关于煤炭制备厂转运点被动多级流式粉尘抑制技术的研究

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Research on passive multi-stage flow-around dust suppression technology for transfer points in coal preparation Plants

　　

景德基|马志创|孟向西|宋家辉|何润池

辽宁工程技术大学安全科学与工程学院，抚顺123000，中国

摘要

煤炭制备厂的皮带输送点是粉尘污染的主要来源。这些地方严重影响了工作环境和工人的健康。在输送过程中，强烈的诱导气流、复杂的颗粒传输以及细颗粒的容易悬浮带来了重大挑战。本研究提出了一种被动的多级流偏转粉尘抑制技术。通过耦合的CFD-DEM模拟和相似性实验研究了这种抑制机制。流场沿传输方向呈现出分级调节模式，包括低速抑制、局部加速和逐步耗散。一个封闭循环室在0.358米/秒的速度下形成了一个低速区域，这抑制了初始粉尘的逸出，并促进了粗颗粒的惯性沉降。一个防尘帘将局部气流速度提高到了1.086米/秒。流偏转单元和减压结构诱导了周期性的加速和减速，从而稳定了流场。这种配置延长了粉尘的停留时间，并通过反复的颗粒-结构碰撞实现了逐步的动能耗散。总粉尘浓度从137.15毫克/立方米降低到了26.62毫克/立方米，抑制效率达到了81.34%。可吸入粉尘浓度从26.74毫克/立方米降低到了4.83毫克/立方米，抑制效率为81.93%。不同大小的颗粒表现出明显的分级捕获特性。第一阶段区域主要拦截了粗颗粒，贡献了44.29%。第三阶段区域对细颗粒的捕获效果更强。颗粒捕获受到速度梯度和惯性响应的耦合控制。所提出的结构能够在不消耗外部能量的情况下实现流场的重新配置和高效的分级粉尘控制。这为密闭空间和低能耗粉尘控制设备提供了理论基础和工程参考。

引言

煤炭仍然是全球主要的能源来源，对世界经济发展至关重要[1]。然而，煤炭粉尘污染是一个重大且持续的挑战，阻碍了煤炭企业确保生产安全和实现可持续运营的努力[2]。在生产和加工阶段，皮带输送机被广泛用于运输，而输送点是主要的粉尘产生源[3]。这种污染威胁着环境质量和人类健康：长期暴露在含粉尘的空气中显著增加了工人患尘肺病的风险[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。因此，有效的粉尘控制已成为影响职业健康、运营安全和生态可持续性的关键因素。

已有研究探讨了来自各种来源的粉尘污染模式和控制技术。在煤炭皮带输送方面，关于输送点粉尘机制的研究已经取得进展[9]。姚等人建立了输送点的物理模型，并对皮带输送点处的粉尘扩散中心进行了模拟[10]，周Y等人使用Tavares UFRJ模型模拟了煤炭破碎过程中的粉尘产生[11]。赵Y提出了一种粉尘扩散建模方法，显示了粉尘云体积与扩散速度之间的相关性[12]。张X等人总结了诱导气流和粉尘产生机制，探讨了颗粒流速与粉尘浓度之间的关系[13]。实验上，Torno等人测量了输送带周围的气流，并建立了粉尘扩散模型[14]。Wen T.强调煤炭流动的强烈冲击是输送点粉尘污染的主要驱动因素[15]。Fan C分析了诱导气流和粉尘迁移，得出了沉降速度、高度和气流速度之间的关系[16]。Paluchamy B使用Ventsim创建了一个3D颗粒下降模型，展示了不同颗粒大小的迁移模式[17]。Zhou G结合DPM-EDM和CFD模拟了在不同气流条件下的粉尘扩散[18]。Wang G等人开发了一个粉尘排放模型[19]，Jia H等人研究了影响输送点气流和粉尘扩散的因素[20]。WEN Tianliang等人观察到PM10–PM40颗粒在输送点紧密跟随气流，而PM50–PM100颗粒则显著沉积[21]。这些研究加深了对输送点粉尘扩散的理解[22]。然而，现有的控制技术往往无法满足日常生产需求。一些方法会引入副作用；例如，喷水会增加工作场所的湿度[23]，这可能与运营要求相冲突。开发高效且自给自足的粉尘控制技术仍然是一个关键挑战。

最近关于输送操作期间粉尘控制的研究通过新技术和新工艺取得了进展，包括弯曲的煤炭溜槽和湿式粉尘收集器[24]。通过结合模拟和实验，陈X L研究了输送点处的颗粒和气体流动，并提出了减少粉尘污染的结构设计[25]。聂W等人分析了气流对粉尘扩散的影响，并确定了煤炭制备厂筛分车间粉尘控制的最佳气流速度[7]。刘Q等人开发了一种正负压粉尘收集系统，使这类车间的粉尘控制效率提高了78.7%[26]。针对输送点的粉尘污染，钟中J等人将防尘罩与空气帘结合使用，提高了粉尘抑制效率[27]。Kwon H等人设计了一种袋式除尘器，将粉尘排放量减少了54.8%[28]。史Y等人提出了一种校准方法，用于模拟运输过程中的颗粒流动，为优化粉尘抑制设备提供了依据[29]。通过平衡系统压力差，张L等人改进了粉尘收集系统，抑制了粉尘溢出，平均粉尘浓度降低了71.76%[30]。

先进的粉尘控制技术也得到了有效应用。马M等人提出了一种多径向旋流吸尘控制技术，用于输送点，在实际应用中的整体粉尘去除效率超过了95%[31]。侯J等人开发了一种自动力感应喷淋粉尘抑制系统，实际应用中显著降低了粉尘浓度[32]。景D等人研究了影响煤炭制备厂车间粉尘扩散的因素，并提出了基于喷淋的粉尘抑制策略[33]、[34]。薛W等人设计了一种空气-水喷淋粉尘抑制系统，并通过输送点的现场实验验证了其有效性，粉尘控制效率超过了90%[35]。为了在煤炭流动运输过程中管理粉尘，张T等人引入了一种动态微雾涡流粉尘控制技术[36]。此外，基于材料的方法也显示出潜力。范T等人合成并开发了一种高效的粉尘抑制剂，适用于煤炭运输[37]，而周G等人制备了一种环保的湿润胶凝剂，用于控制皮带输送机运行过程中产生的粉尘[38]。创新地，聂W等人应用了MISP和MICP技术固化煤炭粉尘，提供了一种高效且环保的粉尘控制解决方案[39]。

总之，尽管在煤炭制备厂输送点的粉尘控制方面进行了大量研究，现有技术仍然面临重大挑战。传统的管道末端处理方法，如喷淋系统或粉尘收集器，往往忽略了由瞬态压力场波动引起的粉尘逸出的根本机制。此外，主动喷淋技术的抑制效率与环境二次污染或能耗之间存在持续的权衡。更深入的分析表明，主要瓶颈在于“密闭空间配置、诱导气流组织和颗粒相迁移”之间的动态耦合机制尚未明确。

为了解决这个问题，本研究提出了一种无动力、闭环的多级旁路流技术，它不同于依赖外部动力（例如喷淋或风扇）的传统主动粉尘控制方法。该技术的核心创新在于其独特的流体动力学策略：利用特定的结构组合——包括封闭循环室、旁路流单元和减压结构——来实现气体-固体两相流的被动协同调节。通过将数值模拟与相似性实验相结合，这项工作系统地阐明了诱导旋流的能量耗散机制以及多级框架内粉尘颗粒的驱动模式。通过探索无动力旁路结构对瞬态压力场的稳定作用，这项研究不仅为工业粉尘管理提供了高效、低能耗的解决方案，还为密闭空间中多相流的主动干预提供了理论基础。

章节摘录

粉尘控制系统布局和原理

煤炭制备厂输送点的粉尘主要来源于皮带输送机进料溜槽的煤炭排放点。落下的煤炭流会带动诱导气流，冲击皮带表面并产生强烈的冲击波。这与移动皮带的牵引气流一起，导致溜槽出口处产生大量粉尘[40]。为了解决这个问题，本研究开发了一种封闭式旋流粉尘控制系统。该系统连接了排放溜槽

实验材料

为了确保实验的一致性和代表性，煤炭粉尘样本是通过标准的多阶段程序制备的。首先将原煤块粗碎，然后使用精密破碎机进行二次处理以达到目标粒径范围。所得粉末使用标准振动筛严格筛选，分离出不同的组分，再根据预定义的质量比例混合，以模拟真实的工业粉尘

数值模拟结果与讨论

为了阐明无动力闭环多级粉尘去除系统的运行机制，本研究采用了计算流体动力学（CFD）来模拟设备内的三维流场。系统地分析了气流速度的空间分布，并考虑了煤炭颗粒下降过程中的诱导气流，追踪了不同颗粒大小的轨迹和速度变化

结论

为了解决高落差输送点粉尘逸出的固有挑战，本研究揭示了“自诱导压力平衡和多级动能耗散”的科学机制。通过将数值建模与相似性实验相结合，得出了以下核心结论：

这项工作的根本科学贡献是建立了一个被动闭环协同粉尘控制框架。研究表明，该系统转变了

CRediT作者贡献声明

景德基：撰写——原始草稿，概念构思，资金获取。马志创：撰写——审阅与编辑，形式分析，方法论。孟向西：数据管理，资源协调。宋家辉：调查，项目管理。何润池：验证，监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（52474229）；内蒙古自治区关键研发和成果转化计划（2025YFSH0073）；辽宁省教育厅的基础研究项目（2025-Z0131）的财政支持