扫描二维码下载原文

作者

包永志¹, 方连鑫², 于岩斌², 崔柏闻²,

李明扬², 王曼琳³

单位

1. 国能北电胜利能源有限公司，内蒙古 锡林浩特 026000

2. 山东科技大学 安全与环境工程学院，山东 青岛 266590

3. 山东科技大学 储能技术学院，山东 青岛 266590

摘要

针对装车站冲击产尘浓度高，且不易控制的问题，提出一种新型的软密封控尘系统，并通过数值模拟方法探究了新型通风系统下流场风流结构和粉尘质量浓度分布特征并与传统通风系统进行比对。结果表明：通过流场顶部提供上升气流，四周提供具有水平剪切力的诱导旋流的方式可以成功生成作用范围和气流强度可控的涡流场；相比于传统通风系统，软密封控尘系统可以有效降低流场中部区域内的静压值，使流场中部区域与流场外围空间产生较大的压差，对粉尘的轴向捕集距离延长了近1倍，更好地实现对粉尘的长距离捕集；在软密封控尘系统下粉尘浓度由107.14mg/m³降低至20.81mg/m³，说明该通风系统能够对无组织排放的粉尘进行有效地捕控。

背景

我国能源结构呈现“富煤、少气、贫油”特征，煤炭作为主体能源占一次能源消费量的55.6%，其基础地位短期内难以撼动。然而，煤炭工业高速发展伴随的职业健康问题日益凸显，2017-2022年职业性尘肺病占比持续超过新增职业病例的70%，其中煤炭行业稳居职业病高发行业前三。在煤炭生产全流程中，选煤厂快速定量装车站作为年产能500万吨以上企业核心装车单元，其作业过程因煤流冲击产生的无组织粉尘排放尤为突出。这类开放环境下的粉尘扩散不仅造成PM_2.5浓度超标的环境污染，更直接威胁从业人员呼吸系统健康，已成为制约“健康中国”战略实施的关键瓶颈。

当前粉尘治理研究多聚焦于封闭或半封闭空间，如采煤工作面通过“分源-分区-分级”气流调控技术实现粉尘控制。但对于装车站这类开放环境，传统物理阻隔方法存在显著局限性：煤流瞬时冲击产生的诱导气流可达10~15m/s，裹挟细微煤尘形成气溶胶云团，现有除尘系统难以有效捕获扩散粉尘。尽管有研究提出高压诱导气流控制、密闭抽吸等技术，但存在能耗高、适用场景受限等问题，实际应用中粉尘浓度仍难以稳定控制在2.5mg/m³以下。究其本质，开放空间粉尘运移受多相流耦合作用影响，现有技术对湍流场中粉尘扩散动力学机制认知不足，导致控尘效率低下。

基于此，本研究创新提出软密封控尘系统，突破传统物理隔离思维，通过构建送风射流与抽吸气流协同作用机制，在煤流冲击区外围形成动态气幕屏障。采用计算流体力学数值模拟方法，系统研究不同工况下流场涡旋结构演变规律与粉尘扩散特性，揭示多物理场耦合作用下粉尘迁移机制。通过与传统通风系统对比分析，验证该技术对开放空间粉尘的远距离捕控效能，为突破当前粉尘治理技术瓶颈提供理论支撑与工程实践参考。研究成果对改善煤炭行业职业健康环境、推动绿色矿山建设具有重要现实意义。

研究内容

1 模型构建

1.1 涡流场解析模型

1.2 软密封控尘系统简介

2 网格划分与边界参数设定

3 模拟结果与分析

3.1 不同通风系统中流场特性对比

3.2 不同通风模式对粉尘分布的影响

3.3 粉尘浓度实验验证

结论

通过数值模拟方法探究了新型通风系统下流场风流结构和粉尘质量浓度分布特征并与传统通风系统进行比对。

1）通过顶部提供上升气流，四周提供具有水平剪切力的诱导旋流的方式可以成功产生作用范围和气流强度可控的涡流场。相较于传统通风系统，软密封控尘系统中气流向流场中心发生旋转辐合，近地面区域内在辐合中心形成滞止点，该点处的速度为0。抽吸气流使得在滞止点附近汇集的气流产生竖直上升运动，形成涡旋核心。

2）相比于传统通风系统，送风射流与上部抽吸气流耦合作用下的软密封控尘系统可以有效降低流场中部区域内的静压值，使流场中部区域与流场外围空间产生较大的压差。软密封控尘系统下粉尘的轴向捕集距离延长了近1倍，更好地实现对粉尘的长距离捕集。

3）传统通风系统下粉尘颗粒逸散速度不足以克服自身重力，最终沉降在散发源的中心区域，粉尘无法被流场上部的除尘风机捕捉。软密封控尘系统下流场内粉尘颗粒聚集在散发源中心，并随着涡旋气流向上部空间进行运移，粉尘浓度分布呈现出圆锥形。

图表

引用格式

包永志，方连鑫，于岩斌，等. 基于CFD的软密封控尘系统气流结构及其除尘性能研究 [J]. 煤炭工程， 2025，57(1)：106-112.

BAO Yongzhi，FANG Lianxin，YU Yanbin，et al.Study on airflow structure and dust removal performance of soft seal dust control system based on CFD [J]. Coal Engineering，2025，57(1)：106-112.