关于等离子体激活的超音速水雾雾化及其除尘性能的研究

基于超音速等离子活化水雾的煤矿粉尘高效捕集技术研究通过数值模拟与实验验证，发现该技术可使除尘效率达97.92%，较传统方法提升7%，等离子活化显著提高雾滴荷质比至最优6kV电压下，雾滴粒径最小6μm，对2.5-10μm颗粒捕获效率超80%。

穆新胜|葛少成|张天|景德基|刘硕|孙丽英|庞星宇

太原理工大学安全与应急管理工程学院，中国太原030024

摘要

为了解决使用传统喷雾技术对煤矿作业中可吸入粉尘控制不足的问题，提出并开发了一种超声等离子体激活水雾除尘系统。通过数值模拟和实验研究，探讨了该系统的雾化、充电和除尘特性。结果表明，随着雾化气体压力的增加，液滴尺寸减小，最小可达6 μm；而随着液体流速的提高，液滴尺寸会增大。液滴速度随雾化气体压力增加而增加，最初会减小，随后趋于稳定。等离子体激活显著提高了液滴的电荷质量比，在6 kV的施加电压下获得了最佳充电效果。超声雾化和等离子体激活的联合效应使整体除尘效率相比非激活喷雾提高了近7%，最高效率达到97.92%。分数效率分析显示，激活喷雾对2.5–10 μm范围内的颗粒捕获效率超过80%，并对超细颗粒（0–5 μm）的捕获效率高达85%。本研究为煤矿作业中细颗粒物的预防和控制提供了宝贵的技术支持。

引言

随着中国工业化的持续发展，国家的能源消耗量稳步增长（Nie等人，2025a；Yu等人，2025b；Zhao等人，2024a；Zhou等人，2025）。尽管在可再生能源开发方面取得了显著进展，但短期内煤炭仍然是中国能源结构中的主导能源（Pang等人，2025a；Xie等人，2021；Zhang等人，2021）。然而，煤矿作业会产生大量高浓度的粉尘，其浓度可高达3000 mg/m³（Gan等人，2023；Nie等人，2025c；Niu等人，2023），这给矿工带来了严重的健康风险，如尘肺病，并在矿井环境中造成了爆炸的显著风险（Liu等人，2021；Wu等人，2025；Yang等人，2022；Zhu等人，2021）。2023年，中国报告了12,087例新发职业病病例，其中8,051例为职业性尘肺病，占所有报告病例的约66.61%（Gao等人，2025；Qiao等人，2024；Shi等人，2024；Wang等人，2021）。煤矿工人占尘肺病患者的40%以上（Du等人，2024；Qin等人，2024；Zhao等人，2023）。这些数据突显了粉尘暴露对煤矿工人健康的严重影响（Jiang等人，2025；Liu等人，2025；Niu等人，2025），强调了研究和开发有效粉尘控制措施的迫切性（Nie等人，2025b；Peng等人，2025；Zhang等人，2025）。

静电水雾充电是一种创新且高效的粉尘控制技术，它利用静电力增强液滴与粉尘颗粒之间的吸引力，从而提高粉尘收集效率（Bai等人，2023；Pang等人，2025b；Yu等人，2025a）。近年来，对此技术进行了大量研究。（Teng和Li，2021）设计了一种湿式静电除尘器（WESP），将电场与带电水滴的雾化相结合以收集细颗粒物。他们的研究考虑了施加电压、水流速度、气体停留时间、粉尘浓度和连续运行时间对去除性能的影响。（Liu等人，2024）研究了湍流条件下颗粒的运动模式，开发了亚微米颗粒捕获的理论模型，并分析了亚微米颗粒的动力学。他们构建了一个实验平台来研究液滴的颗粒捕获特性，模拟了亚微米颗粒相对于单个液滴的运动和沉积行为，并揭示了相关参数的影响。（Han等人，2024）设计了一种具有非对称电极的感应型静电双流体喷嘴，探索其在有效控制粉尘污染方面的潜力，并通过实验验证了其除尘效率。（Chen和Deng，2022）提出了一个液滴破碎模型，用于模拟多物理场中的静电喷雾。他们探讨了电场、重力和气体场对液滴破碎和运动的影响，并研究了不同静电电压、针环距离和环电极直径对液滴破碎、分布均匀性和充电特性的影响。（Dai等人，2022）优化了现有的空气辅助静电喷嘴，以实现更高的电荷质量比和更小的液滴尺寸，并通过实验研究了液体压力、气体压力和施加电压对液滴尺寸和电荷质量比的影响。（Amaya和Bayat，2024）研究了电极直径、长度、截面形状、材料和数量对喷雾液滴充电效率的影响。他们还探讨了电极的电气绝缘如何减轻电极湿润引起的泄漏，从而提高充电效率。（Zhao等人，2024b）引入了一种使用红色铜刺环电极的细水雾电晕充电技术。他们的模拟研究了自维持电晕放电的电压变化和不同电极参数下的电场分布特性，并使用红色铜刺环电极实验验证了该技术的充电和除尘效果。

尽管国内外对静电水雾除尘技术进行了大量研究，这在很大程度上有助于解决粉尘污染问题，但液滴簇的充电效率仍然不理想。这种低效率主要是由于充电方法和喷嘴雾化效率的限制，导致对于小于5 μm的细颗粒物的收集效果不佳。为了克服这一限制，我们提出了一种利用超声等离子体激活水雾的新除尘技术，结合了超高效雾化技术的超声同轴雾化方法（Zhang等人，2024）。该技术确保了高雾化效率和充电效率，显著提高了细颗粒物的收集效率。通过数值模拟，对喷嘴内的超声流场和带电液滴的空间分布进行了建模，为实验分析提供了坚实的基础。通过对液滴特性和除尘性能的实验研究，分析了多种因素对喷雾场的雾化、充电和除尘特性的影响，并计算了不同尺寸颗粒的除尘效率。这项研究为有效控制细颗粒物提供了技术支持，有助于减轻这些颗粒带来的严重危害。

章节片段

煤样制备

实验中使用的煤尘来自陕西榆林的一个综合采煤面。大于50 μm的颗粒移动性有限，工人主要接触的是小于50 μm的颗粒。此外，大于15 μm的颗粒无法以气溶胶形式进入呼吸道。然而，15-50 μm范围内的颗粒会影响除尘效果，不应被忽视。

喷嘴内部流场的空间分布

图6展示了在不同空气动力压力下Laval喷嘴内跨音速流场空间分布的数值模拟结果。流场呈现轴对称分布，高速区域主要集中在中心线附近。高压气流通过Laval喷嘴的压缩段，在膨胀段加速至超声速状态，最大速度可达500 m/s。

空气动力压力和喷雾距离对雾化特性的影响

图9显示了在不同空气动力压力下，不同喷雾距离下液滴体积平均直径（D50）、数平均直径（N50）、表面积平均直径（SMD）和液滴浓度的分布。液滴的数平均直径始终保持在13 μm以下，靠近喷嘴处的值降至6 μm以下。液滴的体积平均直径通常低于22 μm，在靠近喷嘴处降至10 μm以下。

结论

本研究提出了一种超声等离子体激活水雾除尘技术，以应对超细颗粒物污染问题。采用数值模拟和实验方法相结合的综合性方法，研究了液滴尺寸、速度和电荷以及其他关键参数之间的关系。通过粉尘沉积实验，评估了激活水雾的除尘效率。

CRediT作者贡献声明

孙丽英：正式分析、数据管理、概念构思。刘硕：方法论、研究、数据管理、概念构思。庞星宇：写作——审稿与编辑、软件。葛少成：写作——审稿与编辑、资源管理、项目协调。穆新胜：写作——初稿撰写、验证、软件、方法论、研究。景德基：可视化、方法论、概念构思。张天：写作——审稿与编辑、监督、资金获取。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号52204216）和山西省基础研究项目（202203021212218、202203021221061）的资助。