激振器纤维栅振动协同高压喷雾除尘效果研究

缪宝成，邱进伟

(安徽理工大学 安全科学与工程学院，安徽 淮南 232001)

煤尘在矿井中危害巨大[1]，若不加以治理，不仅增加矿井工人患尘肺病的风险，还易造成瓦斯煤尘爆炸事故，引起巷道的破坏，人员伤亡。针对粉尘危害的问题，目前的防尘方法主要有煤层注水，喷雾降尘和隔离粉尘源等。但随着对矿井开采需求增加，粉尘治理难度越来越大，对降尘效率的要求越来越高。近来许多学者针对粉尘防治情况进行了相应的研究，宫丽虹等人基于纤维栅之间的水膜形成与破碎理论[2]对影响湿式振动纤维栅降尘性能的因素进行了分析[3]，通过实验研究了喷水量、纤维栅结构对除尘效率的影响[4]。葛世友等人设计出湿式纤维栅高压喷雾除尘系统，实验研究发现除尘效率与纤维栅层数成正相关，但长时间使用会导致纤维栅孔隙堵塞，使除尘效率下降[5]。李迎超等人设计出一种除尘系统，以净化阻力和除尘效率为参照因素，在实验室内分别对喷嘴角度、纤维丝直径、纤维丝间距、纤维栅层数、纤维栅间距等多种因素进行研究，确定了除尘系统的最佳运行参数[6]。田迎春等人基于PLC设计出矿山溜井自动除尘控制系统，对无线控制系统的的开发和设计均进行了全面的论述[7]。

为进一步提高降尘效率和除尘自动化水平，实现智能、环保、高效、安全除尘的目的，本文提出了激振器纤维栅振动及喷雾除尘自动控制系统。通过设计实验平台，分析了回风巷工作面激振器振动纤维栅捕尘拦截、高压云雾沉降粉尘的作用机理，对影响激振器纤维栅及喷雾自动控制系统除尘效率的各因素进行了试验研究，旨在获得适宜的激振器纤维栅结构和运行参数。

1 除尘机理

1.1 激振器纤维栅除尘机理

激振器是一种电—动变换器，附加在某些机械设备上用以产生激励力的装置。能使被激物件获得一定形式和大小的振动量[8]。激振过程中粒子在声波影响下产生声凝聚效应的声振动频率为：

(1)

式中，Fm为粒子间的振动频率，Hz；μ为流体动力粘滞系数，Pa·s；ρD为大粒子的密度，kg/m3；ρd为小粒子密度，kg/m3；D为大粒子直径，m；d为小粒子直径，m。

当含尘气流通过纤维栅时，通过的风流会引起纤维栅振动，但这种振动无法调节。将激振器与纤维栅结合，利用激振器可以改变纤维栅的振动频率和幅度。当含尘气流通过纤维栅时，其中的一部分粉尘与水粒子接触而被捕集；另一部分是被纤维丝振动拦截。纤维的共振响应与纤维丝本身的长度、固有频率[9]、阻尼比、旋涡脱落频率(Sr数)及流体的作用力有关。根据振动方程[10]，纤维丝产生的阻力为：

(2)

式中，utt为弦栅横向加速度，m/s2；uxx为弦栅纵向加速度，m/s2；F为弦栅所受的张力，N；ρ为弦栅的质量密度，kg/m3；CD为弦栅扰流阻力系数；ρ1为气流密度，kg/L；v为箱体风速，m/s；A为弦栅在迎风面方向的投影面积，m2；L为纤维丝长度，m。

当粉尘浓度较高但风速较低时，仅仅依靠风流旋涡引起的不可控纤维丝共振无法实现简单高效除尘。利用激振器产生可调节的周期变化的激振力带动纤维栅上的每根纤维丝振动，并结合粉尘传感器进行反馈响应，便可根据不同粉尘浓度来调节激振器振动频率，当粉尘浓度较大时，振动频率升高，增强振动纤维栅对含尘气流中粉尘的拦截效率。当振动纤维栅中的纤维丝捕获粉尘或含尘水滴时，在高压喷雾的水雾凝聚成水滴时，激振器的振动可使含尘水滴在纤维丝上形成下降水流，从而捕获沉降粉尘并清洗纤维栅，保持纤维栅高效除尘。

1.2 高压喷雾除尘机理

喷雾降尘技术是重力沉降、惯性碰撞、截留效应、扩散效应等共同作用的除尘方法[11]；在气流是稳定层流的情况下，重力沉降[12]现象降尘效率的计算公式如下：

(3)

(4)

式中，ηG为重力沉降降尘效率，%；G为粒子重力，N；ρw为雾滴密度，kg/m3；g为重力加速度，g=9.8m/s2；v为箱体风速，m/s；μ为流体动力粘滞系数，Pa·s；dw为雾滴当量直径，m。

基于射流破碎理论、液膜破碎雾化理论[13]，高压喷雾喷出的射流速度高、动能大，因此水流在离开喷口后便会很快雾化，在压力和气流共同作用下，雾化颗粒持续向前运动[14]。

(5)

式中，M为水膜的质量，kg；vc为风流沿垂直于纤维丝的水平速度，m/s；Δt2为水膜破碎时间，s；Δp为水膜形成时所受的压力，N；Fb为纤维丝与水膜之间的摩擦力，N。

高压还能使水雾带有较高的正负电电荷，显著提高了单个水雾颗粒对微细粉尘的捕集效率。

2 除尘系统效果实验研究

2.1 激振器纤维栅研制

选用1m×1m不锈钢边框，纤维丝材质为自润性较好的聚乙烯纤维，竖直平行排列，并均匀缠绕在不锈钢边框上[15]。激振器纤维栅设计如图1所示。

图1 激振器纤维栅设计

2.2 无线红外自动控制系统

控制系统包括2个红外热释传感器，1台ZPW3.7-Z型自动控制装置主机，2个XHL-FS-DN15-DC12V-X3A电动球阀。球阀主要技术参数为：环境温度为-20～+60℃；动作时间为7～10s；电源电压为DC 24V；工作电流为50～180mA。

无线红外自动球控制系统的总体电路设计如图2所示。该系统主要由单片机、电机控制电路、红外检测电路等部分组成[16]。

图2 总体电路设计

通过单片机循环检测红外信号，当人经过红外热释传感器时，检测到红外信号传输到单片机进行算法运算，输出控制信号，电力电子开关开启大扭力电机，电动球阀关闭，喷雾停止；当人离开第二个热释传感器时，监测信号经过过滤放大后传输到执行单元，电动球阀开启。控制系统如图3所示。该控制系统可实现延时控制(0～2min)，定时控制喷头工作时间(0～60min)，运行状态下为常开。

图3 控制系统组成

2.3 实验装置

实验系统由管道系统、喷雾装置、风水联动动力系统、激振器纤维栅装置，粉尘发生装置，粉尘采样装置和自动控制系统组成。

实验装置主体由1m×1m×3.6m的亚克力板和1m×1m×0.4m的除尘复合设备组成。除尘复合设备内有高压喷雾系统，纤维栅插板和激振器装置。选用实心圆锥体喷嘴，孔径为1.6mm，额定流量2.6L/min，额定压力3MPa。选用目数为200目、密度716g/cm3、水分0.5m3/%的煤粉进行实验。加压装置采用2JET-35G型增压水泵，公称压力为3MPa。采用CCZ-20A型矿用粉尘采样器，采样时间统一为2min，流量为20L/min，粉尘浓度测定位置一般为纤维栅上风侧2m和下风侧1m处，并忽略这一距离内的自由沉降。粉尘的采样由除尘复合设备主体两侧孔内粉尘采样仪内部采样滤膜和抽气机来完成。采用滤膜取样称重法测定除尘器效率，万分之一电子天平进行称重。实验系统结构如图4所示。

1—粉尘发射器；2—发射器支架；3—粉尘扩散器；4—进气管道；5—毕托管；6—U型水柱计；7—粉尘采样管；8—粉尘采样头；9—粉尘采样器；10—空气压缩机；11—储气罐；12—风机；13—高压水泵；14—降尘器支架；15—管道支撑架；16—蓄水池；17—高压喷头；18—激振器纤维栅；19—可视窗口图4 实验系统结构

2.4 实验方案

经过理论分析，影响除尘效率的主要因素为风速、喷雾量、纤维填充率以及激振器振动频率 4个主要因素。结合相关文献资料的研究，对于影响因素的选取值见表1，利用SPSS软件设计正交实验见表2，选用4因素3水平的L9(34)正交实验方案[17]。

表1 各因素不同水平值

表2 正交实验

3 除尘效率影响因素

3.1 过滤风速

过滤风速与除尘效率的关系如图5所示，在3～4m/s的范围内，除尘效率随过滤风速的升高而增加，这是由于在一定范围内，风速的升高增强了振动纤维栅对粉尘的惯性碰撞和捕集，从而提高了粉尘的净化效率。当风速增加到某一值时，除尘效率最大，在本实验中该值趋近4m/s。当风速从4m/s继续增大时，除尘效率反而变小，这是因为因惯性作用而被捕集的粒子被完全捕获，过滤风速的增大不会再增加惯性捕集的粒子数，甚至会带走已被捕集的粒子。当风速提高而振动频率变化较小时，纤维栅对粉尘的接触并捕获时间变短，而且对扩散作用而言，风速越大捕集效率越低，因此综合捕集效率降低。

图5 风速对除尘效率的影响

3.2 喷雾量

喷雾量与除尘效率的关系曲线如图6所示。鉴于喷雾量对粉尘捕获沉降的影响，选取300L/(h·m2)，450L/(h·m2)和600L/(h·m2)的喷雾量分别进行实验。经实验，风速为4m/s，纤维填充率为70%的平均净化风阻最小，故选取该参数进行了降尘效果的测定。由图6可以看出，当喷雾量600L/(h·m2)时除尘效率较高。那是因为喷雾量越大，单位时间内喷射的水雾粒子越多，喷雾粒子越容易捕获粉尘，增大了粉尘被捕集的概率；更大的喷雾量也能使更多的喷雾粒子在振动纤维栅网上停留，有利于形成水膜；大的水雾量能更高效地在纤维丝上形成液滴水流，喷雾量过小在振动纤维栅形成的水流低，从而影响纤维栅的除尘效率。

图6 喷雾量对除尘效率的影响

当喷雾量为700L/(h·m2)，纤维填充率60%，风速4m/s时，振动纤维栅净化阻力高达98.16Pa，除尘率为94.21%。该组合不仅净化阻力较大，除尘率也有下降趋势。

3.3 纤维填充率

充填率对除尘效率的影响如图7所示。实验选择纤维直径为0.8mm、横向间距为1.5倍直径的纤维栅网。在风压为3MPa、垂直风速4m/s的条件下，分别测量了60%，70%和80%三种纤维栅充填率的降尘效率。由图7可知，随着纤维栅充填率增加，纤维栅除尘效率随着激振器振动频率的增加而增加。这是因为纤维栅的充填率增加，提高纤维丝与粉尘的接触概率，更密集的纤维丝形成水膜的效果更好，纤维丝振动时在平面内产生更大的接触面积和更广的造膜范围，对粉尘的捕获效果大大提升。当纤维填充率增加至90%、激振器振动频率为600Hz、风速4m/s时，纤维栅净化阻力高达124.32Pa，除尘率为95.02%，该组合净化阻力较大，且该组合的除尘率与A2B3C3D3的除尘率相比并无上升趋势。

图7 充填率对除尘效率的影响

3.4 激振器振动频率

在充填率为70%，Q=300L/(h·m2)，v=4m/s的实验条件下，激振器的振动频率与净化效率关系图8所示。在100～1000Hz的振动频率范围内，振动频率为600～700Hz时，单层振动纤维栅的除尘效率最高，可达94.9%。振动频率为800～1000Hz时，纤维丝振动幅度明显变小，且出现纤维丝分布不均现象，影响纤维造膜，导致过滤效率下降。

图8 激振器振动频率对除尘效率的影响

将不同激振器振动频率下的实验数据代入式(6)，并对其进行曲线拟合(图8)，拟合曲线数据见表3。

y=A+Bx+Cx2

(6)

表3 拟合曲线数据

4 结 论

1)激振器纤维栅振动及喷雾除尘自动控制系统结合了激振器纤维栅除尘机理和高压喷雾除尘机理；利用高压喷雾的产生的细小液滴对粉尘进行大范围的预捕集，在通过纤维栅过滤体时，在激振器振动和纤维栅各层水膜和层间水膜的影响下，快速冲刷粘附在纤维栅上的粉尘。利用红外线自动控制系统，提高除尘自动化水平，达到了智能、高效除尘的目的。

2)通过实验研究了喷雾量、激振器振动频率和纤维丝填充率对纤维栅降尘率的影响规律；结合高压细水雾对煤尘捕获情况的微观特征，确定激振器频率、纤维丝填充率、喷雾量等影响因素对除尘率的最优组合：过滤风速4m/s，喷雾压力3MPa，喷嘴个数4个，喷雾量450L/(h·m2)，激振器振动频率600Hz；喷雾位置为纤维栅上风侧上方；纤维栅体参数为：纤维直径0.8mm，间距1.5倍直径，该实验除尘控制系统连续运行的除尘效率在93%以上。