安表測出其電流；同時，采集裝置收集液滴群體至出水箱，通過流量計測出液體的體積流量。在一定時間t內，液滴群體的平均荷質比λ可由式(1)計算得到。

(1)

式中：λ為帶電液滴平均荷質比，C/kg；Q為液滴群體的電荷量，C；m為液體質量，kg；I為電流，A；t為測量時間，s；ρ為液體密度，kg/m3；qv為液體的體積流量，m3/s。

1—空氣壓縮機；2—精密微安表；3—環(huán)形電極；4—噴嘴；5—壓力表；6—閥門；7—流量計；8—水泵；9—高壓靜電發(fā)生器；10—水箱；11—支架；12—金屬網(wǎng)圖2 荷電噴霧實驗裝置Fig.2 Electrical spray testing device

圖3 實驗裝置實物Fig.3 Picture of real device

2.2 實驗設計

根據(jù)文獻[11-13]，帶電液滴的荷質比越大，對細微粉塵的吸附效果越好。因此，選擇荷質比作為實驗指標，能夠反映荷電霧化過程的噴霧效果。

影響氣液兩相荷電噴霧過程中液滴荷質比的因素包括：荷電電壓、氣相射流壓力、液相射流壓力、電極間距、電極環(huán)直徑、噴嘴孔徑、液滴荷電量、液滴粒徑和液體流量等，這些因素通過直接或間接的方式影響液滴的荷質比。通過分析各變量之間的相關關系，確定各因素之間的直接影響與間接影響，繪制因素關系路徑圖，進一步確定獨立因素。圖4為水霧荷電過程因素關系路徑圖，路徑圖中基本因素包括：荷電電壓x1、氣相射流壓力x2、液相射流壓力x3、電極間距x4、電極環(huán)直徑x5、噴嘴孔徑x6，這些即為實驗選取的獨立因素。由于液滴荷電量、液滴粒徑和液體流量是通過上述6種獨立因素控制調節(jié)，因此不作為本次實驗考慮的基本因素。

圖4 因素關系路徑Fig.4 Path diagram of factors’ relation

本次實驗確定了6個獨立因素，而多因素實驗的實驗次數(shù)會根據(jù)因素數(shù)與實驗水平數(shù)的增加呈指數(shù)倍增長，這不僅在實驗過程中需要消耗大量的人力物力，對于實驗數(shù)據(jù)的鑒別、篩選與處理也帶來了巨大的困難。因此，采用正交實驗的方法，選擇具有代表性的因素水平組合進行實驗，能夠在不影響實驗結果的情況下，大大減少實驗次數(shù)，縮短實驗周期[14-15]。實驗根據(jù)獨立因素對荷質比作用顯著的范圍以及儀器的量程選擇合適的水平：其中，荷電電壓劃分為-2 kV、-4 kV、-6 kV、-8 kV、-10 kV、-12 kV(荷電電壓是影響水霧荷電過程中液滴荷質比的主要因素，因此劃分為6水平，但是應該注意，當荷電電壓超過-12 kV時，將會發(fā)生電暈放電，降低荷電效果，這種情況不在本文討論范圍內)；氣相射流壓力劃分為0.1 MPa、0.15 MPa、0.2 MPa；液相射流壓力劃分為0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa；電極間距劃分為5 mm、10 mm、15 mm，電極環(huán)直徑劃分為60 mm、70 mm、80 mm(電極環(huán)須與霧錐面保持一定的距離，否則霧錐面與電極環(huán)接觸將產(chǎn)生帶負電的液滴，與感應產(chǎn)生的正電荷抵消，影響荷電效果)[16-17]；噴嘴直徑劃分為0.6 mm、0.8 mm、1.0 mm。實驗正交表及測試數(shù)據(jù)如表1所示，表中序號不代表實驗順序。每組實驗重復3次取平均值，可以減小隨機誤差的影響。

3 荷質比預測模型

3.1 分析方法選擇

常見的處理正交實驗數(shù)據(jù)的方法有極差分析法和方差分析法。極差分析法處理過程簡單易行，但無法區(qū)分數(shù)據(jù)的波動是否由實驗誤差引起；方差分析法能夠區(qū)別實驗誤差范疇的方差與實驗因素水平改變范疇的方差，從而能夠在分離實驗誤差的情況下，分析各個實驗因素對實驗指標的影響及其顯著性。但2者均是離散方法，使用這2種方法處理實驗數(shù)據(jù)，不能全面地描述多因素耦合條件下因素對指標的影響作用，也無法量化它們之間的關系。

為了準確預測正交實驗未覆蓋的實驗點下的帶電液滴荷質比，并考慮到實驗中各因素均可視作連續(xù)變量，而且正交實驗點均是實驗空間中具有代表性的實驗點，所以選擇多因素回歸分析的方法處理實驗數(shù)據(jù)，能夠將具有代表性的離散實驗點連續(xù)化，得到多因素擬合回歸方程，其一般形式如式(2)所示。

(2)

式中：λ為荷質比，μc/kg；β為回歸方程的系數(shù)；xk為因素水平k的實驗點。

3.2 預測模型建立

調用Matlab軟件中的regress函數(shù)對測試參數(shù)進行分析，回歸方程如式(3)所示，檢驗指標如表2所示。

λ=289.7+15.1x1+758.3x2-363.3x3+4.7x4-2.1x5-87.9x6

(3)

表1 實驗正交表及測試數(shù)據(jù)Table 1 Orthogonal test header and test data

表2 回歸模型檢驗指標Table 2 Regression model test rating

式(1)為水霧荷電過程的多元線性模型，在因素水平范圍內是存在極值的。當且僅當x1=12 kV、x2=0.2 MPa、x3=0.2 MPa、x4=15 mm、x5=60 mm、x6=0.6 mm時，λ=441.66 μc/kg為實驗條件下的最優(yōu)值。由于正交實驗中不包含該因素水平組合，需要使用實驗手段加以驗證。在同樣實驗條件下，實測該因素水平組合下的荷質比為428.39 μc/kg，誤差小于5%，證明該模型可以用于水霧荷電過程荷質比預測。

3.3 標準化模型建立與分析

上文中建立的荷質比預測模型能夠對荷質比進行預測，但卻不能比較不同因素對指標的貢獻程度。在衡量貢獻程度時，由于不同因素具有不同的量綱，為了使它們衡量指標時具有相同的尺度，首先要對數(shù)據(jù)進行標準化處理，這樣處理可以使不同因素都具有相同的表現(xiàn)力，標準化回歸系數(shù)的大小能夠反映不同因素對指標的相對貢獻大小，標準化計算方法如式(4)所示。

(4)

式中：xij′為第i組實驗因素j實驗點的標準化數(shù)據(jù)；xij為第i組實驗因素j實驗點數(shù)據(jù)；sj2為因素j的方差。

λ=0.694x1+0.416x2-0.398x3+0.259x4-0.228x5-0.193x6

(5)

測試數(shù)據(jù)標準化后，計算標準化回歸方程，如式(5)所示，由于方程中參數(shù)均為無量綱參數(shù)，該式僅僅反映因素與指標之間的映射關系，正負代表荷質比與因素的正負相關性，數(shù)值大小代表相關性大小。根據(jù)式(5)可知，因素x1,x2,x4與指標λ呈正相關，因素x3,x5,x6與指標λ呈負相關，根據(jù)標準化回歸系數(shù)的大小，得出各因素重要程度，其排序為x1>x2>x3>x4>x5>x6，該排序可以作為有效提升水霧荷電過程荷質比的依據(jù)。

為了驗證回歸模型的合理性，對各因素影響荷質比的原因進行定性分析。

1)荷電電壓項標準化回歸系數(shù)為0.694，遠大于其余各項系數(shù)，這表明荷電電壓對荷質比的影響是最顯著的，同時也說明了正交實驗設計時將荷電電壓劃分為6水平是合理的。隨著荷電電壓的增加，荷質比逐漸增大。一方面，荷電電壓的增大導致單個液滴的帶電量增大；另一方面，隨著電壓的增大，電極之間的場強增大，液滴的靜電力增大、表面張力減小。當靜電力大于表面張力時，液滴將破裂更小的液滴；最終荷電量增大，粒徑減小，所以液滴荷質比將增大。

2)氣相射流壓力項的系數(shù)為0.416，表明隨著氣壓的增大，荷質比增大。液滴靜電感應產(chǎn)生的靜電，一部分使液滴帶荷電，另一部分需要克服液滴本身的表面張力。當增大氣相壓力時，氣體流量隨之增大，這會使液滴具有更小的粒徑。而小粒徑液滴具有更小的表面張力，更多的靜電用于液滴荷電。粒徑減小，而荷電量增大，最終導致荷質比增大。

3)液相射流壓力項的系數(shù)為-0.398，表明隨著液壓的增大，荷質比減小。這是由于電壓一定時，靜電發(fā)生器的功率為定值，總電荷量不變，而液壓增大導致液體流量增加，會使單個液滴獲得電荷減少；液壓增大同時意味著氣液比的減小，導致液滴粒徑更大。荷電量減小，粒徑變大，導致荷質比減小。

4)電極間距項系數(shù)為0.259，表明電極間距的增大，液滴荷質比逐漸增大。一方面是電極間距越大，液滴處于靜電場的時間越長，有利于液滴充分帶電，荷電效果更好；另一方面，電極間距的增大縮小了環(huán)形電極與霧錐面之間的距離，增強了環(huán)形電極對液滴中負電荷的排斥能力，使單位時間內導入接地極的負電荷更多，導致通過環(huán)形電極的液滴帶上更多的正電荷，從而增強單個液滴的荷電效果。

5)電極環(huán)直徑相系數(shù)為-0.228，隨著電極環(huán)直徑的增大，液滴荷質比逐漸減小，主要是由于增大電極環(huán)直徑，使得環(huán)形電極與霧錐面之間的距離加大，電場強度減弱，并且環(huán)形電極對帶有負電荷液滴的排斥力減弱，同樣降低了液滴的荷電效果。

6)噴嘴孔徑項系數(shù)為-0.193，表明孔徑越小，液滴的荷質比越大。根據(jù)文獻[8]，小孔徑噴嘴產(chǎn)生的液滴粒徑更小，導致了荷質比的增大。

由上述分析可知，建立的標準化回歸模型符合水霧荷電過程的客觀規(guī)律。該模型對如何經(jīng)濟有效地提高液滴荷質比，改善水霧荷電成霧質量，并最終實現(xiàn)對微細粉塵的有效控制，有一定指導意義。

4 結論

1)使用路徑分析法選擇顯著影響荷質比的6個獨立因素，針對不同因素對荷質比的影響顯著性，設計水霧荷電正交實驗，能夠在不影響實驗效果的情況下大大減少實驗次數(shù)。

2)使用多元回歸分析的方法對正交實驗數(shù)據(jù)進行處理，建立回歸預測模型，能夠對正交實驗沒有覆蓋的實驗點進行預測，在所選因素水平范圍內，當且僅當荷電電壓為12 kV、氣相射流壓力為0.2 MPa、液相射流壓力為0.2 MPa、電極間距為15 mm、電極環(huán)直徑為60 mm、噴嘴孔徑為0.6 mm時，預測荷質比達到最優(yōu)值441.66 μc/kg，與實測值誤差小于5%。

3)通過對標準化的實驗數(shù)據(jù)進行擬合，建立標準化多元回歸模型，根據(jù)標準化回歸系數(shù)，得出因素重要程度的排序為荷電電壓、氣相射流壓力、液相射流壓力、電極間距、電極環(huán)直徑、噴嘴口徑。其中，荷質比與荷電電壓、氣相射流壓力、電極間距呈正相關；與液相射流壓力、電極環(huán)直徑和噴嘴孔徑呈負相關。深入分析各因素對荷質比的影響及原因，驗證了標準化回歸模型的合理性，可為相關研究提供借鑒。

[1] 葛少成，康卓偉，荊德吉，等.新型高分子抑塵劑的性能實驗研究[J].中國安全生產(chǎn)科學技術，2016，12(10)：56-61.

GE Shaocheng，KANG Zhuowei，JING Deji，et al.Experimental study on performance of a new type macromolecule dust suppressant[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2016,12(10):56-61.

[2] 荊德吉，葛少成.閉環(huán)回旋控塵技術的三維數(shù)值模擬研究[J].中國安全生產(chǎn)科學技術，2015，11(3)：79-84.

JING Deji，GE Shaocheng. Study on 3D numerical simulation of closed-loop dust control technology[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2015,11(3):79-84.

[3] 荊德吉，梁冰，葛少成，等.卸載破碎區(qū)域氣動噴霧聯(lián)合抑塵網(wǎng)除塵的數(shù)值模擬研究[J].中國安全生產(chǎn)科學技術，2016，12(12)：176-180.

JING Deji，LIANG Bing，GE Shaocheng, et al.Numerical simulation on dust-removal by pneumatic spray combinedwith porous fence at unloading and crushing area[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2016,12(12):176-180.

[4] 羅惕乾, 張軍, 王貞濤, 等. 荷電多相流理論及應用[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2010.

[5] 楊超珍，葉五梅，趙偉敏.電極位置影響荷電量的試驗研究[J].高電壓技術，2007，33(10)：79-82.

YANG Chaozhen,YE Wumei,ZHAO Weimin.Experimental Study on Effect of Electrode Position on Charged Volume[J]. High voltage Engineering, 2007,33(10):79-82.

[6] 楊超珍.電極環(huán)直徑的射流噴霧感應荷電效果試驗[J].排灌機械，2008，26(5)：64-67.

YANG Chaozhen. Experiment on induction charging effect of injection spray of electrode circle diamete[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2008,26(5):64-67.

[7] 楊超珍，吳春篤，陳翠英.環(huán)形電極感應充電機理及其應用研究[J].高電壓技術，2004，30(5)：9-11.

YANG Chaozhen,WU Chundu,CHEN Cuiying.Mechanism of inductioncharge of ring electrode and its application[J]. High voltage Engineering, 2004,30(5):9-11.

[8] 代亞猛，周艷，賈首星，等.3種孔徑的靜電噴頭噴霧性能比較[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學，2013，41(9)：358-360.

[9] CARROZ J W, KELLER P N. Electrostatic indicution parameters to attain maximum spray charge.[J]. Transactions of the Asae, 1978, 21(1):63-69.

[10] 向曉東. 除塵理論與技術[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2013.

[11] CAROTENUTO C, DI NATALE F, LANCIA A. Wet electrostatic scrubbers for the abatement ofsubmicronic particulate[J]. Chemical Engineering Journal, 2010, 165(1): 35-45.

[12] BALACHANDRAN W, JAWOREK A, KRUPA A, et al. Efficiency of smoke removal by charged waterdroplets[J]. Journal of Electrostatics, 2003, 58(3/4): 209-220.

[13] ADAMIAK K, JAWORKEK A, KRUPA A. Deposition efficiency of dust particles on a single, falling and charged water droplet[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2001, 37(3):743-750.

[14] 邵毅強. 正交試驗設計及多元回歸分析在研制超級吸水劑中的應用[J]. 紡織高?；A科學學報, 1991(2):160-165.

[15] 范步高.線性回歸分析法在正交試驗中的應用[J].中成藥，2013(1)：178-182.

[16] 何顯梅. 水霧感應荷電理論及試驗研究[J]. 金屬礦山, 1990(9):14-16.

[17] 鄭捷慶, 張軍, 羅惕乾. 水煤漿霧滴群荷電特性的試驗研究[J]. 中國電機工程學報, 2009, 29(14):80-85.

ZHENG Jieqing, ZHANG Jun, LUO Tiqian. Experimental Investigation on Charging Characteristics of Coal Water Slurry Droplets [J]. Proceedings of the CSEE, 2009,29(14):80-85.