矿井生产过程产生的粉尘危害人的身体健康，影响井下作业和环境；尤其是质量浓度较高的细微尘源，其控制治理技术一直是困扰行业的研究难点[1-3]。目前，井下采用的主要湿式控尘手段有喷雾降尘、注水和泡沫除尘[4-7]等。对于喷雾降尘，由于其操作便捷、成本低廉的特点，科研工作者对其进行了优化研究，主要集中在活性磁化水喷雾、气动雾化和超声雾化[8-10]等方面。然而，井下尘源易受风流扰动的影响，雾滴与尘粒不易接触，发生湿润凝并的有效距离有限，影响喷雾降尘效率。湿式弦栅水膜除尘对污染风流净化具有较好的工程应用前景，喷雾雾滴群不仅与粉尘颗粒物发生湿润凝并作用实现降尘，雾滴群碰撞弦栅表面形成的动态水膜强化了尘水结合捕集粉尘[11]。湿式弦栅水膜除尘技术具有全尘除尘效率高、阻力小和性能稳定等特点，其研究成果主要集中在高压喷雾、弦栅材质和结构参数[12-16]等方面，对水膜的填充率及净化细微粉尘的效果研究还不够深入。
弦栅水膜捕尘是在风流扰动下，雾滴群碰撞弦栅形成不断下降的动态水膜[17-18]，实现对粉尘的捕集。液滴碰撞弦栅的形态与尺度主要受接触角的影响，表现为弦栅表面的疏水和亲水性[19-25]。受动态水膜的影响，含尘气流流过弦栅断面的途径不断变化，气流绕流弦栅水膜断面并不严格符合圆柱绕流的科学属性；此外，由于弦栅的弦尺度小，弦栅绕流涡的脱落频率很难靠近弦栅的低阶固有频率，尤其是对弦栅张力、刚度和密度较大的金属弦栅[26]。弦栅断面水膜填充率与弦栅水膜除尘效率密切相关，对于弦栅水膜除尘的全尘和呼吸性粉尘除尘效率优化，重点不在于弦栅绕流的力学行为及其对液滴二次破碎，而是要认识雾滴群在疏水和亲水弦栅表面的成膜机理，量化弦栅断面水膜填充率对粉尘捕集效率的影响。
综上所述，笔者自制了不锈钢弦栅板，制备了平均粒径约为10 μm的实验粉尘，借助自主搭建的除尘实验平台，开展压力喷嘴喷雾雾化特性及湿式弦栅水膜净化细微粉尘的除尘特性实验，研究供水压力、雾化粒径、弦栅表面疏水改性与除尘效率的关系，通过增大供水压力和弦栅表面改性的方法优化湿式弦栅水膜除尘的效率，为高效除尘装备的开发及除尘系统的应用提供理论依据。
1 湿式弦栅水膜除尘机理
湿式弦栅水膜除尘是基于强化尘水结合的水膜洗涤除尘方法，弦栅是造膜的媒介，水膜相当于一个屏障，含尘气流通过水膜时，洗涤气流，尘粒被截留在水膜中，达到除尘净化的目的。除尘净化过程中，喷雾、弦栅造膜、挡水除雾协同作用形成弦栅水膜除尘净化系统，如图1所示。
图1 湿式弦栅水膜除尘机理
Fig.1 Mechanism of wet chord grid water film dust removal
喷嘴喷出的雾滴群与弦栅表面发生惯性碰撞，液滴由于毛细作用在弦表面发生毛细湿润及弦间毛细铺展，纵向细微弦栅间隙形成向下流动的动态水膜；含尘空气经过水膜时，尘粒被水膜捕获，并随水流向下流动；水膜在风流作用下产生破裂，并在连续喷雾雾滴群的作用下不断生成新的水膜；穿过弦栅破裂形成的水雾由挡水板除雾，更进一步分离含在水雾中的粉尘，排出洁净空气。
弦栅表面的疏水和亲水性影响雾滴群碰撞弦栅表面的成膜形态与尺度，弦栅断面水膜填充率与除尘效率密切相关。亲水性弦栅表面，接触角小，对液滴有较大的亲和能力，易被水所湿润。雾滴群碰撞弦栅亲水表面后快速铺展成一层薄水膜，随着喷雾时间的持续，薄水膜不断集聚液滴，水膜尺度得到增大并形成“液滴状”和“柱状”水膜，水膜的形成主要依靠薄水膜与液滴之间的张力。疏水性弦栅表面不易被液滴所湿润，形成水膜的接触角大，弦栅水膜的初始状态为液滴状，不断补充的雾滴群使弦栅表面液滴状水膜尺度增大，在毛细作用下形成弦间水膜。疏水表面成膜的优势表现为水膜受重力作用沿着弦栅向下运动后，水膜空白区可以快速捕捉液滴并形成水膜，疏水表面持液量更好，水膜填充率更高。此外，弦栅与雾滴群的尺度差异也会影响成膜效果，弦栅间距较大不易产生柱状水膜，雾滴群和粉尘颗粒物直接弦栅间隙穿过。因此，笔者选用孔径为0.35 mm的不锈钢丝为制作弦栅的材料，绕制出包含2列弦栅及弦栅间距为0.40 mm的弦栅板。
2 实验平台、仪器及实验方案
2.1 实验平台
自主搭建的湿式弦栅水膜除尘实验平台如图2所示，该平台主要由4个部分组成。
(1)风道模型：依次为进口段、测量段、除尘段、测量段、轴流风机段和出口段，总长度为1 670 mm，除尘段为方管(600 mm×600 mm)，两侧为厚度为10 mm的可拆卸式透明有机玻璃板，其他段由直径为600 mm的圆管组成；
(2)调频轴流风机：为风流流动提供动力；
(3)喷雾系统：由高压水泵、水箱、控制柜、数字式压力计、供水管和实验喷嘴组成，马尔文粒度分析仪可对喷雾液滴场的雾滴粒径进行测量；
(4)发尘系统：德国生产的AG410干粉气溶胶扩散器，可向风道内稳定输送定量粉尘。
其中，在风道模型除尘段的风道内安装了压力喷嘴、弦栅板和挡水板，如图2所示。除尘段的前端和末尾设置了2个粉尘采样点用于滤膜采样，分别为1、2号采样点。测量段布设了皮托管测量压力，可直接测量除尘段的阻力损失。弦栅板和挡水板与风道壁面连接处缝隙用泡沫胶密封，保持实验过程不漏风。
图2 实验平台
Fig.2 Experimental platform
2.2 实验器材及材料
2.2.1 实验仪器
实验用到的仪器有真空干燥箱、丙纶纤维采样滤膜、FCC-30双路粉尘采样器、LS13320激光粒度分析仪和十万分之一高精度电子天平等，主要用于滤膜的干燥、采样、称重和粒径分析。除尘阻力测定使用皮托管、橡胶软管和TSI 多功能风表。
实验用的表面改性材料为疏水纳米涂层，专为金属表面改性研制，该涂层使固体表面厚度增加0.1～2.0 μm，具有不溶于水、分解温度高和附着力强等特点。
2.2.2 实验粉尘
为研究湿式弦栅水膜净化细微粉尘的效率，在凡口铅锌矿-680中段采场选取铅锌矿石，在破碎机中粉碎后，选用400目(0.038 mm)工业筛网筛选实验粉尘，筛网孔径约为38 μm。为明确实验粉尘的具体尺度，将其在LS13320激光粒度分析仪中进行粒径分析，得到实验粉尘的粒径分布如图3所示。
图3 实验粉尘粒径分布
Fig.3 Particle size distribution of experimental dust sample
由图3可知，实验粉尘主要以粒径较小的呼吸性粉尘为主，平均粒径为9.87 μm，分布范围为0～52.63 μm；粒径大于38.00 μm的粉尘累积体积占比为0.13%，误差在实验允许的范围内。特征粒径d10、d50、d90分别为1.25、6.77、23.80 μm，空气动力学当量直径为5、7.07、10 μm粉尘的累积体积分别为38.71%、52.94%、64.99%。
2.2.3 实验喷嘴
为研究不同喷雾形状的喷嘴及其雾化粒径对湿式弦栅除尘效率的影响，实验选用雾的池内生产的3种压力喷嘴，分别为空心圆锥形、方锥形、实心圆锥形喷嘴，如图4所示。其中，空心圆锥形喷嘴喷雾形状为环状，喷嘴内部独特的叶片使其不易发生阻塞，喷嘴喷孔孔径为1.8 mm；方锥形喷嘴的喷雾形状为正方形，内置X形导流叶片，喷孔孔径为1.7 mm；实心圆锥形喷嘴的喷雾形状为圆形，内置X形导流叶片，喷孔孔径为1.7 mm。
图4 实验所使用压力喷嘴
Fig.4 Hydraulic spray nozzle used in the experiment
2.3 实验方案
基于上述的实验平台及仪器，开展4组实验，分别为压力喷嘴雾化特性实验、湿式弦栅水膜除尘性能实验、弦栅断面水膜填充率量化实验及除尘效率优化实验。
(1)喷嘴雾化特性实验。设定5种供水压力工况(0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 MPa)，在距离喷嘴750 mm处利用马尔文粒度分析仪测定粒径分布，完成15组不同工况的实验，测量示意如图5所示。考虑到喷雾液滴场受风流的扰动作用，粒径测量在风道风速为3 m/s的环境下进行。
图5 喷雾粒径测量示意
Fig.5 Schematic diagram of spray particle size measurement
(2)湿式弦栅水膜除尘性能实验。在除尘段安装弦栅板和挡水板，开展3种不同喷雾形状喷嘴在5种供水压力工况(0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 MPa)的除尘效率实验。风道风速设定为3 m/s，发尘量为18 g/min，换算成风道内粉尘质量浓度约为283.02 mg/m3。每种工况利用双路采样器采样重复3次，采样器的流量设定为20 L/min，采样时间为2 min，采样流量共计240 L。对于除尘阻力测定，分别测定8种风道风速工况(1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5 m/s)的阻力损失，每种工况读取TSI显示面板静压差值4次，阻力损失为4次静压差的均值。
(3)弦栅断面水膜填充率量化实验。借助显微图像处理和分析软件Fiji的可训练分割功能，创建水膜、弦栅和空隙3个训练分类对象，选用算法进行训练分割，量化弦栅断面的水膜填充率，如图6所示。准备2块弦栅板，其中一块在弦栅表面均匀涂抹疏水涂层。将弦栅布置在距离喷嘴750 mm处，选用雾化效果较好的喷嘴朝着弦栅板喷雾，供水压力设定为0.3 MPa，依次记录2块弦栅相同区域弦栅水膜随喷雾时间变化的图像，利用提出的水膜量化方法，计算喷雾时间为3、6、9、15、18、21、24、27、30 s的弦栅断面水膜填充率，得到弦栅断面水膜填充率随喷雾时间的变化规律。其中，弦栅断面水膜填充率为弦栅断面水膜面积与弦栅断面面积的比值，弦栅断面水膜包含了弦栅表面水膜和弦间水膜。
图6 水膜填充率量化
Fig.6 Quantification of water film filling rate
(4)除尘效率优化实验。选用除尘效率较好的喷嘴，在弦栅表面改性的基础上，改变供水压力，利用第3组实验使用的2块弦栅板，开展6种供水压力工况(0.3、0.5、0.7、0.9、1.1、1.3 MPa)的除尘实验，并对采样滤膜进行粒径分析，计算不同尺度呼吸性粉尘的除尘效率，明确弦栅表面改性对除尘效率的影响。
3 实验结果及分析
3.1 喷嘴雾化特性
依据实验方案开展实验，得到了3种压力喷嘴的流量和雾化角。3种实验喷嘴的喷雾流量随着供水压力的增大而增大，5种供水压力工况下，空心圆锥形喷嘴的喷雾流量分别为1.93、2.31、2.62、2.87、3.12 L/min；方锥形喷嘴的喷雾流量分别为2.41、2.63、2.91、3.12、3.34 L/min；实心圆锥形喷嘴的喷雾流量分别为2.36、2.58、2.97、3.21、3.42 L/min。随着供水压力的增大，方锥形和实心圆锥形喷嘴的雾化角与供水压力的因变关系相同，均呈减小的变化规律。5种供水压力工况下，方锥形喷嘴的雾化角分别为122.6°、119.7°、117.4°、115.2°、112.8°；实心圆锥形喷嘴的雾化角分别为124.1°、120.9°、117.2°、114.6°、111.9°。空心圆锥形喷嘴的雾化角随着供水压力的增大呈小幅度增大，依次为56.2°、57.1°、59.2°、60.6°、61.4°。在风道风速为3 m/s的风流扰动下，3种压力喷嘴的特征粒径和平均粒径粒径与供水压力的关系见表1。
表1 喷嘴雾化粒径
Table 1 Atomized particle size of the pressure nozzle
类型供水压力/MPa粒径/μmd10d50d90d[32]d[43]Ⅰ0.380.6126.3289.3130.7174.60.468.5131.9233.7108.8142.40.563.4119.4210.299.9129.00.658.6106.0182.490.786.60.756.299.3169.086.6106.8Ⅱ0.3115.8472.1784.8278.7458.60.482.9186.2569.7151.1259.40.578.8168.5473.5139.1227.20.676.7143.1247.4117.1153.50.766.7137.5279.9111.8157.3Ⅲ0.399.3261.8708.8193.5344.00.488.2246.6704.5174.2337.40.581.3194.3669.2155.5298.10.666.9154.7576.6122.4238.00.765.0143.1407.8114.0196.1
注：d10、d50、d90为特征粒径，分别表示小于此粒径的颗粒体积含量分别占全部颗粒总体积的10%、50%、90%；d[32]为表面积平均粒径；d[43]为体积平均粒径。
表1中的类型Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ分别指空心圆锥形喷嘴、方锥形喷嘴和实心圆锥形喷嘴。由表1可知，3种压力喷嘴的特征粒径与平均粒径随着喷雾压力的增大而减小，空心圆锥形喷嘴的雾化效果最好，粒径分布跨度最小，5种供水压力工况下的表面积平均粒径分别为130.7、108.8、99.9、91.7、86.6 μm，雾化粒径随着供水压力的增大逐渐趋于稳定。方锥形与实心圆锥形喷嘴的雾化粒径较大，粒径分布的跨度较大，随着供水压力的增大，方锥形喷嘴的雾化效果更好，5种供水压力工况下的索特平均粒径分别为278.7、151.1、139.1、117.1、118.6 μm。
3.2 除尘性能实验结果及分析
3.2.1 除尘效率
3种压力喷嘴在5种供水压力工况下的湿式弦栅水膜除尘的全尘除尘效率如图7所示。由图7可知，全尘除尘效率随着供水压力的增大而增大，空心圆锥形喷嘴表现出较好的除尘效果，在除尘效率优化实验中可优先选择。结合喷嘴的雾化特性发现，随着供水压力的增大，喷嘴的喷雾流量增大，雾化粒径变小，增大了弦栅断面水膜填充率，提高了喷雾降尘和弦栅水膜捕尘2个过程的效率。实验结果表明，3种压力喷嘴中，空心圆锥形喷嘴的喷雾流量和雾化粒径均优于其他2种压力喷嘴；除尘效率主要受雾滴粒径、喷雾流量和弦栅断面水膜填充率的影响，在后续效率优化实验中，可适当增大供水压力和弦栅表面疏水性。
图7 全尘除尘效率与供水压力的关系
Fig.7 Relationship between full dust removal efficiency and water supply pressure
3.2.2 除尘段阻力损失
根据拟定的阻力测定方案，测量供水压力为0.7 MPa条件下，8种风道风速工况的阻力损失如图8所示。在图8中，8种风道风速对应的风量分别为21.6、32.4、43.2、54.0、64.8、75.6、86.4、97.2 m3/min；随着除尘段处理风量的增大，阻力损失由10.7 Pa增大至162.2 Pa。假定空气的密度ρ为1.2 kg/m3，利用阻力损失公式拟合湿式弦栅除尘段的阻力损失实验值，得到除尘段的阻力系数ξ为13.14，拟合度为0.99。
图8 除尘段阻力损失与风道风速的关系
Fig.8 Relationship between resistance loss of dust removal section and air speed
3.3 弦栅断面水膜填充率的量化
为探究原生弦栅表面与疏水弦栅表面对水膜填充率的影响，选择喷雾时间为6 s弦栅断面水膜图像进行对比，图像尺寸保持一致，如图9所示。
图9 水膜状态对比
Fig.9 Comparison of water film status
由图9可知，弦栅表面水膜类型主要分为2类，类型1呈“液滴状”的表面水膜；类型2呈“柱状”弦间水膜，随着喷雾时间的增大，水膜的重力克服表面张力在弦间形成向下流动的水柱。在图9(a)中，弦栅表面的小尺度水膜数量少，弦栅断面未形成水膜的区域较大，水膜填充率较低，说明表面疏水能力差，通过弦栅表面疏水改性提高弦栅断面水膜填充率的具有可行性。在对弦栅表面疏水改性后，弦栅断面的水膜状态如图9(b)所示，在疏水涂层的作用下，弦栅水膜填充率显著提高，主要体现在2个方面：① 弦栅表面的小尺度水膜显著增多，说明了疏水涂层增大了接触角，强化雾滴与弦丝的毛细作用；② 弦栅断面的持液量增多，水膜尺度更大，水膜填充率更高，说明疏水弦栅表面的水膜表面张力克服重力的能力增强。
根据记录原生弦栅表面与弦栅表面疏水改性的弦栅断面在喷雾时间为3、6、9、15、18、21、24、27、30 s的弦栅水膜状态图像，利用弦栅断面水膜量化方法计算水膜填充率，如图10所示。由图10可知，弦栅断面水膜填充率随着喷雾时间的增大，呈先显著增大后小幅度减小，最终趋于稳定的规律，疏水涂层将弦栅断面的水膜填充率由66%增大至78%。
图10 水膜填充率与弦栅表面疏水性的关系
Fig.10 Relationship between water film filling rate and hydrophilicity on the surface of the chord grid
3.4 除尘效率优化实验结果及分析
依据上文分析拟定的效率优化途径，即增大供水压力和弦栅表面疏水改性。选用雾化效果较好的空心圆锥形喷嘴进行湿式弦栅水膜除尘实验，弦栅表面改性与全尘除尘效率的关系如图11所示。
随着供水压力的增大，喷嘴的喷雾流量增大，空心圆锥形喷嘴的雾化粒径趋于稳定，结合图11(a)的除尘效率变化趋势分析，供水压力大于0.9 MPa，湿式弦栅水膜除尘的全尘除尘效率维持在81%左右，说明通过增大供水压力优化湿式弦栅水膜除尘效率的方法存在局限性。
对除尘段的弦栅板进行弦栅表面疏水改性后，弦栅断面水膜填充率增大约12%，对比图11(a)、(b)发现，全尘除尘效率在6种供水压力工况依次增加了15.23%、12.83%、10.44%、9.91%、7.54%、9.01%，2号采样点的粉尘质量浓度依次降低了38.9、34.5、27.0、25.5、19.5、24.3 mg/m3。结果表明，通过增大供水压力的方法优化除尘效率的效果并不显著，供水压力由0.7 MPa增大至1.3 MPa，湿式弦栅水膜除尘效率增大了6.63%，除尘效率最高为81.57%。对弦栅表面进行疏水改性，增大了弦栅断面水膜填充率，提高了湿式弦栅水膜除尘的全尘除尘效率，采样弦栅表面疏水改性的方法优化全尘除尘效率比增大供水压力更为显著。
图11 全尘除尘效率与表面疏水性的关系
Fig.11 Relationship between full dust efficiency and hydrophilicity on the surface of the chord grid
对弦栅表面疏水改性后，2个采样点的滤膜采样对比如图12所示。在图12中，1号采样点的粉尘质量浓度变化在262.83～267.71 mg/m3，2号采样点粉尘质量浓度随着供水压力的增大而减小。其中，供水压力为1.3 MPa时，粉尘质量浓度由262.8 mg/m3降低到24.8 mg/m3，全尘除尘效率为90.58%。
为了进一步分析增大供水压力及弦栅表面改性后的呼吸性粉尘除尘效率，依次对图12的采样滤膜进行粒径分析，得到2个采样点的采样滤膜粒径分析如图13所示。
图12 1号和2号采样点滤膜采样对比
Fig.12 Comparison of filter membrane sampling at No.1 and No.2 sampling points
为直观体现粒径分布的分布范围，1号采样点粉尘粒径分布的横坐标以底2的对数函数表征，2号采样点以底10的对数函数表征。在图13中，1号采样点的粒径分布与图3相比，6种供水压力工况下，1号采样点粒径大于38 μm的粉尘累积体积比例分别为9.44%、7.40%、7.51%、6.20%、5.23%、3.36%，均低于10%。供水压力由0.3 MPa增大至1.3 MPa，1号采样点采样滤膜的粉尘平均粒径依次为15.29、16.05、16.49、16.36、14.38、13.05 μm，2号采样点的平均粒径依次为10.16、3.75、5.11、4.60、4.23、5.54 μm，平均粒径的减小量分别为5.13、12.30、11.38、11.76、10.15、7.51 μm。实验结果表明，弦栅表面经过疏水改性后，弦栅断面水膜填充率得到提高，湿式弦栅水膜对细微粉尘有较好的除尘效果。
图13 采样滤膜的粒径分布
Fig.13 Particle size distribution of sampling filter membrane
依据采样滤膜的粒径分析结果，对3种尺度呼吸性粉尘(5、7.07和10 μm)的累积体积占比进行统计分析，结合1号和2号采样点的粉尘采样质量计算呼吸性粉尘效率，如图14所示。
图14 呼吸性粉尘除尘效率与供水压力的关系
Fig.14 Relationship between respirable dust removal efficiency and water supply pressure
由图14可知，呼吸性粉尘除尘效率随着供水压力的增大而增大，在供水压力为1.3 MPa时，3种尺度呼吸性粉尘效率可达82.68%、83.16%、86.31%。实验结果表明，弦栅表面疏水改性后，增大了弦栅断面水膜填充率，提高了湿式弦栅水膜除尘对细微粉尘的净化效率。
4 结 论
(1)在风道风速为3 m/s的风流扰动下，压力喷嘴的喷雾流量随着供水压力的增大而增大，雾化粒径随着供水压力的增大而减小。3种压力喷嘴中，空心圆锥形喷嘴的雾化效果最好，具有耗水量少、雾化角小和雾化粒径分布跨度小的特点。弦栅表面未改性前，湿式弦栅水膜净化细微粉尘的效率主要受喷嘴喷雾流量和雾化粒径的影响；供水压力越大，喷雾流量越大，雾化效果越好，全尘除尘效率越高。湿式弦栅水膜除尘段阻力损失较小，阻力系数为13.14。
(2)疏水改性涂层增大了接触角，强化了雾滴与弦丝的毛细作用，使小尺度水膜的数量增多，水膜尺度增大；弦栅断面水膜填充率随着喷雾时间的增大呈先急剧增大、后缓慢降低、最终趋于稳定的规律，弦栅表面疏水改性后，弦栅断面水膜填充率由66%增大至78%。
(3)增大供水压力和弦栅表面疏水性都能提高了全尘除尘效率，但弦栅表面疏水改性提高的全尘除尘效率比增大供水压力提高的全尘除尘效率更为显著。弦栅表面疏水改性后，湿式弦栅水膜对净化细微粉具有较好的效果，供水压力为1.3 MPa，全尘除尘效率可达90.58%，3种尺度(5、7.07和10.0 μm)呼吸性粉尘的除尘效率依次为：82.68%、83.16%、86.31%。
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