风助电喷雾技术在港口煤炭卸载作业中用于抑制扬尘的应用

港口半开放环境中煤卸料粉尘扩散控制技术研究采用数值模拟与实验方法，提出风助电喷雾协同抑制系统。通过优化电喷雾参数（GLR=0.086，U=16kV，h=30cm，θ=0°），实现PM2.5颗粒捕获效率提升55%，较传统喷雾节水89%，单小时运营成本降低16943.6元。首次验证风助电喷雾技术在港口复杂流动场中的工程适用性，形成粉尘运动-气流耦合-电喷雾协同作用的理论体系。

　　

Jian Gao|Junfeng Wang|Ziwen Zuo|Huibin Xu|HaoJie Xu|Daorui Wang|Wei Zhang

江苏大学能源与动力工程学院，镇江 212013，中国

摘要

在半开放式港口环境中控制煤炭卸载过程中的扬尘排放仍然是一个关键挑战，因为这些环境容易受到周围气流的影响，而传统的抑制方法效果有限。本研究采用数值模拟来表征粉尘扩散动态，并据此开发了一种新型的风助电喷雾抑制系统，用于煤炭卸载设备。研究考察了雾化特性、液滴传输行为以及现场粉尘抑制效果。模拟结果表明，下落煤炭产生的冲击气流会将粉尘卷入向上运动的涡流中，导致粉尘主要从料斗的四个角落泄漏。风助电喷雾粉尘抑制系统产生的液滴尺寸范围为20–100微米。最佳性能参数确定为气体与液体比例（GLR）为0.086、施加电压（U）为16千伏、喷嘴高度（h）为30厘米、安装角度（θ）为0度。与传统粉尘抑制系统相比，新系统的抑制效率提高了55%以上，尤其是在捕获PM2.5颗粒方面。该系统还减少了89%的用水量，每小时的运营成本节省了16,943.6元人民币。这项工作开创了风助电喷雾技术在半开放式空间中的工程应用，为扬尘控制提供了新的技术参考。

引言

作为全球重要的能源组成部分，煤炭在中国电力行业中仍占据主导地位，2024年占总发电量的58% [1]，[2]。煤炭的开采和运输不可避免地会产生大量的扬尘排放，这严重恶化了区域空气质量并威胁公共健康。截至2021年，中国全国共诊断出915,000例职业病病例，其中煤工尘肺病（CWP）占比超过50% [3]。尘肺病的年度直接医疗支出估计为80亿元人民币，间接成本因劳动力生产率损失超过200亿元人民币 [4]。因此，有效控制煤炭生产和运输过程中的扬尘污染对于确保环境可持续性和职业安全至关重要。

已经采用了多种工业粉尘抑制策略，包括通风除尘 [5]、喷雾除尘 [6]、化学粉尘抑制剂 [7] 和机械除尘器 [8]。喷雾除尘技术因其经济性高、操作简单以及源头控制能力强而成为主要方法 [9]，[10]。该技术利用雾化喷嘴将水雾分解成细小液滴，通过惯性碰撞、拦截、扩散最终依靠重力使颗粒沉降 [10]，[11]。喷雾的除尘效果主要取决于喷雾场特性、覆盖范围以及液滴与颗粒的相互作用效率 [12]，[13]。虽然提高喷雾压力可以减小液滴直径并增加速度，但这种效果存在饱和阈值；超过某个临界压力后，雾化质量的进一步改进效果变得微不足道 [13]，[14]，[15]，[16]。液滴的大小是决定除尘效率的关键因素，最佳范围为20–120微米，以最大化可吸入粉尘的捕获量 [17]。为了解决传统喷雾在捕获细颗粒方面的局限性，静电雾化给液滴充电，使其能够通过库仑力主动捕获颗粒 [10]，[18]，[19]。实验室研究表明，对于PM10、PM2.5和PM1.0颗粒，去除效率可超过90% [20]，[21]。同时，带电液滴在静电排斥作用下表现出更好的扩散性和定向性，可以减少喷雾的盲区 [22]，[23]。

在完全机械化的地下工作面和巷道中，结合通风的空气幕隔离可以有效增强除尘效果并降低污染物浓度 [24]，[25]。然而，通风引起的气流常常会导致雾气轨迹偏离，从而影响对粉尘源的有效覆盖 [12]。这会加剧液滴的碰撞和聚合，增加液滴的平均尺寸，显著降低捕获细粉尘的能力 [26]。“风与雾的协同作用”或“吹扫与喷雾的协同作用”技术通过气流调节雾场分布，形成具有更强抗干扰能力的风雾幕，有效扩大了喷雾范围和覆盖面积 [17]，[27]，[28]，[29]。此外，基于文丘里效应的高速喷射产生的负压区可以主动吸入含尘空气，实现粉尘源（如液压支撑或转运点）的净化 [14]，[30]，[31]。

与封闭的地下环境及可控气流不同，港口码头的煤炭卸载作业位于河流或海岸的开放/半开放区域。这些开放区域常年受到方向不定的强风影响，导致粉尘运动轨迹难以预测且扩散范围广泛 [32]。在煤炭卸载过程中，煤炭的瞬间下落会压缩空气，在排放区形成强烈的冲击气流。这种气流会携带大量细粉尘，赋予其较高的初始动能，使其高速逃逸 [33]。传统的喷雾系统缺乏足够的动力来对抗开放空间中的这种高强度瞬时气流干扰，导致粉尘逃逸出控制范围 [34]。

为了解决半开放式环境中传统湿法除尘的局限性，特别是高速气流导致的液滴轨迹偏差问题，本研究提出了一种新型的风助静电喷雾技术。其核心创新在于空气动力学传输与静电捕获的协同作用。与传统方法不同，高速气流形成了一个局部传输通道，能够穿透强烈的湍流屏障，将液滴精确输送到排放源；同时静电场显著提高了细颗粒的捕获效率。尽管风助技术已在农药喷洒中得到应用 [35]，[36]，[37]，但其在工业港口高动量粉尘场中的空气动力学稳定性和抑制效果尚未得到充分研究。因此，本研究通过数值模拟系统地研究了煤炭卸载过程中的气流和粉尘扩散动态变化。此外，还实验评估了雾化性能、横向风下的液滴传输行为以及现场抑制效果。这项工作旨在为复杂港口环境中的扬尘控制提供突破性的技术解决方案和理论参考。

部分摘录

离散相方程

在本研究中，煤炭颗粒和粉尘颗粒构成离散相，它们的平移和旋转运动受牛顿运动方程控制 [38]：$m\frac{dv}{dt}=F_{drg}+mg+F_c+F_b$$I\frac{d\omega }{dt}=T_c+T_f$其中 m 表示颗粒质量，v 表示颗粒速度，F_drag 表示流体阻力，F_c 表示颗粒间的作用力和颗粒与壁面的接触力，F_b 表示浮力，T_c 表示接触扭矩，T_f 表示流体产生的扭矩。Saffman升力和Magnus力也参与了这一过程。

气流和粉尘扩散的动态演变

下落煤炭引起的气流扰动是粉尘扩散的主要驱动力，直接影响喷雾除尘的效果 [44]。鉴于在料斗内部实时观测流场的挑战，本节采用数值模拟来研究煤炭卸载过程中的气流演变和粉尘扩散模式。这些发现为高效除尘系统的精确设计提供了理论支持。

结论

本研究探讨了港口煤炭卸载过程中扬尘排放的抑制技术，重点关注气流演变、液滴传输特性以及现场系统验证。主要结论如下：

• (1)
  煤炭下落过程中会在料斗上方形成环形气流场，将粉尘卷入向上运动的涡流结构中。粉尘主要从料斗的四个角落泄漏，这些区域被确定为需要重点关注的临界区域

CRediT作者贡献声明

Jian Gao：撰写——原始稿件、可视化、方法论、调查、数据分析、概念化。Junfeng Wang：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、数据分析、概念化。Ziwen Zuo：监督、数据分析。Huibin Xu：方法论、资金获取、概念化。Haojie Xu：撰写——审稿与编辑、方法论、资金获取。Daorui Wang：验证、方法论。Wei Zhang：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

衷心感谢国家自然科学基金（项目编号52436005、52206201、52406184、52476155）和江苏省自然科学基金（BK20240857）的财政支持。