壓電式超聲霧化降塵系統設計及其試驗研究

曹帥，韓光超 , ，徐林紅，江進國，盧祿華，彭清圍

（1.中國地質大學（武漢） 機械與電子信息學院，武漢 430070；2.廈門三燁清潔科技股份有限公司 福建廈門 361102；3.中國地質大學深圳研究院，廣東深圳 518057）

散料一般定義為堆積在一起的大量未經包裝的塊狀、粒狀和粉狀物料。目前，在我國眾多電廠、水泥廠等主要采用傳送帶方式來運輸散料。在散料運輸過程中，傳送帶的導料槽、落料口等地方容易產生高濃度的粉塵，甚至引起爆炸，對工人身體健康和生產安全造成嚴重危害?，F在主要采用霧化降塵技術來抑制散料傳送過程中產生的各種粉塵。

目前，常用的霧化降塵方法包括：微細水霧降塵、聲波霧化降塵、磁化水降塵和預荷電噴霧降塵等[1-3]。Peng 等[4]設計了一種超聲噴霧裝置，該裝置由多個高壓噴嘴組成，最遠有效作用距離為3.03 m；Li 等[5]揭示了流體動力式超聲波噴嘴內氣體流動規律，發現噴氣的馬赫數會直接影響超聲激振振幅大??；楊超[6]對流體動力式超聲霧化噴嘴進行了優化改進，基于拉瓦爾噴管原理設計了一種新型噴嘴，使氣流速度更快，霧滴顆粒的算數平均直徑可細化到10 μm 以內，并利用15 ～ 65 μm 的霧滴對粒徑為0 ～45 μm 煤粉進行抑塵試驗，驗證了當粉塵粒徑大小與霧滴粒徑大小相接近的時候，兩者更容易結合，降塵效率更高。劉旭[7]設計了一種L 型雙級諧振腔式低頻超聲霧化噴嘴，霧化粒徑最小可達11.4 μm。Zhou 等[8]研究了液滴直徑與捕獲顆粒大小之間的關系，認為40 ～ 160 μm 可作為捕集煤塵的基本液滴尺寸，捕獲呼吸性粉塵的最佳液滴尺寸為15 ～70 μm。目前，對超聲霧化降塵技術的研究多是采用氣液兩相超聲霧化噴嘴，結構較復雜，需要高壓供水，使用維護較復雜。采用壓電式超聲霧化方式，只需常壓水管即可實現水顆粒的超聲霧化，降低使用成本，是一種有益的嘗試[9]。因此，基于壓電式超聲霧化降塵方法，設計了一套30 kHz 超聲霧化系統和配套霧化降塵試驗系統，并采用單因素試驗研究多種霧化降塵參數對工業散料霧化降塵效果的影響規律。

1 超聲霧化系統設計

本文所設計的超聲霧化系統包括超聲換能器、超聲變幅桿、超聲霧化噴嘴及超聲波發生器。超聲變幅桿及超聲霧化噴嘴的材料參數如表1 所示。

1.1 超聲變幅桿的設計

本文設計的超聲霧化噴嘴需要實現較大的超聲振幅，故采用放大系數較大的階梯形變幅桿結構，變幅桿的頻率設定為30 kHz，根據縱波波動方程可計算變幅桿總長[10]。

式中：K為波數，rad/m； ω為圓頻率，rad/s；f為諧振頻率，Hz；c為圓棒中縱波的傳播速度，m/s；E為彈性模量，Pa； ρ為材料密度，kg/m3。

為了降低不同截面之間的應力集中，變幅桿兩截面之間采用圓弧過渡結構，圓弧半徑設為3 mm。采用ANSYS 軟件進行仿真優化，最終確定變幅桿大端長度為51 mm，直徑為32 mm；小端長度為36 mm，直徑為20 mm。面積截面系數N=D/d=1.6；放大系數Mp=N2=2.56，由于法蘭盤處振幅為零，所以在此處設立入水孔。

1.2 霧化噴嘴仿真設計

已有研究表明，當工具長度為波長的1/4 時，末級變幅桿長度不需要經過修整便可以使工作達到較佳狀態[11]。因此，本裝置中的霧化噴嘴的長度初步設計為1/4 波長，L= 43.25 mm。為了獲得盡可能大的噴霧面積，將霧化噴嘴設計成喇叭型，通過喇叭型噴嘴外表面的高頻諧振，使水滴霧化并向喇叭四周呈圓錐體形噴出。采用ANSYS 軟件對不同角度的喇叭口噴嘴振動特性進行模態仿真，喇叭口角度為60°，90°和120°時的噴嘴模態仿真結果如圖1a）、圖1b）和圖1c）所示。結果表明，當喇叭口角度為60°時，噴嘴的有效振動面積為36.8 cm2，由于角度最小，所以噴霧覆蓋面積最??；當喇叭口角度為90°時，噴嘴的有效振動面積為32.5 cm2，噴霧覆蓋面積適中；當喇叭口角度為120°時，噴嘴的有效振動面積最小，為21.8 cm2，所以霧化量最小。因此，確定噴嘴喇叭口角度90°為最佳角度，變幅桿和霧化噴嘴的整體振動模態仿真圖如圖1d）所示。

圖1 噴嘴模態仿真圖Fig.1 Nozzle mode simulation

優化設計后的超聲霧化噴嘴總長度為60 mm，在變幅桿凸臺處開孔作為入水口，在變幅桿和霧化噴嘴的中間設置通水管道，通水管道直徑為4 mm，均勻設置4 個出水口，直徑為2 mm，喇叭口直徑為48 mm，霧化工具頭半剖結構示意圖如圖2 所示。

圖2 霧化噴嘴半剖結構示意圖Fig.2 Structure of atomizing nozzle's half profile

超聲霧化系統裝配圖如圖3 所示，超聲波發生器是將50 Hz 的市電轉換為與超聲波換能器相匹配的30 kHz 的高頻交流電，超聲換能器將電信號轉換為高頻機械振動，超聲變幅桿將超聲換能器傳遞出來的超聲振幅進一步放大滿足超聲霧化需求，超聲霧化噴嘴根部均勻設置出4 個出水口，使得水流通過喇叭口噴嘴外表面的高頻振動實現顆粒的超聲霧化。

圖3 超聲霧化系統裝配圖Fig.3 Assembly of ultrasonic atomization system

2 霧化降塵試驗系統的設計

為了實現對超聲霧化系統降塵效率的檢測，本文研制了一套霧化降塵試驗系統。該系統由產塵裝置、抑塵裝置、粉塵濃度檢測裝置、風速檢測裝置以及抑塵倉組成，每個部分搭配不同的試驗檢測儀器，三維結構示意圖如圖4 所示。

圖4 霧化降塵試驗系統結構示意圖Fig.4 Structure diagram of atomizing dust removal test system

系統中的產塵裝置采用廣州標誠機械設備有限公司的螺旋定量給料機實現勻速等量送粉，然后通過風扇使粉塵均勻的飄散在抑塵倉內。抑塵裝置為自行設計的30 kHz 喇叭型超聲霧化系統。粉塵濃度檢測裝置采用江蘇順欣儀器儀表有限公司的CCZ20 型礦用粉塵采樣儀，該裝置基于等速取樣原理，抽取一定體積煙氣通過已知重量的捕塵裝置，并根據濾膜采樣前后的重量差和采樣氣體體積，計算出總體粉塵濃度。風速測量裝置采用深圳市聚茂源科技有限公司的GM8902 + 風速檢測儀。抑塵倉采用亞克力板和角鋼組合而成，框架的尺寸為0.8 m ×0.6 m × 3 m。最終組裝完成的霧化降塵試驗系統實物圖如圖5 所示。

圖5 霧化降塵試驗系統實物圖Fig.5 A real atomizing dust removal test system

3 霧化降塵試驗方案與結果分析

3.1 試驗方案

粉體物料采用不同篩孔直徑的篩網進行篩分，除煤粉采用不同顆粒直徑外，試驗所用細沙和黃土的粉體物料均為0 ～ 180 μm 粒徑，粉塵濃度計算公式為

式中：c為空氣中總的粉塵濃度，mg/m3；m2為采樣后的濾膜質量，g；m1為采樣前的濾膜質量，g；Q為采樣流量，L/min；t為采樣時間，min。

試驗采用單因素試驗方案，研究入口水流量、風速、粉塵種類（細沙粉塵、煤炭粉塵、黃土粉塵）、煤粉顆粒直徑以及噴嘴安裝角度對降塵效率的影響。

入口水流量分別采用10 L/h、20 L/h、30 L/h、40 L/h、50 L/h；風速采用風速檢測儀進行測量，設定4 種風速，分別為1.25 m/s、1.7 m/s、2.1 m/s、2.5 m/s，通過調節風扇轉速來改變風速；當變量因素為粉塵顆粒直徑時，試驗中采用45 ～ 250 目篩網，篩選的煤粉粉塵粒徑范圍分別為<58 μm，58 ～ 106 μm，106 ～180 μm，180 ～ 325 μm；噴嘴安裝角度從入塵口方向開始到出塵口方向結束，依次設置為45°、30°、0、-30°、-45°。根據實驗所得試驗數據計算出粉塵濃度，與未進行噴霧抑塵的粉塵濃度進行對比計算，噴嘴的抑塵效率[12]表達式為

式中：ε 為抑塵效率，%；ci為噴霧抑塵后粉塵濃度，mg/m3；c0為無噴霧粉塵濃度，mg/m3。

3.2 試驗結果分析

3.2.1 入口水流量對降塵效率影響的研究

當風速為2.1 m/s，煤粉粒徑在0 ～ 180 μm 之間，噴嘴安裝角度為0 時，入口水流量對降塵效率影響規律如圖6 所示。

圖6 入口水流量與降塵效率關系曲線圖Fig.6 Relationship between inlet water flow and dust removal efficiency

試驗結果表明，降塵效率在流量為10 ～ 50 L/h的閉區間內呈現先增大后減小的趨勢，在30 L/h 時降塵效率達到最大值，最大值為75.9%；在10 L/h 時降塵效率達到最小值，最小值為34.5%。分析原因如下：超聲霧化噴嘴具有霧化能力極限值，當超過此值時就會出現明顯霧化顆粒不均勻甚至有少量水無法霧化的現象，從而降塵效率會降低，當低于此值時霧化的顆粒數量太少，降塵效率也會較低。從試驗分析可知30 L/h 是霧化能力極限值。因此，綜上可得30 L/h 時可實現對水的充分超聲霧化且霧化粒徑較均勻，降塵效率較高。

3.2.2 風速對降塵效率影響的研究

當入水口流量為30 L/h, 煤粉粒徑在0 ～ 180 μm之間，噴嘴安裝角度為0 時，風速大小對降塵效率影響規律如圖7 所示。

圖7 風速大小與降塵效率關系曲線Fig.7 Relationship between wind speed and dust removal efficiency

試驗結果表明，降塵效率隨著風速的增大呈現先增大后減小的趨勢，當風速為2.1 m/s 時降塵效率最高。煤塵潤濕是煤顆粒表面的氣體被流體（氣體/液體）取代的過程，對于煤塵的沉降具有十分重要的意義。理想的潤濕是由最初的兩相（固-氣和液-氣）平衡狀態經過三相接觸狀態（固-液-氣），最后達到兩相平衡（氣-液和固-液）。Kollipara 等[13]采用固定時間潤濕法和絕對時間潤濕來評估煤塵的潤濕性，發現液滴與煤顆粒間的接觸時間是改善煤塵潤濕性的重要因素，接觸時間從10 s 增加到25 s，煤塵的潤濕性約提高了 3% ～ 27%。在此次試驗條件下，當風速大于2.1 m/s 時液滴與煤顆粒間的接觸時間變短，煤塵濕潤性降低，降塵效率降低；當風速為2.1 m/s時煤塵達到了理想的濕潤性，因此降塵效率最高。

3.2.3 不同種類的粉塵對降塵效率影響的研究

當風速為2.1 m/s，入水口流量為30 L/h，3 種粉塵粒徑在0 ～ 180 μm 之間，噴嘴安裝角度為0 時，不同種類粉塵對降塵效率影響規律如圖8 所示。

試驗結果表明，相比較于煤粉和沙子，黃土的降塵效率略高，降塵效率可以達到80%，而煤粉跟沙子的降塵效率差別不大。由文獻[14]可知，黃土的顆粒比重為2.51 ～ 2.84，沙子的比重為1.47 ～ 2.9，褐煤的比重為1.05～ 1.2。相比較于其它兩種粉塵，黃土中的有機質表面能大，持水性強，它的形態主要為聚集于大孔孔壁或分散于粘粒中，當其呈分散分布時，構成土的膠結成分，受水侵蝕時，會吸收大量水分，而使土崩解[15]。在此次實驗中也可得出黃土粉塵的親水性更好，更容易與霧滴顆粒結合，從而更容易實現降塵。

3.2.4 煤粉不同顆粒直徑對降塵效率影響的研究

當風速為2.1 m/s，入水口流量為30 L/h，噴嘴安裝角度為0 時，煤粉不同顆粒直徑對降塵效率影響規律如圖9 所示。

圖9 煤粉顆粒直徑與降塵效率關系曲線Fig.9 Relationship between pulverized coal particle diameter and dust removal efficiency

試驗結果表明，在霧滴顆粒不變的情況下，隨著粉塵顆粒的不斷增大，降塵效率呈現先增大后減小的趨勢，在106 ～ 180 μm 的粉塵粒徑時達到了最大值73.9%。當粒徑較小時，煤塵微觀特性發生變化，一方面表面zeta 電位和吸附特性的變化直接作用于降塵過程，另一方面表面形貌、比表面積、孔結構、官能團等性質以潤濕性為媒介，間接地影響煤塵的沉降，二者共同作用阻礙了顆粒間的粘附團聚，最終導致小粒徑煤塵的沉降效果不佳[16]。當霧滴粒徑大小與粉塵粒徑大小相近時，兩者更容易相撞而實現團聚，從而更容易實現降塵。試驗結果表明本文所設計超聲霧化噴嘴所噴出的霧滴粒徑主要分布在106 ～ 180 μm 范圍內。而當粉塵在180 ～ 320 μm 這個粒徑范圍內時降塵效率最差，則表明當霧滴粒徑比粉塵粒徑小時，降塵效果最差。

3.2.5 噴嘴安裝角度對降塵效率影響的研究

當風速為2.1 m/s，入水口流量為30 L/h, 煤粉粒徑在0 ～ 180 μm 之間，噴嘴安裝角度對降塵效率影響規律如圖10 所示。

圖10 超聲霧化噴嘴安裝角度與降塵效率關系曲線Fig.10 Relationship between ultrasonic atomizing nozzle installation angle and dust removal efficiency

試驗結果表明，隨著安裝角度從45°減小到0，該噴嘴的降塵效率呈現一直增大的趨勢，安裝角度在0 時達到最大，降塵效率最大為81%，這是因為安裝不同角度的霧化降塵效率變化與噴嘴形成的水霧形狀密切相關，安裝角度在0 時，超聲霧化噴嘴噴出水霧的覆蓋區域面積最大，如圖11a）所示，當粉塵經過霧區的時候，粉塵與霧滴接觸的數量多時間長，增加了煤塵濕潤性，所以降塵效率最高；當噴嘴安裝角度逐漸增大時，噴霧覆蓋的區域面積減小，這與噴嘴的設計特征有關，在45°時，超聲噴嘴噴霧覆蓋區域面積如圖11b）所示，當粉塵經過霧區的時候，粉塵容易直接從霧中穿過，粉塵與霧滴接觸的數量少時間短，煤塵濕潤性降低，所以降塵效率最低。

圖11 安裝角度Fig.11 Ultrasonic nozzle mounting angle

4 結論

1）本文所設計超聲霧化降塵試驗系統可滿足不同霧化降塵方式的降塵效率測試研究需求。

2）相比較于煤粉跟沙子，超聲霧化降塵方式對黃土粉塵的降塵效率略高，當顆粒粒徑為107 ～ 180 μm范圍內，且噴嘴安裝角度為0 時的煤粉粉塵降塵效率最高。

3）當入口水流量為30 L/h 時，煤粉的超聲霧化降塵效率最高為75.9%；當風速為2.1 m/s 時，降塵效率最高為61.1%。