磁化荷电液滴除尘机理及碰撞浸润煤尘数值仿真.pdf
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1、磁化荷电液滴除尘机理及碰撞浸润煤尘数值仿真熊光婷,葛少成,孙丽英,庞星宇,刘硕,陈曦,年军(太原理工大学安全与应急管理工程学院,山西太原030024)摘要:为进一步改善液滴雾化润湿性能、提高微细粉尘防治效率,以疏水性晋城无烟煤煤尘为例,采用磁电耦合表面张力交叉实验、球形液滴粉尘颗粒物碰撞 Comsol 两相流数值模拟及降尘效率对比实验相结合的手段,将液滴碰撞球形颗粒的动力学特征应用到喷雾降尘中,研究了磁化荷电液滴捕捉煤尘颗粒的动力学行为,揭示了磁化荷电水雾降尘机理。结果表明:磁化、荷电、磁电耦合作用对液滴浸润性改善能力大小关系为磁电耦合作用荷电作用磁化作用,且存在最佳耦合参数,在磁化强度为 3
2、00MT、荷电电压 8kV 时,液滴表面张力达到最小值 9.20mN/m;在液滴与球形煤尘颗粒碰撞过程中,磁电耦合作用消除了相对碰撞速度和粒径比变化对液滴捕捉煤尘颗粒的不利影响,磁化荷电后的液滴在煤尘颗粒表面无回弹现象;相较于普通水滴,磁化荷电液滴更易分裂并产生卫星液滴,即雾化性能提高,微细液滴质量浓度增大,液滴与煤尘颗粒碰撞概率增大;磁化荷电液滴表面张力和黏度减小,在煤尘颗粒表面铺展范围扩大了 44.98%,润湿性能显著提高。通过对比磁化荷电水雾与普通水雾的降尘效果,发现磁化荷电水雾全尘、呼吸性粉尘平均降尘效率分别达到 94.07%、82.69%,其效率分别提高了 39.16%、42.29%
3、。关键词:液滴;煤尘颗粒;磁电耦合;Comsol;碰撞;浸润中图分类号:TD714.4文献标志码:A文章编号:02539993(2023)09344110Numerical simulation on dust removal mechanism of magnetoelectric droplets andcollision wetting coal dustXIONGGuangting,GEShaocheng,SUNLiying,PANGXingyu,LIUShuo,CHENXi,NIANJun(School of Safety and Emergency Management Engin
4、eering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan030024,China)Abstract:Inordertofurtherimprovetheatomizationandwettingperformanceofdroplets,andincreasethecontroleffi-ciencyoffinedust,inthisstudy,thenon-wettinganthracitedustintheJinchengMinewastakenasanexample.Themeth-odofthecombinationofthecrossoverex
5、perimentsaboutmagnetoelectricpropertycoupledbysurfacetension,thetwo-phaseflownumericalsimulationonsphericaldroplet-dustparticlecollisionbyComsolandtheexperimentofdust-reduc-tionefficiencycomparisonwasadopted.Byapplyingthekineticcharacteristicsofsphericaldroplet-dustcollisiontospraydustreduction,thek
6、ineticbehaviorsofmagnetizedandchargeddropletscapturingcoaldustparticleswereinvestigated,andthedustsuppressionmechanismofmagneto-electriccoupledwatermistwasrevealed.Theresultsshowthatthereisnolinearpositivecorrelationbetweenmagnetisationstrengthanddropletsurfacetension.Therelationshipbetweenmag-netis
7、ation,chargeandmagneto-electriccouplingabilitytoimprovedropletwettabilityisasfollows:magneto-electric收稿日期:20221018修回日期:20230327责任编辑:王晓珍DOI:10.13225/ki.jccs.2022.1500基金项目:国家自然科学基金资助项目(52174195,52274220)作者简介:熊光婷(1998),女,陕西安康人,硕士。E-mail:通讯作者:葛少成(1973),男,内蒙古乌兰察布人,教授,博士生导师,博士。E-mail:引用格式:熊光婷,葛少成,孙丽英,等.磁化
8、荷电液滴除尘机理及碰撞浸润煤尘数值仿真J.煤炭学报,2023,48(9):34413450.XIONGGuangting,GEShaocheng,SUNLiying,etal.Numericalsimulationondustremovalmechanismofmagnetoelectric droplets and collision wetting coal dustJ.Journal of China Coal Society,2023,48(9):34413450.第48卷第9期煤炭学报Vol.48No.92023年9月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYSep.2023
9、couplingchargemagnetisation.Formagnetoelectricspray,thereexistoptimumcouplingparameters.Whenthemagnetiz-ationintensityis300MTandthechargevoltageis8kV,thesurfacetensionofthedropletistheminimum(9.20mN/m).Intheprocessofcollisionbetweensphericaldropletsandcoaldustparticles,magneto-electriccouplingelimin
10、atesthead-verseeffectsofchangesinrelativecollisionvelocityandparticle-size-ratioonthatdropletscapturecoaldustparticles.Atthistime,themagnetoelectricdropletswillnotreboundonthesurfaceofthecoaldustparticles.Comparedwiththenor-maldroplets,themagnetoelectricdropletsaremorelikelytosplitandproducesatellit
11、edroplets.Therefore,theatomiza-tionperformanceisimproved,theconcentrationoffinedropletsisincreasedandtheprobabilityofthecollisionbetweendropletsandcoaldustparticlesisincreased.Moreover,thesurfacetensionandviscosityofthemagnetoelectricdropletsarereduced,andthespreadingrangeonthesurfaceofcoaldustparti
12、clesisexpandedby44.98%,whichimprovestheat-omizationandwettingperformanceofdroplets.Bycomparingthedustreductioneffectofmagnetoelectricwatermistwithordinarywatermist,itwasfoundthatthereductionefficiencyofthefulldustandtherespirabledustformagneto-electricwatermistreached94.07%and82.69%respectively,whic
13、hincreasedby39.16%and42.29%respectively.Key words:droplet;coaldustparticle;magnetoelectriccoupling;Comsol;collision;wetting煤炭作为我国基础性能源,占能源消费总量的56%,国家统计局数据统计显示,2020 年、2021 年全国原煤产量分别达到 39 亿 t、40.7 亿 t1-2。随着煤矿开采机械化程度的提高,煤矿井下粉尘产量增大,由煤矿粉尘所引发的尘肺病及爆炸事故死亡人数已远高于同期煤矿其他生产事故死亡人数总和3。因此高效防治煤矿粉尘迫在眉睫。目前广泛采用的控除尘技术主要
14、有喷雾降尘、煤层注水、泡沫除尘等4。虽已有成效,但由于煤尘具有强疏水性,普通喷雾难以快速凝并对人体危害最大的呼吸性粉尘4-5。梁旺亮等6通过试验和工程应用证明局部封闭性状态的活性磁化水降尘措施,为粉尘治理提供了一种新型控除尘技术。王林等7通过数值模拟的方法,研究了影响荷电液滴群捕尘效率的因素,发现静电沉积占主导地位时,喷雾密度对捕集效率影响不大,液滴荷电量越大,微细粉尘颗粒捕集效率越高。SANDIPKPawar 等8-9从微观角度研究液滴对粉尘的润湿性,通过实验研究液滴与玻璃颗粒的碰撞,以改变碰撞参数和韦伯数来观察碰撞的状态,并将实验结果用于粒子液滴碰撞的未来理论和模拟研究。宋亮等10-11通
15、过建立液滴与颗粒碰撞的物理模型,研究了粒径比、润湿角、碰撞速度对碰撞结果的影响,发现提高液滴碰撞速度一定程度上可以提高液滴润性,润湿角小于 90时,粒径比越大,液滴在颗粒表面的展铺范围越大。近年来有学者提出将磁化水雾与荷电水雾协同应用到喷雾降尘中,贾荞溪等12采用交叉实验法,测量不同磁场强度、荷电电压下的液滴表面张力,研究发现磁电耦合作用对液滴表面张力的改善效果最明显。荆德吉等13基于 K-H 液滴破碎模型及湍流 k-的雾滴粒子场模型,研究 4 种工况下雾滴粒子的速度分布与粒径分布,发现磁电耦合作用下具有最佳雾滴粒子场。上述研究均是从宏观或微观的单一角度来研究液滴捕尘特性,并不能全面揭示液滴煤
16、尘颗粒的碰撞浸润机理。在前人的研究基础上,笔者将液滴碰撞球形颗粒的动力学特征应用到喷雾降尘中,从宏观和微观双重角度来探究磁化荷电液滴碰撞浸润煤尘颗粒特性。宏观上采用磁电耦合交叉实验的方法,探究磁化强度、荷电电压对液滴表面张力的影响,并确定磁电耦合最佳参数;微观上运用数值模拟的方法,通过动态监测液滴最大铺展半径系数、液膜中心高度系数以及液滴撞击球形煤尘颗粒的形态变化,来分析磁化荷电液滴的雾化润湿性能。其研究成果对进一步提高粉尘防治效率、改善液滴雾化润湿性具有重要的指导意义。1磁化荷电液滴除尘机理水是抗磁性极性分子,在磁化器内水流切割磁力线促使水分子电离,所产生的正负电荷产生相反的回旋运动,水分子
17、极性增强,在旋转运动作用下,原来缔合链状的水分子氢键畸变、断裂,使液体之间平衡距离变大,引力变小,表面张力降低,从而水对煤尘润湿性提高14。对于完全不能润湿的煤尘颗粒,当液滴在粉尘颗粒表面铺展到如图 1 所示位置,便认为可被捕捉15。在液滴与煤尘颗粒碰撞黏附过程中,由于液滴半径远小于毛细作用长度,此时表面张力占主导作用,重力影响可忽略不计。疏水性煤尘颗粒克服液滴表面张力所做功16为Wr=2d2r/3(1)式中,Wr为尘粒克服液滴表面张力所做的功,J;为液滴的表面张力,mN/m。3442煤炭学报2023年第48卷煤尘颗粒即将接触液滴时,必须具有的最小相对速度16为vr=(8rdr)1/2(2)式
18、中,vr为液滴碰撞煤尘颗粒所具有的最小速度,m/s;r为粉尘颗粒密度,kg/m3。可知 vr正比于 1/2,在磁场作用下,水的表面张力减小,从而引起 vr、Wr减小,即磁化作用降低了液滴捕尘所需的功,减小了液滴包覆尘粒所需的最小速度。液滴在空气的雾化作用下通过喷嘴喷射出来后,其体积平均直径16为=K1(B1C20PN)1/3(r0)1/6(3)式中,B1为喷嘴常数;K1为常数,约 1.78;PN为喷嘴出口压差,MPa;C0为流量系数,取 0.800.95;0为液滴密度,kg/m3。上述公式说明磁化作用下,水黏聚力下降,表面张力减小,此时液滴尺寸减小,从而提高了液滴的雾化性能17-18。磁化液滴
19、感应荷电装置如图 2(a)所示。电极环与喷嘴之间形成非匀强电场,磁化水通过喷嘴进入非匀强电场,负电载流子被金属喷嘴电极吸引至接地端,正电载流子经喷嘴雾化后形成带正电的荷电雾滴19。磁化水绝缘套跨音速气动喷嘴压缩空气环形电极磁化荷电液滴高压静电直流发生器磁化水接地F121磁化荷电液滴;2煤尘颗粒;F静电吸引力(a)磁化荷电液滴静电感应荷电(b)磁化荷电液滴与煤尘颗粒相互作用图2磁化荷电液滴降尘原理Fig.2Principleofmagnetoelectricdropletdustremoval磁化液滴荷电+q,煤尘在高压电场中与液滴发生相对运动,在静电感应作用下,煤尘颗粒发生电子漂移运动,靠近液
20、滴端的表面带上同等荷电量q,2 者间产生静电吸引力20,如图 2(b)所示。Fi磁化荷电液滴与煤尘颗粒之间的吸引力表示为Fi=(pwp+2w)d3pq2160s5(4)式中,p为空气中颗粒物介电常数,F/m;0为真空介电常数,F/m;w为雾滴介电常数,F/m;dp为雾滴粒径,mm;q 为雾滴饱和荷电量,C;s 为液滴与颗粒物的中心距离,m。综上,液滴在磁化作用下提高了润湿性能和雾化性能,再通过静电感应的方式进行荷电,带电液滴与煤尘颗粒之间产生静电吸引力,磁化荷电液滴表面张力显著下降,煤尘更易被黏附捕捉。2磁电耦合液滴表面张力交叉实验2.1实验装置2.1.1磁化荷电液滴表面张力测试系统表面张力测
21、量实验平台如图 3(a)所示。由 TD2202型负电静电驻极电压、SDC-350 型表面张力测量仪、控制分析系统 3 部分构成。采用接触荷电的方式,负电静电驻极电压通过绝缘线路连接到接触角测量针dr/2vtvnvpn液滴煤尘颗粒注:为润湿角度;vt、vn分别为液滴颗粒相对碰撞速度的切向、径向分速度;vpn为液滴颗粒碰撞的相对碰撞速度;dr为煤尘颗粒直径。图1液滴捕捉疏水性煤尘颗粒形态Fig.1Dropletcaptureofnon-wettingcoaldustparticlestates第9期熊光婷等:磁化荷电液滴除尘机理及碰撞浸润煤尘数值仿真3443管上,自吸式注液管数字化控制注射进程,从
22、而使注液管内的实验溶液荷电,最终通过 ContactangleV3/V5全自动三相分析软件进行数据分析和拟合。2.1.2磁化荷电水雾降尘系统课题组自主搭建的磁化荷电水雾降尘系统如图 3(c)所示。该系统由 5 部分组成,其中喷雾子系统由跨音速气动喷嘴、空压机、磁化水制备装置及静电感应荷电装置构成。磁化水制备装置包括卧式离心泵、智能电磁流量计、FSCN-DN25 磁化水装置和储水箱,通过改变磁化强度及磁化时间等参数制备磁化水,如图 3(b)所示。静电感应装置包括高压静电直流发生器和电极环。发尘系统由 HRH-DAG768 型粉尘气溶胶发生器,2-2200 型无油空气压缩机 2 部分组成,通过改变
23、气流量控制发尘质量浓度。风机系统由 HT-FC 静音风机和变频箱组成,通风机在变频箱的控制下调节风速。模拟巷道系统由透明亚克力板箱体拼接而成,内部放有除雾器,风机系统与模拟巷道系统之间连接扩散风筒,进行抽出式通风。监测系统为测量误差10%的 CCHZ-1000 全自动粉尘测定仪。2.2实验方法采用多级循环磁化水实验装置制备磁化水,选取疏水性晋城无烟煤为试验煤样,利用表面张力测量仪测定液滴在磁化、荷电、磁化荷电 3 种工况下的表面张力。本实验磁强参数选取 150、200、240、300、350、400、450、500MT,荷电电压参数选取 1、2、3、4、5、6、7、8kV。将 2 组变量进行交
24、叉实验,每组测量 3 次,取均值作为结果。2.3实验结果与分析磁化液滴表面张力变化如图 4(a)所示。可见液滴表面张力与磁化强度并非呈线性负相关,在磁强为150350MT 时,磁强越大,液滴表面张力越小,350MT时表面张力达到最小值;在 350400MT 时,表面张力增大;400MT 后,液滴表面张力基本不变。荷电液滴表面张力变化如图 4(b)所示。表面张力随荷电电压的增大而减小,5kV 后液滴表面张力急剧下降,电极环和喷嘴电极之间非均匀电场场强增大,雾滴荷电效果增强。但当荷电电压增长至 8kV 以上时,由于电极环表面粗糙且存在细微金属颗粒,导致(a)液滴表面张力测试系统TD2202型负电静
25、电驻极电压SDC-350型表面张力测量仪控制分析系统煤样磁化荷电液滴注射单元(c)磁化荷电水雾降尘系统压力表粉尘发生器空压机高压静电直流发生器电极环通风机粉尘测定仪1粉尘测定仪2粉尘测定仪3除雾器喷嘴离心泵流量计阀门磁化水罐磁化水装置进水管出水管(b)磁化水制备实验装置图3实验装置Fig.3Experimentaldevices3444煤炭学报2023年第48卷该处电荷密度增大,场强突变,周围空气被击穿,出现电晕放电现象并产生大量负离子,与感应荷电产生的带正电的液滴相抵消,荷质比明显减小,感应荷电效果减弱21。因此笔者不考虑 8kV 以上的情况。磁化荷电液滴表面张力变化如图 4(c)所示。荷电
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