風流影響霧滴與塵粒耦合沉降的實驗研究

聶 文，彭慧天，劉陽昊，馬 驍，魏文樂

(1.山東科技大學 礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島266590；2.山東科技大學 礦業與安全工程學院，山東 青島 266590)

?

風流影響霧滴與塵粒耦合沉降的實驗研究

聶 文1,2，彭慧天2，劉陽昊2，馬 驍2，魏文樂2

(1.山東科技大學 礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島266590；2.山東科技大學 礦業與安全工程學院，山東 青島 266590)

為了確定風流影響霧滴與塵粒耦合沉降的規律，分析了霧滴與塵粒耦合沉降機理，并自主設計實驗裝置進行了風流影響霧滴與塵粒耦合沉降實驗。由實驗結果可知：隨著風流速度的增大，噴霧場霧滴粒徑平均值整體呈增大趨勢，噴霧場上風側的霧滴粒徑一般小于下風側，測點處霧滴的粒徑增大值及增大率均不斷減小，噴霧場對全塵、呼塵的降塵率分別由風速為0.5 m/s時的49.3 %和47.5 %降至風速為1.5 m/s時的42.7 %和39.2 %。研究結果表明：風流速度越大，越不利于霧滴耦合沉降塵粒、尤其小粒徑塵粒。

風流；霧滴；塵粒；耦合沉降；粒徑

細小塵粒已成為影響我國環境質量的首要污染物，由細小塵粒誘發的塵肺病是我國第一大職業病。據國家衛生計生委通報，2013年全國除西藏外的其他各省共報告職業病26 393例，塵肺病23 152例，約占88%，其中，煤工塵肺病22 050例，占塵肺病總例數的95%以上[1-2]。由此可見，預防塵肺病是預防我國職業病的重要內容，尤其是預防煤礦的煤工塵肺病，而預防塵肺病的重點應是有效防治環境中的高濃度塵粒，尤其是高濃度細小塵粒。我國煤炭行業的塵粒防治工作中，噴霧降塵是主要技術手段，捕集了50%以上的總塵量。國內外大量研究成果表明，在霧滴與塵粒的耦合沉降過程中，霧滴粒徑的大小至關重要，一般認為當霧滴粒徑為塵粒粒徑的8～10倍時，噴霧降塵的效果最優[3-5]。在實際噴霧過程中，產生的霧滴粒徑絕大多數都在10 μm以上，因此認為霧滴粒徑越小，霧滴與塵粒耦合沉降的效果越好。噴霧霧滴粒徑的大小受多種因素影響，其中，風流直接影響了噴霧霧滴粒徑的大小及耦合沉降塵粒的效果，煤礦各產塵工序均是有風作業，但目前國內外學者對噴霧霧滴粒徑的測定多是在無風條件下進行，對風流與噴霧霧滴粒徑之間的關系研究較少，更未得出風流影響霧滴與塵粒耦合沉降的規律[6-10]。因此，筆者進行了不同風流速度條件下霧滴耦合沉降塵粒的實驗，以確定風流影響霧滴與塵粒耦合沉降的規律，為有效降低環境中的塵粒濃度提供理論依據。

1 霧滴與塵粒耦合沉降機理

霧滴耦合沉降空氣中飛揚的塵粒，是依靠多種效應綜合作用的結果。其中，起主要作用的是慣性碰撞、截留和布朗擴散三種效應，霧滴與塵粒主要通過以上三種效應耦合凝結成足夠大的含塵霧滴后沉降[4, 11-13]。霧滴與塵粒耦合沉降機理如圖1所示。

1—慣性碰撞；2—截留；3—布朗擴散

圖1 霧滴與塵粒耦合沉降機理

Fig.1 Coupling settlement mechanism of

droplets and dust particles

霧滴慣性碰撞塵粒的耦合沉降效率是斯托克斯數Kp和雷諾數Re的函數，對于勢流和Kp>0.2的流動，Wong和Johnstone提出耦合沉降效率[4, 11-12]為

(1)

Ranz給出的對勢流下的霧滴對塵粒的截留效率[4, 12-13]為

(2)

對于粒徑小于1 μm的塵粒，需要考慮布朗擴散作用，Crawford導出布朗擴散耦合沉降效率[4, 12-13]為

由式(1)～(3)可知，慣性碰撞效率隨著塵粒粒徑的增大和霧滴粒徑的減小而提高，因此慣性碰撞機理對較大塵粒的耦合沉降作用較大；截留效率隨塵粒粒徑的增大和霧滴粒徑的減小而增高，對截留耦合沉降塵粒起作用的是霧滴與塵粒粒徑的大小，而不是塵粒的慣性，且與氣流速度無關；隨著霧滴粒徑減小，流速減小，溫度增大，塵粒的熱運動加速，從而與霧滴的碰撞概率也就增加，擴散效應增強，被霧滴耦合沉降的幾率也增大。綜上分析，在影響霧滴耦合沉降塵粒的三種主要效應中，霧滴粒徑是影響耦合沉降效率的主要因素，霧滴粒徑越小，效率越大。在布朗擴散效應中，流速也影響了耦合沉降效率，流速越小，效率越高。

2 實驗裝置簡介

以自主設計的風流-霧滴-塵粒三相介質耦合作用實驗裝置(圖2)進行了風流影響霧滴與塵粒耦合沉降實驗，該裝置主要包括Winner312噴霧激光粒度分析儀、三相介質耦合作用實驗箱、3D2-S135/28型噴霧泵、FZ40/35-11/12(s)型壓風機與無極變頻調速器等設備。

圖2 風流-霧滴-塵粒三相介質耦合作用實驗裝置Fig.2 Airflow-droplet-dust particle three-phase medium coupling device

實驗裝置運行原理：通過無極變頻調速器調節風機轉速，在三相介質耦合作用實驗箱內形成速度穩定的風流場，利用噴霧泵將水增至某一固定壓力后由實驗箱內的噴嘴噴出以形成噴霧場；采用實驗箱頂部的揚塵鼓風機將粉塵揚起，在實驗箱內風流的作用下形成粉塵場，與噴霧場接觸后發生風流-霧滴-塵粒三相介質耦合作用，安設在實驗箱外的噴霧激光粒度分析儀激光發射裝置發射出的綠色激光穿越噴霧場，激光接收裝置將接收到的激光信號進行轉換后傳輸至計算機，分析噴霧場的霧滴粒徑分布變化情況，并在實驗箱出口處安設AKFC-92A型測塵儀測定風流-霧滴-塵粒三相介質耦合作用前后的粉塵濃度，以獲得風流影響霧滴與塵粒耦合沉降的規律。

3 風流影響噴霧場霧滴粒徑實驗

霧滴粒徑是影響霧滴耦合沉降塵粒效率的主要因素。因此，首先進行風流影響噴霧場霧滴粒徑實驗，實驗溫度為20 ℃，以確定風流影響霧滴粒徑的變化規律。

3.1 霧滴粒徑評價指標

噴嘴噴霧形成的噴霧場是由粒徑大小不同的霧滴顆粒組成，霧滴粒徑的評價指標主要有平均粒徑和特征粒徑[4, 8, 14-16]。

1) 平均粒徑

霧滴平均粒徑有很多種表示方法，其中以Sauter平均粒徑D32和Herdan平均粒徑D43使用最為廣泛。D32、D43的計算數學式分別如式(4)、式(5)所示[8, 14- 15]。

(4)

(5)

式中，N是粒徑為D的霧滴顆粒數目，Dmin通常取0。

2) 特征粒徑

常采用的特征粒徑主要為D0.1、D0.5與D0.9，依次分別表示小于此粒徑的顆粒體積含量分別占全部顆粒總體積的10%、50%與90%[4, 16]。

3.2 實驗方案

實驗噴嘴選用孔徑2.2 mm的含X形導流芯混合式噴嘴，形成噴霧場形狀為實心圓錐形。實驗箱內噴嘴的噴霧壓力設定為煤礦各產塵工序噴霧降塵工作中的常用壓力4 MPa，該壓力時實驗噴嘴的水流量為5.14 L/min，實驗箱穩定段的風速分別設定為0、0.5、1 和1.5 m/s。在噴嘴頂部垂直向下噴霧的圓錐型噴霧場中，沿激光粒度分析儀激光射線與噴口的水平和垂直方向設置7個測點， 位置坐標(x: 激光射線與噴口的水平距離，y:激光射線與噴口的垂直距離)，7個測點分別用空間坐標表示為：(0, 50 mm)、(250 mm, 650 mm)、(0, 650 mm)、(-250 mm, 650 mm)、(500 mm, 1 250 mm)、(0, 1 250 mm)、(-500 mm,1 250 mm)，分別用編號1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#表示，7個測點的霧滴粒徑平均值可準確地反應噴霧場的霧滴粒徑分布情況。圖3為測點布置示意圖。

圖3 測點布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of measuring points

3.3 實驗結果

測定風速為0、0.5、1 和1.5 m/s時實驗噴嘴噴霧場各測點霧滴粒徑。圖4為不同風速時各測點霧滴粒徑，表1為不同風速時各測點霧滴粒徑平均值。

圖4 不同風速時各測點霧滴粒徑Fig.4 Particle sizes of droplets at each measuring point with different airflow velocities表1 不同風速時各測點霧滴粒徑平均值Tab.1 Average value of particle sizes of droplets at each measuring point with different airflow velocities

風速/(m/s)D0.1/μmD0.5/μmD0.9/μmD32/μmD43/μm020.82845.60778.79138.53648.1720.523.59949.23583.92441.73651.8361.027.14553.52790.39445.95856.8851.529.81856.63092.80548.71960.171

由圖4及表1可知：

1) 風速為0時，噴嘴噴霧場中測點的(D0.1，D0.5，D0.9，D32，D43)大小排序為：1#<4#≈2#<3#<7#≈5#<6#，這說明在噴霧場的軸向橫截面上，霧滴粒徑由噴霧場中心向兩側不斷減小，在垂線上以水霧中心線對稱的兩點處的霧滴粒徑大小基本相同，且在噴嘴垂線上，距噴嘴越近，霧滴粒徑越小。

2) 受速度為0.5～1.5 m/s的風流影響，噴霧場上風側的霧滴粒徑一般小于下風側，各測點霧滴粒徑大小排序為：4#<2#，7#<5#，除最先于風流作用的7#點處的霧滴粒徑有所減小外，其余測點處的霧滴粒徑均增大，并且隨著風速的增大，這一變化趨勢更為明顯，說明風流的擾動利于上風側噴霧場破碎成更小的霧滴，而且上風側的霧滴在風流作用下向實驗箱出口側流動，使上風側霧滴密度降低，霧滴碰撞結合成大粒徑霧滴的概率減小，噴霧場中心及下風側霧滴密度相對增大，致使小粒徑霧滴碰撞結合成大粒徑霧滴的概率出現一定程度的提高，從而導致該區域的霧滴粒徑整體增大。

3) 隨著風流速度的增大，噴霧場霧滴粒徑平均值整體呈增大趨勢，霧滴特征粒徑及平均粒徑平均值(單位：μm)與風速v(單位：m/s)的擬合關系式為：①D0.1=20.926 e0.243 3v，R2=0.994 3；②D0.5=48.243 e0.152v，R2=0.994 1；③D0.9=79.284 e0.113 1v，R2=0.968 9；④D32=38.637 e0.116v，R2=0.991 8；⑤D43=48.243 e0.152v，R2=0.992 0。

4 風流影響霧滴與塵粒耦合沉降實驗

4.1 風流影響霧滴與塵粒耦合實驗

實驗塵粒由蔣莊煤礦采集的塊煤經破碎、研磨及325目(45μm)篩子篩選后制成，采用Mastersizer 2000E激光粒度分析儀測定實驗煤塵的粒徑分布數據，圖5為實驗煤塵的粒徑頻率分布直方圖。其中，實驗煤塵的D0.1=1.419 μm，D0.5=10.939 μm，D0.9=44.768 μm，D32=3.688 μm，D43=18.029 μm。開啟風機且釋放塵源，揚塵流量為100 g/min，對實驗箱穩定段在風速分別為0.5、1、1.5 m/s時與煤塵較先接觸的噴霧場4#點處塵霧耦合粒徑數據進行測定，實驗溫度為20 ℃，數據如表2所示。

圖5 實驗煤塵的粒徑頻率分布直方圖Fig.5 Histogram of frequency distribution of particle sizes of experimental coal dust表2 不同風速時4#點處塵霧耦合粒徑數據Tab.2 Dust fog coupling particle sizes data at 4# point with different airflow velocities

風速/(m/s)D0.1/μmΔD0.1/μmΔ/%D0.5/μmΔD0.5/μmΔ/%D0.9/μmΔD0.9/μmΔ/%D32/μmΔD32/μmΔ/%D43/μmΔD43/μmΔ/%0.519.4431.6128.2936.2992.5166.9369.7963.2704.6933.6022.1566.4239.2372.8497.261.020.8091.5467.4338.5262.3746.1675.3152.9673.9434.6571.9785.7142.5592.7236.401.521.4831.4986.9739.8942.2585.6678.4392.7273.4835.3451.8845.3343.7242.5865.91

由表2可知：

1) 釋放煤塵后，與煤塵較先接觸的4#點處的霧滴粒徑較未釋放塵源時有所增大，說明霧滴與塵粒發生了碰撞、凝結等耦合作用，導致霧滴粒徑增大。

2) 隨著風流速度的增大，4#點處霧滴的(D0.1、D0.5、D0.9、D32、D43)增大值及增大率均不斷減小，如D32的增大值、增大率分別由風速為0.5 m/s時的2.156 μm、6.42%減小至1.5 m/s時的1.884 μm、5.33%，這說明隨著風流速度的增大，噴霧場4#點處霧滴粒徑有所增大，霧滴耦合塵粒的慣性碰撞、截留、布朗擴散等效應減弱，致使4#點處霧滴的(D0.1、D0.5、D0.9、D32、D43)增大值及增大率均不斷減小；塵粒在風流的載動下向噴霧場流動，風流速度越大，塵粒流動速度越大，噴霧場由大小不一的霧滴群構成，霧滴之間存在一定空隙，塵粒流動速度的增大也增大了塵粒穿過霧滴間空隙的概率，致使霧滴與塵粒發生耦合的概率減小。

3) 4#點處霧滴的D0.1、D0.5、D0.9三種風速時的增大率平均值分別為7.56%、6.25%、4.04%，排序為D0.1>D0.5>D0.9，說明小粒徑霧滴更利于耦合塵粒。

表3 不同風速時霧滴沉降塵粒數據Tab.3 Dust particles data by droplets settlement with different airflow velocities

4.2 風流影響霧滴沉降塵粒實驗

將實驗箱穩定段的風速分別設定為0.5、1、1.5 m/s，揚塵流量設定為100 g/min，通過設置在實驗箱出口處的測塵儀測定不同風速時噴霧前后煤塵濃度數據，并計算得到霧滴沉降塵粒的效率(即降塵率)。表3為不同風速時霧滴沉降塵粒數據。

由表3可知，風流速度在0.5～15 m/s范圍內，隨著風速的增大，噴霧場對全塵、呼塵的降塵率不斷降低，分別由風速為0.5 m/s時的49.3%、47.5%逐漸降至風速為1.5 m/s時的42.7%、39.2%，分別降低了6.6和8.3個百分點，說明風流速度的增大不利于霧滴沉降塵粒，尤其不利于沉降呼吸性煤塵，與風流影響霧滴與塵粒耦合的趨勢一致。

5 結論

1) 在影響霧滴耦合沉降塵粒的慣性碰撞、截留與布朗擴散三種主要效應中，霧滴粒徑是影響耦合沉降塵粒效率的主要因素，霧滴粒徑越小，效率越大，在布朗擴散效應中，流速越小，效率越大。

2) 受風流影響，噴霧場上風側的霧滴粒徑一般小于下風側，隨著風流速度的增大，噴霧場霧滴粒徑平均值整體呈增大趨勢，并擬合出了霧滴特征粒徑及平均粒徑平均值與風速的關系式，如D0.1=20.926e0.243 3v，D32=38.637e0.116v。

3) 霧滴與塵粒發生耦合作用后，隨著風流速度的增大，噴霧場4#點處霧滴粒徑的增大值及增大率均不斷減小，說明風流速度的增大不利于霧滴與塵粒的耦合，4#點處霧滴特征粒徑三種風速時的增大率平均值排序為D0.1>D0.5>D0.9，說明小粒徑霧滴更利于耦合塵粒。

4) 隨著風流速度的增大，噴霧場對全塵、呼塵的降塵率分別由風速為0.5 m/s時的49.3%、47.5%逐漸降至風速為1.5 m/s時的42.7%、39.2%，說明風流速度的增大不利于霧滴沉降塵粒，尤其不利于沉降呼塵。

5) 風流速度越大，越不利于霧滴耦合沉降塵粒尤其細小塵粒。因此，在煤礦現場的噴霧降塵中，應在滿足需風量的條件下，盡量減小風流速度，如適當減小掘進工作面的壓入式風筒出風量及采煤工作面液壓支架處風量。

[1]薛文博,付飛,王金南,等.中國PM2.5跨區域傳輸特征數值模擬研究[J].中國環境科學,2014,34(6):1361-1368. XUE Wenbo,FU Fei,WANG Jinnan,et al.Numerical study on the characteristics of regional transport of PM2.5in China[J].China Environmental Science,2014,34(6):1361-1368.

[2]2013年全國報告職業病2.6萬例塵肺病占八成[EB/OL].人民網,(2014-06-30)[2015-11-17].http://health.people.com.cn/n/2014/0630/c14739-25219843.html.

[3]LEE D K.A computational flow analysis for choosing the diameter and position of an air duct in a working face[J].Journal of Mining Science,2011,47(5):664-674.

[4]周剛.綜放工作面噴霧降塵理論及工藝技術研究[D].青島:山東科技大學,2009.

[5]GAVAISES M,ARCOUMANIS C.Cavitation initiation,its development and link with flow turbulence in diesel injector nozzles[J].SAE Transactions,2002,111(3):561-580.

[6]聶文,程衛民,周剛,等.掘進面噴霧霧化粒度受風流擾動影響實驗研究[J].中國礦業大學學報,2012,41(3):378-383. NIE Wen,CHENG Weimin,ZHOU Gang,et al.Experimental study on spray atomized particle size affected by airflow disturbance in heading face[J].Journal of China University of Mining & Technology,2012,41(3):378-383.

[7]KONOREV M M,NESTERENKO G F.Present-day and promising ventilation and dust-and-gas suppression systems at open pit mines[J].Journal of Mining Science,2012,48(2):322-328.

[8]李高峰.綜采工作面高效噴霧降塵技術研究[D].西安:西安科技大學,2010.

[9]劉江虹,叢北華.細水霧抑制小尺度甲烷/空氣火焰的研究[J].北京理工大學學報,2013,33(4):416-420. LIU Jianghong,CONG Beihua.Experimental study of water mist suppressing CH4air flame in cup-burner[J].Transaction of Beijing Institute of Technology,2013,33(4):416-420.

[10]周剛,程衛民,聶文,等.高壓噴霧射流霧化及水霧捕塵機理的拓展理論分析[J].重慶大學學報,2012,35(3):121-126. ZHOU Gang,CHENG Weimin,NIE Wen,et al.Extended theoretical analysis of jet and atomization under high-pressure spraying and collecting dust mechanism of droplet[J].Journal of Chongqing University,2012,35(3):121-126.

[11]馬素平,寇子明.噴霧降塵機理的研究[J].煤炭學報,2005,30(3):297-300. MA Suping,KOU Ziming.Study on mechanism of reducing dust by spray[J].Journal of China Coal Society,2005,30(3):297-300.

[12]SCHATZEL S J,STEWART B W.Identifying sources of respirable quartz and silica dust in underground coal mines in southern West Virginia,Western Virginia,and Eastern Kentucky[J].International Journal of Coal Geology,2009,78(2):110-118.

[13]程衛民,聶文,周剛,等.煤礦高壓噴霧霧化粒度的降塵性能研究[J].中國礦業大學學報,2011,40(2):185-189. CHENG Weimin,NIE Wen,ZHOU Gang,et al.Study of dust suppression by atomized water from high-pressure sprays in mines[J].Journal of China University of Mining & Technology,2011,40(2):185-189.

[14]WILLIAM A S.Volume averaging for the analysis of turbulent spray flows[J].International Journal of Multiphase Flow,2005,31(6):675-705.

[15]曾卓雄,姜培正,謝蔚明.噴嘴霧化粒徑的實驗研究[J].西安交通大學學報,2000,34(4):75-77. ZENG Zhuoxiong,JIANG Peizheng,XIE Weiming.Investigation of atomizer particle diameter[J].Journal of Xi’an Jiao-tong University,2000,34(4):75-77.

[16]李小川,胡亞非,張巍，等.濕式除塵器綜合運行參數的影響[J].中南大學學報,2013,44(2):862-866. LI Xiaochuan,HU Yafei,ZHANG Wei,et al.Study of dust suppression by atomized water from high-pressure sprays in mines[J].Journal of Central South University,2013,44(2):862-866.

(責任編輯：呂海亮)

Experimental Research on the Coupling and Settlement of Droplets and Dust Particles Influenced by Airflow

NIE Wen1,2, PENG Huitian2, LIU Yanghao2, MA Xiao2, WEI Wenle2

(1. State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China;2. College of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China)

In order to determine the law of the coupling and settlement of droplets and dust particles influenced by airflow, the coupling and settlement mechanism of droplets and dust particles was analyzed, and the experiment of the coupling and settlement of droplets and dust particles influenced by airflow was carried out by the self-designed devices. The experiment results show that, with the increase of airflow velocity, the average value of droplets’ particle sizes in the spray field tends to increase while the increase values and increase rates of droplets’ particle sizes at measuring points decrease constantly, and the particle sizes of droplets on the upwind side of the spray field are smaller than those on the downwind side. In the spray field, the dust removal rates of total dust and respirable dust decrease respectively from 49.3% and 47.5% when the airflow velocity is 0.5 m/s to 42.7% and 39.2% when the airflow velocity is 1.5 m/s. The research results show that the larger the airflow velocity is, the worse it is for the droplets to settle dust particles, especially dust with small particle sizes.

airflow; droplets; dust particle; coupling and settlement; particle size

2015-11-17

國家自然科學基金-煤炭聯合基金重點項目(U1261205);國家自然科學基金項目(51474139);國家自然科學基金青年基金項目(51404147);中國博士后科學基金第57批面上一等資助項目(2015M570602)

聶 文(1985—)，男，山東泰安人，講師，博士，主要從事礦井通風與粉塵防治的研究工作. E-mail：sdniewen@163.com 彭慧天(1992—)，男，山東棗莊人，碩士研究生，主要從事礦井通風與粉塵防治的研究工作，本文通信作者.E-mail：403068799@qq.com

TD714

A

1672-3767(2016)06-0030-07