熊宏亮,宋曉東

(山東電力工程咨詢院有限公司機(jī)務(wù)環(huán)保部,山東濟(jì)南 250013)

煤場防風(fēng)抑塵網(wǎng)抑塵效果研究

Research for the effect ofwind-proof and dust suppressingwall in the coal yard

熊宏亮,宋曉東

(山東電力工程咨詢院有限公司機(jī)務(wù)環(huán)保部,山東濟(jì)南 250013)

隨著國家環(huán)保要求越來越高,火電廠煤場揚(yáng)塵問題受到越來越多的關(guān)注。防風(fēng)抑塵網(wǎng)作為治理煤場揚(yáng)塵的有效技術(shù),日益得到廣泛的應(yīng)用。論述了煤場起塵機(jī)理、起塵風(fēng)速及起塵量估算、煤場揚(yáng)塵預(yù)測模式,綜合研究了防風(fēng)抑塵網(wǎng)起塵機(jī)理及抑塵效果,提出了起塵風(fēng)速及起塵量估算推薦公式、煤場揚(yáng)塵預(yù)測推薦模式,并通過數(shù)值模擬計(jì)算與實(shí)測數(shù)據(jù),對防風(fēng)抑塵網(wǎng)抑塵效果進(jìn)行了分析。

煤場揚(yáng)塵;預(yù)測模式;防風(fēng)抑塵網(wǎng)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,國家對環(huán)境保護(hù)的要求也越來越高,在火電廠的建設(shè)和運(yùn)行中,煤場揚(yáng)塵問題也受到越來越多的關(guān)注。近期新建、改擴(kuò)建的濱海電廠、西北干旱多風(fēng)地區(qū)的火電廠均提出設(shè)置防風(fēng)抑塵網(wǎng)的要求。目前,防風(fēng)抑塵網(wǎng)治理煤場無組織排放技術(shù)在國內(nèi)剛剛起步,尚未進(jìn)行全面的研究,僅僅是通過粗略估算設(shè)置,其經(jīng)濟(jì)合理性較差。隨著環(huán)保政策的日益嚴(yán)格,煤場防風(fēng)抑塵網(wǎng)的應(yīng)用日益廣泛,有必要對防風(fēng)抑塵網(wǎng)抑塵效果進(jìn)行研究,對防風(fēng)抑塵網(wǎng)的設(shè)置方案提出推薦意見,使其既能滿足環(huán)保要求,同時(shí)又經(jīng)濟(jì)合理可行。

1 煤場起塵機(jī)理研究

煤場起塵分為兩類:一是煤場表面的靜態(tài)起塵;二是在堆取料等過程中的動態(tài)起塵。動態(tài)起塵主要是指裝卸作業(yè)時(shí)的起塵,屬于火電廠正常運(yùn)行狀況;而靜態(tài)起塵主要是由于風(fēng)的湍流引起的。根據(jù)微觀粒子運(yùn)動理論,在風(fēng)力作用下,當(dāng)平均風(fēng)速約等于某一臨界值時(shí),個(gè)別突出的塵粒受湍流流速和壓力脈動的影響開始振動或前后擺動,但并不離開原來位置;煤場中的煤粒只有達(dá)到一定風(fēng)速才會起塵,這種臨界風(fēng)速稱為起動風(fēng)速。

當(dāng)風(fēng)速增大達(dá)到或超過臨界值之后,煤粒振動也隨之加強(qiáng),拖曳力和上升力相應(yīng)增大并足以克服重力的作用,旋轉(zhuǎn)力矩促使一些不穩(wěn)定的煤粒首先沿著煤堆床面滾動或滑動。顆粒群中的小顆粒在大氣中呈懸浮狀態(tài),并在氣流的帶動下,隨著氣流一起運(yùn)動,擴(kuò)散一定距離后沉降下來。

通過對煤場揚(yáng)塵粒徑分布試驗(yàn)結(jié)果的分析,煤場揚(yáng)塵中,煤塵粒徑范圍通常在200～10μm之間,其中,粒徑小于80μm的煤粒約占90%。

2 煤場起塵風(fēng)速及起塵量估算

2.1 煤場起塵風(fēng)速計(jì)算

煤場表面的揚(yáng)塵主要與起塵風(fēng)速有關(guān),不同粒徑的煤塵在不同含水率條件下的起塵風(fēng)速可按下述半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:

式中:V0為起塵風(fēng)速,m/s;W為煤表面含水率,%; d為煤塵粒徑,mm。

2.2 煤場起塵量計(jì)算

2.2.1 環(huán)評推薦公式

根據(jù)國家環(huán)境保護(hù)總局監(jiān)督管理司推薦的煤堆起塵量計(jì)算方法,貯煤場起塵量影響預(yù)測采用下述計(jì)算公式:式中:Qp為煤堆起塵量,mg/s;V為環(huán)境風(fēng)速,m/s; W為煤堆表面含水率,%;β為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),一般取值6.13×10-5;Ap為煤堆面積,m2。

2.2.2 以風(fēng)速和煤堆表面積為主的公式

根據(jù)陽泉煤礦模擬試驗(yàn),用風(fēng)洞模擬和現(xiàn)場實(shí)測相結(jié)合,就煤場揚(yáng)塵問題,以煤場風(fēng)速和煤堆表面積為主要因素,得到的計(jì)算式推薦如下:

式中:Q為揚(yáng)塵量,g/s;V為風(fēng)速,m/s;S1煤堆上表面表面,m2;S2煤堆迎風(fēng)面面積,m2;S3煤堆背風(fēng)面面積,m2;S4煤堆側(cè)表面表面,m2。

2.2.3 只知道煤堆表面積的計(jì)算公式

式中:Qm為煤堆起塵量,mg/s;V為臨界風(fēng)速,m/s,取大于5.5m/s;S為煤堆表面積,m2;ω為空氣相對濕度,取60%;W為煤物料濕度,原煤6%。

2.3 各計(jì)算公式對比分析

對于上述計(jì)算公式,利用某電廠2×600MW機(jī)組煤場進(jìn)行對比分析,煤場設(shè)計(jì)參數(shù)如下:煤場采用斗輪堆取料機(jī)條形煤場,煤場長200m,寬100m,煤場堆高13m。

2.3.1 起塵風(fēng)速計(jì)算

根據(jù)煤場起塵風(fēng)速計(jì)算公式,在不同含水率及煤塵粒徑的情況下,煤場起塵風(fēng)速計(jì)算見表1。

表1 不同含水率煤場起塵風(fēng)速計(jì)算m/s

根據(jù)理論計(jì)算,結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)資料,實(shí)際應(yīng)用中煤堆起塵風(fēng)速一般取4.4m/s。

2.3.2 起塵量計(jì)算

綜合分析上述起塵量計(jì)算公式,環(huán)評推薦公式包含環(huán)境風(fēng)速、煤堆表面含水率、煤堆面積等影響煤場起塵量的關(guān)鍵因素,適用性較廣,代表性較強(qiáng)。因此,采用環(huán)評推薦公式作為煤場起塵量的計(jì)算公式。

在不同風(fēng)速、不同含水率的情況下,煤場起塵量情況見表2。

表2 不同含水率煤場起塵量計(jì)算g/s

3 煤場揚(yáng)塵擴(kuò)散模式的選擇

3.1 擴(kuò)散模式的選擇

目前,應(yīng)用于環(huán)評的面源擴(kuò)散模式主要包括中心點(diǎn)源修正法、后退虛擬點(diǎn)源修正法、數(shù)值積分法等幾種。考慮煤場揚(yáng)塵的可沉積性,推薦采用傾斜煙羽后退虛擬點(diǎn)源修正預(yù)測模式:

式中:H為面源高度,m;Q為塵粒子排放量,mg/s; a為塵粒子地面反射系數(shù);Vg為粒子重力沉降速度, m/s;X面源中心到測點(diǎn)的距離,m;V為風(fēng)速,m/s; σz為垂直擴(kuò)散參數(shù);σy為水平擴(kuò)散參數(shù)。

3.2 煤場揚(yáng)塵預(yù)測

采用上述預(yù)測模式,對國內(nèi)某電廠2×600MW機(jī)組煤場揚(yáng)塵進(jìn)行預(yù)測,煤場設(shè)計(jì)參數(shù)同上。根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)資料,煤堆起塵的啟動風(fēng)速約為4.4m/s,本次主要預(yù)測計(jì)算D類穩(wěn)定度下風(fēng)速5～10m/s、煤堆表面含水率4%～8%的情況下煤場揚(yáng)塵的軸線濃度,預(yù)測結(jié)果見表3。

由表3可以看出,隨著風(fēng)速的增加,相同距離上的揚(yáng)塵地面濃度增加,揚(yáng)塵的影響范圍不斷擴(kuò)大。隨著煤堆含水率的增加,相同距離上的揚(yáng)塵地面濃度減小,揚(yáng)塵的影響范圍不斷縮小。當(dāng)煤表面含水率大于7%時(shí),大風(fēng)條件下(10m/s),煤場周界外TSP濃度不超過《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 16297-1996)規(guī)定的無組織排放源周界外質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)(1.0mg/m3)。

表3 煤堆煤塵小時(shí)軸線濃度mg/m3

4 防風(fēng)抑塵網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式及抑塵效果研究

4.1 防風(fēng)抑塵網(wǎng)抑塵機(jī)理研究

防風(fēng)抑塵網(wǎng)能大量降低露天煤場的起塵量,其機(jī)理是通過降低來流風(fēng)的風(fēng)速,最大限度地?fù)p失來流風(fēng)的動能,避免來流風(fēng)的明顯渦流,減少風(fēng)的湍流度而達(dá)到減少起塵的目的。

由于氣象、地形及煤場內(nèi)物料情況等因素影響,煤場具有陣發(fā)性風(fēng),易形成渦流風(fēng),使煤場內(nèi)的起塵量增加。當(dāng)風(fēng)通過防風(fēng)抑塵網(wǎng)時(shí),一部分氣流經(jīng)過防風(fēng)抑塵網(wǎng)進(jìn)入墻內(nèi)的庇護(hù)區(qū);另一部分氣流向上繞過防風(fēng)抑塵網(wǎng)進(jìn)入墻內(nèi)的庇護(hù)區(qū),這樣做可使風(fēng)的動能損失最大,煤堆起塵量最小,即以損失風(fēng)動能達(dá)到最大限度地減少煤堆起塵的目的。

4.2 防風(fēng)抑塵網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式研究

4.2.1 防風(fēng)抑塵網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式概述

目前,電廠使用的防風(fēng)抑塵網(wǎng)一般包括三部分:一是地下基礎(chǔ),可現(xiàn)場澆注混凝土,也可預(yù)制混凝土件;二是支護(hù)結(jié)構(gòu),采用鋼支架制成,以提供足夠的強(qiáng)度,保證足夠的安全系數(shù),以抵御強(qiáng)風(fēng)的襲擊,同時(shí)考慮了整體造形的美觀;三是防風(fēng)抑塵板,現(xiàn)場將單片防風(fēng)抑塵板組合起來形成防風(fēng)抑塵網(wǎng),板與板之間無縫隙,防風(fēng)抑塵板與支架之間采用螺釘和壓片連接固定。

防風(fēng)抑塵板設(shè)計(jì)使用壽命10～15 a,采用非金屬復(fù)合材料經(jīng)膜壓一次成型,根據(jù)空氣動力學(xué)原理,當(dāng)風(fēng)通過由“防風(fēng)抑塵板”組成的“擋風(fēng)墻”時(shí),墻后面出現(xiàn)分離和附著兩種現(xiàn)象,形成上、下干擾氣流,降低來風(fēng)的風(fēng)速,極大地?fù)p失來風(fēng)的動能,減少風(fēng)的湍流度,消除來風(fēng)的渦流,降低對煤堆表面的剪切應(yīng)力和壓力,從而減少起塵量。

4.2.2 防風(fēng)抑塵網(wǎng)高度設(shè)計(jì)

防風(fēng)抑塵網(wǎng)高度由煤堆高度、煤堆面積和環(huán)境質(zhì)量要求等因素來確定。防風(fēng)抑塵網(wǎng)靠近煤堆設(shè)置,要求煤塵飛揚(yáng)量小于國家標(biāo)準(zhǔn),通過南京工業(yè)大學(xué)進(jìn)行的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn),綜合計(jì)算得出防風(fēng)抑塵網(wǎng)的高度比堆煤高出2～3m較為適宜。

4.2.3 防風(fēng)抑塵板的開孔率

防風(fēng)抑塵板的開孔率作為防風(fēng)抑塵板的結(jié)構(gòu)指標(biāo),它是防風(fēng)抑塵板的開孔透風(fēng)面積與總面積之比,是設(shè)計(jì)防風(fēng)抑塵板的一個(gè)重要參數(shù)。不同材質(zhì)、不同加工工藝,開孔率不同,透風(fēng)系數(shù)也不同,抑塵效果也就大不相同。一般要求開孔率在15%以上,最常用的防風(fēng)抑塵板開孔率在30%左右。

4.3 防風(fēng)抑塵網(wǎng)抑塵效果研究

4.3.1 數(shù)值模擬計(jì)算

4.3.1.1 計(jì)算條件

數(shù)值模擬的計(jì)算區(qū)域根據(jù)火電廠實(shí)際廠區(qū)布置設(shè)置成長7200m、寬460m、高200m的長方體空間,在其露天煤場有A、B 2個(gè)煤堆,呈條形,長分別為135m和120m,高分別為25m和17m,其他建構(gòu)筑物為主廠房、冷卻塔、脫硫、除塵裝置、風(fēng)機(jī)房、煙囪、辦公樓、檢修車間及其他設(shè)施等。

4.3.1.2 防風(fēng)抑塵網(wǎng)對地面風(fēng)流場的影響

大氣邊界層的流動是充分發(fā)展的湍流,在這樣一個(gè)流場中防風(fēng)抑塵網(wǎng)前后風(fēng)場流動是十分復(fù)雜的。從近地面風(fēng)流線圖圖中可以發(fā)現(xiàn),在沒有防風(fēng)抑塵網(wǎng)時(shí),近地面氣流直接作用于煤堆,風(fēng)極易從煤堆表面剝離和揚(yáng)起煤塵并攜帶到下風(fēng)向;而設(shè)置防風(fēng)抑塵網(wǎng)后,氣流在墻后發(fā)生了明顯的跳躍,不能直接作用在煤堆上,這個(gè)跳躍區(qū)域是一個(gè)明顯的漩渦回流區(qū),這個(gè)回流區(qū)因?yàn)榫哂械退儇?fù)壓特性而被稱為空氣動力陰影區(qū)。如果煤堆被放置在這一區(qū)域內(nèi),則可以防止粉塵顆粒飛揚(yáng)。

4.3.1.3 防風(fēng)抑塵網(wǎng)對地面風(fēng)壓的影響

對于煤堆A、B,在較大風(fēng)力天氣條件下,其最易揚(yáng)塵的是煤堆頂部棱、側(cè)坡面和棱處,在該處設(shè)置防風(fēng)抑塵網(wǎng)的效果明顯。無防風(fēng)抑塵網(wǎng)時(shí),風(fēng)力直接作用在煤堆表面,煤堆迎風(fēng)面和棱處風(fēng)壓較大,當(dāng)風(fēng)速為7.5m/s時(shí),煤堆頂部棱風(fēng)壓達(dá)到40 Pa,側(cè)坡面棱處風(fēng)壓達(dá)到了60 Pa,風(fēng)極易從煤堆表面剝離和揚(yáng)起風(fēng)塵并攜帶到下風(fēng)向;而設(shè)置防風(fēng)抑塵網(wǎng)后,煤堆表面風(fēng)速明顯減弱,煤堆迎風(fēng)面和棱處風(fēng)壓明顯減小,只有無防風(fēng)抑塵網(wǎng)時(shí)風(fēng)壓的1/5。

4.3.1.4 風(fēng)速對防風(fēng)抑塵網(wǎng)效果的影響

選取長為175m,墻厚為4mm,高為30m,開孔率為30%的防風(fēng)抑塵網(wǎng)為研究對象。有防風(fēng)抑塵網(wǎng)后煤堆表面風(fēng)壓與風(fēng)速相關(guān),隨著自然風(fēng)速的增大,煤堆表面風(fēng)壓也逐步增大,在風(fēng)速達(dá)到10m/s時(shí),煤堆頂部棱和側(cè)面棱處風(fēng)壓明顯增大,局部超過50 Pa,當(dāng)風(fēng)速達(dá)到15m/s時(shí),煤堆表面局部易揚(yáng)塵位置風(fēng)壓達(dá)到70 Pa,揚(yáng)塵的可能性增大。

4.3.1.5 墻高對防風(fēng)抑塵網(wǎng)效果的影響

防風(fēng)抑塵網(wǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)同上,風(fēng)速7.5m/s。在固定主導(dǎo)風(fēng)的風(fēng)速、防風(fēng)抑塵網(wǎng)的長度、厚度及開孔率的情況下,當(dāng)防風(fēng)抑塵網(wǎng)的高度從20m變化到35m時(shí),煤堆A表面風(fēng)壓明顯減小;當(dāng)墻高達(dá)到30m后,煤堆頂部棱和側(cè)棱的易揚(yáng)塵區(qū)域表面風(fēng)壓降低到5 Pa以下。由此看來,防風(fēng)抑塵網(wǎng)的合理高度應(yīng)該比受保護(hù)煤堆高度略高,為煤堆高的1.1～1.2倍較為適宜。

4.3.1.6 墻開孔率對防風(fēng)抑塵網(wǎng)效果的影響

防風(fēng)抑塵網(wǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)同上,風(fēng)速為7.5m/s。在固定主導(dǎo)風(fēng)的風(fēng)速、防風(fēng)抑塵網(wǎng)的長度、厚度及墻高度的情況下,當(dāng)防風(fēng)抑塵網(wǎng)的開孔率從20%變化到70%時(shí),煤堆A表面風(fēng)壓逐漸增大,當(dāng)開孔率超過40%時(shí),煤堆A的迎風(fēng)面?zhèn)壤獬霈F(xiàn)風(fēng)壓較大的區(qū)域,風(fēng)壓大于30 Pa。墻體開孔率越大,其阻力系數(shù)越小,墻體的透風(fēng)率越高。過大的開孔率雖然可以降低墻體的受風(fēng)風(fēng)壓,減少支護(hù)設(shè)施,但對降低煤堆表面風(fēng)壓和抑制墻體后方煤堆的揚(yáng)塵不利。

4.3.2 防風(fēng)抑塵網(wǎng)抑塵效果測試

4.3.2.1 測試條件

對電廠煤場防風(fēng)抑塵網(wǎng)抑塵效果進(jìn)行對比測試,分別選擇風(fēng)力為4～6級(風(fēng)速5.5～11m/s)和0～3級(風(fēng)速≤5.4m/s)大、小兩種風(fēng)力,在相近采樣條件下(相同下風(fēng)向,近似堆煤條件,下風(fēng)向平行位置),對防風(fēng)網(wǎng)內(nèi)外進(jìn)行同時(shí)對比采樣。在大風(fēng)條件下開啟煤場噴淋裝置有效噴淋后,再對防風(fēng)網(wǎng)內(nèi)、外進(jìn)行對比采樣。

在防風(fēng)抑塵網(wǎng)前上風(fēng)向12m處設(shè)置1號大氣環(huán)境本底參照點(diǎn),然后自西向東依次在網(wǎng)內(nèi)6、12、36、48、60、90、120m處設(shè)置2、3、4、5、6、7、8號采樣點(diǎn)。同時(shí)在網(wǎng)外10m平行處的相對位置設(shè)置對照采樣點(diǎn)。在各采樣點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)速監(jiān)測。

4.3.2.2 測試結(jié)果

無組織顆粒物監(jiān)測數(shù)據(jù)見表4,各點(diǎn)位風(fēng)速監(jiān)測數(shù)據(jù)見表5,測試時(shí)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng),風(fēng)速為時(shí)間間隔內(nèi)平均值。

表4 無組織顆粒物監(jiān)測數(shù)據(jù)mg/m3

表5 各點(diǎn)位風(fēng)速監(jiān)測數(shù)據(jù)m/s

4.3.2.3 抑塵效果分析

由監(jiān)測計(jì)算結(jié)果可知,小風(fēng)條件下抑塵效率為71.14%～97.56%,平均抑塵效率為89.77%;大風(fēng)條件下抑塵效率為41.29%～97.87%,平均抑塵效率63.04%;大風(fēng)條件下對煤場進(jìn)行噴淋15min后,測得抑塵效率為81.78%～96.57%,平均抑塵效率為87.55%。

5 結(jié)語

(1)風(fēng)速對防風(fēng)抑塵網(wǎng)的效果有較顯著的影響:隨著主導(dǎo)風(fēng)風(fēng)速的增大,固定幾何尺寸的防風(fēng)抑塵網(wǎng)內(nèi)受保護(hù)煤堆的表面風(fēng)壓逐漸增大,擋風(fēng)效果逐步降低。

(2)防風(fēng)抑塵網(wǎng)的幾何特性對其防風(fēng)抑塵效果也有較大影響:在某一風(fēng)速下,有效墻高與受保護(hù)煤堆的高低有直接的關(guān)系,墻高為煤堆高度的1.1～1.2倍較為合適;墻的開孔率對受保護(hù)煤堆表面風(fēng)壓的影響也顯而易見,過小的開孔率會增加墻的風(fēng)壓,過大的開孔率會增大受保護(hù)煤堆表面風(fēng)壓,開孔率一般取30%～40%較為合適。

(3)從監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理與氣象因素分析可以看出,防風(fēng)抑塵網(wǎng)無論在抑制顆粒物污染還是在防風(fēng)方面都有明顯效果。在抑塵方面:小風(fēng)條件下平均抑塵效率可達(dá)89.77%;大風(fēng)條件下開啟煤場噴淋裝置,平均抑塵效率可達(dá)87.55%。防風(fēng)測試數(shù)據(jù)表明,大風(fēng)條件下抑塵網(wǎng)效果更好。

(4)設(shè)計(jì)防風(fēng)抑塵網(wǎng)時(shí),應(yīng)綜合考慮來流風(fēng)的大氣流場、主導(dǎo)風(fēng)向、周圍建筑物對來流風(fēng)的風(fēng)速、風(fēng)向的影響,有針對性的選擇設(shè)網(wǎng)高度。在大風(fēng)條件下,應(yīng)開啟煤場噴淋裝置,以提高抑塵效率。

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X51

B

1674-8069(2010)06-021-05

2010-07-30;

2010-10-29

熊宏亮(1983-),男,山東濟(jì)南人,工程師,主要從事火電廠環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)及環(huán)境影響評價(jià)工作。E-mail:xionghongliang @sdepci.com

Abstract:The mechanism of coal yard dust,dust quantity and w ind speed est im ates,coal dust prediction model, w ind-proof and dust supp ressing walland dust suppression effects are comp rehensively discussed.The recomm ended formula forw ind speed and est im ating the quantity of dust,recommended coal dust prediction models are proposed.By numerical s im ulation and exper imental data,dust suppression effects are analyzed.

Key words:coal yard dust;p rediction model;w ind-proof and dust suppressing wall