李 哲，葛少成，孫麗英，陳 曦，陳景序，張小偉

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

0 引言

煤炭作為我國(guó)主要能源之一，其產(chǎn)量由2015—2022年呈連續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，且我國(guó)采煤方式以綜采為主[1]，不可避免的造成粉塵擴(kuò)散。危害礦井工作人員身體健康的同時(shí)也對(duì)安全生產(chǎn)造成不良影響，因此必須對(duì)粉塵進(jìn)行有效防控。煤礦井下采用的降塵方式主要有通風(fēng)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(jiǎn)便、性能優(yōu)越被廣泛應(yīng)用，但降塵效果相對(duì)有限[5]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)井下除塵這一問(wèn)題做了大量研究與實(shí)驗(yàn)，旨在達(dá)到理想的降塵效果。

近年來(lái)，不斷有專家學(xué)者提出在噴霧降塵基礎(chǔ)上采用磁化水溶液[6]和靜電噴霧除塵[7]2種方式，以此來(lái)提高噴霧降塵效率。聶百勝等[8]認(rèn)為磁化水溶液在一定磁強(qiáng)范圍內(nèi)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(shí)粉塵外溢的問(wèn)題；Wang等[10]認(rèn)為磁化會(huì)使水分子中氫鍵作用減弱；Sung等[11]認(rèn)為經(jīng)過(guò)磁化處理過(guò)的水溶液電導(dǎo)率更低，蒸發(fā)率更高；Toledo等[12]認(rèn)為經(jīng)過(guò)磁化的液態(tài)水分子會(huì)由大分子團(tuán)簇破裂成小分子團(tuán)簇；吳琨等[13]認(rèn)為荷質(zhì)比能夠很好地表征水霧荷電性能；李林[14]認(rèn)為水霧荷電在135 ℃仍可以促進(jìn)超細(xì)顆粒物團(tuán)聚，以規(guī)避二次揚(yáng)塵，進(jìn)而大幅改善井下作業(yè)環(huán)境；Balachandran等[15]認(rèn)為水霧荷電之后更容易去除細(xì)小顆粒；Kroll等[16]認(rèn)為在一定溫度下，帶電球形顆?？梢晕浇w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(guò)液滴在磁化、荷電時(shí)的受力分析揭示其霧化機(jī)理，進(jìn)一步研究清水通過(guò)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(shù)。研究結(jié)果對(duì)提高降塵效率，使井下工人擁有更好的生產(chǎn)環(huán)境，降低罹患?jí)m肺病的風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。

1 霧化機(jī)理

磁化水溶液是水溶液以一定速度流經(jīng)磁場(chǎng)并做切割磁力線運(yùn)動(dòng)，從而使溶液本身理化性質(zhì)發(fā)生改變。這時(shí)增加外加磁場(chǎng)使抗磁性物質(zhì)建立起與原磁場(chǎng)方向相反的附加磁矩，原子磁矩的內(nèi)部平衡被打破，內(nèi)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(yùn)動(dòng)的角頻率，rad/s。

電子繞原子核轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度受到影響，導(dǎo)致每個(gè)原子產(chǎn)生與其自身磁場(chǎng)方向截然相反的附加磁矩，附加磁矩的計(jì)算公式如式(2)所示：

(2)

(3)

式中：U為磁場(chǎng)勢(shì)能，J；θ為外加磁場(chǎng)與本身磁場(chǎng)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(dǎo)率，H/m。

(8)

本文實(shí)驗(yàn)采用感應(yīng)荷電的方式。在金屬噴嘴前方放置1個(gè)施加直流高壓的感應(yīng)環(huán)，此時(shí)金屬噴嘴與感應(yīng)環(huán)之間形成非均勻電場(chǎng)，基于電感應(yīng)原理，溶液與噴嘴接觸處形成偶電層，此時(shí)液體受壓力作用從金屬噴嘴噴出，進(jìn)入非均勻電場(chǎng)，液體離開噴嘴的過(guò)程即為液體受靜電力破碎的過(guò)程，同時(shí)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(guò)接地線導(dǎo)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(guò)電場(chǎng)時(shí)，液滴在電場(chǎng)中荷電，打破了液滴原有的內(nèi)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(dá)到一定值時(shí)液滴發(fā)生破碎，磁化水溶液內(nèi)聚能減弱。霧滴破碎所做表面功越少，更易達(dá)到Rayleigh極限。

Rayleigh極限計(jì)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(shù)；σ為液滴表面張力，mN/m；r為液滴粒徑，μm。

水溶液受磁場(chǎng)作用使煤塵潤(rùn)濕性增強(qiáng)，受電場(chǎng)作用使煤塵與霧滴之間相互吸引如圖2所示，再通過(guò)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(shí)更好地浸潤(rùn)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(shí)驗(yàn)方法及裝置

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

磁化荷電噴霧霧化粒徑測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示，測(cè)試系統(tǒng)由供電裝置、噴霧裝置和測(cè)試裝置3部分構(gòu)成。

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

周群[18]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)水以4 m/s的速度通過(guò)管道時(shí)，其磁化效果最好，故設(shè)置清水通過(guò)多級(jí)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(fù)電靜電駐極電壓和絕緣材質(zhì)電極環(huán)構(gòu)成，電極環(huán)通過(guò)三腳架固定在噴嘴前方，靜電駐地電壓為本系統(tǒng)提供可調(diào)節(jié)荷電電壓；噴霧裝置由2-2200型無(wú)油空氣壓縮機(jī)、水箱和虹吸噴嘴構(gòu)成，空壓機(jī)外連接可調(diào)控壓力的閥門和觀測(cè)表以實(shí)現(xiàn)對(duì)本系統(tǒng)內(nèi)管路壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)控，水箱內(nèi)放置磁化水溶液；測(cè)試裝置由德國(guó)新帕泰克有限公司HELOS (H4116) & UNIVERSAL型噴霧激光粒度分析儀和計(jì)算機(jī)分析控制系統(tǒng)構(gòu)成，計(jì)算機(jī)分析控制系統(tǒng)使用PAQXOS 4.1測(cè)量軟件，該軟件可定義、控制整個(gè)測(cè)量過(guò)程，并同時(shí)處理測(cè)量的粒度分布數(shù)據(jù)、顯示結(jié)果并打印報(bào)告。

接觸角測(cè)量?jī)x實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由TD2202型負(fù)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(cè)量?jī)x、外接控制系統(tǒng)及分析軟件4部分構(gòu)成。其中，測(cè)量滴管采用1 mL的自動(dòng)吸液注液管，分析不同溶液時(shí)，注液管內(nèi)放置不同溶液，滴液精度為0.01 μL，軟件數(shù)字化控制其注射進(jìn)程，分析軟件采用Contact angle V3/V5全自動(dòng)三相分析軟件，該軟件能夠動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)跟蹤擬合數(shù)據(jù)，具備完善的分析計(jì)算功能和擬合方法。采用接觸式高壓荷電的方式，負(fù)電靜電駐極電壓通過(guò)絕緣線路連接到接觸角測(cè)量針管上，針管處帶上電壓進(jìn)而溶液帶上電荷，如圖4所示。

圖4 接觸角測(cè)量?jī)x實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.4 Experimental platform of contact angle measuring instrument

自主搭建的自動(dòng)化可視多因素耦合的除塵實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖5所示，該平臺(tái)主要包括4個(gè)部分：發(fā)塵系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)及模擬巷道系統(tǒng)、測(cè)塵系統(tǒng)和噴霧捕塵系統(tǒng)。發(fā)塵系統(tǒng)由HRH-DAG768型粉塵氣溶膠發(fā)生器和2-2200型無(wú)油空氣壓縮機(jī)組成，該系統(tǒng)通過(guò)原動(dòng)機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為氣體壓力能，通過(guò)調(diào)控氣體流量來(lái)控制發(fā)塵濃度，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同濃度粉塵場(chǎng)的控制；風(fēng)機(jī)及模擬巷道系統(tǒng)采用亞克力板和剛性骨架構(gòu)建0.8 m×1 m×1.5 m(長(zhǎng)×寬×高)的模擬巷道，采用壓入式通風(fēng)在巷道與風(fēng)機(jī)之間連接擴(kuò)散風(fēng)筒，確保粉塵能在模擬巷道中均勻擴(kuò)散；測(cè)塵裝置為CCHZ-1000全自動(dòng)粉塵測(cè)定儀，其測(cè)量誤差<10%，采樣流量為2 L/min，可測(cè)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(dòng)化可視多因素耦合的除塵實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.5 Automated visual multi-factor coupling dust removal experimental platform

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

采用接觸角測(cè)量?jī)x實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試液滴在磁化、荷電、磁化荷電條件下水的表面張力。本文實(shí)驗(yàn)磁強(qiáng)參數(shù)選用150，200，250，300，350，400，450，500 mT；荷電電壓參數(shù)為0，1，2，3，4，5，6，7，8 kV；磁化荷電參數(shù)選用磁強(qiáng)參數(shù)與荷電電壓參數(shù)兩兩相匹配，每組實(shí)驗(yàn)測(cè)試3次，求其平均值為結(jié)果。

采用磁化荷電噴霧霧化粒徑測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試磁化、荷電、磁化荷電條件下霧滴粒徑大小。本文實(shí)驗(yàn)磁強(qiáng)參數(shù)選用與上述實(shí)驗(yàn)一致，荷電電壓參數(shù)選用0，3，6，9，12，15 kV；磁化荷電參數(shù)選用磁強(qiáng)參數(shù)與荷電電壓參數(shù)兩兩相組合。因煤塵帶負(fù)電[19]，故感應(yīng)荷電時(shí)選用負(fù)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(zhì)比隨電極環(huán)直徑增大而減小，但若電極環(huán)過(guò)小，霧滴噴濺至電極環(huán)上會(huì)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(shí)驗(yàn)測(cè)試3次，求其平均值為結(jié)果。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 磁場(chǎng)與電場(chǎng)對(duì)溶液表面張力的影響

通過(guò)接觸角測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)探究表面張力的變化如圖6 所示。在150～350 mT內(nèi)水溶液的表面張力隨磁化強(qiáng)度的增大而減小，在350 mT時(shí)達(dá)到最低，而后在350～400 mT時(shí)表面張力隨磁化強(qiáng)度的增大而增大，450～500 mT時(shí)變化緩慢，趨于平穩(wěn)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，清水經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)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(xiàn)多極值增減變化趨勢(shì)，證明存在最佳磁化強(qiáng)度。

圖6 磁場(chǎng)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(guò)電場(chǎng)帶上電荷時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果可知液滴受到電場(chǎng)力時(shí)，表面張力作用減小，電場(chǎng)力越大作用越明顯。

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

當(dāng)荷電電壓增至8 kV時(shí)液滴內(nèi)電荷量q達(dá)到Rayleigh極限，液滴內(nèi)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(shí)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(shí)驗(yàn)不再考慮8 kV及以上荷電電壓時(shí)表面張力值的變化。

圖8 8 kV時(shí)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(shí)表面張力變化結(jié)果如圖9所示，150～350 mT之間都呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，且荷電電壓越高其初始表面張力越小，均在350 mT時(shí)表面張力達(dá)到最小值；在350～400 mT時(shí)不同荷電電壓的表面張力呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，400～500 mT時(shí)表面張力隨磁化強(qiáng)度的增加而減小。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知荷電電壓越大其表面張力越小，當(dāng)荷電電壓一定時(shí)，磁化強(qiáng)度在350 mT時(shí)表面張力最小。實(shí)驗(yàn)中溶液先受到磁場(chǎng)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(shù)量變少，大分子團(tuán)聚分散成小分子，導(dǎo)致水分子之間間距增大，溶液內(nèi)聚力減弱；而后液滴再受到電場(chǎng)力的作用，使液滴帶上電荷，此時(shí)溶液內(nèi)聚力已被減弱故其受力平衡更快被打破，液滴被拉長(zhǎng)，更易破碎。相比磁化水溶液和荷電溶液，磁化荷電時(shí)溶液表面張力變化更明顯。周群[18]通過(guò)分子模擬軟件和傅里葉紅外光譜儀證實(shí)：溶液的理化性質(zhì)并非隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大，而是存在最佳磁化強(qiáng)度，結(jié)合本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到其最佳磁化強(qiáng)度為350 mT。

3.2 磁場(chǎng)與電場(chǎng)對(duì)粒徑的影響

在探究磁場(chǎng)對(duì)霧滴粒徑影響的實(shí)驗(yàn)中，采用磁化荷電噴霧霧化粒徑測(cè)試系統(tǒng)，在水箱內(nèi)放置不同磁化強(qiáng)度的磁化水溶液測(cè)量霧滴粒徑變化規(guī)律，如圖10 所示。在150～350 mT內(nèi)霧滴粒徑隨磁化強(qiáng)度增大而減弱，在350 mT時(shí)達(dá)到最小，350～400 mT時(shí)出現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)，在400～500 mT時(shí)出現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)。

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

在探究電場(chǎng)對(duì)霧滴粒徑影響的實(shí)驗(yàn)中，將水箱內(nèi)的磁化水溶液更換為清水，再通過(guò)磁化荷電霧化系統(tǒng)探究粒徑的變化規(guī)律，本文實(shí)驗(yàn)選用索太爾平均直徑(SMD)來(lái)表示粒徑大小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示，0～3 kV時(shí)粒徑隨荷電電壓增大而減小，在3 kV時(shí)達(dá)到最小值，3～6 kV時(shí)出現(xiàn)上升趨勢(shì)，9～12 kV變化緩慢。

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

在磁化荷電時(shí)霧滴粒徑的變化如圖12所示，150～350 mT時(shí)不同荷電電壓下的霧滴粒徑均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且均在350 mT時(shí)粒徑達(dá)到最小；350～400 mT時(shí)不同荷電電壓的霧滴粒徑出現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)，而后在400～500 mT時(shí)，基本趨于穩(wěn)定。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知荷電電壓為9 kV、磁化強(qiáng)度為350 mT時(shí)霧滴粒徑最小。噴霧降塵時(shí)液滴破碎為霧滴，此時(shí)需克服表面張力做功，由上文靜態(tài)實(shí)驗(yàn)可知，液滴經(jīng)過(guò)磁化荷電后表面張力已被減弱，液滴霧化時(shí)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(jī)率增大，捕塵效率提升。但電壓過(guò)高時(shí)液滴出現(xiàn)相互吸引現(xiàn)象，液滴開始凝并，粒徑再次呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。

圖12 磁化荷電時(shí)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(shù)集中在30～33 μm，隨著磁化強(qiáng)度增大，霧滴粒徑中心出現(xiàn)左移趨勢(shì)，且在350 mT時(shí)達(dá)到最??；靜電噴霧作用下的霧滴粒徑頻度分布更加分散，眾數(shù)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(shí)霧滴粒徑頻度分布最為集中且均勻，眾數(shù)集中在25～28 μm，且存在最佳磁化強(qiáng)度和荷電電壓。結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出最佳霧化參數(shù)為磁化強(qiáng)度350 mT，荷電電壓9 kV，如圖13所示。

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

4 降塵效率實(shí)驗(yàn)

由上述實(shí)驗(yàn)可知最佳霧化參數(shù)為磁化強(qiáng)度350 mT、荷電電壓9 kV，通過(guò)自主搭建的自動(dòng)化可視多因素耦合除塵實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試其降塵效率，實(shí)驗(yàn)煤樣選取為非浸潤(rùn)性的晉城無(wú)煙煤。因井下造成塵肺病的主要原因?yàn)槲⒓?xì)粉塵，故本文實(shí)驗(yàn)粉塵濃度范圍設(shè)定為200目以下，風(fēng)速設(shè)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(cè)定儀前后加上除霧器，在模擬巷道前后兩端設(shè)置2個(gè)捕塵點(diǎn)，第1個(gè)捕塵點(diǎn)為測(cè)點(diǎn)，第2個(gè)捕塵點(diǎn)確保使粉塵完全沉降，增加實(shí)驗(yàn)安全性。

由粉塵測(cè)定儀測(cè)得初始和處理后的粉塵濃度，并計(jì)算降塵效率，降塵效率計(jì)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(shí)其全塵降塵效率為54.7%，呼塵降塵效率為40.51%；通過(guò)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(dá)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(nèi)部空氣渾濁，可見度低。使用磁化荷電水霧降塵后，箱體內(nèi)空氣潔凈，可見度高。

圖14 不同場(chǎng)降塵效率對(duì)比Fig.14 Comparison of dust reduction efficiency under different fields

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

5 結(jié)論

1)清水經(jīng)磁化荷電后潤(rùn)濕性增強(qiáng)，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(jìn)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(qiáng)度的增加出現(xiàn)先下降再上升而后平穩(wěn)的趨勢(shì)，證明磁化荷電存在最佳參數(shù)。

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(shí)達(dá)到最小值，此時(shí)的粒徑頻度分布最為集中且均勻，其眾數(shù)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%。