摘要:

粉塵易引發(fā)爆炸事故和人員塵肺病，水霧是應(yīng)用最廣泛的降塵介質(zhì)，但由于對(duì)塵?霧接觸后的附著狀態(tài)缺乏科學(xué)認(rèn)識(shí)，噴霧降塵率增長(zhǎng)面臨瓶頸。通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)方法，研究了微米尺度下的霧滴?塵粒碰撞行為，得出了塵粒表面液體附著量與4類(lèi)碰撞行為之間的關(guān)系。研究結(jié)果顯示，降低霧滴表面張力和接觸角在低速碰撞有利于避免“反彈”行為發(fā)生，也有利于在“膜狀飛濺”行為發(fā)生時(shí)增大塵粒表面的液體附著量。但是，降低霧滴表面張力和接觸角也會(huì)降低霧滴發(fā)生破裂的臨界碰撞速度，導(dǎo)致發(fā)生“完整并聚”行為的速度范圍縮小，對(duì)降塵效果有不利影響。同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)降低霧滴粒徑和增大霧滴黏度均有利于增大塵?霧碰撞過(guò)程中黏性摩擦損失，從而抑制“反彈”行為和霧滴破裂現(xiàn)象發(fā)生，有利于增大塵?霧作用后塵粒表面的液體附著量，含0.329%質(zhì)量分?jǐn)?shù)高分子成分R1001的液滴連續(xù)碰撞固體顆粒時(shí)，顆粒表面液體殘留量比純水液滴碰撞的情況可提高至少10倍，所以在水中添加增稠成分可顯著提升粉塵增重、沉降效果。上述發(fā)現(xiàn)可為新型降塵劑開(kāi)發(fā)提供新思路，也可為噴霧降塵工況參數(shù)優(yōu)化提供理論支撐。

粉塵污染問(wèn)題在我國(guó)礦物開(kāi)采與加工、木料紡織品加工、橡膠與塑料制品加工，農(nóng)副產(chǎn)品加工、金屬制品加工等行業(yè)廣泛存在。粉塵能引起嚴(yán)重爆炸事故和人員塵肺病。截至2022年，我國(guó)累計(jì)報(bào)告的職業(yè)性塵肺病多達(dá)92.3萬(wàn)例，死亡率高達(dá)22.04%。在真實(shí)生產(chǎn)場(chǎng)景中，產(chǎn)塵區(qū)域往往具有產(chǎn)塵點(diǎn)分布范圍廣、塵源難封閉、降塵裝置安裝空間受限、防爆要求高的特點(diǎn)，限制了部分大體積除塵裝備的應(yīng)用。噴霧降塵技術(shù)具有成本低、布置靈活、噴頭體積小、本質(zhì)安全等優(yōu)勢(shì)，是粉塵污染場(chǎng)所使用最廣泛的降塵技術(shù)之一。但是，在塵源難封閉的場(chǎng)景下，噴霧降塵技術(shù)的降塵率通常僅為40%～60%。提升噴霧降塵率對(duì)于治理生產(chǎn)實(shí)際中的粉塵污染問(wèn)題具有重要意義。

造成水霧降塵率偏低的主要原因分為2方面，一是離散狀態(tài)的霧滴與塵粒接觸概率較低，二是塵?霧接觸后附著、增重效果不佳。在提升塵?霧接觸概率方面，可通過(guò)降低霧滴粒徑、增大空間霧密度及粉塵密度的方法實(shí)現(xiàn)。而在提升塵?霧附著效果方面，則需從微米尺度闡明塵?霧碰撞工況條件對(duì)最終附著特性的影響機(jī)理。然而，現(xiàn)有的大量研究主要依據(jù)宏觀尺度降塵實(shí)驗(yàn)和準(zhǔn)靜態(tài)固?液濕潤(rùn)實(shí)驗(yàn)來(lái)間接推斷塵?霧黏附效果，對(duì)微米尺度塵?霧動(dòng)態(tài)作用特性認(rèn)識(shí)不清，導(dǎo)致不同學(xué)者提出的噴霧技術(shù)革新方向存在明顯分歧。例如，一些學(xué)者主張通過(guò)降低表面張力、增大霧滴速度來(lái)避免塵?霧作用后發(fā)生“反彈”行為，從而提升粉塵與水霧作用后的附著和增重效果。然而，另一些學(xué)者卻認(rèn)為表面張力過(guò)低、霧滴速度過(guò)快會(huì)導(dǎo)致塵?霧作用時(shí)霧滴破裂并脫離粉塵，進(jìn)而使粉塵表面液體附著量降低。一些專(zhuān)家指出降低霧滴粒徑有利于增大塵?霧接觸概率，但也有研究顯示霧滴粒徑過(guò)小會(huì)導(dǎo)致霧滴難以完整包裹塵粒。雖然目前噴霧降塵領(lǐng)域的共識(shí)是存在一個(gè)最佳捕塵霧滴粒徑范圍，但不同研究團(tuán)隊(duì)提出的最佳捕塵霧滴粒徑范圍尚不統(tǒng)一。還有學(xué)者指出增大霧滴黏度有利于提升塵?霧附著效果，但是液體黏度塵?霧動(dòng)態(tài)碰撞過(guò)程尚不明確。上述爭(zhēng)議導(dǎo)致降塵水霧的粒徑、速度、表面張力、黏度等參數(shù)的最優(yōu)范圍不明確，難以為高效降塵提供理論指導(dǎo)。

針對(duì)上述問(wèn)題，筆者將通過(guò)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)合的方法研究微米尺度下霧滴與塵粒的作用過(guò)程，分析粒徑、速度、表面張力、黏度四重因素對(duì)塵?霧附著效果的影響，以及揭示塵?霧碰撞行為規(guī)律，為噴霧降塵技術(shù)革新提供理論支撐。真實(shí)的塵?霧碰撞過(guò)程涉及風(fēng)流干擾、塵粒形狀差異、塵粒表面特性不均勻、偏心碰撞等復(fù)雜條件，但是目前在理想條件下單顆粒霧滴?塵粒作用時(shí)的附著規(guī)律尚未被前人研究透徹，繞過(guò)簡(jiǎn)單碰撞場(chǎng)景而研究更復(fù)雜的碰撞場(chǎng)景是不現(xiàn)實(shí)的。因此，筆者僅在對(duì)心碰撞場(chǎng)景下開(kāi)展研究且不考慮風(fēng)流干擾、塵粒形狀差異、塵粒表面特性不均勻、偏心碰撞等條件，研究成果可為后續(xù)研究更復(fù)雜條件下的塵?霧作用過(guò)程奠定基礎(chǔ)。

1.實(shí)驗(yàn)裝置、材料及工況布置

1.1塵?液碰撞實(shí)驗(yàn)裝置

為確保每次實(shí)驗(yàn)保持一致，實(shí)驗(yàn)采用電自動(dòng)微量注射器產(chǎn)生大小一致的實(shí)驗(yàn)液滴，并通過(guò)調(diào)節(jié)不同高度的注射器來(lái)改變液滴?顆粒碰撞速度。為防止環(huán)境氣流對(duì)液滴軌跡的影響，在注射器下方設(shè)置了一個(gè)空心圓筒。在三軸光學(xué)平臺(tái)上設(shè)置了樣品顆粒支座，利用EVA熱熔膠將樣品顆粒固定在支座的金屬支撐絲上。顆粒的位置可通過(guò)三軸光學(xué)平臺(tái)進(jìn)行調(diào)整。使用了Phantom VEO410L高速相機(jī)(Vision Research公司)對(duì)碰撞過(guò)程進(jìn)行捕捉拍攝。相機(jī)和光源分別位于樣品顆粒的兩側(cè)。相機(jī)的拍攝頻率設(shè)定為2 000 fps，圖像分辨率為1280×800像素。

圖1液滴?顆粒碰撞實(shí)驗(yàn)裝置

1.2實(shí)驗(yàn)樣品特性分析與選擇

由于固、液兩相的表面特性會(huì)顯著影響固?液接觸角，從而影響液滴與顆粒的碰撞行為，筆者通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和文獻(xiàn)分析，對(duì)比了固、液特性的變化對(duì)接觸角的影響。表1列出了測(cè)量固、液特性時(shí)所使用的具體儀器及添加劑。表2給出了不同固體和液體樣品的接觸角、表面張力和黏度。其中高度疏水固體ST1與不同液體接觸角通過(guò)實(shí)測(cè)得出，中度疏水固體ST2和親水固體ST3的測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)自ZHU等的研究。對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，前進(jìn)接觸角α明顯大于后退接觸角β，所以在分析塵?霧濕潤(rùn)特性時(shí)應(yīng)考慮前進(jìn)角和后退角的差異。

表1實(shí)驗(yàn)材料以及測(cè)量?jī)x器

表2不同類(lèi)型液體與固體的濕潤(rùn)特性

1.3連續(xù)碰撞實(shí)驗(yàn)的工況設(shè)置

為了分析液體表面張力及黏度變化對(duì)固液黏附效果的影響，筆者按表3中設(shè)定的工況條件進(jìn)行了液滴?顆粒連續(xù)碰撞實(shí)驗(yàn)。當(dāng)韋伯?dāng)?shù)(We)達(dá)到500時(shí)，固?液碰撞時(shí)會(huì)發(fā)生膜狀飛濺現(xiàn)象。為了觀測(cè)改變液滴表面張力及黏度后是否顯著增大顆粒表面的液體附著量，筆者將對(duì)照組的碰撞韋伯?dāng)?shù)設(shè)置大于500，當(dāng)碰撞發(fā)生后使對(duì)照組顆粒樣品表面僅附著少量液體。

表3驗(yàn)證液滴黏度影響的實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)

因此，碰撞速度v0設(shè)為3 m/s，液滴直徑dd設(shè)為4 mm。v0的大小通過(guò)液滴顆粒之間的豎直高度來(lái)設(shè)定，具體計(jì)算式為v0=√￣2gH，其中g(shù)為重力加速度，H為豎直高度，數(shù)值為40 cm。由于實(shí)驗(yàn)誤差，v0測(cè)量值為3.1 m/s,dd測(cè)量值為3.93±0.1 mm。詳細(xì)的條件參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表3。使用高速攝像機(jī)記錄樣品顆粒上剩余的附著液體量。