基于高精度沉積厚度檢測(cè)方法的通風(fēng)除塵管道粉塵沉積規(guī)律

趙 政，李德文，吳付祥，劉國(guó)慶，隋金君，顏鴿來(lái)

(1.重慶大學(xué) 資源與安全學(xué)院，重慶 400044; 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

在有爆炸危險(xiǎn)存在的工礦場(chǎng)所，其沉積在地表、設(shè)備、井巷上的各類可燃性、爆炸性粉塵是場(chǎng)所中安全生產(chǎn)的潛在危險(xiǎn)[1]。尤其是可燃性粉塵在通風(fēng)除塵管道中的沉積會(huì)造成潛在的爆炸危險(xiǎn)，已成為工礦等帶有可燃性粉塵場(chǎng)所必須解決的問(wèn)題[2]。實(shí)驗(yàn)證明，1 mm厚的可燃性粉塵在6 kPa外力作用下能夠達(dá)到爆炸濃度[3]。因此，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求除塵管道粉塵沉積厚度不能超過(guò)1 mm[4]，并定期清掃。

針對(duì)粉塵沉積規(guī)律已有少數(shù)學(xué)者開(kāi)展研究，LAIN S[5]運(yùn)用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)合的方法對(duì)6 m長(zhǎng)的矩形管道內(nèi)顆粒的沉積運(yùn)移特性進(jìn)行了研究;MENGUTURK[6]研究了湍流和布朗擴(kuò)散對(duì)粉塵沉積的影響:壁面的捕獲能力和粉塵粒子的黏附能力是關(guān)鍵因素;ZHAO Bin等[7]通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):小粒徑粉塵在管道內(nèi)的沉積率很小，且易二次揚(yáng)起，而大粒徑粉塵則全部沉積在管道內(nèi);張燦鳳[8]對(duì)通風(fēng)管道內(nèi)的粉塵沉積進(jìn)行了數(shù)值模擬;張金萍等[9]數(shù)值模擬了風(fēng)速7，9 m/s，粒徑10～200 μm的粉塵在水平方形管道內(nèi)的沉積速度。

雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者已運(yùn)用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)管道內(nèi)粉塵沉積進(jìn)行了定性研究，但缺乏一種精確的檢測(cè)方法對(duì)管道內(nèi)的粉塵沉積厚度進(jìn)行定量分析，更沒(méi)有解決工礦場(chǎng)所沉積粉塵潛在爆炸性的預(yù)測(cè)問(wèn)題。因此，針對(duì)沉積粉塵厚度檢測(cè)處于起步階段的現(xiàn)狀，筆者提出一種將質(zhì)量檢測(cè)轉(zhuǎn)化為厚度檢測(cè)的新型粉塵沉積厚度檢測(cè)方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該檢測(cè)技術(shù)的分辨率和精度，以此對(duì)通風(fēng)除塵管道內(nèi)的粉塵沉積規(guī)律進(jìn)行了定量研究，得到了粉塵沉積率在不同風(fēng)速和不同粒徑下的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了粉塵沉積規(guī)律和沉積原因。

1 粉塵沉積厚度檢測(cè)方法

1.1 基本原理

本文基于稱重原理進(jìn)行厚度檢測(cè)，將單位面積上的粉塵沉積質(zhì)量轉(zhuǎn)換為沉積厚度。其基本原理如圖1所示，在通風(fēng)除塵管道底部開(kāi)1個(gè)測(cè)試小孔，稱重傳感器安裝在開(kāi)孔底部，稱重感應(yīng)單元的感應(yīng)面與管道開(kāi)孔上邊緣齊平，不破壞管道內(nèi)的流場(chǎng)分布，然后對(duì)沉積在稱重感應(yīng)單元感應(yīng)面上的粉塵進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，并轉(zhuǎn)換成沉積厚度。

圖1 粉塵沉積厚度檢測(cè)基本原理Fig.1 Basic principle diagram of dust deposition thickness detection

如圖1所示，管道底部開(kāi)孔處的粉塵全部沉降在稱重感應(yīng)單元的感應(yīng)面上，根據(jù)感應(yīng)單元檢測(cè)的粉塵質(zhì)量，結(jié)合開(kāi)孔面積和粉塵堆積密度，可以得到通風(fēng)除塵管道內(nèi)沉積粉塵的厚度。特別需要注意的是開(kāi)孔處和連接管、感應(yīng)單元和連接管均需要良好密封，避免粉塵的附加沉積。

1.2 粉塵沉積質(zhì)量-厚度數(shù)學(xué)關(guān)系

當(dāng)檢測(cè)管道內(nèi)的粉塵沉積厚度時(shí)，需在管道底部開(kāi)孔安裝沉積粉塵感應(yīng)單元，開(kāi)孔面積即為計(jì)算粉塵厚度-質(zhì)量關(guān)系的面積。

假設(shè)被檢測(cè)的除塵管道的開(kāi)孔面積為S，沉積粉塵的堆密度為ρ,則可得出厚度L和質(zhì)量M的關(guān)系:

(1)

假設(shè)開(kāi)孔的半徑r，則式(1)變?yōu)?/p>

(2)

由式(2)可得到沉積粉塵單位厚度與單位質(zhì)量變化量的關(guān)系:

(3)

由此可見(jiàn)，稱重感應(yīng)單元的分辨率越大，沉積粉塵厚度的檢測(cè)分辨率也越高。

本文據(jù)管道內(nèi)粉塵分布規(guī)律的數(shù)值模擬結(jié)果，管道底部開(kāi)孔直徑選35 mm，拋光鋁粉的堆密度ρ取典型值0.4 g/cm2，根據(jù)式(3)計(jì)算得出0.01 mm沉積粉塵的質(zhì)量，ΔM=0.01πr2ρ=3.848 4 mg。

即當(dāng)稱重感應(yīng)單元的質(zhì)量分辨率達(dá)到3.848 4 mg時(shí)，可實(shí)現(xiàn)0.01 mm的粉塵沉積厚度檢測(cè)。

1.3 信號(hào)處理

由于本文0.01 mm的厚度檢測(cè)要求稱重分辨率在3.8 mg，除了稱重傳感器的分辨率高，還需要信號(hào)轉(zhuǎn)換部分也要有足夠高的分辨率，才能識(shí)別粉塵沉積質(zhì)量mg級(jí)的變化。因此，選用24位的AD轉(zhuǎn)換器，對(duì)模擬信號(hào)的識(shí)別范圍為0～224。

稱重傳感器的參數(shù)為:激勵(lì)電壓為Vcc，靈敏度為kv，量程為Gm;24位AD轉(zhuǎn)換器參數(shù)為:放大倍數(shù)Ag，參考電壓Vref,AD轉(zhuǎn)換值Nd(含加載和皮重)，“零加載”(皮重)的AD值是Nc。

假設(shè)Va為稱重傳感器初始輸出電壓，Vi為加載沉積粉塵后稱重傳感器的輸出電壓，Gi為實(shí)際加載粉塵的質(zhì)量。

根據(jù)AD轉(zhuǎn)換器的數(shù)學(xué)公式，可得AD轉(zhuǎn)換值Nd與Va,Vi的數(shù)學(xué)關(guān)系:

(4)

對(duì)稱重傳感器加載電壓Vi與加載質(zhì)量Gi存在:

(5)

實(shí)際的沉積粉塵質(zhì)量與AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換值Nd和“零加載”之間關(guān)系:

Gi=(Nd-Nc)/k

(6)

為獲得足夠高的分辨率與精度，稱重傳感器的選型如下:激勵(lì)電壓Vcc=5 V，靈敏度kv=2 mV/V，量程Gm=113 g;AD轉(zhuǎn)換器放大倍數(shù)Agz=64倍，參考電壓Vref設(shè)為2.5 V。代入式(6)后發(fā)現(xiàn)稱重傳感器1 mg的變化對(duì)應(yīng)AD轉(zhuǎn)換器變化值44，也就是說(shuō)3.8 mg質(zhì)量變化(沉積粉塵厚度0.01 mm)對(duì)應(yīng)AD轉(zhuǎn)換器變化值167，可見(jiàn)檢測(cè)分辨率可以達(dá)到0.01 mm[10-12]。

綜上，該種沉積粉塵厚度檢測(cè)方法的分辨率極高，能夠良好檢測(cè)粉塵沉積厚度。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

(1)管道選擇

為了更貼近工礦企業(yè)的現(xiàn)實(shí)工況，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選用直徑600 mm的碳鋼管道，長(zhǎng)度為10 m;為了便于實(shí)驗(yàn)，在中間加裝1節(jié)直徑相同的管道窗口段，而窗口段上半部能夠活動(dòng)的打開(kāi)進(jìn)行手動(dòng)厚度測(cè)試，其下端開(kāi)孔直徑為35 mm用于安裝本文設(shè)計(jì)的沉積粉塵厚度傳感器，傳感器距離發(fā)塵口的長(zhǎng)度為5 m，管道系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 粉塵沉積厚度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic diagram of dust deposition thickness test experiment system

(2)粉塵選擇

據(jù)調(diào)研通風(fēng)除塵管道內(nèi)的粉塵粒徑為1～100 μm，實(shí)驗(yàn)選用振動(dòng)分樣篩對(duì)粉塵進(jìn)行篩上篩下分樣，篩選后的粉塵服從Rosin-Rammler分布[13]，比如900目粉塵粒徑主要分布在10 μm左右，通過(guò)激光粒度分析儀對(duì)其粒徑分布進(jìn)行分析，如圖3所示。

圖3 10 μm粒徑粉塵顆粒粒徑分布曲線Fig.3 10 μm particle size dust particle size distribution curve

(3)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與環(huán)境

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，由定量發(fā)塵器(0～1 000 mg/m3)、靜電除塵器、壓氣泵、除塵管道(風(fēng)硐)、風(fēng)速測(cè)定儀(0～30 m/s)、電腦控制臺(tái)及變頻風(fēng)機(jī)組成。環(huán)境相對(duì)濕度小于80%RH，溫度為(25±5)℃;在變頻風(fēng)機(jī)的作用下，風(fēng)速穩(wěn)定，管道內(nèi)風(fēng)速均勻性偏差≤5%;定量發(fā)塵器將粉塵噴入管道，管道截面粉塵濃度均勻性相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差≤5%。

2.2 粉塵沉積質(zhì)量與厚度數(shù)學(xué)關(guān)系驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中將拋光打磨車間產(chǎn)生的鋁合金粉末裝入發(fā)塵器，發(fā)塵濃度為500 mg/m3;粉塵粒徑選50 μm，管道內(nèi)風(fēng)速分別設(shè)定為5，10，15 m/s。使用精度達(dá)0.01 mm的深度游標(biāo)卡尺作為標(biāo)準(zhǔn)器件來(lái)手工量取沉積粉塵的實(shí)時(shí)厚度值，并與沉積粉塵傳感器稱重感應(yīng)單元的測(cè)試質(zhì)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證粉塵沉積質(zhì)量與厚度的數(shù)學(xué)關(guān)系式的正確性。

實(shí)驗(yàn)中，自發(fā)塵開(kāi)始后3，6，9，12，15，18，21，24，27和30 min，總共10次記錄通風(fēng)除塵管道內(nèi)開(kāi)孔處稱重感應(yīng)單元的粉塵沉積質(zhì)量數(shù)據(jù)和深度游標(biāo)卡尺測(cè)試的粉塵沉積厚度數(shù)據(jù)。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同風(fēng)速時(shí)粉塵沉積厚度Fig.4 Dust deposition thickness of various wind speed

由圖4可知，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合曲線的R2值均趨近于1，該處擬合的曲線是可靠的，線性度高，這與式(3)高線性度完全吻合。

本次驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期，證明了在該種沉積厚度下的堆密度不變，且1.2節(jié)中的通風(fēng)除塵管道中粉塵沉積質(zhì)量和厚度數(shù)學(xué)關(guān)系是正確和可行的。

2.3 粉塵沉積厚度檢測(cè)方法誤差實(shí)驗(yàn)

圖5 管道開(kāi)孔處粉塵沉積厚度數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.5 Comparison of dust deposition thickness data at pipe openings

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、環(huán)境和方法同2.2節(jié)，鋁合金粉塵粒徑選50 μm，發(fā)塵濃度為 500 mg/m3，管道內(nèi)風(fēng)速設(shè)定為10 m/s，實(shí)驗(yàn)中，自發(fā)塵開(kāi)始后每隔3 min進(jìn)行1次測(cè)試，總共記錄了20次數(shù)據(jù)，得到通風(fēng)除塵管道開(kāi)孔處的厚度對(duì)比數(shù)據(jù)如圖5所示。經(jīng)過(guò)20次測(cè)試后，該種厚度檢測(cè)方法的分辨率高達(dá)0.01 mm，誤差(精度)達(dá)到0.07 mm，如圖6所示。

圖6 粉塵沉積厚度誤差數(shù)據(jù)Fig.6 Dust deposition thickness error data figure

3 通風(fēng)除塵管道粉塵沉積規(guī)律

3.1 除塵管道內(nèi)粉塵顆粒受力情況

力是改變物體運(yùn)動(dòng)的根本原因，通風(fēng)除塵管道內(nèi)的粉塵顆粒受力情況將決定顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡和沉積規(guī)律。

根據(jù)管道內(nèi)氣固兩相流的復(fù)雜性，將粉塵顆粒的受力分成3種情況[14]:① 與除塵氣流無(wú)關(guān)的力，比如重力、浮力等;② 沿氣流流動(dòng)方向的拖拽力、Basset力;③ 跟氣流流動(dòng)方向垂直的Saffman力等。

(1)重力和浮力:由于粉塵顆粒具有一定的質(zhì)量，必然存在重力和浮力。

(2)拖拽力:由于粉塵顆粒與氣流之間的速度差使氣流對(duì)粉塵顆粒存在一個(gè)拖拽力[15]。

(3)Basset力:由于除塵氣流對(duì)粉塵顆粒的黏性帶動(dòng)顆粒隨時(shí)間變化的1種加速度力叫Basset力[16]。

(4)Saffman力:粉塵顆粒在運(yùn)動(dòng)方向法線上的速度梯度使顆粒受到1個(gè)垂直于運(yùn)動(dòng)方向的力，即Saffman力[17]。

根據(jù)岑可法對(duì)1，10，100 μm三種粒徑顆粒在除塵管道內(nèi)受力分析對(duì)比發(fā)現(xiàn):隨著粉塵顆粒粒徑的增大，顆粒重力、拖拽力、Basset力和Saffman力作用逐漸明顯[18]。

3.2 管道內(nèi)粉塵沉積規(guī)律研究

采用第2節(jié)中同樣的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、環(huán)境和方法，并使用本文研究的沉積粉塵厚度傳感器直接在管道安裝點(diǎn)測(cè)試粉塵沉積厚度，對(duì)粉塵在通風(fēng)除塵管道內(nèi)的沉積規(guī)律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

3.2.1不同風(fēng)速下的粉塵沉積規(guī)律

粉塵為鋁合金粉末，粉塵濃度為500 mg/m3，粉塵粒徑選50 μm，實(shí)驗(yàn)中分別將風(fēng)速設(shè)定為5，7，10，12，15，18以及20 m/s，自發(fā)塵開(kāi)始后每3 min進(jìn)行1次沉積粉塵傳感器的數(shù)據(jù)記錄，然后將時(shí)間段內(nèi)的平均粉塵沉積厚度換算成沉積率，其結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同風(fēng)速下粉塵沉積率Fig.7 Dust deposition rate under different wind speeds

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，粉塵沉積率隨著管道風(fēng)速的提高而逐漸呈指數(shù)型降低，當(dāng)管道風(fēng)速達(dá)到了20 m/s時(shí)，粉塵沉積率降低到了0.04 μm/s。

3.2.2不同粒徑下的粉塵沉積規(guī)律

粉塵為鋁合金粉末，粉塵濃度為500 mg/m3，將風(fēng)速固定為20 m/s，粉塵粒徑分別選擇為5，10，20，30，50，70以及90 μm自發(fā)塵開(kāi)始后每3 min進(jìn)行1次沉積粉塵傳感器的數(shù)據(jù)記錄，然后將時(shí)間段內(nèi)的平均粉塵沉積厚度換算成沉積率，其結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同粒徑粉塵沉積率Fig.8 Different particle size dust deposition rate

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，粉塵沉積率隨粉塵粒徑的增大而逐漸呈指數(shù)型的升高。

對(duì)沉積粉塵使用激光粒度分析儀進(jìn)行粒度分布分析，發(fā)現(xiàn)≤10 μm的顆粒幾乎不發(fā)生沉積，且在風(fēng)速20 m/s時(shí)容易二次揚(yáng)起，而沉積部分是標(biāo)稱粒徑Rosin-Rammler分布附近的大顆粒粉塵。

綜上可知，不同物性粉塵，比如:鋁粉末、鐵粉末和煤粉末等在不同風(fēng)速和不同粒徑下的粉塵沉積規(guī)律與此類似，不同之處在于沉積率的大小與物性的密度相關(guān)，此處不再累述不同物性粉塵的厚度沉積規(guī)律。

3.2.3除塵管道內(nèi)粉塵沉積規(guī)律和原因

經(jīng)過(guò)以上不同風(fēng)速和不同粒徑的粉塵沉積實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):隨著除塵風(fēng)速和顆粒粒徑的增大，粉塵沉積率呈指數(shù)型降低或升高。

而通風(fēng)除塵管道內(nèi)粉塵顆粒沉積行為的根本原因是顆粒在不同風(fēng)速和不同粒徑下的受力變化。

首先，管道內(nèi)粉塵在不同風(fēng)速下的沉積原因:風(fēng)速較小時(shí)，部分粉塵顆粒在重力作用下沉積到管道底部;風(fēng)速加大時(shí)，由于除塵氣流對(duì)粉塵顆粒的拖拽力、Basset力以及顆粒自身的Saffman力作用使得部分粉塵再次懸浮起來(lái)。由圖7可知，風(fēng)速>18 m/s粉塵顆粒幾乎不沉積。

然后，管道內(nèi)粉塵在不同粒徑下的沉積原因:粒徑≤10 μm時(shí)，重力可忽略，顆粒主要受拖拽力和Basset力作用，容易隨氣流運(yùn)動(dòng)，甚至在大風(fēng)速氣流下二次揚(yáng)起;粒徑>10 μm且≤50 μm時(shí)，顆粒質(zhì)量增加，重力作用增大，雖然隨粒徑增大，拖拽力、Basset力和Saffman力均有增加，但與≤10 μm的小顆粒相比，重力逐步起主要作用使得其沉積率逐步增加;粒徑>50 μm時(shí)，顆粒質(zhì)量較大，不能很好的隨氣流運(yùn)動(dòng)，重力比拖拽力、Basset力和Saffman力上升的更快，使得此時(shí)顆粒的沉積率呈快速上升(圖8)。

經(jīng)過(guò)以上的實(shí)驗(yàn)、規(guī)律總結(jié)和原因分析，對(duì)通風(fēng)除塵具有重要的現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)意義:一是根據(jù)不同物性和不同粉塵顆粒粒徑調(diào)整除塵風(fēng)速，使粉塵盡量隨通風(fēng)氣流運(yùn)動(dòng)，保證通風(fēng)除塵的高效性;二是該種粉塵沉積厚度傳感器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)管道內(nèi)粉塵的沉積厚度，提醒厚度異常進(jìn)行定期清掃，有效避免爆炸危險(xiǎn)的發(fā)生。

4 結(jié) 論

(1)提出了一種高精度的粉塵沉積厚度檢測(cè)方法，并揭示了將質(zhì)量檢測(cè)轉(zhuǎn)化為厚度檢測(cè)的原理，完成了該項(xiàng)檢測(cè)方法的研究。

(2)通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該種將質(zhì)量轉(zhuǎn)換成厚度檢測(cè)方法的正確性，并進(jìn)行了誤差實(shí)驗(yàn)，證明分辨率高達(dá)0.01 mm，精度高達(dá)0.07 mm。

(3)基于該種檢測(cè)方法研究的粉塵沉積厚度傳感器，對(duì)不同風(fēng)速和不同粒徑的通風(fēng)除塵管道內(nèi)的粉塵沉積厚度規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)粉塵沉積率均隨著除塵風(fēng)速和顆粒粒徑的增大呈現(xiàn)指數(shù)型的降低和升高。

(4)對(duì)管道內(nèi)粉塵顆粒在不同風(fēng)速和不同粒徑下的沉積原因進(jìn)行了分析，并給出了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)除塵風(fēng)速的設(shè)計(jì)建議。