活性水噴霧降塵性能優化實驗與模擬研究

司書芳 王 輝

青島貝里塑料有限公司 山東青島 266500

近年來，隨著科學技術的高速發展，煤礦、金屬礦山等的采掘機械化水平不斷提高，開采深度不斷增加，導致粉塵污染等問題越來越嚴重。當粉塵濃度達到一定程度后，可能會引發劇烈的爆炸。此外，礦工長期在高濃度粉塵環境中作業，很容易患上塵肺病[1]。因此，如何使用有效的防塵對策降低礦山的粉塵污染、發展綠色礦山，已經成為我國礦山企業目前的主要任務。

在噴霧除塵方面，王鵬飛等人[2]通過實驗探究了噴嘴直徑對降塵效果的影響，發現當噴霧壓力相同、噴嘴直徑在一定范圍內逐漸增大時，全塵的降塵效率隨之增大，但呼吸性粉塵的降塵效率在增大到一定程度后逐漸減小，噴霧降塵存在最優噴嘴直徑。文獻[3]研究了細水霧的粒度分布及其對噴霧降塵效果，得出不同粒徑細水霧的主要捕塵階段不同的規律，在一定程度上優化了礦井噴霧降塵控制方案。部分學者則通過改變水的特性提高噴霧降塵的效率，磁化水降塵技術是一種先進高效的降塵技術。陳梅嶺[4]在磁化水的降塵方面展開了研究，發現磁化后的水體可以有效降低溶液的濕潤性能，與純水的降塵效果相比較，采用磁化水除塵其效率提高了10%以上；丁仰衛[5]等人使用添加特定種類活性劑的水進行噴霧除塵的實驗研究，對比了不同理化性質水噴霧對不同煤質粉塵的降塵效率。然而現有研究對于添加表面活性劑后，活性水噴霧的最佳噴射條件缺乏相關研究。

本文以活性水為研究對象，在實驗得出最佳表面活性添加劑種類的基礎上，建立噴霧降塵模型，模擬得出活性水噴霧降塵效果最佳條件。

1 表面活性劑種類的確定

表面活性劑的分類如圖1所示。礦井下的煤塵一般是帶負電荷，若選用陽離子表面活性劑配制溶液，那么帶負電荷的煤塵在與之接觸時，會與帶正電荷的親水性基團結合，造成疏水基分布在溶液表面現象，促使煤塵不容易被溶液潤濕，故不考慮陽離子活性添加劑。結合表面活性劑的理化性質，本文選取了六種常用的表面活性劑來進行實驗，材料均采購于萬化(廣州)供應鏈服務有限公司。

圖1 表面活性劑的分類

查閱大量文獻發現，大多數表面活性劑溶液在質量分數達到5%時，其表面張力變化程度保持在穩定的數值[6]。因此本文對表面活性劑溶液按質量分數為5%進行實驗研究，實驗結果如圖2所示。

對比圖2中不同種類活性劑溶液的表面張力和黏度可以得出，FMES的表面張力數值最高(36.7mN·m-1)，XL40的黏度數值最高(3.46cp)，可見這兩種活性劑都不是最優的表面活性劑。活性劑FMEE與K12的表面張力數值相近，僅差了0.1mN·m-1，但其溶液的表面張力較高，無法滿足條件要求。活性劑XL40的表面張力最低，僅為31.5mN·m-1，但由于其黏度最高為3.46cp，綜合來說效果不佳。綜合表面張力與黏度雙重作用效果，活性劑JFC-3與其他活性劑相比占有明顯優勢，故選擇非離子表面活性劑JFC-3進行后續研究。

圖2 活性水的表面張力與黏度

2 活性水噴霧降塵模擬

2.1 模型建立

本文首先利用geometry軟件建立煤礦井下噴霧降塵模型。為確保模擬結果的準確性，對巷道中的其他設備暫且不劃分在考慮的范圍內，僅將巷道看作一個規則、沒有其他物品或設備的有限空間。巷道模型如圖3所示，設定為6m×3m×3m的長方體；噴嘴位置如圖4所示，以巷道內一角為坐標原點，設定噴嘴是垂直向下噴射，其坐標在(3m，3m，1.5m)位置。

圖3 巷道模型示意圖

圖4 噴嘴位置示意圖

對模型進行網格劃分時，網格劃分得越好，呈現的效果圖就更加符合實際情況，得到的模擬結果也越準確。本文利用mesh進行網格的劃分，為了保證結果的準確性，將噴嘴附近的網格劃分得更為細密，劃分后的網格如圖5所示：

圖5 劃分后的網格示意圖

結合礦井下噴霧降塵實際的應用情況，對模型的邊界條件進行設置。模型的入口和出口是風流的進入、流出界面，壁面類型選擇escape；模型的底部和四周是wall，壁面類型選擇trap。設定模型中存在的氣體為空氣，噴射水體則根據不同性質水溶液的參數，在相對應的模擬前進行設置。

2.2 噴嘴直徑對噴霧除塵效果的數值模擬

Fluent軟件內部自帶了五種霧化模型，結合本文模擬的重點是噴嘴的壓力產生的影響狀況，故選擇使用廣泛的壓力―旋流霧化噴嘴作模擬。噴嘴噴射過程的示意圖如圖6所示：

圖6 噴嘴內部轉變過程示意圖

在相同的壓力下，噴嘴直徑不同液體霧化效果也不同。因此在模擬前，需首先確定噴嘴的直徑大小。在流速為0.1kg/s、壓力為0.4MPa條件下，模擬3mm、4mm、5mm和6mm四種直徑下霧滴的濃度分布，結果如圖7所示：

圖7 四種不同直徑的霧滴濃度分布云圖

從圖7中可以得到，隨著噴嘴直徑的增加，霧滴擴散范圍呈現先變大后減小的趨勢。其中當噴嘴直徑較小為3mm時，霧滴較多的集中分布在噴嘴下方部位，也有少量霧滴擴散至地面和進出口的位置；而當噴嘴直徑較大為6mm時，霧滴擴散范圍明顯減小，同樣也更集中；直徑為4mm與5mm時，霧滴擴散范圍最大，分布也相對更加均勻，更容易捕集粉塵達到降塵目的，但由于從霧滴濃度分布云圖中無法直觀比較哪種直徑效果更好，故再截取兩種直徑下噴嘴截面的速度云圖(圖8)進行對比。

圖8 噴嘴直徑為4mm、5mm時噴嘴所在截面的速度云圖

由圖8可知，噴嘴直徑為4mm時噴霧的噴射速度大于直徑5mm時的速度，可見當噴嘴直徑為4mm時，霧滴相對集中，5mm時霧滴相對分散、分布范圍廣更易除塵。因此，確定采用活性水進行噴霧除塵時的噴嘴直徑為5mm。

2.3 噴嘴壓力對噴霧除塵效果的數值模擬

除噴嘴直徑外，噴射壓力對噴霧除塵效果也有較大影響。為得到最佳噴射壓力，本文選取0.2Mpa、0.3Mpa、0.4Mpa、0.5Mpa四種噴射壓力，研究活性水噴霧的濃度分布，模擬結果如圖9所示。

圖9 不同噴射壓力下霧滴濃度分布圖

由圖9可知，不同噴射壓力下，靠近噴嘴處的噴霧濃度均較大，最高濃度可達0.06kg/m3以上；隨著距離的增加，霧滴濃度均逐漸降低。當噴射壓力由0.2MPa增加至0.4MPa時，活性水噴霧的分布范圍和霧化角均隨噴射壓力的增大而擴大，霧滴濃度趨于均勻分布；當噴射壓力由0.4MPa增加至0.5MPa時活性水噴霧的分布范圍和霧化角均隨噴射壓力的增大而縮小，霧滴濃度也出現局部高濃度的趨勢。由此，可得出活性水噴霧在噴射壓力為0.4Mpa時，噴霧分布范圍和霧化角較大、噴霧濃度分布均勻，是噴霧除塵的最佳噴射壓力。

結論

本文采用實驗和數值模擬相結合的方法，測量了不同活性水的表面張力、黏度，確定出改善噴霧降塵性能較好的表面活性劑，建立了幾何模型，模擬得出活性水降塵最佳的噴嘴直徑和噴射壓力。研究發現，非離子表面活性劑JFC-3與其他活性劑相比在改善水體除塵性能方面占有明顯優勢，噴嘴直徑為5mm、噴射壓力為0.4Mpa時，活性水噴霧的分布范圍和霧化角較大、霧滴濃度分布均勻，除塵性能較好。本文研究成果對礦井下噴霧除塵具有重要意義。