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數值模擬不同活性水的表麵張力構建噴霧降塵模型
來源:科技風 瀏覽 222 次 發布時間:2025-03-06
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,導致粉塵汙染等問題越來越嚴重。當粉塵濃度達到一定程度後,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。因此,如何使用有效的防塵對策降低礦山的粉塵汙染、發展綠色礦山,已經成為我國礦山企業目前的主要任務。
在噴霧除塵方麵,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、噴嘴直徑在一定範圍內逐漸增大時,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後逐漸減小,噴霧降塵存在最優噴嘴直徑。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製方案。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。在磁化水的降塵方麵展開了研究,發現磁化後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;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。然而現有研究對於添加表麵活性劑後,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,在實驗得出最佳表麵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表麵活性劑種類的確定
表麵活性劑的分類如圖1所示。礦井下的煤塵一般是帶負電荷,若選用陽離子表麵活性劑配製溶液,那麽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麵現象,促使煤塵不容易被溶液潤濕,故不考慮陽離子活性添加劑。結合表麵活性劑的理化性質,本文選取了六種常用的表麵活性劑來進行實驗,材料均采購於萬化(廣州)供應鏈服務有限公司。
圖1表麵活性劑的分類
查閱大量文獻發現,大多數表麵活性劑溶液在質量分數達到5%時,其表麵張力變化程度保持在穩定的數值。因此本文對表麵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麵張力和黏度可以得出,FMES的表麵張力數值最高(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麵活性劑。活性劑FMEE與K12的表麵張力數值相近,僅差了0.1mN·m-1,但其溶液的表麵張力較高,無法滿足條件要求。活性劑XL40的表麵張力最低,僅為31.5mN·m-1,但由於其黏度最高為3.46cp,綜合來說效果不佳。綜合表麵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,故選擇非離子表麵活性劑JFC-3進行後續研究。
圖2活性水的表麵張力與黏度
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範圍內,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。
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。
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、流出界麵,壁麵類型選擇escape;模型的底部和四周是wall,壁麵類型選擇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。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,隨著噴嘴直徑的增加,霧滴擴散範圍呈現先變大後減小的趨勢。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麵和進出口的位置;而當噴嘴直徑較大為6mm時,霧滴擴散範圍明顯減小,同樣也更集中;直徑為4mm與5mm時,霧滴擴散範圍最大,分布也相對更加均勻,更容易捕集粉塵達到降塵目的,但由於從霧滴濃度分布雲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麵的速度雲圖(圖8)進行對比。
噴嘴直徑為4mm時噴霧的噴射速度大於直徑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、分布範圍廣更易除塵。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,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,活性水噴霧的分布範圍和霧化角均隨噴射壓力的增大而擴大,霧滴濃度趨於均勻分布;當噴射壓力由0.4MPa增加至0.5MPa時活性水噴霧的分布範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,噴霧分布範圍和霧化角較大、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麵張力、黏度,確定出改善噴霧降塵性能較好的表麵活性劑,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,非離子表麵活性劑JFC-3與其他活性劑相比在改善水體除塵性能方麵占有明顯優勢,噴嘴直徑為5mm、噴射壓力為0.4Mpa時,活性水噴霧的分布範圍和霧化角較大、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。