散体物料粉尘排放预测研究：基于简化模型与参考材料的实验-数值方法开发

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【字体：大中小】 时间：2025年07月01日 来源：Chemical Engineering & Technology 1.6

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　　本文系统阐述了开发参考测试散体材料（RTBM）用于粉尘排放预测的创新方法。研究通过构建由金属球体（AISI 420）和碳酸钙粉末（Esk15）组成的标准化模型材料，结合离散元法（DEM）模拟与单次跌落实验（Dust View I），建立了可量化粉尘释放量的实验-数值关联体系。该简化模型显著降低了传统预测方法±30%的偏差，为工业散料处理中的粉尘防控提供了可重复验证的研究工具。

摘要

研究针对散体物料处理过程中产生的粉尘排放问题，提出采用简化结构的参考测试散体材料（RTBM）作为研究载体。该材料由明确表征的粗颗粒（金属球体）和细颗粒（粉末）组成，通过实验与数值模拟相结合的方法，旨在建立粉尘释放量的预测模型。

1 引言

散体物料在运输、装卸过程中产生的粉尘对环境和健康造成显著影响。现有预测方法存在两大缺陷：一是依赖主观参数输入导致±30%的高偏差，二是难以适应多样化工业场景。研究团队创新性地采用实验-数值联合方法，通过设计标准化的RTBM材料，将复杂散料系统简化为可量化分析的模型体系。

关键突破点在于将散料视为"粗颗粒-细颗粒"二元系统：直径1500 μm的AISI 420不锈钢球体作为载体，<100 μm的碳酸钙粉末（Esk15）模拟可释放粉尘。这种设计使数值模拟（DEM）中的接触参数确定更为精确，同时实验时可追踪特定组分的释放量。

2 材料与方法

2.1 材料选择

通过建立严格的筛选标准（表1），金属球体以99.9%的球形度、0.05 μm表面粗糙度和2.15€/100件的性价比优势胜出。在8种候选粉末中，Esk15因具备：

窄粒径分布（R₃=0.692）
低吸湿性（最大0.9%含水量）
显著粉尘释放值（S_F=68.59）
实验标准差<5.35%
等优势成为最优选择（表6）。

2.2 制备工艺

采用三维振荡混合器进行5分钟标准化混合（图2），该时长平衡了球体表面覆盖率（92%）与粉末团聚效应的矛盾（图6）。制备的RTBM分为三种配方：

A型：5%粉末（0.646 mg/球体）
B型：2%粉末（0.162 mg/球体）
C型：1%粉末（0.025 mg/球体）

2.3 表征技术

单次跌落装置（图3）通过激光消光法测量粉尘释放量，定义特征值：
S_F = (I₀-I)_max/I₀ + (I₀-I)_30s/I₀
该参数综合了瞬时释放与持续悬浮的粉尘行为。

3 结果

3.1 材料特性

金属球体密度（7700 kg/m³）与Esk15粉末（x_50,3=19.5 μm）形成理想密度差。当粉末比例<5%时，混合过程会产生粒径粉碎效应（图8），导致：

x_50,3从18.98 μm（A型）降至12.51 μm（C型）
质量损失率从9.57%升至82.02%

3.2 清洁循环

建立的"筛分-洗涤-干燥"三步清洁流程（图10）使球体可重复使用20次以上，包括：

800 μm筛网预分离
热水+洗涤剂超声处理
105°C烘干24小时

4 结论与展望

该RTBM系统通过精确控制材料参数，将粉尘释放研究的可重复性提升至新高度。未来可拓展至：

非球形颗粒的粘附机制研究
不同应力模式（剪切/压缩）下的释放规律
工业级设备的放大验证

研究获得德国联邦经济事务和气候行动部（IGF 19411 N）资助，相关成果已发表于《Powder Technology》等期刊。整套方法为工业粉尘的精准预测提供了标准化研究范式。

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