水分含量对散料处理过程中粉尘排放的影响

《Powder Technology》：Effect of moisture content on dust emission during granular material handling

　　

Power-Logistic拟合模型可捕捉12种物料中PM10随含水率变化的衰减规律。
• 临界水分和阈值水分定义了有效的粉尘抑制极限。
• Monte Carlo重采样量化了与物料相关的阈值稳健性。
• 基于导数的概率密度验证了含水率阈值处的局部敏感性。
• 小于10 μm的细粒级含量可预测各物料特有的水分需求。

引言

工业散装固体的处理与输送过程中经常产生空气悬浮粉尘，导致职业健康危害、环境影响以及粉尘爆炸等安全风险。在物料处理操作中，当细颗粒在冲击、剪切和气动力的联合作用下从散装颗粒集合体中脱离时，粉尘即被释放[1], [2]。因此，粉尘排放强度取决于颗粒分离力与颗粒结构中将颗粒结合在一起的机制之间的平衡[3]。

从环境和健康的角度来看，这些排放尤为值得关注，因为被归类为PM10（空气动力学直径小于10 μm的颗粒物）的颗粒可以深入穿透呼吸系统，到达肺泡区域，引起不良且可能不可逆的健康影响[4], [5]。

在颗粒尺度上，颗粒间内聚力在抵抗粉尘生成方面起着核心作用。在干燥条件下，内聚力较弱，颗粒脱离主要受摩擦接触和外部载荷控制。当引入水分时，相邻颗粒之间形成液桥，产生毛细力，增加内聚力并改变颗粒集合体的力学响应[6]。这些水分诱导的相互作用本质上是非线性的，因为毛细力取决于桥形几何形状、液体体积、颗粒间距和表面润湿性，导致颗粒行为出现不同的状态区域，而非连续的单调响应[7]。

各种颗粒体系的实验和理论研究一致表明，含水率的变化可以产生类似相变的宏观响应，包括在相对狭窄的含水率范围内强度、稳定性和流动性的突变。这类响应通常用S形关系来描述，反映了从以摩擦为主导过渡到以内聚力为主导的状态，在更高含水率下则过渡到以饱和或润滑为主导的行为[7], [8]。这些发现表明，存在特征含水率水平，在这一点颗粒集合体的力学行为发生迅速变化，而非随含水量增加而逐渐演变。

在粉尘排放的具体背景下，大量研究报告指出，增加含水率能强烈抑制空气悬浮颗粒释放，且超过某一含水率水平后粉尘排放变得可忽略不计[9], [10], [11]。这一观察促使人们广泛定性地使用"阈值"含水率的概念来描述粉尘抑制。然而，该阈值是通过经验方法确定的，缺乏一致性的物理或定量定义，且往往依赖于实验配置或所研究的物料。

近期的研究，如Chang等人[12]和Wang等人[13]的工作，分析了土壤质地、水分和组成对粉尘排放的共同影响，确认了水分在不同物料类型中调节颗粒释放的主导作用。煤炭的风洞实验表明，即使在高含水率条件下，粉尘排放仍可能随风速增加而上升，凸显了气动载荷与水分诱导内聚力的竞争作用[14]。使用便携式设备（如PI-SWERL?）的补充方法也证实了PM10排放对土壤水分具有很强的依赖性，其结果与风洞测试相当，同时可实现原位测量[11]。

针对颗粒参考物料的风洞实验也被用于分离气动脱离机制，并为旨在预测工业粉尘排放的耦合DEM/CFD模型提供校准数据[15]。在更大尺度上，船舶装载操作中的连续落料试验表明，增加含水率最多可将粉尘释放减少三个数量级，这一效应在生物质处理（如甘蔗渣）的现场研究中也得到了证实[16], [17]。

颗粒物料粉尘排放的实验评估通常使用风洞和粉尘塔进行。风洞设施被广泛应用于研究细颗粒的气动脱离与输送，特别是在土壤和颗粒物料中；而粉尘塔则提供受控条件，用于研究粉尘生成与冲击、自由下落以及重复的颗粒-颗粒和颗粒-表面相互作用之间的关系，这些是工业处理操作的典型特征[18]。两种方法都对粉尘排放机制的理解做出了重大贡献，尽管它们侧重于生成和扩散过程的不同方面。

与此同时，许多关于工业处理系统中粉尘扩散的研究着重强调气动输送机制，如夹带空气、通风效率和气流变化，而有意控制或排除水分效应。对自由下落颗粒流、冲击和本地排气罩的研究表明，气流特征对粉尘输送和捕集效率有强烈影响[2], [19]。虽然这些方法对于通风设计至关重要，但它们通常将颗粒物料视为有效干燥状态，从而绕过了控制粉尘生成起始和抑制的水分驱动内聚机制。

早期试图形式化水分在粉尘抑制中作用的研究引入了特征含水率水平的概念。Funk等人[10]报告称，土壤PM10排放超过某一物料依赖性含水率后实际上变得可以忽略不计，并采用不同的经验关系描述不同含水率范围内的粉尘排放衰减。在此基础上，Aimar等人[9]引入了临界含水率的概念，定义为PM10排放开始随土壤含水率增加而下降的含水率，并系统地确定了阿根廷七种砂质土壤的阈值含水率，即超过该水平后排放变得可忽略不计。尽管这些特征水平是通过经验线性回归而非通用数学准则确定的，但他们的工作建立了水分阈值的物料特异性，并提供了质地依赖性抑制行为的早期证据。

综合来看，文献支持两个要点：(i) 水分主要通过毛细桥作用以强烈非线性且状态依赖的方式改变颗粒间内聚力，从而影响粉尘性[6], [7]；(ii) 面向工业的粉尘扩散研究常常抑制水分维度，使得内聚力驱动状态转变的物理机制与操作性粉尘控制策略之间存在差距[1], [2]。这一差距尤为相关，因为通过润湿进行的实际粉尘抑制是通过目标含水率来实现的，但该领域缺乏一个广泛适用且定量定义的水分阈值来标记从易扬尘行为向抑尘行为的转变。

本研究通过提出并验证冲击驱动粉尘生成过程中临界含水率ωcr和阈值含水率ωth的操作性定义来弥补这一差距。实验在粉尘塔中使用十二种具有不同粒度分布的颗粒物料进行，这些物料代表了工业散装处理操作，并量化了PM10排放随含水率的变化。采用S形模型描述PM10排放随含水率增加的变化；数据处理、非线性曲线拟合和统计分析均在Python中实现。拟合曲线的拐点——即排放衰减瞬时速率最大的含水率水平——被用于构造切线，该切线与含水率轴的交点定义了临界含水率ωcr，标志着有效抑制区的起始。临界含水率对应于粉尘排放速率开始急剧下降的含水率，表征了有效抑制区的起始。阈值水分定义为粉尘排放相对减少量每单位含水率增量降至10%的含水率水平，反映了排放对进一步润湿的敏感性丧失，并定义了水分调质的实际上限。对这两种定义，均提出了一种特定的确定方法。结果表明，两种特征含水率值与小于10 μm颗粒的累积含量之间存在线性关系。

章节片段

物料处理过程类型

工业散装物料处理中涉及的各类操作会产生粉尘，其机制因施加在颗粒集合体上的流动性质不同而有显著差异。矿物供应链中最关键的排放点包括堆存和取料、通过滑槽的自由下落输送、皮带运输、破碎和筛分、公路、铁路和港口系统中的装卸，以及暴露表面的风力作用等。

临界水分和阈值水分的概念

图4(a)展示了粉尘塔实验中获得的PM10排放曲线峰值与物料含水率之间的关系。含水率以湿基测量，定义为水质量相对于样品总质量的百分比。对于每种测试条件，在样品完全烘干前后分别称重约100 g，以确保准确测定含水率。

PM10浓度的时间演变

实验装置

粉尘排放是在巴拉联邦大学流体力学与颗粒物实验室开发的粉尘塔中测量的，该装置基于密歇根理工大学提出的装置[18]。该塔从底部到顶部的总高度为2 m，采用逆流配置，颗粒物料在重力作用下向下下落，而气流向上移动，将产生的粉尘颗粒输送到测量位置。

粉尘排放与含水率的关系

12种物料的含水率-排放响应通过结合分析传播和随机Monte Carlo重采样的双重框架进行了评估。图10展示了两种具有相反行为的物料：物料4（D50 = 438.12 μm, P10μm = 2.27%）和物料6（D50 = 352.8 μm, P10μm = 20.64%）。它们被选为阈值水分鲁棒性的观测极端值：在物料4中，每次重采样都能获得阈值水分，而在物料6中则不然。

对现有文献数据的应用

以往关于颗粒物料粉尘排放的研究始终表明含水率对颗粒释放有很强的影响。然而，在这些研究中，可转移且定量定义的特征含水率水平很少被作为主要目标来建立。同样的局限性也存在于土壤以外的研究中：在煤炭堆场的风洞测试中，Smitham和Nicol [62]报告每种煤炭都存在一个临界含水率，超过该值后粉尘排放将不再发生。

适用范围和局限性

本研究中报告的所有实验均在单一、刻意固定的操作条件下进行：2 m逆流粉尘塔、从进料箱到塔体的重力下落、347 L/min的排气流量（经验证为等动速度）、每次测试约1 kg的批次，在不受环境风影响的受控实验室环境中。采用这种配置是有意为之，因为在各物料之间保持机械和气动力学能量输入恒定。

结论

本研究证明，在处理和冲击过程中，颗粒物料的PM10粉尘排放随含水率的增加而下降，呈现特征性的S形响应。这种行为反映了水分驱动的从以颗粒脱离为主导的排放状态向以颗粒间内聚力逐渐限制细颗粒释放的抑制主导状态的转变。Power-Logistic模型成功表征了这一衰减过程。

CRediT作者贡献声明

Johnattan Amorim da Silva：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法论，调查研究，资金获取，正式分析，数据整理，概念构思。Luis Paulo Silveira Machado：撰写—审阅与编辑。Pablo Diego Didone：撰写—审阅与编辑，可视化，正式分析。Arthur dos Reis Lemos Fontana：验证，数据整理。Maycon Magalh?es Castro：验证，

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能被认为会影响本论文中报告的工作。

Johnattan Amorim da Silva | Luis Paulo Silveira Machado | Pablo Diego Didone | Arthur dos Reis Lemos Fontana | Maycon Magalh?es Castro | André Luiz Amarante Mesquita | Carlos de Figueiredo Gontijo | Ronaldo Menezes dos Santos Junior